纳米材料-简介

宏观
三、纳米科技研究的重要性
纳米科学和纳米技术是21世纪最具发展前景 和国际竞争力的高新产业之一，在21世纪将改变 几乎每一件人造物体的特性。材料性能的重大改 变和制造模式方法的改变，将引发一场工业革命。
它从诞生起就迅速引起世界各国尤其是大国的 重视和投资研究。
纳米技术是跨世纪的新学科，是国际 科学界工程技术界关注的热点，是20世纪 末兴起的一个高科技领域。
中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原 子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在 国际纳米科技领域占有一席之地。
硅表面
纳米算盘
C60每10个一组，在铜表 面形成世界上最小的算盘。
C60
1985年Smalley（2005.10去世）与英国的Kroto等人 在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，并
用甲苯来收集碳团簇、通称为C60。
二、纳米材料的概念
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(1-100nm)或由它们作为 基本单元构成的材料的单晶体或多晶体，由 于晶粒细小，使其晶界上的原子数多于晶粒 内部，产生高浓度的晶界。
100 slices
How
small
is
1 nanometer? Human Hair
欧洲在1993年提出的9项未来发展关键中，4 项涉及纳米技术；中，提出纳
米技术将作为重振日本经济的“立国之本”。
中国作为国际上为数不多的率先开展纳米技 术研究的国家，在纳米领域取得了许多举世瞩目 的成就。2001年，我国制定了《纳米产品标准及 技术标准》，2005年批准并发布了七项纳米技术 标准。一项项的成果表明我国纳米技术的研究和 发展均处于世界前列，这也为我国纳米技术的后 续研究发展奠定了坚实的基础。
纳米技术将对面向21世纪的信息技 术、生命科学、分子生物学、新材料等领 域具有重大意义，它将会是一项重大的技 术革命，必将引起21世纪的又一次产业革 命。
纳米科技的战略地位
制定阶段
美国：1998, 克林顿总统主持内阁会议，订 立国家纳米发展规划；
日本：1999， 森喜朗首相主持内阁会议， 订立国家纳米发展规划；
四、纳米材料的分类
按结构可分为
（1）零维纳米材料：指空间三维尺度均在纳米尺度 以内的材料，如纳米粒子、原子团簇等。
（2）一维纳米材料：有一维处于纳米尺度的材料， 如纳米线、纳米管。
（3）二维纳米材料：在三维空间有二维在纳米尺度 的材料，如超薄膜。
（4）三维纳米材料：纳米固体材料，超微颗粒，组 装纳米材料。
一、表面效应 二、小尺寸效应 三、量子尺寸效应 四、宏观量子隧道效应
中国：2000，朱镕基总理召见中科院副院 长白春礼院士，成立国家纳米发展协调领 导小组。
三、纳米科技研究的重要性
实施阶段

90年代初期，美国正式把纳米技术列为“国
家关键技术”，新世纪伊始，又发布了《纳米技
术：要引发下一场工业革命》。在其后的十年间
相继成功研发了各种新型纳米粉体、纳米芯片、
纳米传感器等众多具有代表性的产品；
1~100nm
1nm=10-9m，氢原子的直径为1埃
微观(Microscopic) 以分子原子为最大起点，下限是
无限的领域。
例
血液中的红血球大小为200~300nm。 病毒 几十个nm
所以纳米粒子小于红血球，与病毒大小相当。
物质大小
原子分子 原子团簇 纳米粒子 纳米材料 宏观物体
微观
介观 空间尺度
纳米颗粒（0D）
纳米线（1D）
扭曲的纳米线 （1D）
2
多孔 纳米线 （1D）
纳米膜（2D）
尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构 成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层 或多层膜。
纳米带（2D）
纳米花（2D）
阵列状纳米棒、线
纳 米 管
(3D)
纳米花（3D）
颗粒、线、块、花
奇妙的碳纳米管
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
纳米碳管和苯分子 构成的齿轮
纳米碳管储氢 H2
高质量的碳纳米管能储存大 量氢气，从而可以实现用氢 气为燃料驱动无污染汽车。
H2原子和C纳米管
碳纳米管 转子纳米马达
纳米机器人在清理血管中的有害堆积物
纳米秤
能称量亿亿万分之 二百克的单个病毒
DNA纳米镊子
第二部分、纳米材料的结构
这是石墨中 一层或若干层碳原 子卷曲而成的笼状 “纤维”，内部是 空的，外部直径只 有几到几十纳米， 长度可达数微米甚 至数毫米。
碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的 性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度， 它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性 能、导热性能和电性能。
碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的 导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只 有钢的六分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可 以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。
100 m
Take 1 slice
Human Hair
Take 1 slice
1nm 1000 slices
1 m
10 纳米
一纳米有多小？
空间尺度的划分
宇观(Cosmoscopic)
宏观(Macroscopic) 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；
介观(Mesoscopic)或纳米观(Nanoscopic):
走进纳米材料世界
化学工艺 王莉娜
内容
第一部分、纳米材料概述 第二部分、纳米材料的结构与性能 第三部分、典型纳米材料的应用
第一部分、概 述
一、纳米科技的诞生 二、纳米技术与纳米材料的概念 三、纳米科技研究的重要性 四、纳米材料的分类
一、纳米科技的诞生
著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查 德·费曼憧憬说：“如果有一天可以按人 的意志安排一个个原子，将会产生怎样的 奇迹？”——小尺寸大世界
费曼——纳米科技之父
一、纳米科技的诞生
费曼预言，人类可以用小的机器制作 更小的机器，最后将变成根据人类意愿逐 个地排列原子，制造“产品”，这是关于 纳米技术最早的梦想。 七十年代，科学家 开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。
1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35 个氙（xian）原子排出“IBM” 。