第1章-纳米材料概述.doc

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纳米材料

课程基本情况

面向全校本科学员开设的、自然科学与工程技术系列本科公共选修课；关于纳米材料的入门课程。

纳米材料是当今材料科学的研究前沿和热点，内涵丰富，应用潜力大，知识更新速度快，有必要进行系统讲授。通过学习纳米材料相关知识，可了解其在武器装备中的应用前景，拓展知识面，激发对科技前沿领域的兴趣，培养创新意识。

参考教材

刘漫红,等.纳米材料及其制备技术.北京:冶金工业出版社,2014.08；

林志东.纳米材料基础与应用.北京:北京大学出版社,2010.08；

张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构.北京:科学出版社,2001.02.

第1章纳米材料概述

要求：掌握纳米尺度、纳米材料的概念与内涵，熟悉常见纳米材料及其应用前景，了解纳米科技发展。

1.1纳米尺度概念

（1）1纳米是多少

纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm，1nm=10-9m=10?；换一种方式：1m=103mm=106μm=109nm。

头发直径：50-100?m，1nm相当于头发的1/50000-1/100000。

氢原子的直径为1?，1nm等于10个氢原子排起来的长度。

（2）人类对世界和物质的认识层次

宇观(Cosmoscopic)：星系等天体系统，距地球最远星系约220亿光年；可直接观测但不能以物质手段加以影响和变革的时空区域。包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。宇观世界的运动需用广义相对论、宇宙电动力学和星系力学描述。

宏观(Macroscopic)：人类肉眼所涉及的空间范围；

介观(Mesoscopic)：包括从微米、亚微米到纳米尺寸的范围；

微观(Microscopic)：以原子为最大起点，下限是无限的领域。

（3）纳米尺度

纳米尺度正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，称为介观世界。

纳米尺度范围：0.1~100nm。

1.2纳米科技发展

（1）纳米科技概念

纳米科学：研究与发现纳米尺度(0.1~100nm)物质运动和变化的规律。

纳米技术：将纳米尺度的新研究发现应用于实际的方法和途径。

纳米科学与技术，简称纳米科技(nano-ST)：是研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

（2）纳米科技主要研究领域

纳米科技按照学科领域可划分为以下学科分支：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

纳米科技按照研究对象可划分为以下主要研究领域：纳米材料（基础）、纳米器件（目标）、纳米尺度的检测与表征（前提）。

（3）纳米科技主要研究任务

创造和制备优异性能的纳米材料；（基础）

制备各种纳米器件和装置；（目标）

探测和分析纳米区域的性质和现象。（前提）

（4）纳米科技的重要意义

纳米科技将促使人类认知的革命;

纳米科技将引发一场新的产业革命;

纳米科技是一门综合性的交叉学科，带动相关学科发展。

（5）纳米科技的起源与发展

1861年，胶体化学建立，人们开始研究1~100nm的颗粒；

1959年，费曼预言提出；

1982年，扫描隧道显微镜研制成功；

1985年，C60富勒烯被发现；

1989年，单原子操纵实现；

1990年，第一届纳米科技会议召开。

历史错过的机遇：1861年，科学家发现了一种新的现象—胶体,建立了化学学科的一个新的分支：胶体化学。英国化学家格雷哈姆最早使用胶体术语。但是当时的化学家们并没有意识到在这样的一个尺度范围是人们认识世界的一个新的层次，历史就此错过。

费曼的幻想点燃纳米科技之火：1959年，费曼作了一次演说“最底层大有发展空间”。他指出“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”?他说“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题，这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸”。他不仅预测了纳米技术将会崛起，而且在30年后变成了现实。

“看”得见原子的显微镜：长期以来人类就有一个幻想：希望直接“看”到原子。1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的比尼格(Gerd.Binnig)和罗勒尔(Heinrich.Rohrer)研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），使人类第一次可以实时观测单个原子的行为。

1985年，英国萨塞克斯大学的克罗托与美国莱斯大学的斯莫利和和科尔合作，采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析，发现了金刚石和石墨之外的第三种稳定的碳单质，富勒烯C60。C60由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直径0.71nm，其60个顶角