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1、材料发展与纳米材料,彭 峰华南理工大学化学与化工学院2010.01.27,主要内容,1、材料的基本发展史2、纳米材料 2.1 纳米材料特性 2.2 纳米材料应用 2.3 纳米材料制备,材料是人类文明进步的里程碑 早期历史按石器、陶器、青铜器、铁器时代来划分，材料代表着当时的生产能力和生活水平。人类物质文明发展史是利用和挖掘材料资源的历史。使用石器做工具。使用石片、龟甲、竹板作信息纪录。公元前5000年，制陶中发现铜和锡的还原，创造了炼铜术。6000年前用稻草和泥作墙体是具有制备意义的复合材料。越王剑的金属包层结构具有复合材料的结构特征。人类通过使用新的材料去改进生产工具、生活用具以及 武器，并
2、伴随着科技革命的不断发展。,1.材料的基本发展史,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直是人类进步的一个重要里程碑。,材料,组成化学,使用功能,无机非金属材料 如陶瓷、玻璃,金属材料 如合金,有机高分子材料 如橡胶、塑料,复合材料（多功能）,高功能材料（超导）,结构材料（耐高温）,信息材料（液晶）,无机非金属材料：主要包括晶体、陶瓷、水泥、玻璃、耐 火材料等，资源丰富，性能价格比高。20世纪中后期，通过合成原料和新的制备技术，出现了一系列特殊功能的先进陶瓷。陶瓷按性能和用途：传统陶瓷和特种陶瓷。特种陶瓷也称 精细陶瓷 高技术陶瓷 先进陶瓷 特种陶瓷是以人工合成化合物为原料制备，用于技术和 工
3、程领域，如电子信息、能源、机械、化工、动力、生 物、航天航空和其它高新技术领域。,1.1 无机非金属材料,人面鱼纹陶盆,高纯氧化铝透明陶瓷管,无机非金属材料陶瓷,无机非金属材料的基本属性化学健主要是离子键、共价健以及它们的混合键；硬而脆、韧性低、抗压不抗拉、对缺陷敏感；熔点高，具有优良的耐高温和化学稳定性；一般自由电子数目少、导热性和导电性较小；耐化学腐蚀性好；耐磨损。,1.2 金属材料,商朝，人们已开始使用青铜器；春秋时期，开始使用铁器；100年前开始了铝的大规模使用。,司母戊鼎,铁锄与铁犁,铝窗,金属材料,金属的一些共性：常温下除汞外均为固体；有金属光泽；电和热的良导体；大多有良好的延展性
4、。,金属之最,地壳中含量最多的金属元素人体中含量最高的金属元素目前世界年产量最高的金属导电、导热性最好的金属硬度最高的金属熔点最高的金属熔点最低的金属,铝,钙,铁,银,铬,钨,汞,金属材料应用广泛,1.3 有机高分子材料,以C、H、N、O元素为基础，由大量结构相同的小单元聚合组成，分子量大，并在某一范围内变化。一般分为天然和合成的两类；按使用性质：塑料、橡胶、纤维、粘合剂、涂料等；按链结构：碳链、杂链、元素高聚物；按热性质：热塑性、热固性及热稳定性高聚物；按用途：结构材料、电绝缘材料、耐高温材料、导电高分子、高分子建筑材料、生物医用高分子材料、高分子催化剂、包装 材料等。塑料是重要的高分子材料
5、，分为通用塑料和工程塑料。,1953年诺贝尔化学奖获得者,德国人，1903年在Halla大学完成博士论文。毕业后在多所大学任教。早期研究有机化学，后转向对天然有机物的结构研究。,1920年，在德国化学会志上发表划时代的文章论聚合,首次提出高分子的概念。1932年，发表专著高分子有机化合物，标志着高分子化学的诞生。,H.Staudinger（18811965）,1953年因“链状大分子物质的发现”获奖,有机高分子材料,1963年诺贝尔化学奖获得者,K.Ziegler（18981973）,G.Natta（19031979）,德国人，22岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，1946年起任前联邦德国化
6、学会会长。主要从事有机金属化合物合成研究，1953年发现了可使乙烯在室温低压下迅速聚合成为高分子量聚乙烯的Ziegler催化剂。,意大利人，21岁获博士学位。毕业后在多所大学任教，同时兼任Montecatini公司顾问。主要从事有机合成和高分子结构研究。1954年，在用改进的Ziegler催化剂进行聚丙烯合成时发现对聚合物立体结构有重大影响。,1963年因“在高分子合成和工艺领域中的重大发现”共同获奖,有机高分子材料,2000年诺贝尔化学奖获得者,Alan.G.MacDiarmid(1927),Alan.J.Heeger(1936),白川英树（1936）,美国人，现任宾夕法尼亚大学化学教授,美
7、国人，现任加利福尼亚大学巴巴拉分校聚合物和有机固体研究所所长,日本人，现任筑波大学材料科学研究所化学教授,2000年因在导电聚合物领域的开创性工作共同获奖,有机高分子材料,高分子材料的基本属性 结合健主要为共价健，部分范德华键；分子量大，无明显的熔点，有玻璃化转变温度、粘流温度；力学状态有玻璃态、高弹态和粘流态；强度较高；质量轻；良好的绝缘性；优越的化学稳定性。,从材料的尺寸大小：米（农业社会）毫米（工业文明）微米（微电子时代）纳米（纳米时代）宇观宏观介观微观尺度也是一个时代前进的标志。,2.纳米材料,猜一猜，這是什麼？,這是壁虎腳上的細毛放大圖,猜一猜，這是什麼？,這是蝴蝶翅膀上的鱗片放大圖
8、,猜一猜，這是什麼？,這是鴨子可以防水的羽毛放大圖,National High Magnetic Field Laboratory,單位：公尺,奈米,微米,毫米,(公尺)米,公里,很神奇吧!想知道怎麼回事嗎？,首先，我们来认识纳米,纳米单位的概念 长度国际单位:米(m)（1）最长单位:光年（Light year:LY）1LY3108365246060=9.461015 m 光年用来描述宇宙中星体的运动,银河系的半径为106 LY（2）公里（km):1km103 m,用来描述地球上物体的运动:深圳到伦敦的距离为105 km,飞机需飞行13小时.,（3）毫米(mm):1mm10-3 m,早期机器的
9、精度;尘埃的大小.（4）微米(m):1m 10-6 m,微电子器件(如电脑芯片)的精度;人类红血细胞直径(69 m）.（5）纳米（nm）:1nm10-3 m10-9 m，细菌线度，纳米器件。（6）埃（):1 10-1 nm,用来描述原子半径，X光波长。,纳米的小尺寸有什么好？,仔细观察！,一般平滑的表面,經過奈米科技處理的表面,放大觀察,bar20nm bar50nm(7),表面佈滿精密的奈米結構，污泥與塵土無法沾附，水珠落下後，只能滾動而不會擴散，這樣的效應即為自潔效應。,出污泥而不染的-蓮花效應,2.1 纳米材料的特性,粒子的超微化呈现出许多优异性能，具体表现在量子尺寸效应、小尺寸效应、表
10、面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应与量子隧穿和介电限域效应。纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。,金磚(惰性金屬、金飾),顆粒大小20 nm（觸媒活性低）,催化剂载体,顆粒大小14 nm（催化活性高）,表面效应（催化剂：纳米金）,纳米材料的特性的表现A.特殊的光学性质 当黄
11、金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。,金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。,B.特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固
12、定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。,金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如,在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加 l 倍。,C.特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁
13、性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2*10-2微米的磁性氧化物颗粒。,当颗粒尺寸减小到 2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6*10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,D.特殊的力学性质由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效
14、应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。,E.特殊的电学性质由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电压
15、时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。,2.2 纳米技术的未来主要应用领域 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。,纳米壁挂电视 用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用
16、碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。纳米固体燃料 实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收雷达波,这就是隐身飞机。纳米卫星、微型飞船和原子精密度计算机,都将一一成为现实。,纳米机械学 车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。,分子自组装,纳米齿轮,纳米机
17、械产品 用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型车床,可望钻进核电站管道系统检查裂缝;只有蜜蜂大小且能升空的直升机;眼睛几乎看不见的发动机;提供化工使用的火柴盒大小的反应器。,纳米机器人 机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。,纳米生物学 生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分
18、子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。,纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之
19、一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。,由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。,纳米机器人在疏通血管,2.3 纳米材料的制备,如何制备纳米结构制备？,Top-down and Bottom-up Synthesis Strategies.,Size,Time,Size,Time,物理合成法,主要采用加热、激光光解、离子溅射等技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒的制备技术。具体而言，包括：蒸发-冷凝法 机械球磨法 离子注入法 原子操纵法,化学合成法,通过化学反应制备。化学沉淀法：沉淀法主要包括共沉淀法、均匀沉淀法、多元醇为介质的沉淀法、沉淀转化化、直接沉淀法等。化学还原法溶胶凝胶法水热法模板合成法化学气相沉积法,纳米材料 形状多样性的意义,以碳纳米管为例制备,碳纳米管制备,碳纳米管阵列,Tsinghua group,Fluidized bed,http:/smalley.rice.edu/,Science,283,582,HipCO,CVD,以碳纳米管生产可以工业化,碳纳米管实验结果,华南理工大学纳米材料与纳米催化中心;020-87114916祝老师、同学们健康快乐！,
