材料科學(xué)基礎(chǔ)第四章

關(guān)于材料科學(xué)基礎(chǔ)第四章第1頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/17臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院2化合物金屬材料半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料硅酸鹽材料復(fù)合材料納米材料高分子材料一、納米概念第2頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米（nanometer）是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為nm。

1nm=10-9m1nm等于10個(gè)氫原子一個(gè)挨一個(gè)排起來(lái)的長(zhǎng)度。人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬(wàn)個(gè)納米。納米是一個(gè)極小達(dá)到尺寸，但它又代表人們認(rèn)識(shí)上的一個(gè)新層次，從微米進(jìn)入到納米。

第3頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米尺度的概念第4頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2023/5/17臺(tái)州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院5跳蚤頭發(fā)紅細(xì)胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2

催化劑第5頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月花粉是納米級(jí)的粒子病毒也是納米級(jí)的,３0-100nm.第6頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月如果一個(gè)納米的粒子放在乒乓球上，相當(dāng)于把一個(gè)乒乓球放在地球上。用什么儀器去看納米掃描隧道顯微鏡（英文名稱是ScanningTunnelingMicroscope，簡(jiǎn)稱為STM）。STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米二、納米科學(xué)技術(shù)第7頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

左圖為單個(gè)Xe原子靜置在Ni表面上的情景，右圖為探針“拾”起該原子的情景。此圖分別顯示出相應(yīng)的兩個(gè)狀態(tài)的STM圖像原子操作過(guò)程的STM象第8頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米科技和納米材料

納米科技是在0.1-100nm的空間內(nèi)，研究物質(zhì)組成體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，以及實(shí)際應(yīng)用中技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)，被世界各國(guó)列為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

納米材料是指用晶粒尺寸為納米級(jí)的微小顆粒制成的各種材料，其粒徑為0.1-100nm，納米物質(zhì)有四大效應(yīng)：即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。第9頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的特異性能科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。納米黃金變?yōu)楹谏?，納米鉑（白金）變成鉑黑;納米材料還具有超塑性，室溫下的納米銅絲經(jīng)過(guò)軋制，其長(zhǎng)度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm；陶瓷在通常情況下是很硬、很脆的，如果采用納米粉體制成納米陶瓷，它也可以具有韌性（“摔不破的陶碗”）；硅晶體是不發(fā)光的，但納米硅卻會(huì)發(fā)光；涂有納米涂層的玻璃可以防霧（汽車車窗玻璃）。第10頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1959年，費(fèi)曼的預(yù)言這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。1984年，德國(guó)研制成功第一個(gè)金屬納米材料；1987年，美國(guó)研制成功氧化鈦納米材料；1990年，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生；1993年，中國(guó)科學(xué)院真空物理實(shí)驗(yàn)室，首次操縱原子成功寫出“中國(guó)”二字。標(biāo)志著我國(guó)開始在國(guó)際納米領(lǐng)域占有一席之地。1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元。納米科技大事記第11頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

納米科學(xué)技術(shù)

下圖所示為超高真空中利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)，在硅單晶體表面（111）面上移動(dòng)Si原子而形成“中國(guó)”二字字樣。圖超高真空中,用STM技術(shù)，移動(dòng)Si（111）面上的原子形成“中國(guó)”字樣第12頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1993年后，我國(guó)科學(xué)家先后操縱原子寫出“中國(guó)”、“原子”、繪出中國(guó)輪廓圖。第13頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

每個(gè)字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對(duì)準(zhǔn)選中的Xe原子、使針尖接近Xe原子、使原子間作用力達(dá)到讓Xe原子跟隨針尖移動(dòng)到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。1990年，美國(guó)加州的IBM研究室艾格勒等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個(gè)氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。這張放大了的照片登在《時(shí)代》周刊上，被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告。第14頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月在掃描隧道顯微鏡下，科學(xué)家將48個(gè)鐵原子排列在銅表面上，形成一個(gè)圓形圍欄。第15頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月鐵原子的移動(dòng)過(guò)程第16頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月摔不碎的納米陶瓷強(qiáng)度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米材料—特性第17頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。

蓮花葉子表面的自我潔凈納米線幾種植物的葉子，包括荷花，展現(xiàn)出其自潔特性。這種所謂的“荷花效應(yīng)”也叫作自清潔效應(yīng)，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因?yàn)樗谋砻媸止饣?，污垢難以停留？不是?？茖W(xué)家用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，全是納米級(jí)的“疙瘩”。第18頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月蓮花葉面表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當(dāng)遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時(shí)，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面。第19頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這些“疙瘩”讓雨水將荷葉清洗干凈，從而讓荷花保持最佳光合作用能力，顯得精神抖擻。這張2微米x2微米圖像顯示一種人造制品在模仿荷花的自清潔效應(yīng)。此地毯似的一團(tuán)納米線是由化學(xué)汽相淀積處理而成的。當(dāng)水滴落在此超級(jí)不沾水的納米線上時(shí)，它們會(huì)快速滴落，并帶走納米線上的塵埃。

第20頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管纖維紡織技術(shù)2004年11月19日美國(guó)《科學(xué)》周刊306卷第21頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月用納米碳管建成的地月載人電梯構(gòu)想圖第22頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米材料應(yīng)用第23頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月華裔教授王中林

在原子力顯微鏡的幫助下，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林小組利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅（ZnO）納米線的獨(dú)特性質(zhì)，發(fā)明了能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界最小的發(fā)電裝置——直立式納米發(fā)電機(jī)。2006年圖：(a)低倍掃描電子顯維照片顯示兩個(gè)互相纏繞的、表面長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列的纖維，其中一個(gè)鍍有金。(b)高倍掃描電子顯維照片顯示兩纖維界面處的納米線對(duì)納米線結(jié)構(gòu)。(c)顯示多根纖維組成的纖維納米發(fā)電機(jī)的串/并連式連接來(lái)提高輸出電壓/電流。(圖片來(lái)源：王中林實(shí)驗(yàn)室)

世界上最小的發(fā)動(dòng)機(jī)-納米發(fā)動(dòng)機(jī)第24頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2007年超聲波驅(qū)動(dòng)式直流納米發(fā)電機(jī)：超聲波帶動(dòng)的直流納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)原理和輸出的直流電流。電流隨超聲波的激發(fā)而起，停止而息。利用約五百根納米線可連續(xù)發(fā)出納安級(jí)的電流。

2008年交流納米發(fā)電機(jī)的示意圖以及當(dāng)來(lái)回彎曲時(shí)所給出的交流輸出電壓：納米布只要能動(dòng)（跑步、走路、心跳

）就能發(fā)電：肌肉活動(dòng)所帶動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)第25頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米機(jī)器人進(jìn)入人體消化系統(tǒng)工作示意圖

像膠囊一樣的納米機(jī)器人醫(yī)生

重慶納米機(jī)器人“醫(yī)生”

重慶科研人員開發(fā)的這種名為“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”的納米機(jī)器人。一種長(zhǎng)得十分奇特的“重慶籍醫(yī)生”目前在國(guó)際上名聲大噪——該醫(yī)生長(zhǎng)得像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然。它第二次被列入國(guó)家“863計(jì)劃”，前一次獲得了該計(jì)劃500萬(wàn)元基金支持，并于2004年獲得“863計(jì)劃”專家組驗(yàn)收該醫(yī)生“腰圍”11毫米，“身高”25.4毫米，長(zhǎng)得完全像一顆膠囊。并于2004年獲得“863計(jì)劃”專家組驗(yàn)收，但這種機(jī)器人目前還只能鉆進(jìn)人的肚子里通過(guò)傳輸圖像“瞧病”，還沒有治病的本事。

第26頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米機(jī)器人

納米機(jī)器人的魅力之處在于：由于可以進(jìn)行自我復(fù)制，只需在體內(nèi)植入很少的量，便可達(dá)到治療目的。然而，所謂的魅力與可怕的危險(xiǎn)是同時(shí)存在的，納米機(jī)器人能在10小時(shí)內(nèi)復(fù)制680億個(gè)，在身體“防御盾”不斷被削弱的同時(shí)，人類成為生物和技術(shù)的合成體，也就是同時(shí)具備兩種特征。在這種情況下，抵抗是徒勞的。

生物醫(yī)藥技術(shù)第27頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

生物醫(yī)藥技術(shù)

納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。納米機(jī)器人小到可在人的血管中自由地游動(dòng)，對(duì)于腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。-----中科院研究第28頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月納米機(jī)器人——“納米微型軍”

“納米蜘蛛”微型機(jī)器人“納米黃蜂”仿生機(jī)器人第29頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“機(jī)器蒼蠅”

它既能被飛機(jī)、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敵軍信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)附近，大批“機(jī)器蒼蠅”可在某地區(qū)形成高效偵察監(jiān)視網(wǎng)，大大提高戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取量。如果再在它們身上安裝某種極小的彈頭，“蒼蠅”無(wú)疑會(huì)變成“馬蜂”。第30頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月“蚊子導(dǎo)彈”

利用納米技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈，可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能。納米導(dǎo)彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部，其威力足以炸毀敵方火炮．坦克、飛機(jī)、指揮部和彈藥庫(kù)。第31頁(yè)，課件共35頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

這是一種看似小草的微型