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国外大学经典课件化学和纳米材料

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纳米材料导论PPT课件

纳米材料导论PPT课件

碳的同素异形体“相”图
6
碳纳米材料的结构和化学键
存在各种形态的原因——化学键
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
• 碳原子的核外电子层结构: 1s22s22p2 • 可能的三种杂化形式：sp、sp2和sp3（spn杂化） • 以共价键方式结合：单键, 双键和叁键 • 原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构） /collec tion/buckyball/chrisb%201 .0/buckyball.htm
16
C60的结构
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
C60属于碳簇（Carbon Cluster）分子， 由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直
7
石墨及其结构
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
o石墨的结构早在1917年就已经 被Debye, Scherrer, Grimm, Otto, 和Bernal等人标定证明了。
o石墨的基本组成单元为石墨烯 （graphene）
o在石墨烯中，每个碳原子都占 据一个六边形的顶角。由于sp2 杂化，每个碳原子都有三个 σ 键。键的沿着六边形的边方向 与邻近三个原子相连，组成一 个二维的原子面
2．苯燃烧法
1991年Howard等在含Ar的氧气中燃烧苯， 燃烧1kg苯得到3gC60和C70混合物，富勒烯产 率随燃烧条件不同而有所变化。
18
3．电弧放电法
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
电弧是一种气体放电现象。通过两石墨电极之间的放电，可 产生高于4000℃的高温，使阳极石墨蒸发，而阴极温度低 于石墨蒸发温度。在充有氦气（压力约为13.3kPa）的放电 室内，被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时，形成含有富 勒烯的烟灰。

第十四章 纳米材料优秀PPT文档

第十四章 纳米材料优秀PPT文档

随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面 积急剧变大所致．例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g， 粒径为5nm时，比表面积为180m2／g，粒径下降到2nm，比表 面积猛增到450m2／g．这样高的比表面，使处于表面的原子数 越来越多，同时，表面能迅速增加，
• 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这 些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合
STM恒电流扫描模式示意图
原子操纵术
(Atomic manipulation)
通过STM针尖，除了能帮助我们了解物质表面的几何构 造、电子性质外，更有一些应用，原子操纵术便是其一。原 子操纵术的原理是在形成隧道电流时，由于针尖和样品表面 距离很近（约1 nm），针尖跟表面的偏压虽不大，但所产生 的电场（偏压／距离）却由于距离很小而变得很大。因此原 子在受到针头电场的吸引而被略拉离表面，此时即可将原子 沿表面移到想要的位置，再将针尖缩回，则原子便可留在新 的位置。
（2） 特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细 微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时 尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064 ℃，当颗粒尺寸减小到10纳 米尺寸时，则降低27℃，减小到2纳米尺寸时的熔点为327℃ 左右。
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的 粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如, 在火箭发射的固体 燃料推进剂中添加l％重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的 燃烧热可增加 l 倍。
第十四章 纳米材料
14.1 概述
1、引言 •21世纪是高新技术的世纪，信息、生物和新 材料代表了高新技术发展的方向。在信息产 业如火如荼的今天，新材料领域有一项技术 引起了世界各国政府和科技界的高度关注， 这就是纳米科技。

化学前沿 纳米材料与化学 PPT

化学前沿 纳米材料与化学 PPT


四 纳米材料的理论基础、技术基础

1． 纳米材料的理论基础-认识突破
纳米材料的结构模型 电子能级的不连续性 - kubo理论 量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应



纳米材料的结构模型

纳米固体可分为两种组元 晶粒组元 界面组元
界面的结构模型 Gleiter：类气态模型 Siegel：有序模型 多样结构- 有序、短程有序、 无序结构
图 6.7碳纳米管形形色色的潜在应用
•图 6.7碳纳米管形形色色的潜在应用

6、纳米技术实用化的预测 经过世界上众多科学家对纳米技术的探索，目 前，研究人员已经不仅能在实验室操纵原子，有 些纳米技术已在材料、微电子学、生物工程、医 学等等领域得到了应用。如果要问：开发纳米技 术到底需要多久？各国的科学家都曾经作过相关 的预测。 日本的研究人员认为，纳米技术的中期应用主 要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新 药，“绿色”污染过滤，制造超敏感传感器等等。 而长期应用应是“智能化”的模拟反应材料，构 造采用“top down”直到原子层次、纳米点和自组 装的方法设计的“智能”材料。 日本国家科技政策研究所选择了14个领域，对 3000多个研究人员（日本和德国），采用Delphi 调查法，得到了与纳米技术有关的问卷结果。
1.信息磁记录材料 特异性能：(1) 尺寸小 (2) 单磁畴 (3) 矫顽力很高 优 点： (1) 提高信噪比 (2) 改善图像质量
图 6.2微电子-由从上到下到从下到上
图 6.3传统光刻芯片与纳米软刻蚀技术的对比

科学家利用纳米电子学，已研制出了单电子晶体 管；红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管； 利用纳米丝、纳米棒制成的纳米探测器等纳米器 件。如日本的日立公司研制出了单电子晶体管， 一个电子就是一个多功能的器件。日本的单电子 研究覆盖了记忆、逻辑和基本特性，重点是制造 单电子记忆器件，日本的研究人员已成功制造出 能在室温下运行的单电子记忆器件。美国已研制 出了由激光驱动只有4纳米大的纳米开关。美国威 斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点，利 用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件， 在微电子和光电子领域将获得广泛地应用。

国外大学经典课件-纳米材料在能源与生物医学的用途演示课件

国外大学经典课件-纳米材料在能源与生物医学的用途演示课件

DREXEL

NANOTECHNOLOGY
I NSTITUTE Major Research Activities
• Nanotubes, Nanocones, and Nanowires
Y. G., J.A. Libera, N. Kalashnikov, M. Yoshimura, Science, v. 290, 317 (2000)
Electrical. Fluorescence. Optical, SERS, Electrochemical measurements
Glass pipette
400 nm
<200 nm Carbobe
Au
Nanotube
J. R. Freedman, et al. Appl. Phys. Lett. 90, 103108 (2007) D. Staack, et al, Angewandte Chemie Int. Ed., 47, 8020 (2008) M. G. Schrlau, et al, Nanotechnology 19, 325102 (2008)
DREXEL NANOTECHNOLOGY I NSTITUTE

Nanostructured Carbide-Derived Carbons for Energy-Related and Biomedical Applications
Yury Gogotsi
• Nanotube-Reinforced Polymers
F. Ko, Y. G., A. Ali, et al., Advanced Materials, v. 15, 1161 (2003)
• Nanodiamond Powders and Composites

第二讲纳米材料及其应用-PPT精选

第二讲纳米材料及其应用-PPT精选
GMR (2019年诺贝尔物理学奖）
磁学性能
1. 超顺磁性 2. 矫顽力 3. 居里温度 4. 磁化率
超顺磁性
纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超
顺磁状态，例如： -Fe，Fe3O4和 -Fe2O3粒径
I
2434NV2 nn1122 nn2222
I0
乳光强度与入射光的波长的四次方成反比。
故入射光的波长愈短，散射愈强。例如照射在溶
胶上的是白光，则其中蓝光与紫光的散射较强。
故白光照射溶胶时，侧面的散射光呈现淡蓝色，
而透射光呈现橙红色。
光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理 的特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波 长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与 此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子 与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的 差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒 的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有 同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现为以下几方面。
第二讲 纳米材料及其应用
1990年7月在美国巴尔基摩召开的国 际第一届纳米科学技术学术会议上，正 式把纳米材料科学作为材料科学的一个 分支公布于世。纳米材料科学的诞生标 志着材料科学已经进入了一个新的层次。
一 纳米材料具有独特的物理化学性质
1.力学性能（结构，晶格，硬度）
融
会
2.热学性能（熔点） 3.磁学性能
纳米微粒分散物系的光学性质
纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系(溶 胶)，纳米微粒在这里又称作胶体粒子或分散相。 由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性使得分散 物系具有特殊的光学特征。当分散粒子的直径大于 投射光波波长时，光投射到粒子上就被反射。如果 粒子直径小于入射光波的波长，光波可以绕过粒子 而向各方向传播，发生散射，散射出来的光，即所 谓乳光。由于纳米微粒直径比可见光的波长要小得 多，所以纳米微粒分散系应以散射的作用为主。由 雷利公式，可得以下结论：

国外大学经典课件-纳米材料在能源与生物医学的用途

国外大学经典课件-纳米材料在能源与生物医学的用途
DREXEL NANOTECHNOLOGY I NSTITUTE

Nanostructured Carbide-Derived Carbons for Energy-Related and Biomedical Applications
Yury Gogotsi
➢Precise control over structure and pore size
N.F. Fedorov, Russ. Chem. J. 39, 73 (1995)
M. G. Schrlau, et al, Nanotechnology 19, 325102 (2008)
OES
DREXEL

NANOTECHNOLOGY
I NSTITUTE Carbide-Derived Carbon (CDC)
SiC(s) + 2Cl2(g) SiCl4(g) + C(s)
Glass pipette
400 nm
<200 nm Carbon Nanotube
Glass pipette
SERS probe
Au
Nanotube
J. R. Freedman, et al. Appl. Phys. Lett. 90, 103108 (2007)
D. Staack, et al, Angewandte Chemie Int. Ed., 47, 8020教(2学00p8p) t
P.H. Tan, S. Dimovski, Y.G., Phil. Trans. Royal Soc. Lond. A, v.362, 2289 (2004)
• Carbide-Derived Carbons for
Energy-Related and Other Applications

《纳米材料》PPT课件

第二阶段（1994年以前） ▪ 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸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。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团

纳米技术及材料PPT课件


目前日本出现许多抗菌的日常用品，就是将抗 菌物质进行纳米化处理，在生产过程中加进去， 抗菌内衣、抗菌茶杯等便生产出来了；如果在 玻璃表面涂一层渗有纳米化氧化钛的涂料，那 么普通玻璃马上变成具有自己清洁功能的"自净 玻璃"，不用人工擦洗了；而电池使用纳米化材 料制作，则可以使很小的体积容纳极大的能量， 届时汽车就可以像目前的玩具汽车一样，以电 池为动力在大街上奔驰了；计算机在普遍采用 纳米化材料后，可以缩小成为"掌上电脑"，体 积将比现在的笔记本式电脑还要小得多。
纳米技术的发展趋势：
• 纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，
其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个 原子、分子，制造出具有特定功能的产品。纳米 科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原 子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世 界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了 前所未有的高度。有资料显示，2010年，纳米技 术将成为仅次于芯片制造的第二大产业。
纳米技术的发展趋势：
• 纳米科技投入由基础研究向应用研究及产
业化的转变
• 由单一学科向多学科交叉和融合的方向 发
展
• 由单打独斗向集团化、国际化发展
总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预 言的那样："纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特 点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。"
如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊 性能的材料，也不能叫纳米材料。
纳米材料的特性：
• 1. 特殊的光学性质 • 2. 特殊的热学性质 • 3. 特殊的磁学性质 • 4. 特殊的力学性质 • 5. 宏观量子隧道效应
1. 特殊的光学性质

《纳米材料》PPT课件_OK

料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴
趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席
格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室
温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂
纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近
一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料
科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷
2021/7/21
19
➢ 具有特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下
呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制呈的纳米陶
瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料既有大的
界面，界面的原子排雷是相当混乱的，原子在
外力变形的条件下的延展性，使陶瓷材料具有
新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以
具有很高的强度，是因为它是磷酸钙等纳米材
米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的
结构是下一ห้องสมุดไป่ตู้段科技发展的一个重点，会是一次
技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”纳
米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。
2021/7/21
35
在医药中的应用
• 1.医学
• 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，
料所构成的；
➢ 纳米材料还具有超导性等特殊性能。
2021/7/21
20
• 纳米虽然微乎其微，但是纳米材料构建的世界却
是神奇而宏大的。
2021/7/21
21
▪ 1991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
100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

《纳米材料》PPT课件 (2)

• 纳米半导体微粒存在不连续最高被 占分子轨道能级和最低未被占分子 轨道导致能隙带变宽（画图说明）
34
Quantum siБайду номын сангаасe effect
Bulk Metal
Nanoscale metal
Unoccupied states
Decreasing the size…
occupied states
Close lying bands
21
纳米材料的独特效应
※小尺寸效应 ※表面效应和边界效应 ※量子尺寸效应 ※宏观隧道效应
22
小尺寸效应
• 当超细微粒的尺寸和光波波长，传 导电子的德布罗意波长，超导态的 相干长度或者透射深度等物理尺寸 相当或者比它们更小时，一般固体 材料的周期性边界条件被破坏，声 光电磁，热力学等特性均会呈现新 的尺寸效应
纳米科技。
1
神奇的纳米材料
走近纳米材料.rm
2
纳米材料的发展过程
• 1959年Feynman提出许多设想:在原子或分子的 尺度上加工制造材料和器件，制造几千百纳米的 电路和10～100纳米的导线。
• 1962年Kubo理论提出:金属的超微粒子将出现量 子效应，显示出与块体金属显著不同的性能。
• 1969年Esaki和Tsu提出了超晶格的概念。
15
碳纳米管
由石墨的片状结构上运 用激光手段剥离下来 ，形成的石墨烯卷成 的无缝中空管体
直径虽只有头发丝的十 万分之一，可是导电 性为铜的一万倍。强 度是钢的100倍，质量 却只有其七分之一。 硬似金刚石，却可以 拉伸
16
超晶格材料
• 由两种不同组元以几个纳米至几十个纳米 的薄层交替生长。并保持严格周期性的多 层膜
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Gold Statue
Gold nanoparticles
thiol stabilized gold nanoparticle
melting point: 1337 °K
Jim Hutchison, U. Oregon
/~hutchlab
gold nanoparticles (2 nm) in solution melting point: 650 °K
Covalent Bonding - Carbon
Carbon nanotubes coated with diamond nanocrystals
M. L. Terranova, et al., Chem. Mater., 17(12) pp 3214 - 3220
Hydrogen Bonding
Ionic / Electrostatic Effects
• Conformational Molecular Rectifiers, A. Troisi and M. A. Ratner, Nano Lett., 4(4), 591-595 (2004).
Metallic Bonding
Nanoscale gold has different properties than bulk gold, including: appearance, solubility, and melting point.
4 nm
2 nm
Fluorescence of cadmium selenide nanoparticles
Chemical Bonding
• Forces used to assemble structure:
– Ionic – Metallic – Covalent – H-bonding – Metal-ligand – Van der Waals – π-π stacking
Covalent Bonding - Carbon
Single-walled carbon nanotubes:
• armchair - metallic • zigzag - semiconducting • chiral - semiconducting • multi-walled - metaecular beaker epitaxy
• Layer-by-layer growth of polyelectrolytes
• Tom Mallouk Penn State U
http://www.mapr.ucl.ac.be/~jonas/Home_page_AJ/Research/ESA/ESA.html
Ionic / Electrostatic Effects
• A molecular elevator
• Responsive to acid/base
• J. D. Badjic, et al., Accts. Chem. Res., in press.
• J.F. Stoddart, UCLA
Chemistry and Nanomaterials
Carl C. Wamser Portland State University
Nanomaterials Course - June 27, 2006
Nanoscale = billionths (10-9)
6 billion people 10 billion components
Self-Assembled Monolayer
10 nm
• Monolayer of DDB on graphite
(didodecylbenzene)
/education/gallery/DDB_ani.htm
8000 mile diameter
8 inch diameter
Effects of Nanoscale
Structural differences:
Bulk Carbon
Nanoscale Carbon
Graphite
Diamond
C60 (Buckeyball) Smalley, Curl, Kroto
DNA Double Helix
/ graphics/dna-3d.jpg
π-π Stacking - Liquid Crystals
Charge-Trapping Memory Device
Liu, C-Y.; Bard, A.J.; Acc. Chem. Res. (1999), 32, 235-234.
/html/facts/home_facts.html
Dimensional Issues
M a c in to s h P IC T im a g e fo rm a t
is n o t s u p p o rte d
Chemistry Issues
• Structure / Dynamics / Synthesis • Structure-Function Correlations • Self-Assembled Systems • Applications:
1996 Nobel Prize
Carbon Nanotubes Sumio Iijima - 1991
Instrumentation / Imaging
• “Quantum Corral”
• 48 Fe atoms positioned by the STM used to image them
– Materials – Biological – Environmental
Organic LEDs
Structure-Function Correlations (emission wavelengths)
Quantum Effects
• Band gap depends on particle size (number of atoms in the particle)