纳米材料课程绪论

第一讲

概论——什么是纳米化学？

1、纳米化学名词溯源 2、学科诞生的历史背景 3、纳米化学的定义与研究范畴 4、课程安排及其它

第七届纳米科技国际会议(2002-6-26,瑞典Malmo)

“纳米化学”名词溯源1. Science, 1991, Vol. 254, 1312-1319 Molecular Self-Assembly and Nanochemistry: A Chemical Strategy for the Synthesis of Nanostructures George M. Whitesides, J. P. Mathias, C. T. SetoOne major focus of nanochemistry to date has been to attempt to understand and use the astonishing variety of sophisticated strategies and processes encounted in living systems. Increasingly, however, nanochemistry is being appreciated as a subject with very broad implications, and as one that would ultimately involve many areas: interface and colloid science, molecular recognition, electronics microfabrication, polymer science, electrochemistry, zeolites and clay chemistry, scanning probe microscopy, and others.

George M. Whitesides Dept. of Chemistry Harvard University

“纳米化学”名词溯源2. Advanced Materials, 1992, Vol. 4, 612-649 Nanochemistry: Synthesis in Diminishing DimensionsNanochemistry is an emerging subdiscipline of solid-state chemistry that emphasizes the synthesis rather than the engineering aspects of preparing little pieces of matter with nanometer sizes in one, two or three dimensions. Geoffrey A. OzinAdvanced Zeolite Materials Science Group, Lash Miller Chemistry Department, University of Toronto

“纳米化学”名词溯源3. Angew. Chem. Int. Ed. Engl., 1996, Vol.35, 1154-1196 Self-Assembly in Natural and Unnatural SystemsKeywords: molecular recognition nanochemistry nanostructures noncovalent interactions supramolecular chemistry 1. The need for Nanochemistry Bottom up or engineering up approach to construction of nanoscale structures and nanosystems

J. F. Stoddart& D. PhilipSchool of Chemistry University of Birmingham

“纳米化学”名词溯源 (国内情况)1.任新民，化学进展，1995, Vol.7, 1-9卤化银成像体系中的纳米化学(第四届全国感光科学大会上的报告，1993年11月，北京)

纳米化学研究的对象是尺寸在1-100纳米的化学实体，它构成了一个介乎微观相和宏观相之间的介观相，介观相不仅反映了化学实体在尺寸上从微观向宏观的过渡，而且表现了一系列特殊的效应和功能。

2.林铭章，朱清时，现代科学仪器，1998,Vol.1-2, 17-24液相纳米化学纳米化学是当代化学中最富有挑战性的分支之一。它以纳米粒子或团簇的合成、表征及其化学性质为主要研究对象。 3.郭景坤，科学，2000,Vol.51,13-16纳米化学研究及其展望纳米化学研究物质在微米尺度以下、纳米尺度以上的化学问题。纳米化学的提出，为化学家开拓了一个新的研究领域。物质到达纳米的尺度，将为化学合成、物质性质

及其他的问题，带来新的科学研究内涵。纳米物质的合成使纳米化学首先所面临的问题。

4.薛群基，徐康，化学进展，2000, Vol.12, 431-444纳米化学 5.白春礼，纳米科学与技术(专著，1995),54-62纳米化学 6.王夔，江苏化工，1998,Vol.26, 1-5新层次上的化学---化学发展动向之一 7.张琳(上海市虹桥中学),化学教学，1996(1),25-26跨世纪的新学科--纳米化学 8.刘忠范，朱涛，张锦，大学化学，2001,Vol.16(5),1-10; 2001, Vol.16(6),9-16纳米化学

纳米化学诞生的历史背景一门新学科诞生的几大要素： 1.科学自身或社会发展的需求(必要性)—— 19世纪末经典物理学上空的两朵“乌云”(“以太学说”、黑体辐射的“紫外灾难”) -->量子力学和相对论力学

2.新技术的诞生或新理论的出现(可行性) 3.共性的新问题和新方法 4.预见性和导向性 5.广阔的应用前景(学科发展的推动力)

纳米化学是伴随着纳米科技的发展而逐渐作为化学的一个新的分支发展起来的。扫描隧道显微技术(STM)是纳米化学的重要技术基础。纳米材料和纳米器件研究的需求是纳米化学诞生的主要推动力。

纳米科技的预言者——理查德·费曼先生¨“当人类有朝一日能够按照自己的主观意愿排列原子的话，世界将会发生什么呢？”¨“就物理学家而言，一个一个原子地构造物质并不违背物理学规律。”¨“对大尺度的表观物质而言，微小原子的行为无足轻重，但它们都服从量子力学定律。因此当我们下到微观世界把原子胡乱拨弄一通时，我们将在不同的规律下工作，而且可以期望做出不同的事情。”¨“在原子水平上，我们面对着新的力和新的效应，材料的制造和生产问题将十分不同。”-1959年12月29日在美国应用物理年会上的讲话-Richard P. Feynman Dec. 29,1959 APS Annual Meeting

Richard P. Feynman1965年诺贝尔物理奖获得者

认识与改造微观世界的有力武器——扫描隧道显微镜(STM)

G. Binnig和H. Rohrer及其在1981年发明的STM (1986年诺贝尔物理奖)

Iµ Vb exp (-Af1/2S)

第一张原子分辨STM图像(1983,Binnig& Rohrer)—— Si(111)表面的7×7重构

大约2个世纪以来，原子与分子是理论科学家的天堂中的实在，它们是“任何人始终无法看到的” (Robinson,1984)。STM的发明使科学家得以直接看到个别原子及分子的电子结构。HOPG表面的碳原子像( 1989, Liu)

STM及随后衍生出来的一系列扫描探针显微技术(SPM)使得人们能够在实空间内观测原子、分子以及纳米尺度的表面结构细节，也实现了人们操纵原子、操纵分子的梦想。同时，也使得实

验研究纳米尺度乃至单个分子、单个原子水平的各种化学问题成为可能，从而为纳米化学新学科的诞生奠定了重要的技术基础。

原子操纵及化学键的剪裁

氙原子在镍(110)表面排成的最小IBM商标

铜(111)表面上的铁原子围栏

铁原子在铜(111)表面排成的汉字

铂表面上一氧化碳分子排成的“纳米人”

搬走原子写“中国”