纳米技术在水处理中的应用
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•纳米微粒的尺寸效应
在一定条件下，随着颗粒尺寸的量变，会使纳 米微粒发生性质的改变称为尺寸效应。 金属材料当被细分到小于光波波长时，便失去 原有的金属色泽成为黑色。在军事上把超微粒材 料涂在兵器上就成为飞机、火炮的隐身材料。 晶态物质的熔点是一定的，但细分成超微粒后， 其熔点明显下降。金的熔点1064℃，2nm时，熔 点为327℃。银的熔点是670℃，而其超微粒熔点 仅为100℃。在钨颗粒原料中附加0.1％～0.5％ 的镍超微粒后，其烧结温度从3000℃降低到1200 ～ 1300℃，大大降低了对设备条件的苛刻要求， 从而大幅度降低了产品成本。
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纳米材料的特性
• 晶粒尺寸为8nm的铜材料，自扩散系数比晶 体铜增大1019倍，在110～293K，纳米铜的 热膨胀比晶体铜增大了2倍。 • 陶瓷通常是脆性材料，而纳米陶瓷却可变 为韧性材料。纳米TiO2陶瓷在室温下可以 弯曲，塑性形变高达100％。 • 纳米硅薄膜则具有一系列不同于非晶硅、 微晶硅和单晶硅的特点。在可见光和红外 光范围内，光吸收系数α值明显高于其他 结构的硅材料，甚至提高数十倍。电导率 比单晶硅高100倍，比非晶硅高106倍，压 阻效应显著，也是重要特性。 • 纳米材料结构的特殊性导致与结构密切相 关的特性的奇异性。
•纳米材料
物质在超微粒状态（100nm以下）时，许多特性 会产生奇异的变化。称颗粒尺寸在1～100nm的微粒 为超微粒，该种物质是纳米材料。 •纳米技术(nano-ST) 在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操 作和安排原子、分子创制新物质的技术。
•纳米材料的特殊现象
表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应和 介电限域效应。
第一节
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
概念
概念 对资源和能源消耗最小、生态影响最小、 再生循环率最高，或可分解使用的具有优 异使用性能的新型材料。
特点 先进性：能为人类开拓更为广泛活动空间范围和环境。 环境协调性：使人类的活动与外部环境尽可能相适应。 舒适性：使人类生活环境更繁荣、更舒适。
1
第二节
研究内容
生态材料及生态产品 生物降解材料 材料再生及再循环利用 降低环境负担性的材料加工工艺、技术 环境工程材料 环境负荷评价
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3.生物工程上的应用 • 生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一 个微型处理器，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并 结合纳米技术，可设计量子计算机。美国南加州大学应用基于 DNA分子计算技术有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈 密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子 的计算技术有了进一步的认识。 • 细菌视紫红质用来制造计算机组件最具前景。该生物材料具有特 异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，且其奇特的光学循 环特性可用于储存信息，起到代替当今计算机信息处理和信息存 储的作用。Birge等研究表明，细菌视紫红质的三维存储器可提 供比二维光学存储器大得多的存储空间。 • 美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导 “与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。并用其研制模拟人脑 联想能力的中心网络和联想式存储装置。 • 可以预言，未来纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生 质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处 理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。
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•量子效应
超微粒材料的尺寸范围在1～100nm，电子在 这样的小空间的能量状态与在大块材料中的 能量状态有很大的不同，超微粒材料的性质 会发生反常变化，产生量子效应。 在微电子技术中，当尺寸减小到l00nm以下 就会产生量子效应，电子会穿过量子隧道从 器件中逃走。科学家利用量子隧道效应研制 成功新一代量子器件，使微电子技术得到了 了新的发展。
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•纳米微粒的表面效应
金属超微粒的尺寸越小，微粒表面原子所占的 百分数越大。当超微粒的尺寸为10nm (假定球 形微粒)时，总原子数为30000个，表面原子占 20%，尺寸为lnm时，总原子数为30个，表面原 子占100%，全部都处在微粒的表面。 利用高分辨率电子显微镜，对尺寸小于10nm的 金属超微粒进行观测，发现微粒没有固定形态 ，随着时间的推移，会自动形成多种形态，而 表面原子在电子束的照射下，处于剧烈运动状 态，好像“沸腾”起来似的。 纳米材料表面具有很高的活性，金属超微粒在 空气中会很快自燃起来。利用其表面高活性， 超微粒做高效催化剂，提高化工厂的生产效率。
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纳米材料的制备方法
•惰性气体淀积法 •沉淀法 •水解法 •化学气相淀积法
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纳米技术的应用
1.在陶瓷领域的应用 • 纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度 的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分 布、缺陷尺寸等都在纳米级的陶瓷材料。 • Tatsuki等人对制得的A12O3-SiC纳米复相陶瓷进行 拉伸蠕变实验，结果发现伴随晶界的滑移，Al2O3晶 界处的纳米SiC粒子发生旋转并嵌入A12O3晶粒中， 从而增强了晶界滑动阻力，提高了蠕变能力。 • 纳米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有 像金属一样的柔韧性和可加工性。 • 纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能、抗弯 强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车 发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许 多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料 不可替代的作用，具有广阔应用前景。
2
第三节 现代材料新技术
纳米材料 超导材料 生物材料 特种陶瓷 高分子材料 半导体材料 光通信材料 磁记录材料 航天复合材料 金刚石和超硬材料 超晶格和非晶态材料
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1. 纳米材料
概念 •纳米(nanometer) 长度单位，用nm表示，1nm = 10-9 m。
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2.微电子学上的应用
• 纳米电子学是利用纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器 件，包括纳米有序 (无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体及纳米 超结构组装体系。最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单 原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 • 已经研制成功各种纳米器件，如单电子晶体管，红、绿、蓝三基 色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的 超微磁场探测器已经问世。具有奇特性能的碳纳米管研制成功， 可广泛用于大规模集成电路、超导线材等领域。 • IBM公司利用隧道扫描显微镜上的探针，成功移动了氙原子，并利 用它拼成了IBM三个字母。 • 日本Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，通过控制单个电子 运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。 日本的NEC研究所在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子 点阵列。 • 美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，可由激光 驱动，并且开、关速度很快。
•纳米微粒的尺寸效应
在一定条件下，随着颗粒尺寸的量变，会使纳 米微粒发生性质的改变称为尺寸效应。 金属材料当被细分到小于光波波长时，便失去 原有的金属色泽成为黑色。在军事上把超微粒材 料涂在兵器上就成为飞机、火炮的隐身材料。 晶态物质的熔点是一定的，但细分成超微粒后， 其熔点明显下降。金的熔点1064℃，2nm时，熔 点为327℃。银的熔点是670℃，而其超微粒熔点 仅为100℃。在钨颗粒原料中附加0.1％～0.5％ 的镍超微粒后，其烧结温度从3000℃降低到1200 ～ 1300℃，大大降低了对设备条件的苛刻要求， 从而大幅度降低了产品成本。
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纳米材料的特性
• 晶粒尺寸为8nm的铜材料，自扩散系数比晶 体铜增大1019倍，在110～293K，纳米铜的 热膨胀比晶体铜增大了2倍。 • 陶瓷通常是脆性材料，而纳米陶瓷却可变 为韧性材料。纳米TiO2陶瓷在室温下可以 弯曲，塑性形变高达100％。 • 纳米硅薄膜则具有一系列不同于非晶硅、 微晶硅和单晶硅的特点。在可见光和红外 光范围内，光吸收系数α值明显高于其他 结构的硅材料，甚至提高数十倍。电导率 比单晶硅高100倍，比非晶硅高106倍，压 阻效应显著，也是重要特性。 • 纳米材料结构的特殊性导致与结构密切相 关的特性的奇异性。
•纳米材料
物质在超微粒状态（100nm以下）时，许多特性 会产生奇异的变化。称颗粒尺寸在1～100nm的微粒 为超微粒，该种物质是纳米材料。 •纳米技术(nano-ST) 在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操 作和安排原子、分子创制新物质的技术。
•纳米材料的特殊现象
表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应和 介电限域效应。
第一节
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
概念
概念 对资源和能源消耗最小、生态影响最小、 再生循环率最高，或可分解使用的具有优 异使用性能的新型材料。
特点 先进性：能为人类开拓更为广泛活动空间范围和环境。 环境协调性：使人类的活动与外部环境尽可能相适应。 舒适性：使人类生活环境更繁荣、更舒适。
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第二节
研究内容
生态材料及生态产品 生物降解材料 材料再生及再循环利用 降低环境负担性的材料加工工艺、技术 环境工程材料 环境负荷评价
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3.生物工程上的应用 • 生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一 个微型处理器，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并 结合纳米技术，可设计量子计算机。美国南加州大学应用基于 DNA分子计算技术有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈 密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子 的计算技术有了进一步的认识。 • 细菌视紫红质用来制造计算机组件最具前景。该生物材料具有特 异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，且其奇特的光学循 环特性可用于储存信息，起到代替当今计算机信息处理和信息存 储的作用。Birge等研究表明，细菌视紫红质的三维存储器可提 供比二维光学存储器大得多的存储空间。 • 美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导 “与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。并用其研制模拟人脑 联想能力的中心网络和联想式存储装置。 • 可以预言，未来纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生 质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处 理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。
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•量子效应
超微粒材料的尺寸范围在1～100nm，电子在 这样的小空间的能量状态与在大块材料中的 能量状态有很大的不同，超微粒材料的性质 会发生反常变化，产生量子效应。 在微电子技术中，当尺寸减小到l00nm以下 就会产生量子效应，电子会穿过量子隧道从 器件中逃走。科学家利用量子隧道效应研制 成功新一代量子器件，使微电子技术得到了 了新的发展。
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•纳米微粒的表面效应
金属超微粒的尺寸越小，微粒表面原子所占的 百分数越大。当超微粒的尺寸为10nm (假定球 形微粒)时，总原子数为30000个，表面原子占 20%，尺寸为lnm时，总原子数为30个，表面原 子占100%，全部都处在微粒的表面。 利用高分辨率电子显微镜，对尺寸小于10nm的 金属超微粒进行观测，发现微粒没有固定形态 ，随着时间的推移，会自动形成多种形态，而 表面原子在电子束的照射下，处于剧烈运动状 态，好像“沸腾”起来似的。 纳米材料表面具有很高的活性，金属超微粒在 空气中会很快自燃起来。利用其表面高活性， 超微粒做高效催化剂，提高化工厂的生产效率。
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纳米材料的制备方法
•惰性气体淀积法 •沉淀法 •水解法 •化学气相淀积法
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纳米技术的应用
1.在陶瓷领域的应用 • 纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度 的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分 布、缺陷尺寸等都在纳米级的陶瓷材料。 • Tatsuki等人对制得的A12O3-SiC纳米复相陶瓷进行 拉伸蠕变实验，结果发现伴随晶界的滑移，Al2O3晶 界处的纳米SiC粒子发生旋转并嵌入A12O3晶粒中， 从而增强了晶界滑动阻力，提高了蠕变能力。 • 纳米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有 像金属一样的柔韧性和可加工性。 • 纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能、抗弯 强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车 发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许 多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料 不可替代的作用，具有广阔应用前景。
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第三节 现代材料新技术
纳米材料 超导材料 生物材料 特种陶瓷 高分子材料 半导体材料 光通信材料 磁记录材料 航天复合材料 金刚石和超硬材料 超晶格和非晶态材料
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1. 纳米材料
概念 •纳米(nanometer) 长度单位，用nm表示，1nm = 10-9 m。
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2.微电子学上的应用
• 纳米电子学是利用纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器 件，包括纳米有序 (无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体及纳米 超结构组装体系。最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单 原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 • 已经研制成功各种纳米器件，如单电子晶体管，红、绿、蓝三基 色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的 超微磁场探测器已经问世。具有奇特性能的碳纳米管研制成功， 可广泛用于大规模集成电路、超导线材等领域。 • IBM公司利用隧道扫描显微镜上的探针，成功移动了氙原子，并利 用它拼成了IBM三个字母。 • 日本Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，通过控制单个电子 运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。 日本的NEC研究所在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子 点阵列。 • 美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，可由激光 驱动，并且开、关速度很快。