纳米材料教案.docx
《纳米材料教案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料教案.docx（73页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
纳米材料教案
第一章概论
1.1纳米简介
1.1.1介观领域人类对客观事物的认识是不断发展的。
从认识用肉眼能直接看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展到两个层次：
宏观领域和微观领域。
1、宏观领域：
用人的肉眼可见的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。
2、微观领域：
以分子原子为最大起点，直至在时间和空间的坐标中，下限是无限的领域。
然而，在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和开拓的“处女地”。
这块“处女地”领域即不同于宏观领域，有不同于微观领域，我们称之为介观领域。
介观领域：
包括了微米、亚微米、纳米到团簇尺寸（几个到几百个原子的尺寸）的范围。
在这个领域，由于三维尺寸都很细小，出现了许多奇异、崭新的物理性能。
1.1.2纳米（nanomete）r
“纳（nano）”含义：
十亿分之一，数量级为：
10-9，比如：
1纳秒=10-9秒。
纳米（nanometer）：
是一个长度单位，简写nm1nm=10-9m在原子物理中还常使用埃作为长度单位（?
）1?
=10-10m，所以1nm=10?
。
氢原子的直径为1?
，所以1纳米就相当于十个氢原子一个挨一个地排列起来的长度。
一纳米的尺度与一人的尺度相比就相当于一人的尺度与月亮尺度相比。
长度单位：
1米（m）=103毫米（mm）=106微米（μm）=109纳米（nm）=1012皮米（pm）=1015费米（fm）
1.2纳米科学技术的重要意义
1.2.1纳米科技指的是什么？
纳米科学技术（NanoScienceandtechnolog）y纳米科学技术的内容：
在纳米尺度范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。
纳米科学技术（NanoScienceandtechnology）是80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技。
它的出现标志着人类改造自然的能力已经延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已经进入一个新的时代—纳米科技时代。
许多专家预测，纳米科技必将成为21世纪主导高新技术之一。
1959年，美国著名物理学家费因曼（R.P.Feynman）教授（1965年诺贝尔物理学奖获得者）就曾指出：
“如果有一天人类能够安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？
”今天，这个美好愿望已经开始走向现实。
目前，人类已经能够制造出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质而传统物质材料完全不具备的奇异性能。
这就是面向21世纪的纳米科学技术。
1.2.2纳米科学技术的重要意义近年来，人们在制造分子机器方面已经取得许多突破性进展，比如能攻击病毒的抗生素就是一个杰出例子。
人类一旦制造出新型纳米机器，它就可以象脱氧核糖核酸（DNA）以及它的伴生酶那样，根据所储存的指令或控制输入来完成通常方法所不能完成的任务。
纳米科学技术的重要意义是什么？
纳米技术将会给人类带入一个奇迹层出不穷的时代。
如果能在原子尺度上控制纳米机器的结构造型，那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。
1）首先，纳米技术能改变材料制造业的现状，制造出纯度很高的材料。
2）纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素；纳米机器还能清除废水中的有毒化学物质。
如果采用传统方法回收，这些元素就会散失到环境中。
3）纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质等。
4）纳米技术可以奇迹般地缩短产品的生产时间。
纳米机器每秒可以完成数十亿操作，几天或几个月的事情，纳米机器可能在数秒内完成。
5）使用纳米仪器，可以使传统装配工艺变成一次成型工艺。
6）纳米逻辑器件亿倍于目前微处理器和随机存储器芯片的容量，实现通讯瞬时化。
1.3纳米材料的地位及研究特点
1.3.1纳米材料的地位
以美国为例，美国自2001年正式实施《国家纳米技术计划》（NNI）以来，其纳米科技无论在基础研究还是在应用研究和产品开发方面都取得了长足的进
2004财年，美国加大力度执行该计划，并制定了新的战略目标：
到2010年要培养80万纳米科技人才，确保美国在21世纪上半叶占据纳米科技发展的领导地位。
该法案将授权资助以下5个联邦政府机构的纳米技术研发项目：
国家自然科学基金会、能源部、航空航天局、国家标准和技术研究院、环保局。
它们是美国
NNI计划16个联邦机构的重要成员。
各年度资助金额详见下表。
新目标强调：
①纳米基础研究与应用研究要并重发展，加强跨学科的交流与合作；②在纳米应用研究方面，优先项目的安排应体现国家利益需求与产业驱动的特点；
3利用国家实验室、大学和工业界等科研优势进行联合纳米技术攻关，联邦政府侧重于支持、引导和组织协调；
4注重与其它技术领域发展计划的协调，特别是纳米技术与信息技术、生物技术的交叉融合；
5重视基础设施及纳米技术人才队伍的建设；注重促进研究成果向创新技术转移。
对我国纳米科技发展的思考
1.积极培养纳米科技和产业化人才纳米技术作为一个正处于原始创新发展阶段的前沿科技领域，其发展的关键在于人才。
据统计，我国目前从事纳米技术的研究人员不足5000人，而我国至少需要1万名复合型纳米科研人员。
到2010年，我国对纳米人才的需求量将增长10倍。
我国应注重纳米科技人才的培养，首先要做好纳米科技的教育和科普工作，在各个层次的教学中开设有关纳米技术的课程，激发和培养青年人对纳米技术的兴趣，吸引一流人才从事纳米科技的工作，并培养和造就一批具有较高水平的师资队伍。
实施纳米科技人才战略，要坚持引进与自培的方针。
引进纳米科技发展所需要的高技术人才，这是最直接、最有效的方式。
因此，还要加大对研究成果和研究水平宣传的力度，吸引国外一流人才参与国内的研究，为我国的纳米科技发展服务。
此外，还要鼓励跨学科研究，吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进既懂科技、又懂经营和管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。
2.注重提高纳米专利申请的技术含量根据有关统计，近年来我国纳米技术专利申请数大幅上升，已排世界第3位，占申请总数的12％，仅次于美国（32）和日本（21），取得了可喜的成绩。
但我国纳米技术专利的申请领域，主要集中于纳米材料方面，而在纳米电子学及纳米医药学方面相对较少。
在纳米材料领域，我国专利质量和国外相比也有一定差距，尤其是纳米技术在电子信息和生物技术领域的应用严重不足。
国外侧重纳米有机物材料的应用，而且主要应用在催化剂、光学器件、半导体和导电材料、磁性材料和显示器等高技术含量的电子信息领域。
而目前我国只是在纳米涂料、纳米橡胶等民品等技术含量不高的领域上有所应用，技术含量相对较低。
3.尽快制定纳米技术标准，加快纳米科技的产业化步伐目前，我国纳米技术产品在社会上出现了一些混乱状况，核心问题是没有技术标准，国家有关部门对此应给予充分的重视，尽快制定纳米技术的产品和检测标准，这是未来纳米技术市场化的重要步骤。
制定纳米技术标准不仅仅是科研单位的事情，应该鼓励科研单位同产业界结合，共同来制定纳米产品标准和检测标准。
纳米技术产业化要以企业为主体，鼓励和引导地方政府、企业积极参与和支持纳米技术的开发，鼓励风险投资的介入，鼓励地方经济结合本地区的优势发展纳米技术，加强研究机构和企业界的合作，通过全社会的共同努力，让科技优势变为经济优势，实现我国在21世纪纳米研发的良性循环。
4.注重纳米科技对社会影响方面的研究
美国在提出NNI计划的同时就开始思考纳米科技对社会的影响，将其作为NNI计划的一个重要研究课题，并将成立纳米技术防备中心，以加强纳米技术对社会、伦理、环境、教育、法律和劳动力等方面的影响的研究。
美国国会目前也在讨论纳米技术管制法案。
美国还让社会科学家和人文学者（如伦理道德哲学家）参与纳米技术远景的设计，这将有助于使社会效益达到最大，并减少引发公众纠纷的可能性。
与西方发达国家相比，我国在此方面的研究还很薄弱。
随着纳米科技的不断发展，这个问题将越来越突出，因此应当尽早着手展开这方面的研究。
1.3.2纳米材料研究的几个重点：
（1）以纳米材料的设计和制备研究为重点纳米材料及技术的研究重点,仍然将是纳米材料的设计和制备,特别是那些具有特定形态、成分、结构和性能的纳米材料。
通过调控和改善纳米材料的尺度、形状、微组织结构、化学状态、界面环境等因素,来获得新的物理、化学、生物学等特性,或使这些性能提高,或进行控制,进而使材料实用化。
预计将来最受重视的研究课题为:
具有工程性能的金属与陶瓷结构材料;聚合物大分子的分子操纵;软纳米材料结构的化学自组装技术;纳米结构涂料和热喷工艺以及相关的化学基础技术;电子产品和传感器的纳米制作;与信息技术相关的纳米材料,如记录媒体、谐振器、过滤器、超微开关、微电极、放大器;用于能量相关工艺的纳米结构材料,如催化剂、电池、软磁体、纳米机加工!
航天、器系统的小型化。
将纳米尺度的材料进行适当地组装,能获得某种特殊性能,或形成某种特殊的器件,这将是纳米材料研究中的一个重要发展方向"如计算机中的运算器正在从微电子器件向纳电子器件发展,这将通过纳米颗粒!
纳米线!
纳米管的适当组装来实现。
（2）进一步深入进行纳米材料的性能及理论研究对纳米材料性能和理论的研究,是认识纳米材料的关键。
纳米材料是不同于宏观和微观的领域,在物性方面的研究将推动介观理论的发展。
通过对纳米结构物质性能的深入研究,可以描述和模拟自然和生物体系内纳米结构的形成过程和条件、所具有的特殊功能、以及它们的关联和再现性,可以掌握在不同纳米结构单元中的能量和物质输运规律,以描述、模拟、设计和探索新型纳米功能器件的物理过程,并在此基础上建立纳米结构体系的维度、界面、成分和环境等对其状态、功能、稳定性影响的理论基础,并预期其工作原理、发展方向、以及应用的可能性。
例如,雷达波的隐身中就涉及到纳米结构的物质与电磁波的作用。
常用的麦克斯韦方程是建立在均匀体系下的理论,在纳米结构这种非均匀体系下,这种理论是否成立尚未解决。
集成电路的电子学理论是建立在晶体管开关理论基础之上的,但在小于100nm的尺度上,开关特性就变得不理想了；而到了50nm时,开关特性就消失了。
所以,微电子学理论就要向纳电子学理论方面发展。
（3）加强纳米材料的应用开发研究
我国是发展中国家,应该以应用为龙头来促进纳米材料的研究。
应该重点发展的纳米产业包括纳米涂料和涂层、纳米催化剂（含净化剂、助燃剂、光催化剂）、功能性纳米粉体材料（金属和陶瓷）、纳米生物医学产品、纳米润滑剂、纳米信息材料和纳米能源材料。
在应用研究中应注意以下几点:
1提高纳米材料生产量,走出实验室的规模,实现成本的大幅度降低；
2大幅度提高纳米材料的性能；
3与应用密切相关的技术也急待开发,如纳米材料的分散、表面处理、复合、造粒、稳定性、安全性等；
4目前只有少量的纳米材料得到了实际应用,更多的离应用还有很远的距离
因此对纳米材料的应用难度要有足够的认识和理解,需要用更长远一些的眼光去对待。
1.4纳米历史、现状与发展趋势
1.4.1纳米材料的历史在自然界、生物界早已充满了纳米科学的内涵。
比表面积高易于产生光合作用的高活性，在生机勃勃的的植物群体中存在了几亿年，植物叶子表面存在纳米颗粒；
在坚硬牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶；考古学家观察到了几千年前制备的铜镜和古瓷器表面至今完好无损，这些表秒都是由纳米级晶粒组成；
早在1000年前，我们的祖先就有了制造和利用纳米材料的历史，它们利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑，作为墨的原料及用做色的染料。
约1861年，随着胶体化学的建立，科学家就对直径为1—100nm的粒子进行了系统的研究。
但是当时的化学家只是从化学的角度把这些粒子当作宏观体系的一个中间环节来研究。
20世纪60年代，科学家有意识地把纳米粒子作为研究对象来探索纳米体系的奥秘。
1862年，久保等针对金属超微粒子的研究，提出了久保理论，也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论。
1963年，R.Vyeda等通过高纯惰性气体中蒸发、冷凝过程，获得了表面洁净的超微金属颗粒，并对其形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。
1970年，江琦，朱兆祥考虑到量子相干区域尺度，首先提出了半导体超晶格概念。
即按一定规则将一定厚度的纳米薄层人工堆积起来。
20世纪80年代，对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究。
完善了久保理论。
1984年，德国H.Gleiter教授等发现了CaF2纳米粒子晶体和TiO2纳米陶瓷在室温下有良好的特性。
1985年，Kroto等采用激光加热使石墨蒸发，在甲苯中形成了碳的团簇。
质谱发现C60和C70的新线谱，而C60具有高稳定性的新奇结构，即60个碳原子组成封闭的足球型，有32个面组成，六边形20个，五边形12个。
纯的C60是绝缘体，而适当的搀杂碱金属后可成为超导体。
1990年7月，国际第一届纳米科学技术学术会议在美国召开，纳米材料科学以比较独立学科诞生。
1994年在美国波斯顿正式提出纳米材料工程，扩大纳米材料的应用范围，随后纳米材料的内涵不断扩大，这方面理论和实践的研究十分活跃。
综观纳米材料发展的历史，大致可以划分为三个阶段：
（1）1990年以前：
主要是在实验室探索用各种手段制备纳米颗粒粉体，合成纳米快体（包括薄膜），研究测试手段和特殊性能。
（2）1990—1994年：
挖掘纳米材料的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。
（3）1994年—现在：
研究纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料。
1.4.2纳米材料的现状纳米材料及技术的应用现状
（1）环保领域中的应用纳米技术可用于监控和治理环境问题，减少副产物和污染物的排放，发展清洁的绿色加工技术。
大气污染一直是各国政府关注解决的问题。
纳米技术的出现为大气净化提供了新的途径。
其中纳米技术对空气中的20nm和水中200nm的污染物的清除能力是其它技术不可替代的。
有关研究发现纳米钛酸钴（CoTiO3）是一种非常好的石油脱硫催化剂。
以50—70nm钛酸钴作为催化活体，多孔硅胶作为载体的催化剂，可去除石油中99.99%以上的硫。
纳米技术在环保中的另一个应用就是城市固体垃圾的处理。
其优越性主要体现在：
一是纳米级处理剂降解城市垃圾的速度快；二是利用纳米技术可以将橡胶塑料制品等制成超细粉末，除去其中的杂物，将其作为再生原料回收。
（2）陶瓷领域中的应用工程陶瓷又叫结构陶瓷。
因其具有硬度高、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等优点而在工业以及人们的生活中获得了广泛的应用，被称为是材料的三大支柱之一。
但工程陶瓷质地脆、韧性差的缺点严重制约着它的应用。
纳米技术的出现有望克服工程陶瓷的脆性，使其获得金属般的柔韧性。
20世纪80年代初，日本Nihara首次报道了以纳米尺寸的碳化硅颗粒为第二相的纳米复相陶瓷。
近年来国内外的研究也发现在微米基体引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性提高2—4倍，使其最高使用温度约提高400—600℃，同时材料的硬度、弹性模量等都有较大改善。
（3）纺织领域中的应用人造功能纤维是化纤和纺织行业发展的总趋势。
而纳米技术是开发这些新纺织材料的核心技术。
随着臭氧空洞的日益增大，防紫外线问题已经成为了一个很重要的问题。
研究表明纳米TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3和纳米云母都具有在这个波段吸收紫外线的特征。
如果将少量纳米微粒添加到化纤中，就会产生紫外线吸收，从而有效地保护人体免受紫外线的伤害。
我国的纳米纤维产业发展潜力很大，现在北京、江苏、山东等一些大的企业竞相使用纳米技术完成产品的换代升级，已有部分纳米纤维产品进入市场。
（4）作为润滑油添加剂的应用据报道，俄罗斯科学家将纳米铜合金粉末加入润滑油中，可使润滑油性能提高10倍以上，并能显著降低机械部件的磨损，提高燃料效率，改善动力性，延长寿命。
在国内，一项高级润滑油专利则使用纳米金刚石墨粉做添加剂。
美国密执安州大学通过性能比较试验也证明使用纳米添加剂的润滑油具有更好的性能。
（5）电子、信息产业的应用应用纳米技术可以使得电子产品缩微化，解决目前微细加工领域的一些难题，使计算机袖珍化，使笔记本电脑更易携带。
此外，纳米结构的涂层可用于数据存储和光电绘图，纳米粒子可用作着色剂。
早在1989年，IBM公司的科学家就利用隧道扫描显微镜上的探针，成功的移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。
目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。
例如单电子晶体管、红绿蓝三基色可调谐的纳米发光二极管。
纳米技术和材料在轻工业和家电行业也出现了应用的热潮。
新一代的具有纳米技术含量的冰箱已经开发成功，它具有抗菌、除臭、抑霉等一系列独特性能。
电视机显示屏使用的纳米三防涂料（防静电、防辐射、防眩光）也已开发成功。
（6）化工领域中的应用
纳米粒子作为光催化剂有很多优点。
首先是粒径小，比表面大，光催化效率高。
其次纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。
再次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察到界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。
用纳米材料制作的反应器可以将化学反应局限于一个很小的范围内进行，在纳米反应器中反应物在分子水平上有一定的取向和有序系列，但同时限定反应物分子和反应中间体的运动。
这种取向、排列和限制的综合作用将决定反应的速度和方向。
（7）生物、医学领域中的应用
随着纳米技术的发展，它也开始在医学、生物领域发挥作用。
纳米金属粒子已被用来研究肿瘤药物及致癌物质的作用机理；还可以研究细胞分离技术，磁性纳米粒子可将异常的细胞与生物体内正常细胞分离，如癌细胞的分离。
采用纳米技术制成的芯片和微小的纳米机器人可进行分子识别，用于疾病诊断。
在制药方面，具有增加人体免疫和清除自由基功能的纳米硒和纳米钙已经商品化。
纳米氧化锌消毒软膏、消毒试剂也在开发中。
（8）涂料工业中的应用
涂料中加入纳米材料，如纳米级TiO2、ZnO及碳黑作为颜色填料或着助剂，可以显著提高涂膜的机械强度、附着力、防腐性能等特殊性能。
当材料达到纳米级的分散时，可以作为优良的罩光漆，由于是透明的并且可以屏蔽紫外光，因而可以大大增加其保光、保色以及抗老化性能。
另外添加了纳米助剂的涂料和油漆的热流平性能得以改善，热稳定性及涂膜的玻璃化转变温度都得到了很大的提高。
（9）能源领域中的应用
纳米技术在能源的有效利用、存储和制造方面有潜在的应用前景。
纳米碳管可以用作储氢材料，制造清洁能源。
目前，基于纳米技术改性的铅酸电池液已取得成功。
此外纳米复合材料的使用可以大大减少能源的消耗。
对于我国而言，煤、石油、天然气在一个相当长的时间内仍是主要的燃料能源，煤仍是主要的发电燃料，纳米技术的引入能够有效地提高燃烧率，减少有害气体的排放。
（10）汽车、航空航天及军事领域中的应用纳米技术在军事领域的应用很广泛，不仅可制备高性能的材料，而且可以提供具有特殊功能的智能化材料，如雷达波吸收、远红外吸收、抗电磁干扰等新型材料。
另外，利用昆虫做平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，或使目标丧失功能。
纳米材料与传统的吸波材料相比，具有吸收频带宽、密度大的特点。
因此，它为隐身技术的发展提供了新的动力和途径。
同时，纳米材料因其优异的机械性能、阻燃性能、热性能广泛应用于汽车工业中。
最早关于车用纳米复合材料的研究始于20世纪90年代初的日本丰田汽车公司。
现在英、美等国家也投入了大量的人力、物力、财力进行这方面的研究。
（11）其它应用
纳米技术除在以上领域的应用外，还可以用作化妆品添加剂，例如用在化妆品中的纳米级添加ZnO有很好的护肤美容作用。
纳米金属材料还可以用作助燃剂，有关研究表明只要在火箭燃料中添加不到1%的纳米铝粉或镍粉，可使燃料的燃烧热提高两倍多。
1.4.3纳米材料的发展趋势
纳米技术的发展还要经过几步：
1缺乏带来经济效益的规模生产；
2如何将纳米量级与宏观量级建立有效的桥梁；③人们害怕纳米技术进入应用时会被带入歧途，因为目前有纳米技术对人体是否有害的报道。
在技术上目前还存在下述问题：
①对合成纳米颗粒的过程缺乏深入研究，对控制微粒的形状分布、粒度、性能等技术的研究还很不够；②对纳米颗粒合成装置缺乏工业研究。
3现有纳米材料制备技术不成熟；④纳米颗粒的收集、存放也是急需解决的问题；⑤纳米材料实用化技术研究不够系统和深入，测试手段，表现技术急需改进；
因此中国的纳米研究应注意避免炒作，专家预测要实现规模应用约在今后１５～２０年。
纳米材料的制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为21世纪前20年的主导技术。
纳米技术内涵广泛,从材料角度来说,纳米技术包括纳米材料的制备技术,纳米颗粒表面的控制、改性和修饰技术,以及把纳米材料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。
从世界各国对纳米材料和纳米技术的研究部署来看,未来发展纳米材料和纳米技术的战略是:
（1）以未来的经济振兴和国家实际需求为目标,牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究;
（2）多学科科技人员交叉创新,使基础研究、应用研究并举,重视基础研究和应用研究的衔接,重视技术集成;
（3）重视用纳米材料和纳米技术改造传统产品,提高技术含量,同时部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用,实现跨越式的发展。
由于纳米材料在各个学科领域的应用都十分广泛,必然会不断涌现出更新更好的制备方法,希望能在结构、组成、排布、尺寸、取相等方面有更大的突破,制备出更适合各领域发展需要,具有更多预期功能的纳米材料。
1.5纳米材料的主要研究内容
纳米材料主要包括原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料。
可从以下内容对它们进行研究：
（1）纳米材料尺寸、分布和形貌控制；
（2）纳米材料表面的形态、缺陷、粗糙度、纯度的控制；
（3）化学组分和微结构的均匀性控制；
（4）团聚体的控制与分散性控制；
（5）工艺稳定性的控制；
（6）纳米材料的稳定性、储存和运输技术；
（7）环境污染控制。
第二章纳米材料基本概念与性质
2.1纳米材料的基本概念
从广义上看，纳米材料是指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
升级会员 