納米材料研究與發(fā)展

1、納米材料研究與發(fā)展納米材料研究與發(fā)展納米材料內(nèi)涵與基本效應(yīng)納米隱身材料及應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)材料及應(yīng)用納米加工與分子組裝人 類 社 會 發(fā) 展 過 程 科學(xué)技術(shù)第一生產(chǎn)力原始社會生存石器厘米農(nóng)業(yè)社會小農(nóng)經(jīng)濟農(nóng)具毫米工業(yè)社會工業(yè)經(jīng)濟機器微米信息社會知識經(jīng)濟智能機器納米納米材料研究與發(fā)展 納米材料研究歷程 納米材料特殊性質(zhì) 納米材料結(jié)構(gòu)單元 納米材料應(yīng)用展望 納米材料研究歷程 何謂納米 納米科技 納米材料 納米結(jié)構(gòu)費 曼納米 之 夢 1959年，美國著名物理學(xué)家、諾貝爾物理獎得主理查德費曼（Richard Feynman）預(yù)言 如果我們能按照自己的愿望一個一個地安排原子，將會出 現(xiàn)什么呢？這些物質(zhì)將有什么

2、性質(zhì)? 宏觀領(lǐng)域 ：指以人的肉眼可見的物體為最小物體 開始為下限，上至無限大的宇宙天體 介觀領(lǐng)域 ：包括從微米、亞微米， 納米到團簇尺寸(從幾個到幾 百個原子以上尺寸)的范圍 微觀領(lǐng)域 ：以分子原子為最大起點， 下限是無限的領(lǐng)域 什么是納米？尺寸或大小的度量單位：千米 米 厘米 毫米 微米 納米4倍左右原子大小，萬分之一頭發(fā)粗細納米科技 在納米尺度（1-100nm）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，同時利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)研究內(nèi)容 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料設(shè)計、制備各種納米器件和裝置探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象最終目的 以原子、分子為起

3、點，去設(shè)計制造具有特殊功能的產(chǎn)品，其技術(shù)路線可分為“自上而下”（Top Down），“自下而上”（Bottom Up）兩種方式納米科技分類（nanometre-scale science and technology) 納米技術(shù)五個發(fā)展階段第一階段：準確地控制原子數(shù)量在100個以 下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)第二階段：生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)第三階段：大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì) 將成為可能第四階段：納米計算機將得以實現(xiàn)第五階段：將研制出能夠制造動力源與程 序自律化的元件和裝置何謂納米材料？廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料納米材料是納米科技的主

4、要基礎(chǔ)，它和納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米檢測與表征等組成納米科技最基本的內(nèi)容，顯示出豐富的層次與學(xué)科交叉特征納米材料的分類 納米材料納米材料發(fā)展簡史1000多年前，中國古代燃燒蠟燭收集的碳黑、銅鏡表面的防銹層1861年，膠體化學(xué)建立，開始研究1100nm的粒子系統(tǒng)的膠體1962年，久保（Kubo）理論的提出1970年，江崎和朱兆祥提出了半導(dǎo)體超晶格概念1984年，Gleiter提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型1985年，Kroto等質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)C60 和C70新的譜線1990年，把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個新的分支1994年，正式提出納米材料工程 納米材料三個發(fā)展階段第一階段(1990年前)主要

5、是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能研究的對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相(nanocrystalline or nanophase)材料 第二階段(1994年前) 關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料。通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)及發(fā)展復(fù)合納米薄膜(0-2復(fù)合)，國際上通常把這類材料稱為納米復(fù)合材料這一階段納米復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主

6、導(dǎo)方向 第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝體系(nanostructured assembling system)、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注或者稱為納米尺度的圖案材料(patterning materials on the nanome tre scale) 納米組裝體系的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，其中包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。納米顆粒、絲、管、帶可以有序地排列 費 曼 之 問 “如何將信息儲存到一個微小的尺度?令人驚訝的是自然界早就解決了這個問題，在基因的某一點上，僅30

7、個原子就隱藏了不可思議的遺傳信息，如果有一天人們能按照自己的意愿排列原子和分子，那將創(chuàng)造什么樣的奇跡”今天，納米結(jié)構(gòu)的問世以及它所具有的奇特的物性正在對人們生活和社會的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響，費曼的預(yù)言已成為世紀之交科學(xué)家最感興趣的研究熱點什么是納米結(jié)構(gòu)？納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營造一種新的體系，它包括一維、二維和三維體系這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團簇或人造超原子(artificial superatoms)、納米管、納米棒、納米絲、納米帶以及納米尺寸的孔洞 納米結(jié)構(gòu)與納米材料納米結(jié)構(gòu)由于它具有納米微粒的特性：量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)又存在由納米結(jié)構(gòu)組

8、合引起的新的效應(yīng):量子耦合效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)納米結(jié)構(gòu)體系很容易通過外場(電、磁、光)實現(xiàn)對其性能的控制，這就是納米超微型器件的設(shè)計基礎(chǔ)納米結(jié)構(gòu)的分類人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系: 按人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人工地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系，包括納米有序陣列體系和介孔復(fù)合體系等這里，人的設(shè)計和參與制造起到?jīng)Q定性的作用，就好像人們用自己制造的部件裝配成非生命的實體 納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系: 指通過弱的和較小方向性的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣圖案納米結(jié)構(gòu)的研究意義 納米結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，把人們對納米材料的基本物理效應(yīng)的認識不斷引向深入。無序堆積而成的納米塊體材料，由于顆料之間的界面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，很難把量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)對奇特理化效應(yīng)的機理搞清楚納米結(jié)構(gòu)可以把納米材料的基本單元(納米微粒、納米絲、納米棒等)分離開來，這就使研究單個納米結(jié)構(gòu)單