《纳米材料》课件

纳米材料探索微观世界的奇妙材料从基础理论到前沿应用纳米科技改变未来世界课程概述基础理论纳米材料定义与分类特殊性质量子效应与表面效应制备表征自上而下与自下而上前沿应用能源医疗环境领域纳米材料的定义尺寸范围结构特点至少一维在1-100纳米范围内原子簇、量子点、纳米粒子独特性质表现出与常规材料不同的特性纳米材料的分类零维纳米材料1纳米颗粒、量子点一维纳米材料2纳米线、纳米管二维纳米材料3纳米薄膜、石墨烯三维纳米材料4纳米多孔材料、纳米复合材料纳米科技的发展历程年19591费曼提出微观世界大有可为年21974谷口提出纳米技术概念年19813扫描隧道显微镜发明年41985富勒烯发现年19915碳纳米管发现年62004石墨烯分离成功纳米材料的特殊性质量子尺寸效应表面效应能级分立化和蓝移现象表面原子比例大幅增加宏观量子隧道效应小尺寸效应电子穿透能障几率增大熔点降低、硬度变化量子尺寸效应能隙增大能级分立化应用案例随尺寸减小，能带结构改变电子能级从连续变为分立量子点发光二极管导体半导体绝缘体转变类似原子能级结构尺寸调控发光颜色→→表面效应表面原子比例表面能增加尺寸减小，表面原子比例急剧增表面张力显著增强加活性位点密度提高50nm颗粒~1%5nm颗粒~40%催化活性提升催化效率倍增降低催化剂用量小尺寸效应热力学性质变化磁学性质变化力学性质变化熔点显著降低超顺磁性出现硬度和强度提高光学性质变化颜色随尺寸调变宏观量子隧道效应传统隧道效应1微观粒子穿越势垒纳米尺度变化2隧穿几率大幅增加实际应用3隧道二极管、隧道磁阻纳米材料的制备方法概述自上而下法自下而上法从宏观材料切割、研磨获得纳米结构从原子分子层面构建纳米结构•机械球磨法•化学气相沉积•光刻技术•溶胶-凝胶法•物理气相沉积•水热合成法自上而下法宏观材料1体块材料，传统加工制备物理分割2机械力、热能或光电手段减小尺寸纳米结构3形成所需的纳米尺度材料后处理4筛选、纯化与表面修饰机械球磨法原料装入材料与研磨介质一起放入球磨罐高能球磨高速旋转产生碰撞和剪切力形貌改变材料被粉碎成纳米尺度颗粒收集纯化分离出纳米颗粒并去除杂质物理气相沉积法气相传输成核生长气态原子分子向基底迁移在基底上凝结形成纳米结构源材料气化薄膜形成热蒸发、电子束轰击或溅射纳米晶粒逐渐长大连成整体2314自下而上法从原子分子构筑纳米结构的方法精确控制形貌和组成化学气相沉积法前驱体气化含目标元素的化合物加热汽化传输反应气体在高温下发生化学反应沉积生长产物在基底表面形成纳米结构后处理退火处理提高结晶度溶胶凝胶法-溶胶形成前驱体在溶液中水解得到胶体凝胶化胶体颗粒聚集形成三维网络干燥过程溶剂去除获得多孔气凝胶热处理高温煅烧得到结晶纳米材料水热合成法100-300°C1-30MPa

0.5-72h反应温度反应压力反应时间超过水的沸点高压促进结晶决定晶体大小模板法硬模板法软模板法多孔氧化铝、分子筛等作模板表面活性剂自组装形成模板在孔道内生长纳米结构有序结构引导材料生长模板移除溶解或煅烧去除模板保留纳米结构电化学沉积法电极系统搭建工作电极、参比电极、对电极电解质配制含金属离子的溶液准备施加电压金属离子在电极表面还原纳米结构形成控制成核和生长过程纳米材料的表征技术扫描电子显微镜（）SEM工作原理技术特点应用案例电子束扫描样品表面分辨率达1-10nm纳米颗粒形貌分析二次电子信号成像样品表面形貌观察材料表面结构研究样品制备简单透射电子显微镜（）TEM工作原理高能电子穿透超薄样品形成像分辨能力原子级分辨率，

0.1nm以下信息获取内部结构、晶格排列、缺陷技术难点样品制备困难，需极薄原子力显微镜（）AFM探针结构工作模式成像效果悬臂梁与尖端探针接触模式与轻敲模式三维表面地形图射线衍射（）X XRD射线发射晶体衍射X特定波长X射线产生布拉格定律满足条件数据分析信号检测晶相鉴定与结构分析衍射峰强度与位置射线光电子能谱（）X XPS表面元素组成1定性定量分析化学状态分析2价态与化学环境深度分布信息3通过溅射获得零维纳米材料纳米颗粒量子点富勒烯金属、氧化物、复半导体纳米晶体碳原子笼状结构合物团簇数十至数百原子聚集体量子点定义特征独特性质半导体纳米晶体尺寸决定发光颜色三维量子限域效应量子效率高达90%代表材料CdSe、CdTe、PbSInP、ZnS核壳结构富勒烯601985碳原子数发现年份C60最稳定结构克罗托等人32多面体面数20个六边形和12个五边形一维纳米材料特点典型材料应用领域一维延伸，其余维度纳米尺度纳米线、纳米管、纳米带电子器件、传感器高长径比，定向传输性质纳米棒、纳米纤维光电转换、导电网络纳米线发展历程1990年代开始系统研究材料种类金属、半导体、氧化物纳米线制备方法气相生长、模板法、溶液法应用前景光电子器件、晶体管、传感器碳纳米管结构特点主要类型石墨片卷曲形成的管状结构单壁、多壁、双壁碳纳米管应用领域优异性能复合材料、电子器件、储能超高强度、良好导电性4二维纳米材料单原子或几层原子厚度的片状纳米材料面内具有强键合，层间为弱范德华力石墨烯20041发现年份原子层厚度诺贝尔奖成果单层碳原子倍20015000强度比例电子迁移率比钢铁强200倍cm²/V·s过渡金属二硫化物结构特点代表材料独特性质三层夹心结构二硫化钼MoS₂层数依赖的带隙变化金属原子夹在硫原子之间二硫化钨WS₂直接-间接带隙转变二硫化锡SnS₂三维纳米材料三维纳米网络1复杂连通的纳米结构纳米多孔材料2具有纳米孔道的材料纳米复合材料3纳米组分强化的复合体系多孔纳米材料微孔材料介孔材料孔径小于2nm孔径2-50nm分子筛、沸石MCM-41,SBA-15大孔材料孔径大于50nm多孔金属、多孔陶瓷纳米复合材料基体材料纳米增强相金属、陶瓷、高分子纳米颗粒、纳米管、纳米片协同效应界面作用4性能超越单一组分界面键合与能量传递纳米金属材料贵金属纳米材料过渡金属纳米材料金属纳米结构金、银、铂纳米颗粒铁、镍、钴纳米颗粒纳米线、纳米片、纳米网络纳米半导体材料纳米陶瓷材料氧化物陶瓷Al₂O₃、ZrO₂、TiO₂非氧化物陶瓷SiC、Si₃N₄、BN功能陶瓷压电、铁电、导电陶瓷生物陶瓷羟基磷灰石、生物玻璃纳米高分子材料纳米结构高分子高分子纳米复合材料嵌段共聚物、星形聚合物纳米填料增强高分子功能性纳米高分子导电、阻燃、抗菌高分子纳米生物材料纳米药物载体纳米生物传感组织工程支架脂质体、聚合物纳米粒DNA、蛋白质传感器模拟细胞外基质纳米材料在能源领域的应用太阳能电池量子点、纳米晶体增敏锂离子电池纳米电极材料提高性能燃料电池纳米催化剂提高效率超级电容器4高比表面纳米碳材料纳米材料在环境领域的应用水处理技术空气净化土壤修复纳米吸附剂和催化剂光催化分解污染物纳米零价铁降解污染物环境监测高灵敏纳米传感器纳米材料在电子领域的应用纳米材料在医疗领域的应用纳米诊断纳米治疗再生医学早期疾病检测精准药物递送组织修复与再生•金纳米颗粒免疫检测•靶向药物载体•纳米支架材料•磁性纳米颗粒成像•光热治疗•纳米纤维膜•量子点荧光标记•基因治疗载体•仿生材料纳米材料在催化领域的应用石油化工裂化、重整、加氢精细化工有机合成、选择性反应绿色化学环保催化、降解污染物能源转化光催化、电催化纳米材料在传感器领域的应用气体传感器生物传感器1高灵敏度气体检测疾病标志物快速检测2物理传感器化学传感器43压力、温度、光线检测离子、分子识别纳米材料在航空航天领域的应用轻质高强材料防护涂层2纳米复合材料减轻重量耐热、抗腐蚀、隐身智能传感系统能源与推进结构健康监测高效燃料电池纳米材料的安全性问题主要风险暴露途径应对措施尺寸小易穿透生物屏障吸入、皮肤接触安全评估标准建立表面活性高可能产生毒性食入、注射医疗产品全生命周期风险管理长期暴露效应不明环境释放导致间接接触替代安全设计原则纳米材料的毒理学研究理化表征尺寸、形貌、表面特性体外实验细胞摄取和毒性机制动物实验组织分布与长期影响风险评估暴露量与危害关系纳米材料的环境影响环境释放生产、使用和废弃过程环境转化聚集、溶解、表面修饰生态效应对微生物、植物、动物影响长期积累食物链富集与生态风险纳米材料的伦理问题技术获取公平性隐私与安全伦理决策框架发达国家与发展中国家差距纳米传感器监控问题预防性原则应用贫富差距扩大风险军事应用双重使用风险利益相关方参与决策纳米材料的标准化国际标准组织ISOTC229技术委员会术语、表征、健康安全环境标准纳米材料的知识产权保护万美国20+25%全球专利数量年增长率专利最多国家纳米技术领域累计专利申请快速增加中国紧随其后纳米材料的产业化规模化挑战市场应用成本控制与质量稳定寻找突破口应用实验室技术监管合规小批量高质量满足安全与环保要求纳米材料的未来发展趋势纳米材料的挑战与机遇技术挑战精确控制结构与组成成本挑战降低生产成本突破应用瓶颈安全挑战全面评估长期安全性发展机遇解决能源环境医疗关键问题课程总结基础理论1纳米材料定义、分类与特殊性质制备表征2各类纳米材料的合成与检测方法代表材料3从零维到三维的典型纳米材料前沿应用4能源、环境、电子、医疗等领域未来展望5发展趋势、挑战与机遇。