第八章先进材料.ppt
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1、材料科学与工程导论,主讲人:黄艳琴 南京邮电大学材料科学与工程学院 2011年12月28日,先进材料,先进材料是根据对材料的物理和化学性能的了解,为了特定的需要设计和加工而成的; 先进材料使新技术得以产生和应用,而新技术又促进了新工业的出现和发展; 智能材料、仿生材料、新能源材料以及在特殊条件下使用的结构材料和功能材料是新材料研究和开发中最受关注的主题; 纳米材料科学技术已成为先进材料阶段最活跃的领域,因为这一技术涉及材料、信息、能源、医学、航天等各个方面。 对未来材料的发展趋势大致可以概括为“六化”:即智能化、仿生化、复合化、纳米化、轻量化和高功能化。,先进材料阶段的特征,“物联网”信息时代
2、,“物联网”几大支柱领域: 传感、通信、计算机,“物联网”是指通过各类信息传感设备,按约定的协议,把物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。,“物联网”信息时代的智能家居,信息功能材料,光电功能材料 包括着巨大的科学空间和领域:,共轭高分子材料,光纤、 光导材料,电光材料,光存储材料、 高分子电存储材料,液晶高分子 高分子发光材料,高灵敏度、高选择性、操作简便、实时响应和获取信息量,信息功能材料,传统半导体的硅存储器件存在尺寸较大、制备工艺复杂以及生产成本偏高等问题,急需研发满足信息时代存储速度更快、密度更高、小型化、制作工艺简单、成本低的海量存储要求
3、的新兴存储技术。,单纯的语音通信已经不能满足人们的需要,其多媒体化的趋势日益明显(更明亮、更清晰、可视面积更大的彩色显示屏)。,指具有某些特殊功能的高分子材料。例如离子交换、渗透、催化活性、导电、发光、对环境因素(光、电、磁、热、pH)的敏感性等 。,功能高分子材料,早期的功能高分子材料有离子交换树脂,光刻胶,医用高分子材料,高分子催化剂等。早期的功能高分子材料大都是功能单一的。,功能材料研究的进步,使对功能材料的研究从简单的发展到复杂的功能体系。同时,对材料进行功能性操作所需驱动力的认识,也因持续的深入研究而不断深化,出现了光、电、 磁、热、化学等驱动因子。于是就有按驱动力而分类的材料科学体
4、系,例如光、电功能高分子材料的出现。,导电共轭高分子,2000年诺贝尔化学奖获得者,在高分子的整个主链上电子共用,形成一个大轨道,电子能在整个共轭主链上流动,具有类似“分子导线”的性质,形成了一个用于电子导电的“超级轨道”。当载流子(即电子或空穴)被注入“超级轨道”上时,可直接导致电导率等的变化,室温电导率可在绝缘体-半导体-金属态范围内(10-9 105 S/cm)变化,这是迄今为止任何材料都无法比拟的特性。聚苯胺类、聚噻吩类、聚吡咯类导电共轭高分子已被广泛用于制作导电性变化传感器等。,导电共轭高分子,在1990年由英国剑桥大学的科学家R. Friend 等发现而提出的。第一种被报道的共轭高
5、分子化合物是聚对苯乙烯撑(PPV):,高分子电致、光致发光材料,PPV及PPV苯环上取代的共轭高分子,除PPV外,还有聚噻吩(PT)和聚对苯撑(PPP),聚烷基芴(PF)等,它们有如下的基本结构:,高分子电致、光致发光材料,有机高分子电致发光材料的发现和研究热潮的兴起导致了一门新兴学科有机电子学的诞生,至今仍是备受国际学术届关注的前沿研究领域。,高分子属于软物质(soft matter),其特点是对弱的外界影响作出相对显著的响应和变化(光、电信号),可用于实现传感功能。,高分子电致、光致发光材料的应用,传感材料,1991年,诺贝尔奖获得者、法国物理学家德热纳(P. G. De Gennes)在
6、诺贝尔奖授奖会上以“软物质”为演讲题目,给出软物质的一个重要的特征:弱力引起大变化。或者说“对外界微小作用的敏感性、自组织等行为”。,软物质研究对象包括聚合物、液晶、表面活性剂、胶体以及生物大分子等与人们日常生活及生命活动密切相关的物质,具有极为重要的应用背景。,高分子电致、光致发光材料的应用,软物质相关书籍,“软物质”概念的提出为物理学、化学、材料科学和生物学之间提供了的一个新的学科发展平台,软物质的许多新奇行为、丰富的科学内涵和广泛的应用背景正引起越来越多科学家的兴趣。,智能化是指其功能可随外界环境变化因素产生感知,而自动作出适时、灵敏和适当的响应,并能自动地调节、修饰和修复。例如,形状记
7、忆合金便是一种智能材料。,可以利用外界的变化来调节高分子光、电等功能的变化,发掘高分子的软物质特性,寻找实现高分子功能材料智能化的途径,是人们当前和今后的努力目标。,高分子电致、光致发光材料的应用,智能化,传感器基本结构示意图,新一代信息获取技术基于共轭高分子的荧光传感,机理:光诱导的电子转移过程或能量转移过程,新一代信息获取技术基于共轭高分子的荧光传感,长的共轭主链 + 具有分子选择性的捕集器,共轭高分子相对于小分子荧光物质的独特优势:,新一代信息获取技术基于共轭高分子的荧光传感,高灵敏度、高选择性、实时响应、操作简便,软物质特性(发光、构象调整、颜色),水溶性共轭高分子,新一代信息获取技术
8、基于共轭高分子的荧光传感,优势:可应用于水环境、生命体系的检测,对化学和生物物质的检测可望被广泛应用到环境卫生监控、疾病诊断、遗传分析、军事、反恐等众多方面。,新一代信息获取技术基于水溶性共轭高分子的荧光传感,QTL(quencher-tether-ligand)检测方法示意图:,对生物素(avidin)的检测原理示意图:,新一代信息获取技术基于水溶性共轭高分子 的荧光传感,Fluorescence recovery,发展趋势:,新一代信息获取技术基于共轭高分子的荧光传感,有机/高分子电致发光二极管(OLED / PLED),器件发光的工作过程,大致可分为两个阶段. 一是载流子的注入;输运和相
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