第十章 新材料.pdf 
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第十章 新材料 (有趣的材料：新材料) 复旦大学 材料科学系 胡新华 教授 材料 = 物理 + 化学 1. 传统材料 2. 新材料 新材料 1. 纳米材料 2. 信息材料 3. 能源材料 4. 生物医用材料 5. 智能材料 6. 功能转换材料 7. 环境材料 8. 软材料 1. 有趣的纳米材料 有趣的纳米材料 基本单元：L < 100纳米 L L L Si原子 0.5纳米 1米＝1000毫米 1毫米＝1000微米 1微米＝1000纳米 C60 ：Buckyball, 巴基球 1985年发现，碳元素的第三种晶体形态（金刚石、石墨）。 Nature 318, 162 (1985) Kroto, Curl, Smalley 1996诺贝尔化学奖 名字：Buckyball? Why not Smalley ball? Richard Buckminster Fuller (1895-1983) 昵称：Bucky Expo 1967 (Montreal) Buckminster Ball (1970-2002) 小问题 1. 爱因斯坦的昵称？ 2. Buckminister Ball有几块皮？ 3. 2010年FIFA使用的足球有几块皮？ Carbon Nanotube:碳纳米管 1991年, 饭岛澄男(S. Iijima)发现。 Nature 354,56(1991)。 制备一：电弧放电法 4000度 制备二：碳氢气体热解法 800~1200度 碳纳米管：超级纤维 1. 强度是钢的100倍 2. 重量是钢的1/6。 3. 长/直径 > 1000。 4. 熔点是已知材料中最高的。 5. 电学性能独特。 6. 比C60更有用。 半导体 导体，电导率通常可达铜的1万倍 Space elevators (天梯计划) 小问题 1. Iijima哪一年发现碳纳米管？ 2. Iijima哪一年获得诺贝尔奖？ 3. 碳纳米管的缺点是什么？ Quantum Dots:硒化镉量子点 2nm 3nm 5.5 nm 在紫外光照射下, CdSe量子点会发出荧光。颜色由量子点大小决定。 Helmholtz共振器 波 + 有限边界 声音：高频 共振 低频 电子可以被看成一种波。 de Broglie(1892-1987) 1929, Nobel Prize 电子的波动方程是：… Schrödinger (1887-1961)， 1932, Nobel Prize 量子点内的电子波 小问题 1. Broglie和Schrödinger分别是多少 岁获得诺贝尔奖的？ 2. Broglie和Schrödinger获得诺贝尔 奖时，毛泽东和朱德在干什么？ stained glass, 13世纪, Reims Cathedral 反射光为绿色， 透射光为红色 Lycurgus Cup(公元前4世纪) Colloidal gold （胶体金） 金纳米颗粒在水中的悬浮液，古代用于玻璃染色。 金是黄色的，胶体金为什么是红色的？ 1. 以前的观点：玻璃掺金变成红色，可能是因 为金锡合金引起的。 2. 1857年， Faraday 首次制备出纯的胶体金 样品，并且第一个意识到：红金是由于金颗 粒的小尺寸引起的，不是金锡合金引起的。 3. 1898年， R. A. Zsigmondy首次得到胶体 金的稀释液。 4. Mie给出：光被球形颗粒 散射和吸收的理论。 Michael Faraday 小问题 1. Faraday 多少岁获得诺贝尔奖？ Zsigmondy, 1925年诺贝尔化学奖 研究胶体金时，发明 Ultramicroscope 小问题 1. Zsigmondy 的一个贡献是解释cranberry glass 的成色原理。 什么是cranberry？ 2. 信息材料 光电材料：电生光 遥控器 大屏幕显示 光电材料 发光二极管 LED 工作原理 发光 + + + + + -− − − − 固定电荷 − − − − + + + + 自由电荷 PN结内的电子和空穴 复合，从而发光。 Karl F. Braun (1850-1918) 1874 rectifying effect 1909 Nobel Prize in Physics 光电材料：光生电 二维阵列CCD (2.1M pixel， 210万像素) 工作原理 Willard S. Boyle (1924-) 缓冲器 放大器 像素 模数转 换 George E. Smith (1930-) 2009年，两人和高锟荣获诺贝尔物理奖。 3. 能源材料 光电材料：光生电 太阳能电池的历史 • 1849年，photovoltaic (光-伏) 出现在英语中。 • 1839年，光伏效应第一次由法国物理学家A.E.Becquerel发现。 • 1883年，第一块太阳电池（硒上覆上一层薄的金，效率1% ）由 Charles Fritts制备成功。 • 1905年，Einstein解释光电效应，并因此获Nobel奖（1921年）。 • 1946年， Russell Ohl申请了现代太阳能电池的制造专利。 • 1954年，美国的贝尔实验室（Chapin等人）利用硅的p-n结，得到高 效的太阳能电池。 工作原理 耗尽层 光 P N + + + ++ -−−−− −−−− ++++ 4. 生物医用材料 记忆合金 镍钛合金 牙箍：金属做的橡皮筋 镍钛合金 血管支架 本课题组的研究方向 1. 光子晶体 (photonic crystals) 2. 特异材料 (metamaterials) 3. 声子晶体 (sonic crystals) 4. 水波与周期结构的相互作用 Photonic Crystals Peacock feather Metamaterials 水波在共振器阵列中的传播 — 长波强反射、负重力及海浪能发电 胡新华 研究员 复旦大学材料科学系、 先进材料实验室、 微纳光子结构教育部重点实验室 胡新华 中国上海复旦 胡新华（复旦）、陈子亭、何开明、资剑（复旦）， “由共振器阵列造成的水波中的等效负重力”， 《物理评论快报》 2011年 106卷 174501页 国外媒体报道： physorg, 新科学家 海洋波通常很强并且很难被完 全抵挡住。当海洋中的波浪经过一 个周期结构时，波浪只能被轻微地 削弱，其大部分仍能顺利通过（特 别是当波长比周期长度大很多时）。 但是在一项最新的研究中， 科学家们通过计算发现：一个由低 频共振器排成的周期阵列能够完全 阻挡波长很长的水波。这项结果来 源于这种周期结构可以被等效成一 种具有负重力的水。 胡新华，中国上海复旦 什么是水波？ 由重力作为回复力的机械波，在水的表面传播。 普通风浪波：周期为1-25秒; 海啸:周期为10分钟-2小时。 水波研究 牛顿(Newton), 拉普拉斯(Laplace), 拉格朗日(Lagrange), 泊松(Poisson), 柯西(Cauchy)，爱里(Airy)，拉姆(H. Lamb), 梅强中(C. C. Mei) 爱里(G. B. Airy) 1841年，线性水波理论 1. 重力 2. 水深 有趣的周期结构 侧视图 俯视图 等效介质理论： 对于长水波 （波长>>周期长度），周期柱 子阵列可以被看成是一种均匀 流体，其描述参数为等效重力 加速度和等效水深 。 现有研究结果：长水波很难被普通周期阵列挡住。 原因：普通的周期柱子阵列，等效重力>0 海上机场（Offshore Airport），下面为柱子阵列。 我们的研究体系：共振器阵列 侧视图 俯视图 开缝管阵列 单个开缝管 http://www02.abb.com/global/gad/gad02077.nsf/lupLongContent/D74F5739AAE738F6C12571D800305007 共振器(浮子)阵列是未来海浪能发电厂的核心部件。 研究结果（一） 等效 重力 ge/g 负重力 反 射 率 强反射 频率（a/λ） 结果：共振器阵列能完全反射在共振频率附近的长水波。 原因：在共振频率附近，共振器阵列具有负的等效重力。 研究结果（二） 频率（a/λ） 结果：阻尼共振器阵列的吸收谱（两个吸收峰），与单个共振器的 吸收谱（一个吸收峰）很不一样。该结果对设计未来的海浪能发 电厂很重要。 成果总结 1.一个由低频共振器排成的周期阵列能够完全阻挡波 长很长的水波。这项结果来源于这种周期结构可以 被看成一种具有负等效重力的水。 2.共振器阵列的吸收谱，与单个共振器的吸收谱很不 一样。该结果对设计未来的海浪能发电厂很重要。 谢谢！ huxh@fudan.edu.cn, 13816108306