納米材料與技術(shù)講稿

1、第二講第二講納米材料納米材料一、引言一、引言在人類科技發(fā)展的歷史長河中，紿終朝兩個目標奮斗：一個是向著越來越大、越遠的宏觀世界進軍，發(fā)明了望遠鏡向著世界的廣度進軍，探索宇宙的起源和進化；另一個是向著越來越小、越深的微觀世界發(fā)展，發(fā)明了各種顯微鏡、粒子加速器，向著分子、原子、原子核、基本粒子的微觀層次不斷地探索物質(zhì)起源和結(jié)構(gòu)。19世紀末到20世紀初，人們對微觀世界的認識已延伸到十分微小的層次，時間已縮短到納(n)秒(109秒)、皮(p)秒

2、(1012秒)和飛秒(1015秒)的數(shù)量級。描述這些微觀體系的學科相繼建立，如原子核物理、粒子物理、量子力學等。在向著這兩個極端目標無盡的征途中，人們驀然回首，發(fā)現(xiàn)我們對原子分子和宏觀物體之間的中間領(lǐng)域，即納米領(lǐng)域，卻尚未認識和開拓。20世紀60年代人類社會進入了一個被稱為“后工業(yè)社會”、“信息社會”、“新經(jīng)濟社會”、“知識社會”等擁有多種名稱的社會?？茖W家已經(jīng)在新材料和新加工技術(shù)的開發(fā)中創(chuàng)造新的社會文化。在材料科學的積累和進步中，以及

3、在探測材料組織設(shè)備的不斷更新和完善的基礎(chǔ)上，信息與通訊材料、電子材料、光子材料正創(chuàng)造著“信息時代”；航空航天材料、高聚物、復合材料等也開創(chuàng)了“太空時代”；醫(yī)學材料、高級陶瓷、生物材料、轉(zhuǎn)基因食物、克隆材料又開啟了“生命復制時代”等等。在這些不同領(lǐng)域的功能材料的背后，人們都可以發(fā)現(xiàn)一種材料的身影，那就是方興未艾的納米材料。人們發(fā)現(xiàn)，納米材料出現(xiàn)許多既不同于宏觀物體，也不同于微觀體系的奇異性能，而且，這個領(lǐng)域才是對人類自身關(guān)系最密切的物質(zhì)層

4、次，于是人們又回過頭“重整舊山河”，集中精力開展納米科技的研究。20世紀80年代，納米科學技術(shù)的出現(xiàn)標志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人類科學技術(shù)已進入一個新的納米科學技術(shù)時代，人類即將從“毫米文明”和“微米文明”邁向“納米文明”。21世紀以納米技術(shù)為代表的新興科技將給人類帶來第三次工業(yè)革命，納米科學技術(shù)的發(fā)展將推動信息、材料、能源、環(huán)境、生物、農(nóng)業(yè)、國防等領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新，給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來極大的變革，進而為人類創(chuàng)造出許多新材

5、料、新產(chǎn)品，徹底改變?nèi)藗兦О倌陙硇纬傻纳盍晳T和生產(chǎn)模式。所以，納米技術(shù)必將成為21世紀的科技發(fā)展的領(lǐng)頭羊。二、什么是納米材料？二、什么是納米材料？納米是一個尺度的度量，最早把這個術(shù)語用到技術(shù)上是1974年底在日本出現(xiàn)，但是以“納米”來命名的材料是在20世紀80年代。它作為一種材料的定義把納米顆粒限制到1100nm范圍，或者是把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100納米以下的長度尺寸的材料稱為納米材料，也可以說納米材料的平均粒徑或結(jié)構(gòu)疇尺寸在10

6、0nm以下。它的整個涵義是在納米尺寸(1010一107m)范圍內(nèi)認識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造新物質(zhì)。在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構(gòu)成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在，廣義地納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內(nèi)，或它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)、納米材料的基本單元可分為三類：①零維，指在空間三繼尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等；②一維，指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、

7、納米棒、納米管等；③二維，指在在我國的歷史上，每當遇到災(zāi)害和戰(zhàn)亂的時候，觀音土這個名詞就會經(jīng)常出現(xiàn)。窮人在青黃不接時或災(zāi)荒年間，常常靠吃觀音土活命。在微觀上，觀音土究竟什么樣？最近，中外科學家們都開始關(guān)注觀音土，發(fā)現(xiàn)觀音土其實是一種天然的納米孔材料。人造納米材料有成團、難分散、不穩(wěn)定三大困難，而且暫時還不能完全克服。自然界的觀音土，即硅藻土沒有這三大困難。硅藻土是硅藻這種單細胞藻類生物留下來的遺體，大約距今2500萬年以前，硅藻曾是地球

8、上的主人，幾乎有水的地方就有它們的存在。硅藻死亡后的殘骸沉積到水底被埋藏起來形成了生物沉積巖，就是今天所看到的硅藻土。從電子顯微鏡所拍到的照片，可見硅藻土的各種形態(tài)。它們的形體尺寸一般為幾個微米到幾十微米，最小也有一微米。其殼壁由非晶質(zhì)二氧化硅和果膠組成，殼縫為125納米左右。對殼壁上點紋、線紋觀察后發(fā)現(xiàn)，它們都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20100納米。所以硅藻土是天然的納米孔材料。提純、改性后的硅藻精土在處理城市污水等方面已表

9、現(xiàn)出獨特的性能。3.4、生物中的納米結(jié)構(gòu)和納米材料、生物中的納米結(jié)構(gòu)和納米材料大千世界無奇不有，最奇妙、最復雜的莫過于有機物生命體的生物世界了。從原于和分子的角度看，又是那么簡單，這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、硅、硫、鐵、鈉，再加上一些微量元素所組成，而且它的生、老、病、死、遺傳、變異等都是在自然條件下靜悄悄地進行的，用不著高溫、高壓、高真空等等的苛刻條件。生物多樣性及其復雜性的來源，不是主要決定于組成它的原于和分子，而是決定

10、于這些原子和分子在納米尺度上的結(jié)構(gòu)，以及納米尺度上的生命運動規(guī)律。自然界中早就存在納米微粒和納米結(jié)構(gòu)，只是我們沒有注意到而已。3.4.1、自潔的荷花、自潔的荷花周敦頤所著的《愛蓮說》中對荷花有一句深刻的描寫，至今仍然膾炙人口：“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”。從這兩句描寫中可以看出，古人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)荷葉具有很強的自潔作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷葉的干凈清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。今天人們發(fā)現(xiàn)，荷葉葉面部具有較強的疏水性，灑

11、在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應(yīng)”。楊萬里—映日荷花別樣紅映日荷花別樣紅那荷葉為什么能出污泥而不染？為什么會有這種“荷葉效應(yīng)”從荷葉的基本化學成分來看，荷葉是由葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物組成，因而擁有豐富的OH、NH等極性基團。這些極性基團在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬，因此用傳統(tǒng)的化學分子極性理論來解釋是行不通的。有些科普書中是這

12、樣解釋的：“出水荷葉上濺了水滴，由于荷葉上有細毛，水不能吸附在荷葉上”。荷葉上有細毛這一點，憑手感就能察覺，但其表面根本達不到機械學意義上的粗糙度，因而從機械學的粗糙度來解釋也不行，經(jīng)過兩位德國科學家的長期觀察研究，終于揭開荷葉自潔的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的“山包”，“山包”的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而這些“山