第五章化学与范例.pptx

社会 Chem 与 第五章 化学与材料 第 1 节 纳米材料 主讲：化学工程学院 2015年5月 纳米与纳米技术Nano and Nanotechnology 纳米(nm)：长度单位，1m=109 nm, 人 头发丝的直径相当于6万纳米(0.06mm)。 纳米技术：在纳米尺度上，通过直接操纵原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。 纳米材料：当物质颗粒小到纳米量级(100nm)后，这种物质就可被称为纳米材料。 纳米效应：同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。 花粉是纳米级的粒子?室内的灰尘是纳米级的粒子, 其光环300nm.?病毒也是纳米级的, 30-100nm. 纳米颗粒 纳米颗粒的检测 如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。 其他：高分辨透射电镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM），分辨率1nm。 扫描隧道显微镜示意图 外膜蛋白 病毒基因 反转录酶 核核心蛋白 组织核心蛋白 移动原子—世界上最小的广告 1990年，IBM公司展示了一项令世人瞠目结舌的成果，在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。 试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住， 再搬运到另一个地方放下。 这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以进行“原子剪裁”了。 纳米神算子——分子算盘 STM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。 科学家把C60分子每10个1组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的? 这项试验的真正意义在于未来人们能够通过操纵原子、 分子来随心所欲地构造新的物质。 纳米绘画艺术—— 纳米中国 这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而 绘制出的世界上最小的中国地图。 碳纳米球（富勒稀）--碳的第三种形态，纳米碳材料 The Nobel Prize in Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60). 碳原子组成的小单元看起来和足球一样。碳原子的活性差，导电，非常稳定。绝佳的材料和电性能． 碳纳米管 Nanotube --碳的第三种形态，纳米碳材料 碳原子组成的圆柱体管状结构物质。 长度和直径之比很高的纤维，韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢的1／6。 世界上最小的碳管－单壁碳纳米管，直径仅为0.4nm。 纳米碳管的应用－储氢 氢气的储存：气态，所占空间太大。液化，压力太大，费用太高。 碳纳米管储氢：强吸附氢，储氢密度相当于液体氢，压力仅有100atm。 原理：碳纳米管的直径和氢原子的直径相似。在这种情况下，氢气的储存浓度可以达到近似液体的水平。 纳米管存储器--2005年4月科学美国人 纳米管存储器的优点 存储量大 低成本和闪存的非挥发性完美的结合 耗电量低 较好地抵抗可能出现的高温、低温或磁 性损坏 纳米技术对信息技术的影响 可以将存储器的存储能力提高1000倍，到那时巨型计算机小到可以放进口袋里，国家图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。 以硅为材料的微米级集成电路技术将走到尽头，纳米材料将成为替代硅和其它半导体材料的最佳候选者。从技术上讲，碳纳米管很有可能成为硅的换代品，成为电子产品的主要材料。 科学家分别研究了金属性的碳纳米管和半导体性的碳纳米管，认为金属性碳纳米管可以用作电路中的连接件，而半导体性碳纳米管可以用作电路开关。 碳纳米管有可能同时取代硅和铜。 计算机和存储器的微型化。 石器时代的纺毛线机来纺碳纳米管纤维---低技术灵感给纳米管工作带来进展 科学家将可能是来自石器时代的纺毛线机变小，用它来纺碳纳米管纤维，纺出的纳米管纤的强度足以用于制造防弹衣。 Mei Zhang等用多壁碳纳米管，纺出了高强度、柔软、高导电性的扭卷纤维。和通常的纤维不同，这些纤维的端部被释放后，它们的股不散开，而且纤维打结后其强度也不降低。这些纤维也许能取代电子纺织物中的金属丝，从而提供新的功能，比如启激人工肌肉，或用于超级纤维电容来储存能量。 2004年11月19日 美国《科学》周刊306卷 纳米材料的妙用 导体变绝缘体，绝缘体变导体 导体－铜等，纳米铜（几个纳