第八章先進(jìn)材料

材料科學(xué)與工程導(dǎo)論主講人：黃艷琴南京郵電大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011年12月28日先進(jìn)材料先進(jìn)材料是根據(jù)對(duì)材料的物理和化學(xué)性能的了解，為了特定的需要設(shè)計(jì)和加工而成的；

先進(jìn)材料使新技術(shù)得以產(chǎn)生和應(yīng)用，而新技術(shù)又促進(jìn)了新工業(yè)的出現(xiàn)和發(fā)展；

智能材料、仿生材料、新能源材料以及在特殊條件下使用的結(jié)構(gòu)材料和功能材料是新材料研究和開發(fā)中最受關(guān)注的主題；

納米材料科學(xué)技術(shù)已成為先進(jìn)材料階段最活躍的領(lǐng)域，因?yàn)檫@一技術(shù)涉及材料、信息、能源、醫(yī)學(xué)、航天等各個(gè)方面。對(duì)未來材料的發(fā)展趨勢(shì)大致可以概括為“六化”：即智能化、仿生化、復(fù)合化、納米化、輕量化和高功能化。先進(jìn)材料階段的特征“物聯(lián)網(wǎng)”信息時(shí)代“物聯(lián)網(wǎng)”幾大支柱領(lǐng)域：傳感、通信、計(jì)算機(jī)

“物聯(lián)網(wǎng)”是指通過各類信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。“物聯(lián)網(wǎng)”信息時(shí)代的智能家居

獲取存儲(chǔ)處理傳輸顯示信息功能材料光電功能材料包括著巨大的科學(xué)空間和領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)傳感通信共軛高分子材料光纖、光導(dǎo)材料電光材料光存儲(chǔ)材料、高分子電存儲(chǔ)材料液晶高分子高分子發(fā)光材料高靈敏度、高選擇性、操作簡便、實(shí)時(shí)響應(yīng)和獲取信息量信息功能材料傳統(tǒng)半導(dǎo)體的硅存儲(chǔ)器件存在尺寸較大、制備工藝復(fù)雜以及生產(chǎn)成本偏高等問題，急需研發(fā)滿足信息時(shí)代存儲(chǔ)速度更快、密度更高、小型化、制作工藝簡單、成本低的海量存儲(chǔ)要求的新興存儲(chǔ)技術(shù)。單純的語音通信已經(jīng)不能滿足人們的需要，其多媒體化的趨勢(shì)日益明顯（更明亮、更清晰、可視面積更大的彩色顯示屏）。傳感通信存儲(chǔ)指具有某些特殊功能的高分子材料。例如離子交換、滲透、催化活性、導(dǎo)電、發(fā)光、對(duì)環(huán)境因素（光、電、磁、熱、pH）的敏感性等。功能高分子材料早期的功能高分子材料有離子交換樹脂，光刻膠，醫(yī)用高分子材料，高分子催化劑等。早期的功能高分子材料大都是功能單一的。功能材料研究的進(jìn)步，使對(duì)功能材料的研究從簡單的發(fā)展到復(fù)雜的功能體系。同時(shí)，對(duì)材料進(jìn)行功能性操作所需驅(qū)動(dòng)力的認(rèn)識(shí)，也因持續(xù)的深入研究而不斷深化，出現(xiàn)了光、電、磁、熱、化學(xué)等驅(qū)動(dòng)因子。于是就有按驅(qū)動(dòng)力而分類的材料科學(xué)體系，例如光、電功能高分子材料的出現(xiàn)。導(dǎo)電共軛高分子

2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者在高分子的整個(gè)主鏈上π電子共用，形成一個(gè)大π軌道，電子能在整個(gè)共軛主鏈上流動(dòng)，具有類似“分子導(dǎo)線”的性質(zhì)，形成了一個(gè)用于電子導(dǎo)電的“超級(jí)軌道”。當(dāng)載流子（即電子或空穴）被注入“超級(jí)軌道”上時(shí)，可直接導(dǎo)致電導(dǎo)率等的變化，室溫電導(dǎo)率可在絕緣體-半導(dǎo)體-金屬態(tài)范圍內(nèi)（10-9—105S/cm）變化，這是迄今為止任何材料都無法比擬的特性。聚苯胺類、聚噻吩類、聚吡咯類導(dǎo)電共軛高分子已被廣泛用于制作導(dǎo)電性變化傳感器等。導(dǎo)電共軛高分子在1990年由英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家R.Friend等發(fā)現(xiàn)而提出的。第一種被報(bào)道的共軛高分子化合物是聚對(duì)苯乙烯撐（PPV）：高分子電致、光致發(fā)光材料PPV及PPV苯環(huán)上取代的共軛高分子除PPV外，還有聚噻吩（PT）和聚對(duì)苯撐（PPP），聚烷基芴（PF）等，它們有如下的基本結(jié)構(gòu)：高分子電致、光致發(fā)光材料

有機(jī)高分子電致發(fā)光材料的發(fā)現(xiàn)和研究熱潮的興起導(dǎo)致了一門新興學(xué)科——有機(jī)電子學(xué)的誕生，至今仍是備受國際學(xué)術(shù)屆關(guān)注的前沿研究領(lǐng)域。高分子屬于軟物質(zhì)（softmatter），其特點(diǎn)是對(duì)弱的外界影響作出相對(duì)顯著的響應(yīng)和變化（光、電信號(hào)），可用于實(shí)現(xiàn)傳感功能。高分子電致、光致發(fā)光材料的應(yīng)用傳感材料1991年，諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、法國物理學(xué)家德熱納（P.G.DeGennes)在諾貝爾獎(jiǎng)授獎(jiǎng)會(huì)上以“軟物質(zhì)”為演講題目，給出軟物質(zhì)的一個(gè)重要的特征：弱力引起大變化?；蛘哒f“對(duì)外界微小作用的敏感性、自組織等行為”。軟物質(zhì)研究對(duì)象包括聚合物、液晶、表面活性劑、膠體以及生物大分子等與人們?nèi)粘Ｉ罴吧顒?dòng)密切相關(guān)的物質(zhì)，具有極為重要的應(yīng)用背景。

高分子電致、光致發(fā)光材料的應(yīng)用軟物質(zhì)相關(guān)書籍“軟物質(zhì)”概念的提出為物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)和生物學(xué)之間提供了的一個(gè)新的學(xué)科發(fā)展平臺(tái)，軟物質(zhì)的許多新奇行為、豐富的科學(xué)內(nèi)涵和廣泛的應(yīng)用背景正引起越來越多科學(xué)家的興趣。智能化是指其功能可隨外界環(huán)境變化因素產(chǎn)生感知，而自動(dòng)作出適時(shí)、靈敏和適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，并能自動(dòng)地調(diào)節(jié)、修飾和修復(fù)。例如，形狀記憶合金便是一種智能材料?？梢岳猛饨绲淖兓瘉碚{(diào)節(jié)高分子光、電等功能的變化，發(fā)掘高分子的軟物質(zhì)特性，尋找實(shí)現(xiàn)高分子功能材料智能化的途徑，是人們當(dāng)前和今后的努力目標(biāo)。高分子電致、光致發(fā)光材料的應(yīng)用智能化傳感器基本結(jié)構(gòu)示意圖DetectorReporter后端RelayRecognize前端檢測(cè)器外光路或電路信號(hào)轉(zhuǎn)換元感應(yīng)元新一代信息獲取技術(shù)—基于共軛高分子的熒光傳感機(jī)理泥：光誘壘導(dǎo)的范電子漠轉(zhuǎn)移鋪過程幸或能紗量轉(zhuǎn)設(shè)移過束程新一昨代信瓜息獲音取技純術(shù)—基于康共軛紐奉高分紗子的掘熒光瘦傳感長的觀共軛逮主鏈+具有呈分子捉選擇蓋性的掛捕集定器共軛云高分訓(xùn)子相帶對(duì)于辭小分冊(cè)子熒座光物續(xù)質(zhì)的鞠獨(dú)特秋優(yōu)勢(shì)那：新一觸代信叛息獲下取技四術(shù)—基于銳共軛高高分稱子的徑熒光騾傳感熒光猝滅“放大”效應(yīng)高靈發(fā)敏度捷、高鴨選擇誰性、捕實(shí)時(shí)喝響應(yīng)寺、操習(xí)作簡出便軟物自質(zhì)特輪性（肌發(fā)光墻、構(gòu)腫象調(diào)產(chǎn)整、下顏色舉）水溶洋性共家軛高跡分子新一提代信墻息獲航取技蒸術(shù)—基于旬共軛繁高分沉子的爐熒光怠傳感優(yōu)勢(shì)歲：可應(yīng)竿用于謝水環(huán)元境、犧生命榴體系驗(yàn)的檢薄測(cè)，允對(duì)化趨學(xué)和遺生物邀物質(zhì)誘的檢笨測(cè)可擁望被屆廣泛咽應(yīng)用拖到環(huán)站境衛(wèi)剝生監(jiān)覆控、電疾病無診斷專、遺暈傳分笑析、奸軍事竄、反濕恐等溪眾多蜜方面鏡。新一罵代信完息獲店取技甩術(shù)—基于止水溶賄性共已軛高栽分子胖的熒裕光傳賽感QT沾L（qu孝en曲ch卸er攻-t仿et符he登r-li閘ga啊nd）檢偷測(cè)方兆法示請(qǐng)意圖獵：avidin對(duì)生命物素疑（av守id蘿in）的拜檢測(cè)原理繳示意圖：新一率代信凡息獲準(zhǔn)取技匠術(shù)—基于躲水溶笨性共晴軛高近分子奇的踢熒光沫傳感FluorescencequenchingbiotinFluorescencerecovery發(fā)展信趨勢(shì)竹：新一把代信要息獲益取技舒術(shù)—基于形共軛盡高分會(huì)子的著熒光妄傳感有機(jī)劣/高斃分子潮電致每發(fā)光霜二極青管（肅OL寇ED駕/謀P盯LE鉗D)器件威發(fā)光銳的工梢作過還程，熔大致充可分限為兩嬸個(gè)階宏段.一是弦載流虹子的憑注入揪；輸稠運(yùn)和羨相遇旅（偶就合）提，即克激子(Ex邁ci幟to旦n)的生哪成階血段。二是熱激子狼的衰積變(D排ec咬ay葡)，包岡括輻慰射與勁非輻嶼射衰購變及確其間叛的競(jìng)揪爭(zhēng)等欺。高分允子電粥致、惕光致慮發(fā)光競(jìng)材料非的應(yīng)出用OL脖ED具有席全固薯態(tài)主尸動(dòng)發(fā)糖光，刊亮度故、效著率高泳，重從量輕白，厚訊度薄受，材縮慧料選汽擇范咳圍寬薦，顯展示色射彩豐梳富，野容易豈實(shí)現(xiàn)嘉白光初，響躲應(yīng)速盟度快時(shí)，視臥角范云圍寬咱，使截用溫卻度范富圍寬昌，抗真震動(dòng)便性強(qiáng)部，可藥實(shí)現(xiàn)逗柔性修顯示夠，制退作工即藝相疑對(duì)簡學(xué)單等綠優(yōu)點(diǎn)亡，被鄙認(rèn)為護(hù)是最圍有希被望取孔代液侵晶顯捆示（LC噴D）成庫為下當(dāng)一代魔平板杯顯示耕主流刃的技睬術(shù)之讀一。顯示殲技術(shù)塊的發(fā)俯展方新向：超薄僑、管大面釘積、妄柔某性、絞視牽頻顯供示、刮低成頓本高清晰度大屏幕廣視角全彩超薄微顯柔性照明OLED的特色有機(jī)報(bào)/高撇分子迎電致窩發(fā)光夸二極須管（視OL泥ED小/刷P殘LE瞇D)偏振時(shí)片玻璃姜基板液晶您層濾色行器玻璃繳基板偏振飯片透明稼電極自發(fā)忠光TF翠T-括LC阿DOL寄EDLC差D要靠綠背景傻光，OL衛(wèi)ED自發(fā)吐光、當(dāng)更省短電背景永光新一殊代信址息顯枕示技弱術(shù)O戒LE腰D織性能塌對(duì)比土—1倍.自目發(fā)光TF陰T-錘LC丑D-薄TVPM淹-O朋LE落D(峽QV恩GA終)連續(xù)的水流清晰的水滴OL牛ED響應(yīng)腐速度勞比LC班D快10擦00多倍符，適燦于快坦速動(dòng)肌態(tài)顯揮示。新一昨代信徹息顯譯示技聽術(shù)O貝LE黃D賓性能仇對(duì)比聰—2迫.快影速響意應(yīng)TF珍T-鑄LC番DPM雁-O埋LE半D視角Pa桑ne盾l右上方視角前視右上方視角新一慌代信貨息顯名示技滅術(shù)O帶LE肅D槐性能榜對(duì)比嫂—3涂.寬友視角OL脹ED亮度榆：15盲0c店d/筍m2對(duì)比度:10是00川:1輕/畢1傲00Lu命xTF屈T-班LC育D亮度：20臘0c武d/嶺m2對(duì)比度：20歌0:吃1柔/捏10據(jù)0Lu權(quán)xOL喚ED即使蓋在較帽低的注亮度腫下，盤對(duì)比皆度也戀比LC蛙D高許悅多倍停。QV只GA：32廟0×判24旗0新一翠代信殃息顯秋示技鳴術(shù)O仗LE神D墊性能掛對(duì)比蓬—4獅.高癥對(duì)比塊度TF攜T-老LC蠻DOL消ED新一憂代信罷息顯服示技全術(shù)O尾LE私D血性能柱對(duì)比偵—5鵲.高羅清晰權(quán)度（2）透鼓明（3）可戒印刷冶生產(chǎn)（1）柔燃性其他兼特性個(gè)：（4）高冰亮度（5）低困驅(qū)動(dòng)（6）溫瘋域廣（7）全并固態(tài)（8）超派?。?）照誦明新一百代信宣息顯燒示技貞術(shù)O愚LE湯D易性能里對(duì)比爐—6巖.獨(dú)店具特住性通過儲(chǔ)研究川自然管界中接生物沈體的伴物質(zhì)服結(jié)構(gòu)換及其久特有勾的功甩能，舌學(xué)習(xí)傾制造狀新材步料的廟思路銹和方可法，艇并在朵材料灰的設(shè)呢計(jì)和膏制造螺中加宰以模染仿，哭稱為仿生寇材料害學(xué)。仿生惠材料為什衫么荷術(shù)葉“邀出淤頓泥而掩不染降”？研制訪新一馳代仿文荷葉春表面抵材料瘋和涂杜料荷葉上布滿細(xì)結(jié)致且凹梅凸不雁平表造面微結(jié)吸構(gòu)，緊貼刊葉面馬上形才成一久層極瘡薄的循只有票納米胖級(jí)的蠟空氣怠層,讓塵土和水不拍易沾來附。納米池科技主的提助出宏觀價(jià)領(lǐng)域?yàn)阂匀藦椀娜饪劭蓾櫼姷奈晃矬w桿為最牙小物蛾體為臟下限騾，上碼至無穩(wěn)限大暖的宇輝宙天起體。微觀天領(lǐng)域蝴：以分牧子、茅原子觀（約0.含1嘗nm）為最燦大起腦點(diǎn)，封下至怪無限雕小的謊領(lǐng)域樂（如爽電子拼、原叼子核爬）的任運(yùn)動(dòng)符。人類械對(duì)客滴觀世典界的基認(rèn)識(shí)看己經(jīng)互發(fā)展戲了兩招個(gè)領(lǐng)舊域，巨即宏選觀和醫(yī)微觀毫領(lǐng)域茶。納米易科技然而齡，在建宏觀盒領(lǐng)域?yàn)?zāi)和微接觀領(lǐng)武域之額間存詠在著送近年悟來才溪引起洪重視爬的介觀叢領(lǐng)域,在這漫個(gè)不枯同于磁宏觀齒和微鋸觀的卸領(lǐng)域雖，由成于三野維尺杠寸很鵝細(xì)小晚，出躍現(xiàn)了繞許多回奇異貌的性電能，阿不能糕用我戚們現(xiàn)從有的管常識(shí)鋒來描翅述這育個(gè)領(lǐng)狐域的員規(guī)律貝。美國匹半導(dǎo)鑰體協(xié)猾會(huì)預(yù)莊計(jì)：品以硅度為基輔礎(chǔ)的灘半導(dǎo)撕體芯樹片特芝征尺臣寸以品每三支年縮屢小計(jì)但算,到20詢10年，夠半導(dǎo)架體器的件的聞尺寸客將達(dá)拋到0.霧1m（10鄭0孟nm）極限偵，由民于量漢子效膽應(yīng),小于綿這一吵尺寸撤的所倦有芯冰片就狡不再貫保持匯原有徑的性博能,需要吩按新教的原奔理來期設(shè)計(jì)刺，要予突破厘這一慘極限腐，我烈們就布得研才究納耕米尺鴉度中物的理單論問應(yīng)題和課技術(shù)現(xiàn)問題愛。納米灑科技0.朱1～10慎0n商m為納仁米尺駕度空怖間，處肅在原筋子簇咸和宏錯(cuò)觀物敏體交晃界的任過渡秧區(qū)域歇。在納汗米層櫻次，依許多正原來軍在宏濾觀尺固度上慎使用丘的規(guī)床律、麻定理茄、方副式、沸方法敢，都樓將不漠再適狂用。嚷正如罩牛頓斷力學(xué)譽(yù)只適嫩用于賀低速村的宏肉觀物戚體，木而高服速運(yùn)響動(dòng)，斬只能獨(dú)用相左對(duì)論抹來解蹄釋。納米朗材料勇的特評(píng)性組成抬納米愉材料炎的顆華粒極昏小，胃界面忍組元找所占潮比重綢顯著喉增大下，具嶼有小尺授寸效最應(yīng)、遷表面此效應(yīng)碎、量詢子尺默寸效兩應(yīng)和命宏觀典量子態(tài)隧道拌效應(yīng)等。——小尺稍寸效夾應(yīng)當(dāng)金賀屬或論非金莊屬被摩制備若成小冬于納偶米尺陣度的紡粉末侄時(shí)，龜其物臂理、巾力學(xué)粒性質(zhì)處就發(fā)電生了即根本渡的變凱化，背可能引具有惕高強(qiáng)受度、刑高韌死性、浴高比遭熱、滋高導(dǎo)灘電率嚴(yán)等性丘質(zhì)。納米因科技黃金尚在正孝常情兼況下泥呈金迅黃色網(wǎng)，而警它的縣納米蒼顆粒叨卻變頂成了買黑色笛，且伙熔點(diǎn)虛顯著群下降.納米帥科技毫的研泡究內(nèi)油容是一吼個(gè)內(nèi)速容極糧廣的多學(xué)照科群，包抖括納召米物箭理學(xué)針、納就米化核學(xué)、雁納米徑材料黃學(xué)、愛納米減生物肺學(xué)、挺納米河電子捆學(xué)、林納米趕加工賣學(xué)、捉納米賄力學(xué)腳等學(xué)啞科。主要叫以物返理、何化學(xué)少的微笑觀研柏究理深論為途基礎(chǔ)植，以助現(xiàn)代膝高精法密檢脂測(cè)儀錄器和殘先進(jìn)轎的分崖析技夾術(shù)為鞭手段尾，在緞納米塊尺寸埋范圍真內(nèi)通位過直廈接操當(dāng)縱和驗(yàn)安排澤原子教、分進(jìn)子來華創(chuàng)造泉新物搞質(zhì)?！砻婵闲?yīng)納米廣微粒余位于鳥表面搶的原賠子或驗(yàn)分子快所占錫的比蘇例非偷常大臂。并虧隨納衫米粒筍子尺舒寸的家減小予而急傷劇增嶄大，垮從而聾導(dǎo)致膛了性跳質(zhì)的像急劇學(xué)變化嚴(yán)。這枝種表悠面原灶子數(shù)孫隨納重米粒腎子尺森寸減乖小而洽急劇旱增大停后引敘起的盛性質(zhì)拖上的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