神奇的納米材料課件

神奇的納米材料和納米技術(shù)暨南大學(xué)物理學(xué)系麥文杰博士科學(xué)新視野1神奇的納米材料和納米技術(shù)暨南大學(xué)物理學(xué)系科學(xué)新視野1納米技術(shù)很可能是連接粒子現(xiàn)象和太空現(xiàn)象的技術(shù)連接童話世界和未來世界的技術(shù)

2科學(xué)新視野5/19/20202科學(xué)新視野尺寸現(xiàn)象怪蟒3科學(xué)新視野5/19/2020尺寸現(xiàn)象怪蟒3科學(xué)新視野太空穿梭機(jī)SpaceShuttle現(xiàn)在情況:總共建造了5架太空穿梭機(jī),Columbia,Challenger,Discovery,AtlantisandEndeavour.每次有效載荷50,000

磅(22,700

千克)大約每年每架飛行1次SpaceShuttleAtlantis4科學(xué)新視野5/19/2020太空穿梭機(jī)SpaceShuttle現(xiàn)在情況:Space童話世界5科學(xué)新視野5/19/2020童話世界5科學(xué)新視野未來世界6科學(xué)新視野5/19/2020未來世界6科學(xué)新視野太空升降機(jī)一個夢想?(1)太空升降機(jī)基本設(shè)計目的就是使人們能夠連續(xù)不斷地把物質(zhì)從地球表面運送到太空優(yōu)點:Spaceelevatorstructuraldiagram有效載荷每千克成本穿梭機(jī)22,700

千克~5000美元升降機(jī)連續(xù)~500美元物理的角度7科學(xué)新視野5/19/2020太空升降機(jī)一個夢想?(1)太空升降機(jī)基本設(shè)計目的就是使太空升降機(jī)一個夢想?(1)建材鋼的特征應(yīng)變－應(yīng)力曲線1.極限強(qiáng)度2.屈服強(qiáng)度3.斷裂強(qiáng)度4.應(yīng)變硬化階段5.頸縮破壞階段這升降機(jī)的纜繩的性能要求很高，必須有非常高的強(qiáng)度/密度比。如果材料的密度跟石墨接近的時候，強(qiáng)度需要達(dá)到65–120GPa。材料屈服強(qiáng)度(MPa)

極限強(qiáng)度(MPa)

密度(g/cm3)

鋼,ASTMA5146907607.8凱夫拉爾（Kevlar）纖維36201.44碳納米管620001.34應(yīng)變應(yīng)力材料的角度8科學(xué)新視野5/19/2020太空升降機(jī)一個夢想?(1)建材鋼的特征應(yīng)變－應(yīng)力曲線太空升降機(jī)一個夢想?(1)碳納米管的強(qiáng)度/密度比大約是鋼的200－600倍，因此可能成為太空升降機(jī)的材料。單壁碳納米管的三維模型9科學(xué)新視野5/19/2020太空升降機(jī)一個夢想?(1)碳納米管的強(qiáng)度/密度比大約是把夢想變成現(xiàn)實教導(dǎo)“納米基本知識”尋找機(jī)會產(chǎn)生新想法提供概念制造原型商業(yè)化產(chǎn)品取得價值制造工作崗位10科學(xué)新視野5/19/2020把夢想變成現(xiàn)實教導(dǎo)“納米基本知識”10科學(xué)新視野本堂課程提綱基本概念納米的起源和發(fā)展觀察納米世界的主要工具納米技術(shù)包括的方面納米材料納米加工技術(shù)納米生物醫(yī)藥11科學(xué)新視野5/19/2020本堂課程提綱基本概念11科學(xué)新視野1.基本概念

納米(nanometer,nm)

＝十億分之一米（10-9m）1nm與1m相比，相當(dāng)于玻璃彈珠跟地球相比當(dāng)一個男人把剃須刀放下那一小段時間，胡子已經(jīng)長了大約1nm分子中原子之間間隔是0.12-0.15nmDNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑～2nm最小的細(xì)胞（Mycoplasma細(xì)菌）長度～200nm12科學(xué)新視野5/19/20201.基本概念納米(nanometer,

納米技術(shù)研究的是至少在一個維度上已經(jīng)進(jìn)入納米尺度（0.1-100nm)范圍的材料或者器件的相關(guān)現(xiàn)象。納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。包括了納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技，人類正越來越向微觀世界深入，人們認(rèn)識、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。0D量子點，納米顆粒1D碳納米管，各種納米線2D薄膜13科學(xué)新視野5/19/2020納米技術(shù)研究的是至少在一個維度上已經(jīng)進(jìn)入納米尺度14科學(xué)新視野5/19/202014科學(xué)新視野2.納米的起源和發(fā)展1959年美國物理學(xué)家費曼（RichardFeynman）首先提出，組裝原子或分子是可能的。15科學(xué)新視野5/19/20202.納米的起源和發(fā)展1959年美國物理學(xué)家費曼（Rich1981年觀察原子世界的主要工具－－掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM）誕生BinningandRohrerAnSTMimageofasiliconsurface-eachbumpisoneatom16科學(xué)新視野5/19/20201981年觀察原子世界的主要工具－－掃描隧道電子顯微鏡（S1985年美國RiceUniv.科學(xué)家RichardSmalley等人發(fā)現(xiàn)了Buckminsterfullerene，C6017科學(xué)新視野5/19/20201985年美國RiceUniv.科學(xué)家Richard1989年IBM科學(xué)家利用STM把35個氙（Xenon）原子在光滑表面排列出IBM三個字母，實現(xiàn)對單個原子的操縱。18科學(xué)新視野5/19/20201989年IBM科學(xué)家利用STM把35個氙（Xenon）1991年日本科學(xué)家Iijima發(fā)表了關(guān)于碳納米管（CNT）的研究，激起了世界范圍對納米科技的研究熱情19科學(xué)新視野5/19/20201991年日本科學(xué)家Iijima發(fā)表了關(guān)于碳納米管（CNT2001年當(dāng)時美國總統(tǒng)Clinton建立了NationalNanotechnologyInitiative(

NNI)，以推動和協(xié)調(diào)美國的納米研究。ThecoversofthereportsfromtheNationalNanotechnologyAdvisoryPaneltoUSPresident.20科學(xué)新視野5/19/20202001年當(dāng)時美國總統(tǒng)Clinton建立了National3.觀察納米世界的主要工具掃描隧道顯微鏡（STM）原子力顯微鏡（AFM）掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）21科學(xué)新視野5/19/20203.觀察納米世界的主要工具21科學(xué)新視野3.1掃描隧道顯微鏡(STM)量子力學(xué)起基本作用掃描隧道顯微鏡的基本原理刻蝕的鎢針尖掃描隧道顯微鏡的照片22科學(xué)新視野5/19/20203.1掃描隧道顯微鏡(STM)量子力學(xué)起基本作用掃描隧道顯3.2原子力顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡的示意圖接觸模式下掃描樣品表面針尖：23科學(xué)新視野5/19/20203.2原子力顯微鏡（AFM）原子力顯微鏡的示意圖接觸模式工作原理的示意圖展示原子力顯微鏡的工作情況的小電影24科學(xué)新視野5/19/2020工作原理的示意圖展示原子力顯微鏡的工作情況的小電影24科學(xué)新主要功能－－表面成像輕敲模式下得到的硅（111）表面的三維形貌。單原子層臺階（0.3nm)清楚可見。輕敲模式下得到的氧化鋅納米線放在有刻槽的硅襯底上。25科學(xué)新視野5/19/2020主要功能－－表面成像輕敲模式下得到的硅（111）表面的三維形主要功能－－力學(xué)測量肌聯(lián)蛋白（Titin）的伸展典型的力學(xué)曲線26科學(xué)新視野5/19/2020主要功能－－力學(xué)測量肌聯(lián)蛋白（Titin）的伸展典型的力學(xué)曲基于原子力顯微鏡的力學(xué)測量碳納米管力學(xué)測量：中點力學(xué)曲線測試示意圖KCCBM=192EI/L327科學(xué)新視野5/19/2020基于原子力顯微鏡的力學(xué)測量碳納米管力學(xué)測量：中點力學(xué)曲線測試3.3掃描電子顯微鏡（SEM）場發(fā)射SEM的放大倍數(shù)：～1百萬倍最小分辨率：～1nm28科學(xué)新視野5/19/20203.3掃描電子顯微鏡（SEM）場發(fā)射SEM的放大倍數(shù)：～29科學(xué)新視野5/19/202029科學(xué)新視野3.4透射電子顯微鏡（TEM）相對論修正：德布羅意波長：30科學(xué)新視野5/19/20203.4透射電子顯微鏡（TEM）相對論修正：德布羅意波長：3波長加速電壓V未修正計算的電子波長nm相對論修正后的計算的電子波長nm1000.122860.12286100010,000100,0000.003890.003711,000,0004,000,00031科學(xué)新視野5/19/2020波長加速電壓V未修正計算的相對論修正后的計算的電子波長n32科學(xué)新視野5/19/202032科學(xué)新視野本堂課程提綱基本概念納米的起源和發(fā)展觀察納米世界的主要工具納米技術(shù)包括的方面納米材料納米加工技術(shù)納米生物醫(yī)藥33科學(xué)新視野5/19/2020本堂課程提綱基本概念33科學(xué)新視野4.1納米材料CarbonNanotube34科學(xué)新視野5/19/20204.1納米材料CarbonNanotube34科學(xué)新視野35科學(xué)新視野5/19/202035科學(xué)新視野TiO2納米材料染敏太陽能電池36科學(xué)新視野5/19/2020TiO2納米材料染敏太陽能電池36科學(xué)新視野納米結(jié)構(gòu)幫助的自清潔效應(yīng)37科學(xué)新視野5/19/2020納米結(jié)構(gòu)幫助的自清潔效應(yīng)37科學(xué)新視野

納米金屬顆粒易燃易爆幾個納米的金屬銅顆粒或金屬鋁顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。因此，納米金屬顆粒的粉體可用來做成烈性炸藥，做成火箭的固體燃料可產(chǎn)生更大的推力。用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可以加快化學(xué)反應(yīng)速率，大大提高化工合成的產(chǎn)出率。38科學(xué)新視野5/19/2020納米金屬顆粒38科學(xué)新視野4.2納米加工技術(shù)微電子加工技術(shù)邁入納米時代1965年，Intel的創(chuàng)始人之一戈登·摩爾（GordonMoore）提出了著名的摩爾定律：集成電路芯片上所集成的電路的數(shù)目，每隔18個月就翻一番。39科學(xué)新視野5/19/20204.2納米加工技術(shù)微電子加工技術(shù)邁入納米時代196CrosssectionalTEMimageofatransistor40科學(xué)新視野5/19/2020CrosssectionalTEMimageofa4.3納米生物醫(yī)藥41科學(xué)新視野5/19/20204.3納米生物醫(yī)藥41科學(xué)新視野結(jié)束語

微小技術(shù)將帶來巨大回報42科學(xué)新視野5/19/2020結(jié)束語42科學(xué)新視野習(xí)題1對于邊長為1m，體積為1立方米（m3）的立方形固體，它的表面積是6平方米（m2）。如果把它切成邊長為1mm的小立方體，它們的總表面積是多少？如果把它進(jìn)一步切成邊長為1nm的更小立方體，它們的總表面積是多少？由此可見，巨大表面積帶來的表面效應(yīng)，是納米材料與宏觀材料不一樣的原因之一。請舉出例子說明納米材料的應(yīng)用，以及為什么需要該納米材料。43科學(xué)新視野5/19/2020習(xí)題1對于邊長為1m，體積為1立方米（m3）的立方形固體，它Artmetropolisburstingdisorder44科學(xué)新視野5/19/2020Artmetropolisburstingdisorde45科學(xué)新視野5/19/202045科學(xué)新視野

ThankYou!46科學(xué)新視野5/19/202046科學(xué)新視野47科學(xué)新視野5/19/202047科學(xué)新視野課后習(xí)題1Klever=2nN/nmKsilicon=∞KZnO=?如果納米線長1um，直徑100nm，請計算納米線的彈性模量E。提示：48科學(xué)新視野5/19/2020課后習(xí)題1Klever=2nN/nm48科學(xué)新視野課后習(xí)題2對于一個球體，半徑為R，表面能正比于表面積，表達(dá)為(-δS),化學(xué)能正比于體積，表達(dá)為（gV)。表面能與化學(xué)能關(guān)系49科學(xué)新視野5/19/2020課后習(xí)題2對于一個球體，半徑為R，表面能正比于表面積，表達(dá)為1990年首屆國際納米技術(shù)科技會議在美國巴爾的摩（Baltimore）舉辦50科學(xué)新視野5/19/20201990年首屆國際納米技術(shù)科技會議在美國巴爾的摩（Balt一道習(xí)題Klever=2nN/nmKsilicon=∞KZnO=?如果納米線長1um，直徑100nm，請計算納米線的彈性模量E。提示：51科學(xué)新視野5/19/2020一道習(xí)題Klever=2nN/nm51科學(xué)新視野工作原理－－輕敲模式輕敲模式的懸臂：矩形由純硅制造輕敲模式下掃描樣品表面52科學(xué)新視野5/19/2020工作原理－－輕敲模式輕敲模式的懸臂：輕敲模式下掃描樣品表面5太空穿梭機(jī)SpaceShuttleCurrentsituation:Atotaloffiveusableorbiterswerebuilt,Columbia,Challenger,Discovery,AtlantisandEndeavour.50,000

lb(22,700

kg)o