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第一節(jié) 概述第二節(jié) 納米材料的結(jié)構(gòu)與性能第三節(jié) 納米材料的制備方法第四節(jié) 納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用第五節(jié) 發(fā)展與展望 1 第一節(jié)概述 一 納米科技的誕生二 納米技術(shù)與納米材料的概念三 納米材料的分類四 納米科技研究的重要性 2 一 納米科技誕生 1959年 著名物理學(xué)家 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德 費(fèi)曼在 在底部還有很大空間 的一次講演中指出 從石器時(shí)代開始 人類所有的技術(shù)革新都與把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān) 而從物理學(xué)的規(guī)律來(lái)看 不能排除從單個(gè)分子甚至原子出發(fā)而組裝制造物品的可能性 費(fèi)曼憧憬說(shuō) 如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子 將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡 他預(yù)言 人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器 最后將變成根據(jù)人類意愿 逐個(gè)地排列原子 制造 產(chǎn)品 這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想 七十年代 科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想 費(fèi)曼 納米科技之父 原子排成的 原子 字樣 3 納米技術(shù)的迅速發(fā)展是在20世紀(jì)80年代末 90年代初 1982年 科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具 掃描隧道顯微鏡 使人類首次在大氣和常溫下看見原子 為我們揭示一個(gè)可見的原子 分子世界 對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用 1990年7月 第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦 標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生 4 1993年 繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán) 寫 下斯坦福大學(xué)英文名字 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出 IBM 之后 中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出 中國(guó) 二字 標(biāo)志著我國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地 5 原子 構(gòu)成萬(wàn)物的小小原子 究竟小到什么程度 中國(guó)古代有位叫公孫龍的說(shuō)過(guò) 一尺之棰 日取其半 萬(wàn)世不竭 如果確實(shí)有這樣的工具 能一直截下去的話 那么 一尺木棍每天截去一半 到第三天只剩八分之一尺 第十天只剩1千零二十四分之一尺 到第三十天 剩下十億分之一尺 這時(shí)木棍已經(jīng)比纖維分子還小 到第三十二天 只剩下四十億分之一尺 相當(dāng)于原子大小了 科學(xué)家發(fā)現(xiàn) 不同的原子 大小也不同 原子的直徑一般是一億分之一厘米 一個(gè)最小的細(xì)菌里面大約可以容納20億個(gè)原子 氫原子的直徑為1埃 化學(xué)家常常自豪地說(shuō) 化學(xué)是一門在原子分子水平上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu) 性質(zhì) 變化規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué) 但是真正 看見 原子和分子卻是20世紀(jì)80年代后期的事 距離道爾頓提出原子論的時(shí)間差不多有2個(gè)世紀(jì) 原子小于光的波長(zhǎng) 單個(gè)原子對(duì)光是透明的 光學(xué)顯微鏡怎么改進(jìn)都不可能看到原子 十個(gè)氫原子緊密排列 1nm顆粒 乒乓球 地球 6 怎樣看見和操縱原子 納米世界的眼和手 掃描隧道顯微鏡 STM 掃描隧道顯微鏡為我們揭示了一個(gè)可見的原子 分子世界 對(duì)納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用 STM是20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一 7 掃描隧道顯微鏡 掃描隧道顯微鏡是80年代初期發(fā)展起來(lái)的新型顯微儀器 能達(dá)到原子級(jí)的超高分辨率 掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段 而且可以作為在極其細(xì)微的尺度 即納米尺度 1nm 10 9m 上實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)表面精細(xì)加工的新奇工具 目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子 一門新興的學(xué)科 納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生 8 20世紀(jì)80年代初期 IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家G Binnig和H Roher發(fā)明了掃描隧道顯微鏡 這種新型顯微儀器的誕生 使人類能夠?qū)崟r(shí)地觀測(cè)到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì) 對(duì)表面科學(xué) 材料科學(xué) 生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值 為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng) 9 掃描隧道顯微鏡 10 科學(xué)家使用STM觀測(cè)物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu) 11 STM具有空間的高分辨率 橫向可達(dá)0 1nm 縱向可達(dá)0 01nm 能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu) 把人們帶到了微觀世界 它的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描 它是用一個(gè)極細(xì)的針尖 針尖頭部為單個(gè)原子 去接近樣品表面 當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí) 1nm 針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭 若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓 電子便會(huì)通過(guò)針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流 通過(guò)控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng) 就可把表面的信息 表面形貌和表面電子態(tài) 記錄下來(lái) 由于STM具有原子級(jí)的空間分辨率和廣泛的適用性 國(guó)際上掀起了研制和應(yīng)用STM的熱潮 推動(dòng)了納米科技的發(fā)展 12 STM針尖掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖 13 納米算盤C60每10個(gè)一組 在銅表面形成世界上最小的算盤 硅表面 14 納米皇冠 15 16 StructureofSodiumChloride ImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscope 17 AFM彌補(bǔ)STM的局限有人發(fā)現(xiàn)利用探針針尖與表面之間的各種相互作用 可以用來(lái)分析高分辨率成像 1986年賓尼戈等人發(fā)明了利用激光檢測(cè)針尖與表面相互作用進(jìn)行表面成像的分析儀器 該儀器稱為原子力顯微鏡 ATM STM與ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱之為掃描探針顯微鏡 SPM 的兩大主體技術(shù) AFM又彌補(bǔ)了STM的局限 使被測(cè)試樣擴(kuò)大到非導(dǎo)電領(lǐng)域 18 原子力顯微鏡 atomicforcemicroscope簡(jiǎn)稱AFM 利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來(lái)作為反饋信號(hào) 維持針尖 樣品間作用力恒定 同時(shí)針尖在樣品表面掃描 從而得知樣品表面的高低起伏 原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn) 如果探針和樣品間有力的作用 懸臂將會(huì)彎曲 為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量 位移 采用激光照射懸臂的尖端 四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn) 通過(guò)電子學(xué)反饋系統(tǒng)使彎曲量保持一定 即控制掃描管Z軸使作用于針尖 樣品間的力保持一定 在掃描的同時(shí) 通過(guò)記錄反饋信號(hào)就可以得到樣品表面的形貌 19 目前除了隧道顯微鏡 STM 原子力顯微鏡 AFM 以外 還有近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 NSOM 側(cè)面力顯微鏡 IFM 磁力顯微鏡 MFM 極化力顯微鏡 SPFM 已有二十多個(gè)品種 但大量還處在實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品研發(fā)階段 由于它們都是用探針通過(guò)掃描系統(tǒng)來(lái)獲取圖像 因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡 SPM 20 二 納米技術(shù)與納米材料的概念 過(guò)去 人們只注意原子 分子或者宏觀物質(zhì) 常常忽略納米這個(gè)中間領(lǐng)域 而這個(gè)領(lǐng)域大量存在于自然界 只是以前沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度范圍的性能 21 納米材料其實(shí)并不神密和新奇 自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料 如蛋白石 隕石碎片 動(dòng)物的牙齒 海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的 人工制備納米材料的實(shí)踐也已有1000年的歷史 中國(guó)古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料 就是最早的人工納米材料 另外 中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗(yàn)也已證實(shí)為納米SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜 蜜蜂 海龜不迷路 體內(nèi)用納米磁性微粒 相當(dāng)于生物羅盤 二 納米技術(shù)與納米材料的概念納米就在我們身邊 22 納米 nm 實(shí)際上是一種長(zhǎng)度單位 1納米僅等于十億分之一米 人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬(wàn)個(gè)納米 納米小得可愛 卻威力無(wú)比 它可以對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生影響 并發(fā)生變化 使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性 科學(xué)家們說(shuō) 納米這個(gè) 小東西 將給人類生活帶來(lái)的震憾 會(huì)比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)更深刻 更廣泛 更持久 1m 1000mm1mm 1000 m1 m 1000nm 23 空間尺度的劃分 宇觀 Cosmoscopic 遙觀 Remotesensoscopic 宏觀 Macroscopic 顯微觀 Optico microscopic 介觀 Mesoscopic 或納米觀 Nanoscopic 1 100nm微觀 Microscopic 皮米觀 Picosopic 飛米觀 Fentoscopic 亞飛米觀 Subfentoscopic 24 1 納米技術(shù)納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域 它是指在1 100nm尺度內(nèi) 研究電子 原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律 特性的高新技術(shù)學(xué)科 其最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子 分子 制造出具有特定功能的產(chǎn)品 注意 單純的某一納米材料若沒(méi)有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn) 還不能稱為納米技術(shù) 如香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末 雖然它們也能夠達(dá)到一百個(gè)納米以內(nèi)的尺度 但是 因?yàn)樗鼈儧](méi)有特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能表現(xiàn) 所以這些材料還不能稱為納米技術(shù) 25 2 納米材料 納米材料又稱為超微顆粒材料 由納米粒子組成 一般是指尺寸在1 100nm間的粒子 是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域 納米材料可分為兩個(gè)層次 納米超微粒子與納米固體材料 納米超微粒子是指粒子尺寸為1 100nm的超微粒子 納米固體是指由納米超微粒子制成的固體材料 而人們習(xí)慣于把組成或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100納米以下的長(zhǎng)度尺寸稱為納米材料 26 三 納米材料的分類 1 按結(jié)構(gòu) 零維納米材料 指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料 如納米粒子 原子團(tuán)簇等一維納米材料 有兩維處于納米尺度的材料 如納米線納米管二維納米材料 在三維空間有一維在納米尺度的材料 如超薄膜三維納米材料 納米固體材料 指由尺寸小于15nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型 或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密性固體材料 納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面 如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個(gè)晶界 從而使得納米材料具有高韌性 27 掃描隧道顯微鏡下的納米團(tuán)簇 28 納米顆粒型材料也稱納米粉末 一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒 由于尺寸小 比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因 它具有不同于常規(guī)固體的新特性 29 用途 高密度磁記錄材料 吸波隱身材料 磁流體材料 防輻射材料 單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料 微芯片導(dǎo)熱基與布線材料 微電子封裝材料 光電子材料 電池電極材料 太陽(yáng)能電池材料 高效催化劑 高效助燃劑 敏感元件 高韌性陶瓷材料 人體修復(fù)材料和抗癌制劑等 30 奇妙的碳納米管 1991年 日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管 這是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀 纖維 內(nèi)部是空的 外部直徑只有幾到幾十納米 長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米 這樣的材料很輕 但很結(jié)實(shí) 它的密度是鋼的1 6 而強(qiáng)度卻是鋼的100倍 如果用碳納米管做繩索 是惟一可以從月球上掛到地球表面 而不被自身重量所拉斷的繩索 31 碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu) 意味著它有好的性能 它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度 它還有其他材料所不具備的性能 非常好的導(dǎo)電性能 導(dǎo)熱性能和電性能 32 碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一 但它的導(dǎo)電率是銅的1萬(wàn)倍 它的強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的六分之一 它像金剛石那樣硬 卻有柔韌性 可以拉伸 它的熔點(diǎn)是已知材料中最高的 納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子 用于做電子槍 可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏 這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向 33 把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達(dá) 34 然而 碳納米管作為一種新型材料被發(fā)現(xiàn)至今已有十余年 卻尚未得到工業(yè)應(yīng)用 超高的成本使國(guó)際市場(chǎng)90 高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)1000 2000美元 克 一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元 克 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格 我國(guó)清華 南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心 一直致力于碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān) 是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地 35 多孔納米線 36 納米膜材料納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒 或顆粒 構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜 37 納米固體材料 納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型 或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料 Fe B納米棒 38 39 納米材料分類 2 按組成可分為 金屬納米材料半導(dǎo)體納米材料有機(jī)和高分子納米材料復(fù)合納米材料 無(wú)機(jī)粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料 無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu) 40 納米材料分類 3 按材料物性可分為 納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料 41 納米材料分類 4 按應(yīng)用領(lǐng)域可分為 納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)藥材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料 42 納米材料分類 5 按化學(xué)組分可分為 納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子納米復(fù)合材料 43 四 納米科技研究的重要性 納米科技與基因工程和智能科技一起被稱為 21世紀(jì)高科技三劍客 在21世紀(jì)初正式登上世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái) 納米科技的興起 孕育了一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)模式 納米經(jīng)濟(jì)的誕生 錢學(xué)森 1991 我認(rèn)為 納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的重點(diǎn) 會(huì)是一次技術(shù)革命 從而將在21世紀(jì)又是一次產(chǎn)業(yè)革命 44 納米科技研究的重要性 2004年1月12日 由中國(guó)科學(xué)院主辦的528名院士投票評(píng)選出來(lái)的2003世界十大科技新聞揭曉 其中 排名第一的新聞就是科學(xué)家研制出世界最小的納米電動(dòng)機(jī) 二十一世紀(jì)納米技術(shù)將推動(dòng)信息 醫(yī)學(xué) 自動(dòng)化及能源科學(xué)的迅速發(fā)展 在未來(lái)的二十至三十年內(nèi) 納米技術(shù)將在三個(gè)方面對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響 一 社會(huì)生產(chǎn)途徑 二 人類生活方式 三 人們思維模式 45 所以 納米技術(shù)的出現(xiàn) 標(biāo)志著人類社會(huì)在發(fā)展進(jìn)程中正邁向一個(gè)新的臺(tái)階 46 傳統(tǒng)化學(xué)的研究對(duì)象通常包含著天文數(shù)字的原子或分子 例如 1克水包含了約3 346 1022個(gè)水分子 因此通常所測(cè)得的體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)都是大量粒子的平均行為 實(shí)際上 熱力學(xué)規(guī)律成立的前提條件就是由大量粒子組成的體系 那么 當(dāng)研究對(duì)象變成納米尺度的物質(zhì) 納米尺度的微觀世界 變成一個(gè)原子或一個(gè)分子時(shí) 是否還會(huì)遵循我們從課本上學(xué)到的傳統(tǒng)理論和規(guī)律呢 第二節(jié) 納米材料的特性納米尺度的物質(zhì)與宏觀物質(zhì)一樣嗎 47 第二節(jié) 納米材料的特性 水可能是我們最熟悉的東西 我們每天都離不開水 我們知道油水是不相溶的 無(wú)論宏觀尺度上的水和微觀尺度上的水都是和油不相溶的 你沒(méi)有辦法把它混在一起 但是如果到了納米尺度上 也就是說(shuō)在這個(gè)微觀世界里 它就能夠溶 并且溶得非常好 成為熱力學(xué)的穩(wěn)定相 不管它溫度變化也好 振動(dòng)也好 里頭加一點(diǎn)化學(xué)原料也好 它都能夠是穩(wěn)定的 48 第二節(jié) 納米材料的特性 從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看 納米級(jí)這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng) 是一種典型的介觀系統(tǒng) 當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒 納米級(jí) 后 它將顯示出許多奇異的特性 即它的光學(xué) 熱學(xué) 電學(xué) 磁學(xué) 力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同 49 納米材料的特性 1 表面效應(yīng)2 小尺寸效應(yīng)3 量子尺寸效應(yīng)4 宏觀量子隧道效應(yīng) 50 1 表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加 粒子的表面能及表面張力也隨著增加 從而引起納米粒子性能的變化 納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同 存在許多懸空鍵 并具有不飽和性 因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定 所以 具有很高的化學(xué)活性 利用這一特性可制得具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑 51 粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系 52 表面效應(yīng) 53 納米顆粒的表面效應(yīng) 活性 超微顆粒的表面具有很高的活性 在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒 如果將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒 一遇到空氣就會(huì)產(chǎn)生激烈的燃燒 發(fā)生爆炸 如要防止自燃 可采用表面包覆或控制氧化速度 使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層 確保表面穩(wěn)定化 用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會(huì)有更大的推力 可以用作新型火箭的固體燃料 也可用作烈性炸藥 54 2 小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變 在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變 由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng) 對(duì)超微顆粒而言 尺寸變小 同時(shí)其比表面積亦顯著增加 從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì) 1 特殊的光學(xué)性質(zhì) 2 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 3 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 4 特殊的力學(xué)性質(zhì)超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性 介電性能 聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面 55 小尺寸效應(yīng)特殊的光學(xué)性質(zhì) 顏色 特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí) 即失去了原有的富貴光澤而呈黑色 事實(shí)上 所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時(shí)都呈現(xiàn)為黑色 尺寸越小 顏色越黑 銀白色的鉑變成鉑黑 由此可見 金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低 通常可低于1 大約幾微米的厚度就能完全消光 利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱 光電等轉(zhuǎn)換材料 可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?電能 也有可能應(yīng)用于紅外敏感原件 紅外隱身技術(shù)等 56 小尺寸效應(yīng)超微納米顆粒的不穩(wěn)定性 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的 若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒 直徑2nm 進(jìn)行觀察 發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒(méi)有固定的形態(tài) 隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀 如立方八面體 十面體 二十面體等 它既不同于一般固體 有不同于液體 是一種準(zhǔn)固體 在電子顯微鏡的電子束照射下 表面原子仿佛進(jìn)入了沸騰狀態(tài) 尺寸大于10nm后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性 57 小尺寸效應(yīng)納米微粒的熔點(diǎn)降低 納米微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)粉體低得多 由于顆粒小 納米微粒的表面能高 表面原子數(shù)多 這些原子近鄰配位不全 納米微粒間是一種非共價(jià)相互作用 活性大 納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多 這就使得納米微粒的熔點(diǎn)急劇下降 例如 大塊鉛的熔點(diǎn)為00K 而20nm球形鉛的熔點(diǎn)低于288K 金的熔點(diǎn)通常是 多攝氏度 而晶粒尺度為 納米的金微粒 其熔點(diǎn)僅為普通金的一半 58 3 量子尺寸效應(yīng) 微粒尺寸下降到一定值時(shí) 費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí) 吸收光譜向短波方向移動(dòng) 這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng) 對(duì)于宏觀物體包含無(wú)限個(gè)原子 N 于是 0 即宏觀物體的能級(jí)間距幾乎為零 而納米微粒包含的原子數(shù)有限 N值很小 能級(jí)間距將發(fā)生分裂 這就導(dǎo)致納米微粒磁 光 聲 熱 電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性不同 從而產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng) 例如 溫度為1K時(shí) 直徑小于14nm的銀納米顆粒會(huì)變成絕緣體 59 4 宏觀量子隧道效應(yīng) 隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一 即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí) 該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘 近年來(lái) 人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度 量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng) 他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化 故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng) 60 經(jīng)典理論和量子理論的差別 61 第三節(jié)納米材料的制備技術(shù) 為了研究納米科學(xué)和應(yīng)用納米科學(xué)的研究成果 首先要能按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁 安排材料 這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù) 納米材料的制備科學(xué)在當(dāng)前的納米技術(shù)研究中占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位 人們一般將納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學(xué)方法兩大類 62 納米材料的制備技術(shù) 實(shí)際上 一方面納米加工技術(shù)是納米科學(xué)的重要基礎(chǔ) 另一方面納米加工技術(shù)中包含了許多人們尚未認(rèn)識(shí)清楚的納米科學(xué)問(wèn)題 比如說(shuō) 一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力主要來(lái)源于物體表面的不平整性 即物體表面越光滑 它們之間的摩擦力就越小 在納米世界里 材料表面很小 相互之間距離很近 以至于使兩塊材料表面上的原子會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對(duì)相互運(yùn)動(dòng)的阻力 因此 在納米世界內(nèi) 所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮 63 一 物理方法 1真空冷凝法用真空蒸發(fā) 加熱 高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體 然后驟冷 其特點(diǎn)純度高 結(jié)晶組織好 粒度可控 但技術(shù)設(shè)備要求高 2物理粉碎法通過(guò)機(jī)械粉碎 電火花爆炸等方法得到納米粒子 其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單 成本低 但產(chǎn)品純度低 顆粒分布不均勻 3機(jī)械球磨法采用球磨方法 控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)?合金或復(fù)合材料的納米粒子 其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單 成本低 但產(chǎn)品純度低 顆粒分布不均勻 64 二 化學(xué)方法 1 化學(xué)沉淀法共沉淀法均勻沉淀法多元醇沉淀法沉淀轉(zhuǎn)化法2 化學(xué)還原法水溶液還原法多元醇還原法氣相還原法碳熱還原法3 溶膠 凝膠法溶膠 凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備 前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可 方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠 再制成凝膠 經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子 溶膠 凝膠法可以大大降低合成溫度 用無(wú)機(jī)鹽作原料 價(jià)格相對(duì)便宜 65 4 水熱法水熱法是在高壓釜里的高溫 高壓反應(yīng)環(huán)境中 采用水作為反應(yīng)介質(zhì) 使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解 反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶 水熱技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn) 一是其相對(duì)低的溫度 二是在封閉容器中進(jìn)行 避免了組分揮發(fā) 水熱條件下粉體的制備有水熱結(jié)晶法 水熱合成法 水熱分解法 水熱脫水法 水熱氧化法 水熱還原法等 近年來(lái)還發(fā)展出電化學(xué)熱法以及微波水熱合成法 前者將水熱法與電場(chǎng)相結(jié)合 而后者用微波加熱水熱反應(yīng)體系 與一般濕化學(xué)法相比較 水熱法可直接得到分散且結(jié)晶良好的粉體 不需作高溫灼燒處理 避免了可能形成的粉體硬團(tuán)聚 66 5 溶劑熱合成法用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì) 采用類似水熱合成的原理制備納米微粉 非水溶劑代替水 不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍 而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng) 包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料 苯由于其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu) 是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑 最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù) 溶劑加壓熱合成技術(shù)可以在相對(duì)低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的 在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相 67 6 微乳液法微乳液通常是由表面活性劑 助表面活性劑 通常為醇類 油類 通常為碳?xì)浠衔?組成的透明的 各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系 微乳液中 微小的 水池 為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒 其大小在幾至幾十個(gè)納米間 這些微小的 水池 彼此分離 就是 微反應(yīng)器 它擁有很大的界面 有利于化學(xué)反應(yīng) 這顯然是制備納米材料的又一有效技術(shù) 與其它化學(xué)法相比 微乳法制備的粒子不易聚結(jié) 大小可控 分散性好 運(yùn)用微乳法制備的納米微粒主要有以下幾類 1 金屬 如Pt Pd Rh Ir 84 Au Ag Cu等 2 硫化物CdS PbS CuS等 3 Ni Co Fe等與B的化合物 4 氯化物AgCl AuCl3等 5 堿土金屬碳酸鹽 如CaCO3 BaCO3 SrCO3 6 氧化物Eu2O3 Fe2O3 Bi2O3及氫氧化物Al OH3 等 68 微乳液法制備Fe2O3示意圖 69 7 模板合成法利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙作為模板進(jìn)行合成 結(jié)構(gòu)基質(zhì)為多孔玻璃 分子篩 大孔離子交換樹脂等 例如將納米微粒置于分子篩的籠中 可以得到尺寸均勻 在空間具有周期性構(gòu)型的納米材料 Herron等將Na Y型沸石與Cd NO3 溶液混合 離子交換后形成Cd Y型沸石 經(jīng)干燥后與N2S氣體反應(yīng) 在分子篩八面體沸石籠中生成CdS超微粒子 南京大學(xué)采用氣體輸運(yùn)將C60引入13X分子篩與水滑石分子層間 并可以將Ni置換到Y(jié)型沸石中去 觀察到C60Y光致光譜由于Ni的摻入而產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象 70 9 電解法此法包括水溶液電解和熔鹽電解兩種 用此法可制得很多用通常方法不能制備或難以制備的金屬超微粉 尤其是負(fù)電性很大的金屬粉末 還可制備氧化物超微粉 采用加有機(jī)溶劑于電解液中的滾筒陰極電解法 制備出金屬超微粉 滾筒置于兩液相交界處 跨于兩液相之中 當(dāng)滾筒在水溶液中時(shí) 金屬在其上面析出 而轉(zhuǎn)動(dòng)到有機(jī)液中時(shí) 金屬析出停止 而且已析出之金屬被有機(jī)溶液涂覆 當(dāng)再轉(zhuǎn)動(dòng)到水溶液中時(shí) 又有金屬析出 但此次析出之金屬與上次析出之金屬間因有機(jī)膜阻隔而不能聯(lián)結(jié)在一起 僅以超微粉體形式析出 用這種方法得到的粉末純度高 粒徑細(xì) 而且成本低 適于擴(kuò)大和工業(yè)生產(chǎn) 71 第四節(jié)納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用 由于納米微粒的小尺寸效應(yīng) 表面效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖?光 電 敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性 因此納米微粒在磁性材料 電子材料 光學(xué)材料 高致密度材料的燒結(jié) 催化 傳感 陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景 72 一 陶瓷增韌 陶瓷材料在通常情況下呈脆性 由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性 因?yàn)榧{米材料具有較大的界面 界面的原子排列是相當(dāng)混亂的 原子在外力變形的條件下很容易遷移 因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性 納米陶瓷 73 二 磁性材料方面的應(yīng)用 巨磁電阻材料2 新型的磁性液體和磁記錄材料 74 三 納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用 催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用 它可以控制反應(yīng)時(shí)間 提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度 大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低 而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行 不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi) 使經(jīng)濟(jì)效益難以提高 而且對(duì)環(huán)境也造成污染 納米粒子表面活性中心多 為它作催化劑提供了必要條件 納米粒于作催化劑 可大大提高反應(yīng)效率 控制反應(yīng)速度 甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行 納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10 15倍 75 1 金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上 例如納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性 烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團(tuán) 致使雙鍵很難打開 若加上粒徑為lnm的銠微粒 可使打開雙鍵變得容易 使氫化反應(yīng)順利進(jìn)行 76 2 半導(dǎo)體納米粒子的光催化半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái) 一直引起人們的重視 原因在于這種效應(yīng)在環(huán)保 水質(zhì)處理 有機(jī)物降解 失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用 77 常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2 銳鐵礦相 Fe2O3 CdS ZnS PbS PbSe ZnFe2O4等 主要用處 將這類材料做成空心小球 浮在含有有機(jī)物的廢水表面上 利用太陽(yáng)光可進(jìn)行有機(jī)物的降解 美國(guó) 日本利用這種方法對(duì)海上石油泄露造成的污染進(jìn)行處理 采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中 使其具有保潔殺菌的功能 也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維 銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu Ag 離子修飾 殺菌效果更好 這種材料在電冰箱 空調(diào) 醫(yī)療器械 醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景 78 3 納米金屬 半導(dǎo)體粒子的熱催化金屬納米粒子十分活潑 可以作為助燃劑在燃料中使用 目前 納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑 摻雜到高能密度的材料 如炸藥 增加爆炸效率 也可以作為引爆劑進(jìn)行使用 提高熱燃燒效率 將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中 以提高燃燒的效率 因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑 納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑 可使燃燒效率提高100倍 納米炸藥比常規(guī)炸藥性能提高千百倍 79 四 納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用 納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性 如光吸收 光反射 光傳輸過(guò)程中的能量損耗等 都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系 研究表明 利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用 目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段 有的得到了推廣應(yīng)用 下面簡(jiǎn)要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用 80 1 紅外反射材料 高壓鈉燈以及各種用于拍照 攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明 但是電能的69 轉(zhuǎn)化為紅外線 這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉 僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明 同時(shí) 燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命 如何提高發(fā)光效率 增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題 納米微粒的誕生為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑 20世紀(jì)80年代以來(lái) 人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜 總厚度為微米級(jí) 襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁 結(jié)果不但透光率好 而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力 81 2 隱身材料 由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng) 因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多 這就大大減少波的反射率 使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱 從而達(dá)到隱身的作用 另一方面 納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3 4個(gè)數(shù)量級(jí) 對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多 這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低 因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo) 起到了隱身作用 某些幾十納米厚的固體薄膜的吸收效果與比它厚1000倍的現(xiàn)有吸波材料相同 美國(guó)研制的納米隱身涂料超黑粉對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99 82 美國(guó)F117隱形轟炸機(jī)機(jī) 83 美國(guó)B2隱形轟炸機(jī) 84 3 用于制造微型武器利用納米技術(shù)可以把傳感器 電動(dòng)機(jī)和數(shù)字智能裝備集中在一塊芯片上 制造出幾厘米甚至更小的微型裝置 在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上 將出現(xiàn)能像士兵那樣執(zhí)行軍事任務(wù)的超微型智能武器裝備 據(jù)報(bào)道 美國(guó)研制的小型智能機(jī)器人 大的像鞋盒子那么大 小的如硬幣 它們會(huì)爬行 跳躍甚至可飛過(guò)雷區(qū) 穿過(guò)沙漠或海灘 為部隊(duì)或數(shù)千公里外的總部收集信息 微型機(jī)電武器還可用于敵我識(shí)別 探測(cè)核污染和化學(xué)毒劑 無(wú)人偵察機(jī)等 85 4 用于制造微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星由于納米技術(shù) 微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展 一些國(guó)家發(fā)射的衛(wèi)星正向小型化方向發(fā)展 1993年 美國(guó)航空航天公司就提出了納米衛(wèi)星 重約0 1 10千克 的概念 1999年 英國(guó) 美國(guó) 瑞典各發(fā)射了一顆納米衛(wèi)星 專用微型集成電路取代現(xiàn)在衛(wèi)星上使用的有關(guān)系統(tǒng) 使微型衛(wèi)星 納米衛(wèi)星體積小 重量輕 生存能力強(qiáng) 即使遭受攻擊也不會(huì)喪失全部功能 研制費(fèi)用低 不需大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施和跨度大的廠房 易發(fā)射 不需大型運(yùn)載工具發(fā)射 一枚小型運(yùn)載火箭即可發(fā)射千百顆 再按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng) 即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面的覆蓋 86 五 納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的作用 隨著納米技術(shù)的悄然崛起 納米環(huán)保也會(huì)迅速來(lái)臨 拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力 為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件 87 1 納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用 納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑 其催化效率極高 經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0 01 因而 在燃煤中可加入納米級(jí)助燒催化劑 以幫助煤充分燃燒 提高能源的利用率 防治有害氣體的產(chǎn)生 納米級(jí)催化劑用于汽車尾氣催化 有極強(qiáng)的氧化還原性能 使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物 根本無(wú)需進(jìn)行尾氣凈化處理 88 2 納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用 污水中通常含有有毒有害物質(zhì) 懸浮物 泥沙 鐵銹 異味污染物 細(xì)菌病毒等 污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除 由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低 成本高 存在二次污染等問(wèn)題 污水治理一直得不到很好解決 納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題 污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì) 它從污水中流失 也是資源的浪費(fèi) 新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金 釕 鈀 鉑等完全提煉出來(lái) 變害為寶 一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力 它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10 20倍 89 3 納米TiO2與環(huán)境保護(hù) 由于納米TiO2除了具有納米材料的特點(diǎn)外 還具有光催化性能 使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色 90 1 降解空氣中的有害有機(jī)物對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛 甲笨等的研究結(jié)果表明 光催化劑可以很好地降解這些物質(zhì) 其中納米TiO2的降解效率最好 將近達(dá)到100 其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳 水和有機(jī)酸 納米TiO2的光催化劑也可用于石油 化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理 改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量 2 降解有機(jī)磷農(nóng)藥有機(jī)磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來(lái)的農(nóng)藥品種 占我國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)量的80 它的生產(chǎn)和使用會(huì)造成大量有毒廢水 這一環(huán)保難題 使用納米TiO2來(lái)催化降解可以得到根本解決 91 3 處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來(lái)處理毛紡染整廢水 具有省資 高效 節(jié)能 最終能使有機(jī)物完全礦化 不存在二次污染等特點(diǎn) 顯示出良好的應(yīng)用前景 4 解決石油污染問(wèn)題在石油開采運(yùn)輸和使用過(guò)程中 有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面 江湖和海洋水面 用納米TiO2可以降解石油 解決海洋的石油污染問(wèn)題 5 處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解 其速度是大顆粒TiO2的10倍以上 從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力 92 6 高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag Cu等能使細(xì)胞失去活性 但細(xì)菌被殺死后 可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素 內(nèi)毒素是致命物質(zhì) 可引起傷寒 霍亂等疾病 利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌 而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物 在醫(yī)院的病房 手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場(chǎng)所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用 93 7 自潔作用納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性 因此其表面具有自清潔效應(yīng) 即其表面具有防污 防霧 易洗 易干等特點(diǎn) 我國(guó)新近研制成功一種具備自動(dòng)清潔功能 可以自動(dòng)消除異味 殺菌消毒的 納米自潔凈玻璃 納米自潔凈玻璃 是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜 薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物 氧化室內(nèi)有害氣體 殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒 94 被稱之為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 有著廣泛的應(yīng)用前景 甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念 利用納米技術(shù)解決污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì) 95 六 納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用 眾所周知 分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位 生物分子是很好的信息處理材料 每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器 分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化 其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開關(guān) 利用該特性并結(jié)合納米技術(shù) 可以此來(lái)設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī) 96 到目前為止 還沒(méi)有出現(xiàn)商品化的分子計(jì)算機(jī)組件 科學(xué)家們認(rèn)為 要想提高集成度 制造微型計(jì)算機(jī) 關(guān)鍵在于尋找具有開關(guān)功能的微型器件 美國(guó)錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo) 與 門 利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器 此外 他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲(chǔ)裝置 97 納米計(jì)算機(jī)的問(wèn)世 將會(huì)使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍 它將突破傳統(tǒng)極限 使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理的能力提高上百萬(wàn)倍 從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命 98 如果有一種超微型鑷子 能夠鉗起分子或原子并對(duì)它們隨意組合 制造納米機(jī)械就容易多了 科學(xué)家用DNA 脫氧核糖核酸 制造出了一種納米級(jí)的鑷子 利用DNA基本元件堿基的配對(duì)機(jī)制 可以用DNA為 燃料 控制這種鑷子反復(fù)開合 99 七 納米科技在其他方面的應(yīng)用 1 醫(yī)學(xué)使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì) 并在納米材料的尺度上直接利用原子 分子的排布制造具有特定功能的藥品 將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中 并通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放 則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí) 納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便 用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織 使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液 就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病 100 納米機(jī)器人采用納米大分子 生物部件 與小分子無(wú)機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)組合 采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機(jī)器人 將會(huì)給人類醫(yī)學(xué)科技帶來(lái)深刻的革命 使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決 101 這些分子機(jī)器人以光感應(yīng)器作開關(guān) 從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得能量 并按編制好的程序探體內(nèi)物體 以醫(yī)師預(yù)先編制的程序進(jìn)行全身健康檢查 疏通腦血管中的血栓 清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物 吞噬病毒和組織破碎細(xì)胞 殺死癌細(xì)胞 監(jiān)視體內(nèi)的病變等 納米機(jī)器人還可以用來(lái)進(jìn)行人體器官修復(fù)工作 如修復(fù)損壞的器官和組織 做整容手術(shù) 進(jìn)行基因裝配工作 從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中 使機(jī)體恢復(fù)正常功能 102 在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人 它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中的沉積物 103 檢查體內(nèi)疾病 重慶科研人員開發(fā)的 OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng) 估計(jì)三年內(nèi)可以上市 該醫(yī)生長(zhǎng)得像一顆膠囊 把它吞進(jìn)肚里 消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然 104 2 家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料 具有抗菌 除味 防腐 抗老化 抗紫外線等作用 可用處作電冰箱 空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料 3 電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn) 計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后 可以縮小成為 掌上電腦 105 4 紡織工業(yè)在合成纖維樹脂中添加納米SiO2 納米ZnO 納米SiO2復(fù)配粉體材料 經(jīng)抽絲 織布 可制成殺菌 防霉 除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝 可用于制造抗菌內(nèi)衣 用品 可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維 5 機(jī)械工業(yè)采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理 可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性 硬度和使用壽命 106 納米齒輪 107 6 納米科學(xué)技術(shù)在精細(xì)化工方面的應(yīng)用 108 一 粘合劑和密封膠 國(guó)外已將納米材料如納米SiO2作為添加劑加入到粘合劑和密封膠中 使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性都大大提高 其作用機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料 使之具有親水性 將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu) 即納米SiO2形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)掏膠體流動(dòng) 固體速度加快 提高粘接效果 由于顆粒尺寸小 更增加了膠的密封性 109 二 涂料 在各類涂料中添加納米SiO2可使其抗老化性能 光潔度及強(qiáng)度成倍地提高 涂料的質(zhì)量和檔次自然升級(jí) 因納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料 即抗老化 加之其極微小顆粒的比表面積大 能在涂料干燥時(shí)很快形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 同時(shí)增加涂料的強(qiáng)度和光潔度 110 三 各種助劑 橡膠納米Al2O3粒子加入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性 納米SiO2可以作為抗紫外輻射 紅外反射 高介電絕緣橡膠的填料 添加納米SiO2的橡膠 彈性 耐磨性都會(huì)明顯優(yōu)于常規(guī)的白炭黑作填料的橡膠 111 塑料納米SiO2對(duì)塑料不僅起補(bǔ)強(qiáng)作用 而且具有許多新的特性 利用它透光 粒度小 可使塑料變得更致密 可使塑料薄膜的透明度 強(qiáng)度和韌性 防水性能大大提高 在有機(jī)玻璃生產(chǎn)時(shí)加入納米SiO2可使有機(jī)玻璃抗紫外線輻射而達(dá)到抗老化的目的 在有機(jī)玻璃中添加納米Al2O3既不影響透明度又提高了高溫沖擊韌性 112 四 化妝品 納米微粒與樹脂結(jié)合用于紫外線吸收 如防曬油 化妝品中普遍加入納米微粒 如納米TiO2 ZnO SiO2等 一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能 而且質(zhì)地細(xì)膩 無(wú)毒無(wú)臭 添加在化妝品中 可使化妝品的性能得到提高 113 第五節(jié) 現(xiàn)狀與展望 納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué) 主要包括納米電子學(xué) 納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等 21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代 納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域 在機(jī)械 電子 光學(xué) 磁學(xué) 化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景 納米科學(xué)技術(shù)的誕生 將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響 并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題 特別是能源 人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題 114 納米材料是近幾年來(lái)最受關(guān)注的新材料之一 其重要意義越來(lái)越為人所認(rèn)識(shí) 已有人預(yù)言 本世紀(jì)五十年代重視微米技術(shù)的國(guó)家 現(xiàn)在都取得了很大的發(fā)展 同樣 現(xiàn)在重視納米科技的國(guó)家 將在二十一世紀(jì)獲得高速發(fā)展 IBM的首席科學(xué)家Amotrong也曾十分肯定的指出 正像七十年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣 納米科學(xué)技術(shù)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心 115 21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性 設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件 通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性 增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品 目前已出現(xiàn)可喜的苗頭 具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ) 納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料 能源 信息等各個(gè)領(lǐng)域 發(fā)揮舉足輕重的作用 隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展 納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用 116 納米技術(shù)在各國(guó)發(fā)展情況 納米技術(shù)在美國(guó)2010年 80萬(wàn)納米科技人才 GDP1萬(wàn)億美元 200萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)能源部的8項(xiàng)優(yōu)先研究中 6項(xiàng)有關(guān)納米材料本世紀(jì)前10年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一制定了 國(guó)家納米技術(shù)倡議 NNI 軍工 隱形飛機(jī)表面涂料 艦船表面納米涂料美國(guó)總統(tǒng)布什2003 12 3日簽署了 21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案 批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從2005財(cái)政年度開始的4年中共投入約37億美元 用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā) 117 納米技術(shù)在各國(guó)發(fā)展情況 納米技術(shù)在日本1962年 久保 Kubo 久保理論 量子尺寸效應(yīng) 國(guó)會(huì) 21世紀(jì)前20年的立國(guó)之本著名大企業(yè) 納米實(shí)用化技術(shù)的計(jì)劃三菱化工建立了 富勒烯 納米碳管生產(chǎn)線自潔凈玻璃 光催化凈化水或空氣 118 納米技術(shù)在中國(guó) 中科院物理所制備出大面積碳納米管陣列 合成了當(dāng)時(shí)最長(zhǎng)的纖維級(jí)碳納米管中國(guó)科技大學(xué) 氮化鎵粉體清華大學(xué) 氮化鎵納米棒中國(guó)科技大學(xué) 從四氯化碳制備出金剛石納米粉 被譽(yù)為 稻草變黃金 中科院化冶所 七五攻關(guān) 納米碳化硅 八五863 納米阻燃劑中科院化學(xué)所納米領(lǐng)帶超雙疏性界面材料防水 防油 防污 防褪色納米聚丙烯管材高強(qiáng)度 抑菌功能 119 納米技術(shù)在各國(guó)發(fā)展情況 納米技術(shù)在其它國(guó)家韓國(guó) 全國(guó)納米技術(shù)研究院 納米顯示技術(shù)印度 像抓軟件產(chǎn)業(yè)那樣抓納米科技德國(guó) 把發(fā)展納米技術(shù)定位在新能源 新環(huán)境 全面帶動(dòng)納米技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展法國(guó) 國(guó)家納米科技中心 納米產(chǎn)業(yè)基金世界都在迎接納米時(shí)代的到來(lái) 120 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 能源領(lǐng)域石油 煤等不可再生資源環(huán)保領(lǐng)域解決水污染的問(wèn)題解決空氣污染的問(wèn)題微電子納米電子器件 納米線 納米傳感器信息領(lǐng)域光纖 發(fā)光器件 121 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 功能性涂料 薄膜防靜電涂料特殊視覺涂料紫外線吸收涂層耐磨 防腐 耐高溫 耐沖刷涂層機(jī)械納米結(jié)構(gòu)單元和納米機(jī)械結(jié)構(gòu)陶瓷增強(qiáng) 增韌 助燒結(jié) 122 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 化學(xué)化工催化劑 助催化劑 阻燃劑鎳催化氧化丙醛 當(dāng)鎳的粒徑在5nm以下 反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化 生成酒精的轉(zhuǎn)化率迅速增大塑料和橡膠制品成型劑 補(bǔ)強(qiáng)劑 抗老化劑OA領(lǐng)域復(fù)印機(jī)和激光打印機(jī)的墨粉噴墨打印機(jī)墨水 高級(jí)墨水 123 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 納米藥物磁性納米粒子藥物衛(wèi)生保健品防曬霜紡織品反射紅外線型化纖殺菌滅菌除臭型化纖 124 納米技術(shù)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)力的提升 提升國(guó)防科技納米探測(cè)系統(tǒng)納米材料提高武器打擊能力納米材料提高防護(hù)能力納米機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人雷達(dá)隱身技術(shù)美國(guó) 超黑粉 對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99 法國(guó) Co Ni納米顆粒包覆絕緣層 125 納米技術(shù)將來(lái)發(fā)展的幾個(gè)階段 1 準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在 個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì) 這需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) 制造技術(shù)和現(xiàn)有工廠的設(shè)備和超精密電子裝置 2 生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì) 在這個(gè)階段 納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)和納米復(fù)合材料的制造將達(dá)到實(shí)用化水平 126 納米技術(shù)將來(lái)發(fā)展的幾個(gè)階段 3 造出納米計(jì)算機(jī) 納米磁膜材料將大大提高磁記錄密度 納米加工技術(shù)的進(jìn)步將使納米級(jí)光盤的出現(xiàn)成為可能 其信息儲(chǔ)存量將是現(xiàn)在光盤的100萬(wàn)倍 未來(lái)的某一天 像現(xiàn)在 銀河 那樣的巨型計(jì)算機(jī)可能變成 掌中寶 而美國(guó)國(guó)會(huì)圖書館的全部信息 將會(huì)被壓縮到一個(gè)糖塊大小的光盤中 可以預(yù)見 未來(lái)以納米技術(shù)為核心的計(jì)算機(jī)處理信息的速度將更快 效率將更高 4 科學(xué)家們將研制出能夠制造動(dòng)力源與程序自動(dòng)化的元件和裝置 127 要注意的問(wèn)題 同許多技術(shù)一樣 納米科技也是一把雙刃劍 雖然在目前尚未顯露出它的弊端 但無(wú)疑納米也給人類帶來(lái)了 生存還是毀滅 的思考 人類應(yīng)該未雨綢繆 避免納米給人類帶來(lái)災(zāi)難 科學(xué)家介紹說(shuō) 納米是絕對(duì)微觀世界的概念 一旦它們按照物理學(xué)上的布朗運(yùn)動(dòng)通過(guò)各種途徑進(jìn)入人體 進(jìn)而失控侵入體細(xì)胞內(nèi) 許多這些含有氧化硅 氧化鈦 氧化錳或銀成分的納米顆粒就將成為殺手如同幽靈般漂浮在人體內(nèi) 可能引發(fā)病變 此外 科學(xué)家為人類在納米時(shí)代描繪的最美妙前景莫過(guò)于通過(guò)納米機(jī)器人在人體內(nèi)定向搬運(yùn)藥物或者清理垃圾 可是如果這些小精靈一旦脫疆 你頭疼時(shí)卻偏偏要給你醫(yī)腳 可該如何是好 美國(guó)科學(xué)家比爾 喬伊也認(rèn)為 在單個(gè)原子基礎(chǔ)上創(chuàng)造物體的納米技術(shù)可能給人類帶來(lái)災(zāi)難 納米技術(shù)可能被用來(lái)制造體積非常微小的智能機(jī)器 它可能會(huì)輕而易舉地自我復(fù)制 像計(jì)算機(jī)病毒在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳播一樣 給物質(zhì)世界帶來(lái)一系列影響 比如說(shuō) 納米技術(shù)就可能被用來(lái)生產(chǎn)仿制武器系統(tǒng) 128 前途光明 道路曲折 面對(duì)一浪高過(guò)一浪的納米熱 科學(xué)家認(rèn)為 雖然90年代初科學(xué)家已經(jīng)成功搬動(dòng)原子 但離自如操縱原子還很遠(yuǎn) 像基因組技術(shù)一樣 納米技術(shù)還有很長(zhǎng)的路要走 即使是那些較為成熟的納米技術(shù) 離產(chǎn)業(yè)化開發(fā)還有一段艱難的路要走 納米技術(shù)的應(yīng)用還要有一個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程以及產(chǎn)品的升級(jí)配套問(wèn)題 盡管如此 科學(xué)家仍然相信 雖然納米技術(shù)已經(jīng)開始走入百姓的生活 但是納米科技要像信息技術(shù)一樣產(chǎn)生廣泛而又深刻的影響 那將是二三十年以后的事情 無(wú)論如何 納米已經(jīng)在我們的面前掀起了它原本神秘的蓋頭 納米時(shí)代 昂首前行而來(lái) 129 謝謝觀看 130