纳米材料的制备和合成.ppt
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纳米材料的制备和合成
纳米科技概念的提出与发展
n“The
principles of physics, as far as I can see, do not speak
against the possibility of maneuvering things atom by atom.”
“Put the atoms down where the chemist says, and so you make the
electron-rich interior whose effective circular van der Waals
packing just touches that of the nanotube framework.
第六页，共81页
什么是纳米材料(nanomaterial)?
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM)
(Science----1 February 2002)
第二十四页，共81页
Nano rings
JACS 2005
第二十五页，共81页
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣
• 纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器 件技术
的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上
。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪
费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。
第九页，共81页
什么是纳米技术(nanotechnology)？
纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术，
纳米粉体材料制备技术PPT课件
磨法
到纯元素、合金或复合材料
的纳米粒子
深 度 塑 原先材料在准静态压力的作 纯度高、粒度可
性 变 形 用下发生严重塑性形变，使 控，设备要求高
法
材料的尺寸细化到纳米量级
编辑版ppt
8
4.2 化学方法
❖ 在化学反应中物质之间的原子进行组排，这种过程决
定物质的存在形态。
❖ 特征：
❖ (1)固体之间的最小反应单元取决于固体物质粒子
23
1.5 通电加热蒸发法
原理：通过碳棒与金属相接触， 通电加热使金属熔化．金属与高 温碳棒反应并蒸发形成碳化物超 微粒子。
编辑版ppt
24
1.6 混合等离子法
直流输入 (-)
(+)
水入口
等离子用气体 原料+载气
分解用气体 高频线圈
反应用气体
特点:
①钠米粉末的纯度较高；
②反应物质停留时间长；
③可使用非惰性的气体(反应性气体)
超细粉体制备与应用技术之
纳米粉体材料制备技术
编辑版ppt
1
第一节 纳米材料制备综述
一、对纳米材料的要求
尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控
(表面改性和表面包覆)
编辑版ppt
2
二、制造纳米产品的技术路线
❖ Top-down：是指通过微加工或固态技术, 不断在尺
编辑版ppt
12
（二）制备状态
气相法：在气体状态下发生物理变化或化学反应,最后在 冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
液相法：溶质和溶剂反应、分离，得到前驱体，加热分解 后得到纳米颗粒的方法。
固相法：是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米 粉体的方法。（尺寸降低过程、构筑过程）
《纳米材料》PPT课件
第二阶段（1994年以前） ▪ 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
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第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
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30000
20
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4000
40
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250
80
1
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第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
《纳米材料导论》课件
伦理问题
纳米技术的广泛应用可能涉及隐私、 安全和伦理等问题，需要加强伦理规 范和监管。
05 结论
研究成果总结
纳米材料特性
详细介绍了纳米材料的 尺寸、表面效应、量子 效应和介电限域效应等 基本特性，以及它们在 物理、化学和生物领域
的应用。
制备方法
总结了纳米材料的各种 制备方法，如物理法、 化学法、生物法等，并 讨论了各种方法的优缺
《纳米材料导论》ppt课件
$number {01}
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料的应用 • 纳米材料的发展前景 • 结论
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少 有一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度通常对应于物质中原子 或分子的集合行为发生显著变化 的尺度，因此纳米材料具有许多 独特的物理、化学和机械性能。
点和适用范围。
应用领域
概述了纳米材料在能源 、环境、医疗、信息等 领域的应用，并给出了
具体实例和效果。
对未来研究的展望
新制备技术
预测未来将出现更多高效、环保 的纳米材料制备技术，以满足不
断增长的应用需求。
跨学科应用
鼓励跨学科合作，将纳米材料应 用于更多领域，如生物医学、农
业、航天等。
绿色纳米技术
强调发展绿色、可持续的纳米技 术，以降低生产过程中的环境污
染和资源消耗。
伦理与法规
呼吁加强对纳米技术的伦理和法 规研究，以确保其在应用过程中
的安全性和合法性。
溶胶-凝胶法
通过溶液中的化学反应，使原材料转化为凝胶态，再经过干燥和热处理得到纳米材料。该方法操 作简便，成本较低，但制备周期较长。
纳米技术的广泛应用可能涉及隐私、 安全和伦理等问题，需要加强伦理规 范和监管。
05 结论
研究成果总结
纳米材料特性
详细介绍了纳米材料的 尺寸、表面效应、量子 效应和介电限域效应等 基本特性，以及它们在 物理、化学和生物领域
的应用。
制备方法
总结了纳米材料的各种 制备方法，如物理法、 化学法、生物法等，并 讨论了各种方法的优缺
《纳米材料导论》ppt课件
$number {01}
目录
• 纳米材料简介 • 纳米材料制备方法 • 纳米材料的应用 • 纳米材料的发展前景 • 结论
01
纳米材料简介
纳米材料定义
01
纳米材料是指在三维空间中至少 有一维处于纳米尺度范围（1100nm）或由它们作为基本单元 构成的材料。
02
纳米尺度通常对应于物质中原子 或分子的集合行为发生显著变化 的尺度，因此纳米材料具有许多 独特的物理、化学和机械性能。
点和适用范围。
应用领域
概述了纳米材料在能源 、环境、医疗、信息等 领域的应用，并给出了
具体实例和效果。
对未来研究的展望
新制备技术
预测未来将出现更多高效、环保 的纳米材料制备技术，以满足不
断增长的应用需求。
跨学科应用
鼓励跨学科合作，将纳米材料应 用于更多领域，如生物医学、农
业、航天等。
绿色纳米技术
强调发展绿色、可持续的纳米技 术，以降低生产过程中的环境污
染和资源消耗。
伦理与法规
呼吁加强对纳米技术的伦理和法 规研究，以确保其在应用过程中
的安全性和合法性。
溶胶-凝胶法
通过溶液中的化学反应，使原材料转化为凝胶态，再经过干燥和热处理得到纳米材料。该方法操 作简便，成本较低，但制备周期较长。
纳米材料的制备方法及其应用ppt课件
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（7）电阻加热法
图 电阻加热制备纳米微粒的实验装置图
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（6）电子束照射法
是利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化 物如Al2O3 等)，表层的金属-氧(如Al-O键)被高 能电子“切断”，蒸发的金属原子通过瞬间 冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如Al) 粉末。 ❖ 目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
1、沉淀法
它是将沉淀剂（OH－、CO32－、SO42－等）加入到金 属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、 煅烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。 主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括均相
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
热蒸镀法制备的纳米Si粒子 在GaSb基板以自组成法制成的粒子
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
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Earth 1.2 x 107 m
什么是纳米(nanometer)？
•
In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。 人高 针头 红血球 分子及DNA 氢原子 100万 纳米 1 千 纳米 1 纳米 20亿 纳米
0.1 纳米
什么是纳米(nanometer)？
Physics Nobel Laureate
- Richard Feynman(1959)
•
人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器 ,而这较小的机器可以制作更小的 机器, 这样一步步达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意愿 排列原子,制造产品.那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问 题。 当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。 --- Richard P.Feynman,1959
纳米粒子的表征
Four basic types of nanotech tools are available: • Visualization tools, primarily scanning probe and electron microscopes; • Measurement (or metrology) tools, including spectroscopic and optics based; • Fabrication/production tools, including nanomanipulators and nanolithographic devices; • Simulation/modeling tools, which aid in the design and development of nanotechnology products.
Nano rings
JACS 2005
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实 验室李超荣副研究员、张晓娜、表面 物理国家重点实验室曹则贤研究员通 过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微 米级的内核/壳层结构上成功地获得了 三角格子铺排和斐波纳契数花样。
研究内容以Report形式于2005年8月5日 发表在Science上。文章发表后在国际上引 起了强烈的反响。Nanotechweb 和 ORF ON Science网站当天就分别以“应变的微 结构形成类植物花样” 和“微观世界的花 朵”作了长篇介绍。
通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和氮气中提取有用物质，例如， 液体燃料一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放 在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。
国家自然科学基金与纳米科技
国家自然科学基金资助"纳米"科技项 目和经费逐年增加 (根据题目上出现" 纳米"字样的部分基金项目的统计结果)
纳米科技的发展
•
Taniguchi
Eric Drexler
1974年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术(Nanotechnology) 一词描述精细机械加工; 1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出, 可以从模拟活细胞 的生物分子的人工类似物 ---分子装置开始研究, 并称之为纳米科技. 他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。
第一届国际纳米科学技术会议(International conference on nano science and technology) 1990年7月 美国巴尔的摩
纳米科技将引发一场新的工业革命
重要进展
(1) 安排原子组合成“IBM”字样、中国地图等； (2) 纳米尺度的合成为人们设计新型材料打开了新的大门。
FROM:
纳米材料的存在形式
纳米材料的分类
纳米微粒的结构与形貌
形貌
Ag
Au
NATURE Vol. 4371 September 2005
Al2O3
Nanofibres
Nanobelt /nanoribbon
ZnO SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001
什么是纳米科技(Nano-ST)？
制造和研究纳米尺度（10-9 ～10-7m）的器件和材料的科学技术。
• 创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料 • 设计、制备各种纳米器件和装置 • 探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关 系和机理
纳米科技概念的提出与发展
“The
principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.”
有机-无机杂化材料
(3) 纳米材料与药物、医学领域的交叉是必然的发展趋势。
靶向药物，称为“生物导弹” 纳米微机械和机器人
(4) 纳米生物学，使生命科学的研究上了一个新的台阶。
制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发 生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化。
（5）纳米材料在催化反应中具有重要作用。
Low-friction bearing assembly with two carbon allotropes
In this design, two diamondoid rings replace small segments of a carbon nanotube, providing a lock for a third, larger ring. The larger ring includes a stitch-work of oxygens to create an electron-rich interior whose effective circular van der Waals packing just touches that of the nanotube framework.
ZnO Materials Letters 59 (2005) 1696–1700
Nano peapod
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science----1 February 2002)
Crimp junctions for perpendicular carbon nanotube scaffolding
In this design, two rigid diamondoid rings are fused at a quasi-tetrahedral junction and sized, through the addition or subtraction of repeat subunits in each ring, to accommodate two carbon nanotubes of different diameters. The crimping of the nanotubes is a result of van der Waals packing of the rings, a feature that can be enhanced or removed by adjusting the ring size. (grey = carbon, white = hydrogen, blue = nitrogen, red = oxygen)
典型无机材料的合成
纳米材料的合成
沸石分子筛材料的合成
精细陶瓷材料的合成 非晶态材料的合成
第六章 纳米材料的合成
第一节 纳米材料
主要内容
• • • • • 基本概念和内涵 纳米材料的结构与形貌 纳米材料的表征 纳米材料的特征 纳米材料的制备
基本概念和内涵
什么是纳米(nanometer)？
什么是纳米结构(nanostructure)？ 什么是纳米材料(nanomaterial)? 什么是纳米技术(nanotechnology)？ 什么是纳米科学(nanoscience)？ 什么是纳米科学技术(Nano-ST)？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
TEM(隧道显微镜)
AFM(原子力显微镜)
SEM(扫描显微镜)
STM(扫描隧道显微镜)
纳米微粒的四大效应
（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增
大后引起的性质上的变化。 （2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由 准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 （3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度 等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非 晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力 学等性质的变化，这称为小尺寸效应。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人 们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧 道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。
纳米科技是一个多学科交叉 的前沿领域，各科学部分别 从不同角度予以了资助
纳米科技的科学意义
（1）纳米科技将促使人类认知的革命; （2）纳米科技将引发一场新的工业革命; （3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.
师昌绪院士为国家自然科学基金资 助纳米科技研究成果展览题词
纳米科技的前景展望