纳米材料与纳米科技概述.ppt

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1、认识客观世界的几个层次；纳米技术的定义、研究特点及基本特征；纳米科技的分类；纳米研究的主要手段；纳米科技的基础；纳米材料的主要应用领域；纳米材料的分类,上节重点,纳米是一种长度单位，是十亿分之一(10-9)米。,什么是纳米(nanometer)？,1纳米=10个氢原子依次排列起来的长度=一根头发丝直径的八万分之一,客观世界的划分：,宏观：人眼可分辨的最小物体以上微观：分子原子尺度以下介观：介于宏观与微观之间的中间领域,纳米技术开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术水平进入了一个新时代，即纳米科技时代。,纳米技术的定义及其特征纳米技术：在纳

2、米量级范围内（0.1-100nm）对分子、原子进行操纵和加工的技术，是用单个原子、分子制造物质的技术，是研究一小堆原子(团簇)甚至于单个原子或分子的一门学科；是以纳米科学为基础，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手段。,特征：1.至少必须有一维具有0.1100纳米的尺度；2.设计过程必须体现微观操纵的能力；3.组合起来可形成更大的结构并且具有优异的电气、化学、机械等性质。,纳米电子学、纳米物理学、纳米化学 纳米生物学、纳米机械学、纳米表征学,纳米科技的分类：,纳米研究的主要手段：,扫描隧道显微镜（STM）原子力显微镜(AFM),纳米科技的基础：,纳米材料,什么是纳米材料？,至少有一个维度的

3、尺寸小于100nm，或由小于100nm的基本单元组成的材料称为纳米材料。,由于纳米材料在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料所不具有的特征，因而在磁性材料、电子材料、光学材料和陶瓷增韧等领域有着极为广阔的应用前景，纳米材料和纳米技术正受到世界各国的普遍关注。,按化学组成及其特性分：,纳米金属,纳米陶瓷,纳米高分子,纳米复合材料,纳米材料的分类,按材料物性分：,纳米半导体,纳米磁性材料,纳米光学材料,纳米超导材料,纳米热电材料等,按应用分：,纳米电子材料,纳米光电子材料,纳米生物医用材料,纳米敏感材料,纳米储能材料等,纳米材料的分类(按维数分）：零维结构材料（OD)纳米颗粒、原子团簇等；一维结构

4、材料（1D)纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维结构材料（2D)超薄膜、多层膜、超晶格等；三维结构材料（3D)纳米块体材料。,纳米材料的巨大魅力：通过改变纳米材料基本结构单元的大小，控制纳米材料内部和表面的化学性质以及纳米结构单元的组合，就能设计材料的特性和功能。,人类研究和发展纳米科技的最终目标，是要按照人类自己的意志操纵单个原子，组装成具有特定功能的成品，从而改变人类的生产和生活。,-走进纳米世界,1.2 纳米技术对社会进步的影响,关键词：操纵，原子,科学家的评价：,美国科学家尼尔.莱恩：“纳米技术是最有可能在未来取得突破的科学和工程领域。这项技术并不只是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的

5、微观世界，在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰”。,关键词：量子原理,人类社会的发展进步将与纳米材料与技术的发展密切相关：,经济发展的基础；国防实力的保证；高新技术的依托。,经济发展的基础,纳米科技的兴起孕育了一个新的经济纳米经济。经济世界领域将出现的一大批新型工业：智能操作工业、生物工业、隐形工业、绿色环保工业、太空工业等，纳米技术对各类工业技术都有渗透，成为全球经济的增长点。,纳米材料和纳米结构的应用将为调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量，并提供新的机遇。,对世界工业经济的主要影响,产品结构调整：精加工、高附加值、高科技的纳米材料和纳米结构产

6、品比例和产值明显增大。生产格局发生变化：生产纳米材料的企业开始成为国家经济体系中的重要部分。原材料和能耗转变：原料低成本、高质量、多功能；能耗降低。投资重点转移：投资结构调整，生产产品重点倾斜，环保、改造的投资增大。高附加值产品大量出现：推动产品革新，使市场形成良性循环。,以汽车工业为例-,汽车工业发展提出的新要求：环境净化。安全预测防护。创造舒适的乘坐空间。提供必要而确切的信息。,彻底改变汽车工业的纳米技术-,活性树脂-用自行修复材料制造的汽车表面散布纳米量级物质的超强钢板用纳米铝实现车身超轻量化纳米技术与汽车催化装置汽车纳米/微米涂料轮胎材料的分子构造控制-高刹车性能和低燃耗性能,汽车车架

7、的制造工艺流程,纳米技术在汽车催化装置中大有用武之地,催化装置的构成及各部位的尺寸,催化装置的主体：直径为数纳米的贵金属粒子铂（Pt）、铑（Rh）、钯（Pd）等，由于单纯贵金属粒子性质不稳定，必须将其固定在比表面积较大的载体助催化粒子上。助催化粒子的作用：储藏和释放氧元素。如数十纳米CeO2-Zr02固溶体。,左图：汽车催化装置里的纳米世界,如何将贵金属粒子保持在纳米水平是维持其对有害气体高净化率的关键。,右图：催化膜层中贵金属粒子的电子显微照片,在催化条件下，当氧元素不足（还原环境）时，Ce4+则变为Ce3+，氧离子更易释放，成为电子中和状态。导入Zr可使氧原子周围空间扩大，Ce4+更容易膨

8、胀为Ce3+。而当氧元素过剩（氧化环境）时，Ce3+又变为Ce4+，将氧离子储藏起来。,原理：利用纳米物质奇异的“自组合现象”（即在合适的环境条件下，自发排列的性质）。,氧储藏材料CeO2-ZrO2固溶体的原子配列模式,国防实力的保证,大凡先进的科学技术往往都率先应用于军事领域，纳米技术也不例外。,纳米技术在国防上的关键应用：,利用先进的纳米电子技术可占据信息上的优势；基于纳米电子学更加先进的虚拟现实系统使军事训练变得更加轻松；基于纳米电子学的无人驾驶战斗机使作战的灵活性和作战效力大大提高；飞机、飞弹的质量可由于纳米结构材料的使用大为降低，大大提高了作战距离和载重量；纳米结构材料用于军事设备，

9、可靠性提高，失误率和维修成本下降；纳米器件和系统可用于核设施的监视和管理以及微型战斗机。,鬼怪式无人机,高空无人侦察机,“别动队”无人机,基于纳米电子学的无人驾驶战斗机使作战的灵活性和作战效力大大提高。,微型飞行器,微型战术无人机,纳米器件和系统：微型飞行器的动力系统：微型发动机姿态控制系统：微型地平仪、微型高度计导航系统：微型磁场传感器、微型加速度计、微陀螺仪等飞行控制系统：微型空速计、微型舵机等通讯、侦查系统：微型摄像机、微型通讯系统等。,高新技术的依托,高新技术：指对人类社会、经济有重大影响，具有较大的社会和经济意义或能形成产业的新技术或尖端技术。,“21世纪高科技三把钥匙”：纳米技术、

10、基因技术、人工智能技术。,纳米材料高技术的特征,高效益：给生产者带来巨大的经济效益高竞争：最高层次的竞争方式和最广泛的竞争内容高资本：开发的知识含量和资金投入最大高风险：失败的几率大高势能：其威力和效益都将体现于应用的广度和深度之中高智力：经济力、科技、人才和市场的竞争高组合：知识的互相融合、渗透,近年来，纳米材料和纳米结构引人注目的成就充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力：,磁性纳米棒阵列量子磁盘：存储密度达到每平方英寸(in2)400G。纳米阵列激光器：高效、成本低廉、发光频段可调。纳米结构太阳能电池和热电转化元件：价格低廉、能量转化效率提高。纳米复合材料：高强度、

11、高韧性、耐烧蚀等。纳米技术将使计算机运算速度呈数量及增长。纳米技术在医学领域的应用：利用工程组织技术修复人体器官。,纳米科学和技术的发展，将对未来几十年人类的健康、福利、和平等各方面带来深刻的影响。美国科学基金会纳米科学和技术的社会影响,纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。,科学家的评价：,IBM公司首席科学家Armstrong1991年的预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如（20世纪）70年代初以来微米科技已经起的作用那样”。,我国著名科学家钱学森：“纳米左右和

12、纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起 21世纪又一次产业革命”。,1.3 纳米科技发展历程,一、纳米科技发展简史 二、纳米技术发展可能经历的5个阶段,缘起：1959年12月29日，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德.费曼(Richard Feynman)在There is Plenty of Room at the Bottom 的演讲中说：“如果有一天能够按照人的意志安排一个个原子，那将产生何等的奇迹。”,一、纳米科技发展简史,开始：20世纪70年代科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。纳米材料的始创者：美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrm

13、an利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒，从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶体材料的概念。最早使用纳米技术（nanotechnology）者：Taniguchi用以描述精细机械加工。“纳米技术之父”雷克斯勒：70年代在麻省理工学院攻读博士学位学习生物及计算机科学时，成立了纳米科技(nanoscale science technology，NST)研究小组。1986年在著作创造的机器中较详细地表述了自己的思想。尽管当时多数主流科学家对此持怀疑态度，当科学界终于接受了纳米技术的激进思想后，他也因此被称为“纳米技术之父”。,一、纳米科技发展简史,迅速发展时期：80年代末、90年代初19

14、81年纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵仪器相继被发明，对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。德国学者格莱特于1984年把粒径6 nm的金属粉末压成纳米块，研制出第一块纳米材料，并且详细研究它的内部结构，指出了它的界面奇异结构和特异功能。1987年美国Argon实验室用同样的方法制备出了纳米Ti02多晶体。,一、纳米科技发展简史,1986年11月，第一届超细结构材料会议；1988年，美国能源部专题研讨会“团聚及团簇组装材料相关的研究战略”，表现出对这一前沿领域的高度重视；1989年，美国斯坦福大学科学家搬动原子团，写下“STANFORD”；1

15、989年，美国召开专题研讨会“具有亚微米尺度材料的研究战略”；1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议与第五届国家扫描隧道显微镜学会议同时举办，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。标志着材料科学已进入一个新的层次，标志着纳米科学技术的正式诞生。纳米技术与纳米生物学这两种国际性专业期刊相继问世。,一、纳米科技发展简史,1990年，世界金属材料会议开始设立“纳米结构材料”专题；1992年，纳米结构材料杂志问世；从1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国、瑞典举行。1992年，美国启动“总统倡导的材料研究与开发项目”，旨在促进超细及纳米材料的商业化；19

16、93年，美国再次启动“联邦先进材料及工程项目”推动该领域技术的商业化。1994年第一届“世界纳米材料及涂层”商业性会议在美国召开。,一、纳米科技发展简史,一、纳米科技发展简史,1997年，美国、日本及西欧等国政府投入纳米技术的开发经费已达3.6亿美元，德国政府投入约5 000万美元用于基础理论及应用开发。1999年1月1114日，香港科技大学举办了纳米结构材料的物理与化学高级研讨会，报告了纳米材料的制备、功能和应用等。,2000年6月1214日，英国Surrey大学举办“有机无机杂化材料的科学、技术和应用”会议。会议报告分为：杂化材料的科学与工业应用、溶胶凝胶(sol-gel)科学与技术、高聚

17、物基复合材料、硅烷和硅酸酯及钛酸酯、表面改性、纳米技术、光学技术等7个专题，中国长春应用化学研究所的专家应邀出席了会议。2001年9月1719日，在加拿大工业材料研究所(Industrial Materials Institute)举行名称为“聚合物纳米复合材料科学与技术”国际会议。,一、纳米科技发展简史,2001年3月2829日，由国家科技部、中国科协、中国科学院、中国工程院组织，在北京召开了首届中国国际纳米技术与应用会议。2001年7月25日，由科技部高技术研究发展中心、国家现代材料科技信息网络中心和高校校友海外联谊会联合主办的国际纳米材料高层论坛与应用技术研讨会在北京举行。,一、纳米科技

18、发展简史,-中国,第一阶段：发展重点是准确控制原子数量在100个以下的纳米结构物质，这需要使用计算机设计/制造技术和现有工厂的设备及超精密电子装置。第二阶段：发展重点是生产纳米结构物质。纳米结构物质和纳米复合材料的制造达到实用化水平。第三阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。（预计在2010年之前）第四阶段，纳米计算机将得以实现。第五阶段，动力源与程序自律化的元件和装置，将研制成功。,二、纳米技术发展可能经历的5个阶段,发达国家的战略产业,为了保持在纳米材料和纳米技术方面的领先地位，提高国家的竞争力，抢占纳米材

19、料和纳米技术战略高地，近年来，各国政府纷纷制定相关发展战略和计划，投入巨资，支持纳米材料和纳米技术的研究开发，重点推进纳米材料的产业化。,1.4 世界各国纳米技术研究的战略重点,美国,世界范围内引起“纳米冲击”波：2001年1月21日，美国总统克林顿宣布了国家纳米技术计划（National Nanotechology Initiative），该计划被列为联邦科技开发的第一优先计划,目的是领导下一次工业革命。最早成立纳米研究中心的国家：在2002年度预算中增加28亿美元的科研经费，用于生物医学、基础科学、纳米技术和信息技术等领域。,NNI瞄准的几个目标：（National Nanotecholo

20、gy Initiative）,设计、制造强度和硬度更大、重量更轻、安全性更好、并能自行修复的纳米材料；纳米电子器件；基因芯片和微小传感器；改善人类生存的环境；太阳能电池；微型航天器；纳米生物器件；交通工具中采用新型材料、电子器件、能源；国家安全防御方面。,美国国家纳米计划投资内容（单位：百万美元）,美国国家科学基金会通过各学部向纳米科技研究提供资助，同时也有学科交叉。包括以下方面：,先进材料加工计划，涉及纳米结构材料的产生、性质和表征；超细材料工程，具有特定性质纳米颗粒的加工合成、尤其是高速生产方法；建立国家纳米制造用户网络；纳米科学和技术仪器，开发在原子尺度下测量分子、团簇、纳米颗粒和结构的

21、新型设备；次微米气溶胶团聚；用于磁性材料的纳米复合材料；电场在纳米颗粒火焰反应器中的作用等。,美国国家科学基金会资助的基础研究项目概括为以下方面：,产生和加工具有期望性质的纳米结构的先进技术，包括化学和生物自组装技术和人造结构材料。纳米结构的稳定性、动态性质和无序行为。基于新概念、新原理、灵敏度高、分辨率高的新仪器、新传感器。量子控制和原子操作，包括激光、原子阱技术、光学波导器。利用信息理论和计算机研究生物结构的密码翻译。计算机体系的结构和纳米尺度机器人系统。新的健康保健知识。细胞生理学和材料科学应用于功能纳米材料的研究。,日本,最早实现纳米技术大规模研究的国家。1990年通产省资助了两项共计

22、2亿美圆的十年项目：原子计划项目和量子装置项目；为继续保持领先地位，不惜投入巨额研究经费，面向最前沿的学科领域和问题，如日本文部省把纳米技术列为材料科学的四大重点研发项目之一。最早实现纳米技术产业化的国家。“纳米技术战略”与“推进纳米技术恳谈会”：负责研究和制定今后日本纳米材料和纳米技术研究开发的重点课题，以及实行“产官学”联合攻关的具体方针政策，以推进“纳米技术战略”。,日本投资纳米材料和纳米技术情况,欧洲,1988-1998年，欧洲各国投入与纳米有关的研发经费约6900万欧元。仅在1999年启动的与纳米材料和纳米技术有关的计划就有15项。,欧洲各国投资纳米领域情况,此外，在软件业中尝到巨大

23、甜头的发展中国家印度，也计划投入3亿美元研究纳米技术，试图再次在新技术产业中争得一席之地。瑞士、瑞典、俄罗斯、韩国等国家也在积极行动。,其它国家,世界范围的纳米技术经费投入（单位：百万美元）,各国的重点领域与力量分布（美国世界技术评估中心）,目前纳米结构材料或纳米加工装置、光学和磁性装置、结构和涂层的研究已经在世界上美、欧、日、中等国启动，其中纳米技术和纳米材料水平最先进的国家是美国、日本，德国、英国次之，这些国家的产业化都达到了相当规模。美国侧重于纳米结构材料的合成、加工和表征和纳米生物技术；日本主要研究仿生材料、纳米电子学器件和纳米材料的测量、评估与加工；德国重点开发最新纳米结构、超精细表

24、面测量和新型仪器等。,各国纳米材料研究领域及力量分布,各国专利申请与论文数量分布：,1990年后，各国申请的有关专利的数量与文献报道量急剧增加。其中，文献量的年相对增长率为33.3%，约两年翻一番。发表纳米科技文献前六位的国家是：美国（28%）、日本、（15%）、德国、中国、法国（各7-9%）、俄罗斯、英国（各4%）。特别是美国近年来在纳米材料和纳米技术方面的发展非常之迅猛。从检索的纳米科技文献数量来看，在整个20世纪90年代，后5年的成果量是前5年的2倍。重点报道的方面：纳米碳管、有机-无机纳米复合材料、纳米生物材料工程、原子分子组装、纳米器件、纳米机器、纳米大分子等。,Science 20

25、02年8月，297：787 A：文章和专利数 B：各国专利（中国4）C：多国（在他国）专利 D：学科专利（合成与加工41%，电子学36）,各国产业规模与市场发展前景,2010年全球纳米市场将达1.44万亿美元。,纳米材料产业初具规模。目前已经规模化生产的纳米材料有：金刚石、磁性材料、金属、陶瓷、复合材料、半导体材料、生物医用材料等。最先进的纳米技术和纳米材料的国家是美国、日本和德国，英国次之。,纳米材料市场前景广阔。纳米材料在纺织、塑料、橡胶、涂料、陶瓷制品的改性方面，将给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额，有着十分广阔的发展前景。,各国纳米技术研究的最终目标：实现科

26、学突破和技术的切实应用。以纳米材料的应用市场作为牵动研究开发的方向，提高效率和资金利用率，把纳米科技与现有成熟的微米技术有机结合是实现最终目标的方法。,中国纳米材料的研发现状,政府高度重视资金支持大批科研成果相继问世,国家重大基础研究发展规划973项目2000年：纳米材料和纳米结构2002年：（1）纳米电子运算器材料表征与性能基础研究；（2）量子通信与量子信息技术,政府高度重视,科技部发布国家纳米科技发展指南框架（20012010年）2.纳米器件的构筑和集成技术：(1)纳米器件的基本科学问题；(2)纳米电子器件研究，包括运算器、存储器、显示器和量子器件等；(3)纳米光子器件，纳米磁性记录器件。

27、,自1999年到2001年间，共资助项目551项，其中50万以上的项目94项。在基础研究和应用研究方面，500万以上的项目25项。,资金支持：,中国在各研究方向投资分布,各国SCI文章数量,（1）中国纳米材料的SCI文章数目上升，居世界前列;（2）从1999到2002年，国内专利数110项，国际专利数相当落后，几乎为零。,几例具有影响的中国纳米技术成果,1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3-50纳米、长度达微米微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒

28、，首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。1998年，中国科技大学钱逸泰研究组用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金从四氯化碳制成金刚石。”1998年，中国科学院物理研究所解思深科研小组合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“毫米的世界之最”。,大批科研成果相继问世,几例具有影响的中国纳米技术成果,1999年上半年，北京大学电子学系教授薛增泉领导的研究组首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和

29、凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。2000年，中科院金属研究所卢柯博士首次直接发现纳米金属的超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为本领域的一次突破。,纳米铜的超塑延展性：在室温下可延伸50多倍,我国纳米研究的特点,主要的科研成果几乎全部在中科院和高等院校系统，而企业从事的研究开发则大部分集中在纳米材料的应用开发（主要是产品的表面改性方面）和纳米材料制备方面。这说明高等院校和中科院系统，依然是中国纳米材料及纳米技术的创新源泉。纳米材料及纳米技术的研究领域，主要集中在材料、化学、物理、信息、生命等学科。以北京为中心的北方纳米研究开发中心：以纳米碳管、纳米磁性液体

30、材料、纳米半导体、纳米隐身材料、高聚物纳米复合材料、纳米界面材料、纳米功能涂层、纳米材料的制备技术、纳米功能薄膜等为主要研究领域；以上海为中心的南方纳米研究开发中心：在纳米医学、纳米电子、纳米微机械、纳米生物、纳米材料、纳米材料制备与应用及产业化等领域，具有较强的优势和发展潜力。,中国纳米研发力量分布,中国纳米发展的制约因素,1.科研协作不力，信息沟通缺乏;2.科研经费不足，专业人才匮乏;3.成果先天不足，转化接口不畅;4.产权意识淡薄，行业标准欠缺,发展纳米产业的对策,制订发展规划，确定切入重点;建立创新体系，吸引多元投资;抓好人才培养，强化专利保护;加强技术交流，建设信息平台;建立质检中心，制定行业标准;加强科普宣传，倡导科学道德,本章重点,纳米与纳米科技的定义纳米技术研究的特点纳米技术对人类社会进步带来的影响纳米科技发展历程纳米材料的主要应用领域,