纳米科学与技术 Nanoscale Science & Technology 材料科学与工程学院

1. 纳米科学与技术 Nanoscale Science & Technology 材料科学与工程学院

2. 李桂村 • 第二实验楼312房间 • Tel: 13730918070 • E-mail: guicunli@qust.edu.cn

3. 参考书： 1、纳米技术与纳米材料，张志焜、崔作林著，国防工业出版社，2000 2、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学出版社，2001 3、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出版社，2003 4、Nanoscale Science and Technology, Robert W. Kelsall，John Wiley & Sons Ltd, 2005 5、国外著名杂志：Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotech., Angew. Chim. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Letters

4. 第一章 纳米科学技术简介 • 第二章 纳米结构单元 • 第三章 纳米材料的检测分析技术 • 第四章 纳米科学的基本理论 • 第五章 纳米材料的制备方法 • 第六章 纳米微粒的结构与物理化学特性

5. 第一章纳米科学技术简介 • 教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历史、最新进展和趋势。 • 重点内容： • 1、掌握基本概念 • 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米陶瓷、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装体系、自上而下、自下而上 。 • 2、纳米材料与传统材料的差别。 • 3、纳米科技的分类。 • 4、纳米科技的前沿动态。 

6. 难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。 • 熟悉内容: • 了解纳米科学技术发展史。 • 了解发展纳米科技的意义。 •  纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。 • 主要英文词汇: • Mesostructure, Macrostructure, Nanostructure, Nanotechnology; nanomaterial, Nanostructure, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.

7. 绪论 (Introduction) • 美国卢克斯研究公司2005调查报告: • 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10亿美元，各州又另外投入了4亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 • 1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到5亿美元，到2003年就增长到35亿美元。 • (摘自：科技日报 2005-01-27)

8. “纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要等上数十年时间。“纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要等上数十年时间。 • 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害，对这方面研究的资金投入明显不够。

9. 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。 • 在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。

10. 报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。 • 但同时科学家们也有一些担忧，这些新材料的产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。

11. 新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。 • 根据科尔文公布的动物试验数据，小于100纳米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神经系统, 从而影响大脑和神经系统的正常运转。 • 2008年3月，据英国《新科学家》杂志报道，纳米材料、转基因农作物、人造病毒和仿生机器人等25个因素将严重威胁未来的地球环境，纳米材料居榜首 。

12. 2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品：2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品： • 1、纳米啤酒瓶—纳米复合材料 • 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材料用于食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一样对人体无害。

13. 2、纳米防弹衣 • “首选防弹衣”公司使用Nanorepel纳米材料制造新型防弹衣，具有更出色的防御安全性能。在子弹击中人体的瞬间，这种纳米防弹衣纤维层表面的有机分子薄层将冻结加固，锁定子弹的作用力于防弹衣表面，作用力将扩散至身体更广的范围，从而缓冲子弹对人体的伤害。

14. 3、纳米电池 • 日常充电电池中，锂离子从钴酸锂正极快速地穿过隔膜抵达碳负极，这种传统充电电池功率较低，很快就会耗完电，使用时还很容易着火或爆炸。 • 美国MIT的常业明教授采用新型纳米材料—磷酸铁锂代替正极，可以大幅改善充电电池的性能。目前，一些公司现已开始使用这种纳米电池应用于高功率电器和仪器，这种电池很可能将安装在雪佛莱电动汽车，该款汽车将于2010年上市。

15. 4、金纳米微粒用于遗传基因测试 • Verigene医疗系统采用金纳米微粒涂层的DNA分子鉴别关键性的蛋白质和重要基因，仅仅按一下按钮便能进行复杂的血液测试，完成医学诊断。

16. 5、纳米等级汽车光泽剂 • 如果汽车使用普通光泽剂，涂上之后会出现漩涡状痕迹，或者出现难看的光泽或雾状结构。 • 汽车美容公司“神鹰1号”称，使用纳米等级巴西棕榈蜡将永远保持清洁。由于棕榈蜡微粒非常小，它们呈现出透明状。它们的分子尺寸大小能够填充细微的瑕疵。目前，防晒霜制造商在生产防晒霜时也采用了纳米等级的氧化锌。

17. 6、纳米太阳能电池板 • 太阳能电池的价格非常昂贵，其原因是它们很难制造。多数太阳能电池是在真空室制造的。 • 目前，纳米太阳能技术可将太阳能电池技术实现得更加便捷，该技术可以在廉价金属薄片上打印纳米微粒，制造出可打印的太阳能电池板。

18. 目前的太阳能电池受到多方面限制，比如相对较低的产电效率（15%左右）和较高的制造成本。在传统太阳能电池中，一个光子只能精确释放出一个电子。目前的太阳能电池受到多方面限制，比如相对较低的产电效率（15%左右）和较高的制造成本。在传统太阳能电池中，一个光子只能精确释放出一个电子。 • 一种可能的改进就是，利用半导体纳米晶体来制造新型太阳能电池。在一些半导体纳米晶体材料中，一个光子可以释放出两到三个电子，这也就是所谓的“雪崩效应”。 • 在这种情况下，太阳能电池理论上的最大效率可以达到44%。此外，它们的造价更便宜。 • 2008年5月，荷兰Laurens Siebbeles教授证实，硒化铅(PbSe)纳米晶体中确实会发生雪崩效应。 Nano Lett., 2008, 8 (6), pp 1713–1718。

19. 7、金纳米微粒女性验孕纸 • 女性验孕纸测试条码上覆盖抗体的一些金纳米微粒可以快速锁定绒毛膜促性腺激素,从而使验孕测试更加快速有效。

20. 8、纳米网球 • 威尔逊体育用品公司采用由纳米科技公司InMat研制的纳米技术制造出高端双核网球，这种黏性纳米微粒技术将使网球更加坚硬、使用时间更长。 • 但是美国网球爱好者们并不想购买价格昂贵的网球，威尔逊公司不得不停止这种纳米网球的制造生产。

21. 9、纳米止血绷带 • 美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家莎拉－贝克 等意识到铝矽酸盐纳米微粒可引起人体自然的凝血进程，并已经使用铝矽酸盐纳米微粒测试了患者的凝血功能。 • 这种纳米绷带已申请了专利权，预计在战场上可以止住严重的伤口流血，能够有效地挽救战场上的受伤士兵。 ***

22. §1.1 纳米科学技术简介Nanoscale science & technology • 人类对客观世界的认识分为两个层次： • 一是宏观领域，二是微观领域。 • 宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体； • 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。 • 基本粒子：电子、质子、中子等。

23. 介观领域： • 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。 • 1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。 • 这个领域包括了从微米(1-100μm)、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。

24. 介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。 • (导体与绝缘体的转变，顺磁性和铁磁性变化、纳米碳管导电性等)。 • 从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。 • 纳米体系和团簇从这种介观范围独立出来，形成一个单独的领域(狭义的介观领域)。

25. 一、纳米科学技术的基本概念和内涵 • 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。 • 头发直径：50-100 m, 1 nm相当于头发的1/50000。如图 • 氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。 • Nanotechnology is the term used to cover the design, construction and utilization of functional structures with at least one characteristic dimension measured in nanometers.

26. How small is 1 nanometer? Human Hair 一纳米有多小？

27. C60 0.7 nm 从宏观世界到微观世界 跳蚤 头发 病毒 红细胞 单壁碳管 1.4 nm DNA 2 nm Pt/TiO2催化剂

28. Understanding Size • How big (small) are we talking about? • 10 centimeters

29. Understanding Size • 1 centimeter

30. Understanding Size 100 micrometers

31. Understanding Size 10 micrometers

32. Understanding Size 1 micrometer

33. Understanding Size 100 nanometers

34. Understanding Size 10 nanometers

35. Understanding Size • 1 nanometer

36. 1. 纳米科学技术(Nano-ST): • 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。

37. 2. 纳米科技的主要研究内容: • 创造和制备优异性能的纳米材料、 • 制备各种纳米器件和装置、 • 探测和分析纳米区域的性质和现象。 • (基础，目标，前提)

38. 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科 • （1）纳米电子学、 • （2）纳米物理学、 • （3）纳米化学、 • （4）纳米生物学、 • （5）纳米加工学、 • （6）纳米计量学(定位、测长等)。 • 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

39. 3.纳米材料(Nanomaterials)的定义: • 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。 • 即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 • The objects may display physical attributes substantially different from those displayed by either atoms or bulk materials.

40. 纳米材料有两层含义： • 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒； • 其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。 • 量子尺寸效应

41. 有些人对纳米材料真正的本质存在着某种程度的误解，不切实际的商业宣传导致了市场“炒作”现象。有的商家甚至通过长度单位的换算将微米或亚微米材料宣传为纳米材料。有些人对纳米材料真正的本质存在着某种程度的误解，不切实际的商业宣传导致了市场“炒作”现象。有的商家甚至通过长度单位的换算将微米或亚微米材料宣传为纳米材料。 • 常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。 • 一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

42. 4.纳米材料的分类(Classification of nanostructures) • amorphous, singlecrystalline or polycrystalline • 按结构(维度the number of dimensions）分为5类： • (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 • Systems confined in three dimensions • Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots • HRTEM image • of magnetic iron oxide nanoparticle

43. (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes. • (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.

44. (4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 • a nanocrystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.

45. (5) 纳米孔材料(孔径为纳米级)。 • MCM-41; SAB-15; • Nanoporous silicon; • Activated carbons MCM-41 Activated carbons

46. SAB-15 6, 9, 20, 26 nm

47. 按组成（component） 分类 • 金属纳米材料、 • 半导体纳米材料、 • 有机和高分子纳米材料、 • 复合纳米材料、 • …… • 复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料、无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料…………

48. 从应用的角度看，纳米材料可以分为两大类： • 一类距现在的应用相对较远，如纳米量子结构、量子器件等，但是这类材料和器件的发展将大大拓展和深化人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料及器件，将导致信息、能源、环境、医疗、生物与农业等领域的技术变革。如芯片 • 另一类具有现实的应用，并且在传统产业的改造和高新技术的发展过程中起到了重要的作用。 • 如纳米复合材料如碳纳米管增强Cu。

49. 5. 纳米材料的新性质： • 当物质小到1~100 nm (10-9~10-7 m)时, 由于其巨大的表面及界面效应, 物质的很多性能发生质变, 呈现出许多既不同于宏观物体, 也不同于单个孤立原子的奇异现象。 • (如量子化效应，非定域量子相干效应，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线性效应等等)

50. 6. 纳米科技的最终目标： • 直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 • (如纳米尺度上的能带、费米能级及逸出功特意味着什么?)