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，1 nm=10-9 m=10 Å；换一种方式：1 m=103 mm=106μm=109 nm。
头发直径：50-100 m，1 nm相当于头发的1/50000-1/100000。
氢原子的直径为1 Å，1 nm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：0.1~100 nm。
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(0.1~100 nm)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0.1~100 nm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1~100 nm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个顶角各有一个碳原子。
单原子操纵的实现：1989年，美国加州的IBM研究室依格勒(Donald M. Eigler)等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最
小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。人类迈向纳米技术的征途真正开始了。
纳米科技诞生的标志—第一届国际纳米科技会议：1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议。会上美、日、英等国提出了各国发展纳米科技计划。虽然只有半天的会议日程，但会议给人以深刻的印象：这个纳米小世界里大有文章。
（6）我国纳米科技的发展
1988年4月12日，白春礼主持的中国第一台计算机控制的扫描隧道显微镜研制成功。
中科院于1994年，以STM为手段，在Si重构表面上开展了原子操纵的研究，取得了世界水平的成果。在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成一定规则的图形，如“中国”等字样，这些沟槽的线宽平均为2 nm，是当时在室温时，人们在Si表面“写”出的最小汉字。
1995年，我国召开“材料中的前沿问题研讨”香山科学会议，纳米材料的制备为主题之一。
1997年，我国召开纳米化学香山科学会议，研讨我国的纳米化学的发展。2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。
2001年成立国家纳米科技指导协调委员会。
建立了国家纳米科学中心（北京）、国家纳米技术与工程研究院（天津）、纳米技术及应用国家工程研究中心（上海）、国家纳米技术国际创新园（苏州）。
1.3 纳米材料内涵
1.3.1 什么是纳米材料
三维外观尺度中至少有一维处于纳米尺度的物质，以及以这些物质为主要结构单元所组成的材料，称为纳米材料。纳米尺度：0.1~100 nm范围的几何尺度。
1.3.2 纳米材料类型
根据上述定义，纳米材料包括两种类型：
具有纳米尺度外形的材料，简称为纳米尺度材料，即狭义“纳米材料”。主要包括：原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米薄膜等；
以纳米结构单元为主要结构组分所构成的材料，即具有纳米结构的材料，简称为纳米结构材料，主要包括纳米固体材料、纳米多孔材料、纳米复合材料等。
纳米尺度材料，从三维外观尺度又可将其分为：零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料。
零维纳米材料：三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性。主要包括：
原子团簇：几个至几百个原子的聚集体。
纳米颗粒：纳米尺度的固体粒子。
