神奇的纳米材料课件.ppt

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1、1,神奇的纳米材料和纳米技术,暨南大学 物理学系麦文杰 博士,科学新视野,2,科学新视野12/9/2022,纳米技术很可能是 连接粒子现象和太空现象的技术 连接童话世界和未来世界的技术,3,科学新视野12/9/2022,尺寸现象 怪蟒,4,科学新视野12/9/2022,太空穿梭机 Space Shuttle,现在情况:总共建造了5架太空穿梭机, Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis and Endeavour. 每次有效载荷50,000磅 (22,700千克)大约每年每架飞行1次,Space Shuttle Atlantis,5,科学新视野12/9

2、/2022,童话世界,6,科学新视野12/9/2022,未来世界,7,科学新视野12/9/2022,太空升降机 一个梦想? (1),太空升降机基本设计目的就是使人们能够连续不断地把物质从地球表面运送到太空优点:,Space elevator structural diagram,物理的角度,8,科学新视野12/9/2022,太空升降机 一个梦想? (1),建材钢的特征 应变应力曲线1. 极限强度2. 屈服强度3. 断裂强度4. 应变硬化阶段5. 颈缩破坏阶段,这升降机的缆绳的性能要求很高，必须有非常高的强度/密度比。如果材料的密度跟石墨接近的时候，强度需要达到 65120 GPa。,材料的角度

3、,9,科学新视野12/9/2022,太空升降机 一个梦想? (1),碳纳米管的强度/密度比大约是钢的200600倍，因此可能成为太空升降机的材料。,单壁碳纳米管的三维模型,10,科学新视野12/9/2022,把梦想变成现实,教导 “纳米基本知识”寻找机会产生新想法提供概念制造原型商业化产品取得价值制造工作岗位,11,科学新视野12/9/2022,本堂课程提纲,基本概念纳米的起源和发展观察纳米世界的主要工具纳米技术包括的方面纳米材料纳米加工技术纳米生物医药,12,科学新视野12/9/2022,1. 基本概念,纳米 (nanometer, nm) 十亿分之一米 （10-9 m）1nm与1m相比，相

4、当于玻璃弹珠跟地球相比当一个男人把剃须刀放下那一小段时间，胡子已经长了大约1 nm分子中原子之间间隔是 0.12-0.15 nmDNA双螺旋结构的直径 2 nm最小的细胞（Mycoplasma细菌）长度 200 nm,13,科学新视野12/9/2022,纳米技术研究的是至少在一个维度上已经进入纳米尺度（0.1-100 nm) 范围的材料或者器件的相关现象。 纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 包括了纳米材料学、纳米机械学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提

5、高到前所未有的高度。,14,科学新视野12/9/2022,15,科学新视野12/9/2022,2. 纳米的起源和发展,1959年 美国物理学家费曼（Richard Feynman）首先提出，组装原子或分子是可能的。,16,科学新视野12/9/2022,1981年 观察原子世界的主要工具扫描隧道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）诞生,Binning and Rohrer,An STM image of a silicon surface - each bump is one atom,17,科学新视野12/9/2022,1985年 美国Rice Un

6、iv. 科学家Richard Smalley等人发现了Buckminsterfullerene， C60,18,科学新视野12/9/2022,1989年 IBM科学家利用STM把35个氙（Xenon）原子在光滑表面排列出IBM三个字母，实现对单个原子的操纵。,19,科学新视野12/9/2022,1991年 日本科学家Iijima发表了关于碳纳米管（CNT）的研究，激起了世界范围对纳米科技的研究热情,20,科学新视野12/9/2022,2001年 当时美国总统Clinton建立了National Nanotechnology Initiative (NNI) ，以推动和协调美国的纳米研究。,Th

7、e covers of the reports from the National Nanotechnology Advisory Panel to US President.,21,科学新视野12/9/2022,3. 观察纳米世界的主要工具,扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜（AFM）扫描电子显微镜（SEM）透射电子显微镜（TEM）,22,科学新视野12/9/2022,3.1 扫描隧道显微镜(STM),量子力学起基本作用,扫描隧道显微镜的基本原理,刻蚀的钨针尖,扫描隧道显微镜的照片,23,科学新视野12/9/2022,3.2 原子力显微镜 （AFM）,原子力显微镜的示意图,接触模式下扫描样

8、品表面,针尖：,24,科学新视野12/9/2022,工作原理的示意图,展示原子力显微镜的工作情况的小电影,25,科学新视野12/9/2022,主要功能表面成像,轻敲模式下得到的硅（111）表面的三维形貌。单原子层台阶（0.3nm) 清楚可见。,轻敲模式下得到的氧化锌纳米线放在有刻槽的硅衬底上。,26,科学新视野12/9/2022,主要功能力学测量,肌联蛋白（Titin）的伸展,典型的力学曲线,27,科学新视野12/9/2022,基于原子力显微镜的力学测量,碳纳米管力学测量：,中点力学曲线测试示意图,KCCBM= 192 E I/ L3,28,科学新视野12/9/2022,3.3 扫描电子显微镜

9、（SEM）,场发射SEM的放大倍数： 1百万倍最小分辨率： 1 nm,29,科学新视野12/9/2022,30,科学新视野12/9/2022,3.4 透射电子显微镜（TEM）,相对论修正：,德布罗意波长：,31,科学新视野12/9/2022,波长,32,科学新视野12/9/2022,33,科学新视野12/9/2022,本堂课程提纲,基本概念纳米的起源和发展观察纳米世界的主要工具纳米技术包括的方面纳米材料纳米加工技术纳米生物医药,34,科学新视野12/9/2022,4.1 纳米材料,Carbon Nanotube,35,科学新视野12/9/2022,36,科学新视野12/9/2022,TiO2纳

10、米材料 染敏太阳能电池,37,科学新视野12/9/2022,纳米结构帮助的自清洁效应,38,科学新视野12/9/2022,纳米金属颗粒 易燃易爆 几个纳米的金属铜颗粒或金属铝颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。因此，纳米金属颗粒的粉体可用来做成烈性炸药，做成火箭的固体燃料可产生更大的推力。用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可以加快化学反应速率，大大提高化工合成的产出率。,39,科学新视野12/9/2022,4.2 纳米加工技术,微电子加工技术迈入纳米时代,1965年，Intel的创始人之一戈登摩尔（Gordon Moore）提出了著名的摩尔定律： 集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔18

11、个月就翻一番。,40,科学新视野12/9/2022,Cross sectional TEM image of a transistor,41,科学新视野12/9/2022,4.3 纳米生物医药,42,科学新视野12/9/2022,结束语,微小技术将带来巨大回报,43,科学新视野12/9/2022,习题1,对于边长为1m，体积为1立方米（m3）的立方形固体，它的表面积是6平方米（m2）。 如果把它切成边长为1mm的小立方体，它们的总表面积是多少？如果把它进一步切成边长为1nm的更小立方体，它们的总 表面积是多少？由此可见，巨大表面积带来的表面效应，是纳米材料与宏观材料不一样的原因之一。请举出例子

12、说明纳米材料的应用，以及为什么需要该纳米材料。,44,科学新视野12/9/2022,Art,metropolis,bursting,disorder,45,科学新视野12/9/2022,46,科学新视野12/9/2022,Thank You!,47,科学新视野12/9/2022,48,科学新视野12/9/2022,课后习题1,Klever = 2 nN/nmKsilicon = KZnO = ?如果纳米线长1um，直径100nm，请计算纳米线的弹性模量E。提示：,49,科学新视野12/9/2022,课后习题2,对于一个球体，半径为R，表面能正比于表面积，表达为(-S), 化学能正 比于体积，表

13、达为（gV)。表面能与化学能关系,50,科学新视野12/9/2022,1990年 首届国际纳米技术科技会议在美国巴尔的摩（Baltimore）举办,51,科学新视野12/9/2022,一道习题,Klever = 2 nN/nmKsilicon = KZnO = ?如果纳米线长1um，直径100nm，请计算纳米线的弹性模量E。提示：,52,科学新视野12/9/2022,工作原理轻敲模式,轻敲模式的悬臂：矩形由纯硅制造,轻敲模式下扫描样品表面,53,科学新视野12/9/2022,太空穿梭机 Space Shuttle,Current situation:A total of five usable

14、 orbiters were built, Columbia, Challenger, Discovery, Atlantis and Endeavour. 50,000lb (22,700kg) of payload Approximately one flight per orbiter every year,Space Shuttle Atlantis,54,科学新视野12/9/2022,太空升降机 一个梦想? (1),A space elevator is a proposed structure designed to transport material from earths surface into space.Advantages:,Space elevator structural diagram,55,科学新视野12/9/2022,把梦想变成现实,Teach “nano basics”Identify opportunitiesGenerate ideasProtect intellectual propertyProve conceptsBuild prototypesCommercialize productsCapture valueCreate jobs,