第10章 纳米科技.pdf

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第10章 纳米科技

第九章 纳米科学与技术 纳米其实是一个长度单位,等于十亿分之一米。与毫 米、厘米和米一样,是用来度量物体的长度的。 1纳米有多短呢?这是无法用宏观的物体来比照的。头 发丝已经很细了,直径依然有约五万纳米,再缩小万 分之一,这是一个无法想象的极小的长度。 而纳米材料是指至少在一个维度上尺寸处于纳米尺度 范围(1~100nm),或者由它们作为基本单元构成的材料 ,这大约相当于10~100个氢原子紧密排列在一起的尺 度。随着尺寸的不断减小,使得纳米材料的性质发生 了巨大的变化。 纳米材料一个非常重要的特点是大的比表面积, 随着材料尺度的减少,表面原子所占比例大大增加,例如, 1克直径为100纳米的颗粒表面积总和可高达100平方米。 我们知道表面原子具有很高的活性且不稳定,所以大的比表 面积使得纳米材料呈现出很多不同于常规粉体材料的现象, 这就是纳米材料的表面效应。 比如,金属银的熔点为960.5℃,而银纳米颗粒不到100℃就 开始熔化了。另外,利用表面效应,纳米材料常被用作催化 剂。通常的金属催化剂制成纳米颗粒可以显著地提高催化反 应的速率。 当颗粒的尺寸与德布罗意波长相当或更小时,晶体周期性 的边界条件将被破坏,表面层原子排列混乱,从而导致材 料的在热学、光学、磁学及力学等方面都有很多新奇的特 性,这就是纳米材料的小尺寸效应。 物理性质的变化使得纳米材料有着很多特殊的应用。牙齿 不好的朋友可能了解,牙医经常建议患者使用陶瓷假牙, 可是我们都知道普通的陶瓷是很脆弱的,微弱的抨击或震 动都会导致陶瓷器皿的破碎,那为什么还要用陶瓷材料制 造假牙呢?这就要归因于小尺寸效应带来的纳米陶瓷材料 力学性能的变化。 对于由纳米颗粒压制成的纳米陶瓷材料来说,表面的原子 排列是相当混乱的,在外力的作用下很容易迁移,因此表 现出很好的韧性与延展性。 除了小尺寸效应,当材料任何一个维度的尺度与德布罗 意波长相当或者更小时,电子在此维度中的运动会受到 限制,连续的能带将分解为分立的能级,并伴随着带隙 的展宽,这就是纳米材料的量子限制效应。 其中,分立能级的间距随着纳米材料尺寸的减小而增大 ,利用这种现象可以有效的对材料的带隙进行调节。 此外,量子限制效应所带来的带隙的展宽,会引起材料 吸收边的蓝移现象,这就解释了为什么纳米材料的发光 峰或者吸收峰存在蓝移现象。 纳米材料还具有宏观量子隧道效应,即:微观粒子能够 穿过比它动能更高势垒的物理现象。形象的来讲,在两 层金属之间夹上一薄层绝缘材料,电子可以穿过绝缘层 ,这便是宏观量子隧道效应。 扫描隧道电子显微镜就是利用一电子在金属探针与待测 物体表面之间的隧穿形成隧道电流,来观测物体表面的 形貌的。 纳米材料是材料的微观尺度是纳米级的, 纳米材料零微的比如量子点,一维的比如 纳米碳管,二维的比如纳米级的薄膜,三 维的比如纳米颗粒做成的块体材料。 1. 纳米科技的发展历史 2. 纳米材料及其分类 3. 纳米技术的应用 4. 纳米材料的危害 • 红色星球 这是用三维方式把两张不同的图片组合在一起的。土地是 放置在Au 上的单层图。而天空是Au(111)爆炸后的景象。 • 纳米爆炸 纳米爆炸在07-08年的科学与艺术大赛当中获得了第一名,该图是在 电子显微镜下拍摄到的,CoFeB 电子磁性列阵溢出时的画面。 香港中文大学物理学教授郝少康(S.K. Hark)在扫描电子显微镜下观看二 氧化硅纳米丝时,一幅金色向日葵的画面呈现在他的眼前。与植物不 同,它们的“肥料”是镓和金催化剂,能让它们长到长度只有几微米 ,同时直径保持在10纳米左右。 这幅几乎完美无暇的金晶体的图片是西班牙马德里大学的 维奥利塔·纳瓦罗通过原子力显微镜捕捉的。这些显微镜 产生了堪称世界上微小物体的最清晰的图片,极其微小的 悬臂在它们的表面回来转动。 • 竹型振动控制 这是从Ni-Mn-Ga溶化物中提取的纤维结构,我们看到这个东西就好似 竹子。 • 色子 自己组装的200微米大小镍色子,图像使用电子显微技术, 图中色子的颜色是用Photoshop后期制作上去的。 • 美丽的自然 由CulnSe2,Cu2Se,InSe水晶在SEM图像中的 模样 • 镧辉钴矿的层面 这张图片显示了La0.8Ca0.2CoO3层面的模样,他显示了一种材料破裂。 • 在毛细血管里工作的纳米机器人 • 碳纳米管(Carbon n

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