1、2018/10/10,1,Chapter 5 纳米功能纺织材料 Nanostructured Textiles,江南大学纺织服装学院,2018/10/10,2,纳米技术 Nanotechnology,2018/10/10,3,在人类科技发展的历史长河中，始终有两个目标： 一个是向着越来越大、越远的宏观(Macroscopic and cosmoscopic)世界进军，发明了望远镜向着世界的广度进军，探索宇宙的起源和进化； 另一个是向着越来越小、越深的微观(Microscopic)世界发展，发明了各种显微镜、粒子加速器，向着分子、原子、原子核、基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构。 在向着
2、这两个极端目标无尽的征途中，发现我们对在这两端中间的介观层次，即原子分子层次、纳米层次，却不甚了解。而这个层次才是对人类自身关系最密切的物质层次，于是人们又回过头，集中精力开展介观(Mesoscopic) 层次的纳米科技的研究。,2018/10/10,4,第三次工业革命： 21世纪，以纳米技术为代表的新兴科技，将给人类带来第三次工业革命。,第一次工业革命： 发生在18世纪中叶，以蒸汽机为代表，它的标志尺度是毫米，可以称作毫米技术应用时代。,第二次工业革命： 20世纪以电子技术为代表，它的标志是微米技术的应用。,2018/10/10,5,2018/10/10,6,纳米:纳米是一种长度单位，1纳米
3、是1米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度。,纳米技术:在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术,纳米技术 Nanotechnology,2018/10/10,7,纳米科技的发展史中不乏里程碑式(Milestone)的事件:,2018/10/10,8,1959年: 美国物理学家费曼（Richard Feynman）在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“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
4、一步缩小器件的尺寸。我不打算讨论我们将如何做到这一点，而只想谈谈原则上我们能做些什么。现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间和精力。”费曼 （1918-1988）美国物理学家，因在量子电动力学研究中取得重大成果荣获1965年诺贝尔物理奖.,2018/10/10,9,长期以来人类就有一个幻想：希望能直接“看”到原子，而不是采用X衍射方法，通过X衍射图的分析间接地看到原子。直至20世纪80年代初除了个别情况外原子还是不能直接被“看”到。这个幻想在1981年由于扫描隧道显微镜（STM）的发明终于成为现实。在瑞士苏黎世的IBM实验室内，德国博士生比尼格（Binnig）在罗勒尔(
5、Rohrer)教授的指导下，正在做博士论文研究导体间的电子隧道效应问题。带偏压(电压差)的两个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的，可是当这两个导电平板靠得很近，相隔小于1个纳米时，即使不接触，也会产生电流，称作隧道电流(tunneling current )。,导体间的电子隧道效应 Electron Tunneling Effect,1981年:,2018/10/10,10,这种隧道电流是随着间距的减少而指数上升。这种现象就是量子力学(Quantum mechanics) 中的隧道效应。正像电视显像管中电子束扫描一样，同时记录下每个扫描点相应的隧道电流，而这个电流是直接与表面高低起伏有关的
6、，即与表面形貌有关的。这样一来测量平板间隧道电流的实验装置就变成了观察表面形貌特征的显微镜了！这就是比尼格和罗勒尔发明的扫描隧道显微镜（STM）。由于针尖可以做得很细、很尖，其顶端甚至只有一个原子，所以STM有原子级的分辨率，可以观察到物体表面单个原子。实现了人类直接“看”到单个原子的愿望！这是迈向纳米技术重要里程碑。比尼格和罗勒尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。,扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope STM）,2018/10/10,11,隧道显微镜中针尖（红色） 对样品（蓝色）作两维扫描,扫描隧道显微镜（STM）,2018/10/10,12,198
7、9在美国加州的IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子，STM的针尖成了搬运原子的“抓斗”，在一个位置上抓起一个原子，移动到另一个预先设计好的位置上，再放下该原子。重复这样的步骤，依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标，实现了人类另一个幻想直接操纵单个原子(Single Atom Manipulation Technology )。原理上这也是实现了费曼的设想：按人的意愿排布一个个原子来构建纳米器件。人类迈向纳米技术的征途真正开始了。,1989年:,2018/10/10,13,1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Ii
8、jima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管” (Carbon Nanotubes)。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等,1991年:,2018/10/10,14,纳米技术的一大特征是它的交叉性(interdisciplinary )、综合性(comprehen
9、sive)。它是现代科学（量子力学、介观物理、混沌物理、分子生物学等）和现代技术（计算机技术，扫描探针显微术STM和AFM，电子束和电镜技术、激光技术和核分析技术等）结合的产物。,2018/10/10,15,纳米科技与其它学科的交叉又将引发一系列新的学科、技术、如纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学、和纳米机械学等,2018/10/10,16,纳米材料的分类 (Classification),2018/10/10,17,碳纳米管 Carbon Nanotubes,2018/10/10,18,碳纳米管,碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确认了碳纳米管的结构，发现了碳纳米管的许多奇特的性
10、质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热点。 碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、中空的“微管”,分为单层管(SWNT)和多层管(MWNT)。多层管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米；管的内径更小，有的只有1纳米左右。而碳纳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。,2018/10/10,19,单壁碳纳米管的制备方法,石墨电弧法(Arc discharge) 激光蒸发石墨法(Laser ablation) 化学气相沉积法(Chemical vapor
11、deposition),2018/10/10,20,石墨电弧法,氦气保护石墨电弧法,氢气保护石墨电弧法,电弧法的主要原理是在充有一定压力的惰性气体的真空反应室中，采用面积较大的石墨棒(直径为20mm)作阴极，面积较小的石墨棒 (直径为10mm)为阳极。在电弧放电过程中，两石墨电极间通过反馈始终保持约 1mm的小间隙。阳极石墨棒不断被消耗，在阴极沉积出含有碳纳米管、富勒烯（Fullerenes）、石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳纳米颗粒的混合物,2018/10/10,21,化学气相沉积法(CVD),特点： 它主要以C2H2气体做碳源，以金属催化剂做晶种，在相对低的温度下（5001000）C2H2
12、裂解而得到碳纳米管.设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上 常用气体： 甲烷、一氧化碳、苯等 催化剂： Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物,2018/10/10,22,激光蒸发法,激光法是用高能量密度激光照射置于真空腔体中的靶体表面，将碳原子或原子基团激发出靶的表面，在载体气体中这些原子或原子基团相互碰撞而形成碳纳米管。,2018/10/10,23,对碳纳米管的性能，特别是电学性能和力学性能的研究，已有许多理论计算结果。但是由于多层碳纳米管结构的复杂性，大多数理论计算都是以单层碳纳米管为研究对象来进行的。虽然大量的理论计算表明,碳纳米管具有电学、力学、光学等方面的许多
13、奇特性质，但从实验上验证这些特性却十分困难。这主要是因为碳纳米管的尺寸太小，难以用常规实验手段对其进行测试。尽管困难重重，实验研究仍然取得了许多很有价值的成果。,碳纳米管,2018/10/10,24,性能及其应用前景,奇异的导电性,碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言， 碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至 在同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也 可以呈现出不同的导电性。此外，电子在碳纳米管的径 向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子 在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管 是一维量子导线。 作为典型的一维量子输运材料，金属 性的碳纳米管在低
14、温下表现出典型的库仑阻塞效应。当 外电子注入碳纳米管这一微小的电容器（其电压变化为 V=Q/C，其中Q为注入的电量，C为碳纳米管的电容） 时，如果电容足够小，只要注入1个电子就会产生足够高 的反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后 ，反向阻断电压随之消失，又可以继续注入电子了。,2018/10/10,25,碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米管可以用来制作极细的电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.11微安的发射电流。另外，开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，碳纳米管电子枪具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需
15、加热和无需高真空等优点，有望在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。,性能及其应用前景,2018/10/10,26,优异的力学性质,除了奇特的导电性质之外，碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，碳纳米管被认为是强化相的终级形式，人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。此外，碳纳米管高的比表面积使其成为最有希望的新型储氢材料。 由于碳纳米管本身具有小的直径和很高的长径比（即长
16、度与直径之比），以及良好的力学及电学性能，因此可以将碳纳米管用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针，使仪器的分辨率有较大的提高。,2018/10/10,27,单壁碳纳米管的应用,储氢材料 高强度复合材料领域 电子应用领域大容量超级电容器 场发射装置 场效应晶体管 碳纳米管传感器和探头 催化剂载体,2018/10/10,28,纳米颗粒 nanoparticles,镧锶锰氧化物(Lanthanum- Strontium Manganite,钆掺杂氧化铈 Gadolinia doped Ceria,2018/10/10,29,纳米颗粒的制备,物理制备方法,化学制备方法,气 相 凝 聚 法,溅 射 法
17、,机 械 研 磨 法,等 离 子 体 法,化 学 气 相 沉 积 法,热 分 解 法,还 原 法,溶 胶凝 胶 法,2018/10/10,30,纳米贵金属催化剂的制备,模板剂法 采用无机分子筛类多孔性物质为模板剂，以合成贵金属纳米粒子。可以将装载有金属纳米粒子的多孔材料直接作为催化剂使用，也可以溶去无机多孔材料制备纳米贵金属粒子。,制备方法: 以介孔无机分子筛如MCM-41, SBA-15,FSM-16为模板剂，利用浸渍法，将合成并酸处理的无机分子筛膜浸于氯金酸或氯铂酸的溶液中，在减压条件下超声处理30秒，然后取出静置24h，过滤，去离子水洗涤，真空干燥，最后在673K、H2气氛中还原4h即得
18、。,模板法制备的Au, Pt纳米结构催化剂TEM图,2018/10/10,31,由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景,纳米颗粒的应用,2018/10/10,32,纳米线、纳米带、量子点 nanowires，nanoribbons，quantum dots,2018/10/10,33,纳米机械 Nanomechanics,2018/10/10,34,纳米器件 Nanoelectronics,2018/1
19、0/10,35,纳米器件 Nanoelectronics,2018/10/10,36,纳米器件 Nanoelectronics,2018/10/10,37,纳米生物 Nanobiology,2018/10/10,38,纳米生物 Nanobiology,2018/10/10,39,2018/10/10,40,中国纳米技术发展,1993年，中科院操纵原子写字,2018/10/10,41,中国纳米技术进展,中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管 中国科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”,2018/
20、10/10,42,纳米材料制备综述,对纳米材料的要求 尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控 (表面改性和表面包覆),2018/10/10,43,纳米技术的应用,能源领域 石油、煤等不可再生资源 环保领域 解决水污染的问题 解决空气污染的问题 微电子 纳米电子器件、纳米线、纳米传感器 信息领域 光纤、发光器件,2018/10/10,44,功能性涂料、薄膜 防静电涂料 特殊视觉涂料 紫外线吸收涂层 耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层 机械 纳米结构单元和纳米机械 结构陶瓷 增强、增韧、助烧结,纳米技术的应用,2018/10/10,45,化学化工 催化剂、助催化剂、阻燃剂 镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大 塑料和橡胶 制品成型剂、补强剂、抗老化剂 OA领域 复印机和激光打印机的墨粉 喷墨打印机墨水、高级墨水,纳米技术的应用,2018/10/10,46,纳米药物 磁性纳米粒子药物 卫生保健品 防晒霜 纺织品 功能纺织品,纳米技术的应用,2018/10/10,47,纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术,纳米技术的应用,2018/10/10,48,Thank you!,
