纳米材料及其技术应用前景

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四、纳米材料的合成技术
• （ 1 ）粒子纯度及表面的清洁度高（ 2 ）
粒子粒径及粒度分布可控（3）粒子几何 形状规一，晶相稳定性好（4）粉体无团 聚或团聚程度低。
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方 法
蒸发冷凝 法 物理粉碎法
制 备 用真空蒸发,激光,电弧高频感应等法使原 料气化或形成等离子体,然后骤冷使之凝结。
特 点 纯度高,结晶组织好,粒度可控, 但技术设备要求高. 操作简单,成本较低,但易引进杂 质降低产品纯度，
48个铜原子构成圆形，电子相互干涉形成干涉波
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放 在 指 尖 上 的 四 百 支 排 列 整 齐
的 无 痛 型 微 型 针
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被囚禁冷却的原子和“原子激光”
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用光刻技术做成的微米尺寸的微机械
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纳米碳管
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纳 米 陶 瓷
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纳米金属铜的超延展性
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三
纳米材料的特性
表面原子数与粒径的关系
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1984，Gleiter、Siegel利用原位加压成形得到纳米微晶块 体。 1989 ， IBM 公司的科学家实现用单个 Xe 原子排列拼写出 “IBM”商标。 1990，在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议； 我国在中科院固体物理所召开首次纳米固体讨论会。 1991，Iijima制备出直径为4~10μ m的多壁碳纳米管。 1992，我国首次把“纳米材料科学”列入“攀登计划”。
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一 纳米材料/纳米技术的定义
• 纳米材料：是指晶粒尺寸为纳米级 (10-9
米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子 簇，小于通常的微粒，一般为 10 0-10 2nm。 它包括体积分数近似相等的两个部分： 一是直径为几个或几十个纳米的粒子， 二是粒子间的界面。
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纳米技术：纳米技术（纳米科学与技术的简称） 研究在0.1-100纳米尺度范围的物质世界，其实质 就是要操纵原子和分子,目的是直接用原子和分子 制造具有特定功能的产品。 纳米技术是由物理学、化学、生物学以及电子学 等各个学科交叉形成的新兴学科。包括：纳米材 料学；纳米电子学；纳米动力学；纳米生物学和 纳米药物学。
(1) 智能药物 美国密西根大学的James R. Baker Jr.博士正在设计一 种纳米"智能炸弹"，仅有20纳米左右，能够进入并摧毁单 个的癌细胞。
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(2) 人工红血球 当人的心脏因意外，突然停止跳动的时候，医生可以 马上将大量的人造红血球注入人体，随即提供生命赖以 生存的氧，以维持整个机体的正常生理活动。
（ 一 ） 生 物 芯 片 技 术
研究蛋白相互作用的芯片 Protein G、p50和 FRB等三种蛋白分别以点状阵列固定到玻片上。
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（1） 分子马达 （美国康纳尔大学的科学家利 用ATP酶作为分子马达，研制 出了一种可以进入人体细胞的 纳米机电设备--"纳米直升机"。 该设备共包括三个组件，两个 金属推进器和一个附属于与金 属推进器相连的金属杆的生物 分子组件。其中的生物分子组 件将人体的生物"燃料"ATP转 化为机械能量，使得金属推进 器的运转速率达到每秒8圈。 这种技术仍处于研制初期，它 的控制和如何应用仍是未知数。 将来有可能完成在人体细胞内 发放药物等医疗任务。
操作简单、易引进杂质，难制得 粒径小纳米粒子
粒子纯度高，分散性好，晶形好， 且大小可控。 粒子纯度高，粒度小，粒度分布 窄。 粒子的粒径小，分散性好，但操 作的要求高。 粒子的单分散性好，但粒径较大， 粒径的控制也较困难。23
化 学 方 法
水热合成法
溶胶凝胶 法 溶剂蒸发 法 微乳液法
五、纳米材料的应用热点
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5. 2
纳米技术在微电子学上的应用
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，目前，利用纳米电 子学已经研制成功各种纳米器件。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、纳米棒 制成的微型探测器已经问世。早在1989年，IBM公司的科学家 就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子， 并利用它拼成了 IBM三个字母。日本的Hitachi 公司成功研制 出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定 功能。另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精 细量子线结构技术，并在GaAs半导体衬底上，成功制作了具 有开关功能的量子点阵列。 目前，美国已研制成功尺 寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、 关速度很快。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的 量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用 量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光 26 电子领域将获得广泛应用。
人工红细胞的结构和工作示意图
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5.4
1、 2、
纳米材料在环境保护方面的应用
纳米技术治理有害气体 纳米技术在污水处理
3、 纳米TiO2的特殊作用
A 降解空气中的有害有机物。 B 它可以降解有机磷农物,解决海洋的石油污染问题 C 用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解 D TiO2光催化剂具有除臭作用
E 纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，具 有自清洁效应
F 紫外吸收、防晒品
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5. 5
纳米技术在分子组装方面的应用
纳米材料及其技术应用前景
清华大学材料系
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一 纳米材料的定义 二 纳米材料的发展历程
三 纳米材料的特性
3.1 3.2 3.3 纳米材料的表面效应 纳米材料的体积效应 纳米材料的量子尺寸效应
四 纳米材料的合成方法
4.1
4. 2
物理法
化学反应法
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五 纳米材料的应用热点
5.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用
纳米技术一旦成熟，以下梦想将会变为现实：
1. 用碳原子“积木”生产大量物美价廉的钻石。
2. 用只有方糖大小的机器，利用空气和阳光建造房屋。 3. 利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐 身材料。 4. 利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中， 控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。 5. 制造纳米人造昆虫在温室传播花粉和杀死害虫。 6. 将药物储存在纳米材料中，通过一定机制来激发药剂的 释放，制成可控药剂。 7. 合成纳米“智能炸弹”，能够进入并摧毁单个的癌细胞。 24
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3 纳米材料的量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子 费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并 且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分 子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使 得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸 效应。它将导致声、光、电、磁、热力学等特性 出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相 转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。
5.2
5.3
纳米技术在微电子领域方面的应用
纳米技术在生物工程方面的应用
5.4
5.5
纳米技术在环保领域方面的应用
纳米技术在分子组装方面的应用
5.6
5.7
纳米技术在国防工业领域方面的应用
纳米技术在其它领域方面的应用
3
六、 我国在纳米材料领域所取得的成果
七、世界纳米战略及纳米市场
八、纳米技术研究与开发的动向与难点 九、我国“十五”“863”纳米专项规划
5.1
纳米材料在陶瓷领域方面的应用
传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其 应用受到了较大的限制。英国著名材料专家 Cahn 指出纳 米陶瓷是解决陶瓷脆性战略途径。 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺 度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相 分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。 纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃ 经受弯曲而不产生裂纹。如果控制陶瓷晶粒尺寸在 50nm 以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温 超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。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，具有广阔的应用前景
物
理 方 法
通过机械粉碎,电火花等法制得纳米粒子。 机械合金法 气相沉积法 利用高能球磨法，控制适当的条件，以制 得纳米材料。 利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来 合成所需物质。
颗粒分布也不均匀。
原料精炼容易，产物纯度高，粒 度分布窄。
化学沉淀法
把沉淀剂加入到金属盐溶液中，反应后将 沉淀热处理。
高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成 纳米粒子。 利用金属醇盐在不同pH值的水解剂中水解 合成纳米粒子。 把溶剂制成小滴后进行快速蒸发，合成纳 米粒子。 金属盐和沉淀剂形成微乳状液，控制胶粒 成核和生长，热处理后得到纳米粒子。
93－至今，纳米材料及其技术开始蓬勃发展。
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三个发展阶段：
第一阶段（ 1990 年以前）：实验室探索制 备纳米颗粒粉体，合成块体。 第二阶段（ 1994 年前）：设计合成纳米复 合材料。 第三阶段（从 1994 年～）：纳米组装体系、 人工组装合成的纳米结构。
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Fe原子排列成的汉字“原子”
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纳米技术的研究内容：
创造和制备优异性能的纳米材料。 设计、制备各种纳米器件和装置。 探测和分析纳米区域的性质和现象。
生物科学技术、信息科学技术、纳米科学 技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
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二、纳米材料发展历程
• • • • • •
1860,胶体化学诞生，开始对粒径约1～100nm胶体粒子 进行研究。 1929,Kohlshuthe用金属作电极，在空气中进行弧光放 电，制得金属氧化物溶胶。 1940,Ardeume首次利用TEM对金属氧化物的烟状物进行 观测和研究。 1945,Buk 提出在低压惰性气体中获得金属超微颗粒的 蒸发方法。 1959,P.Feynman 发表演讲，预言该类材料的特殊性能。 1962,R.Kubo发现金属超微粒子与块状物质的热性质不 同，提出Kubo效应。 1975, 日本、法国、美国科学家利用 NMR、TEM、XRD 对 纳米粒子进行研究。
表 面原 子数 相对 于 总原 子数 比 例（ %）
• 1、纳米材料的表面效应 • 纳米材料的表面效应是
指纳米粒子的表面原子 数与总原子数之比随粒 径的变小而急剧增大后 所引起的性质上变化。
100 80 60 40 20 0 0 10 20 30 40 50
•
粒径（nm）
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2
纳米材料的体积效应
由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很 少。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子 的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通 常称之为体积效应。久保理论：认为相邻电子能 级间距δ 和金属纳米粒子的直径d的关系为： δ =4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3 随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电 子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金 属导体将变为绝缘体。
5.3
纳米技术在生物工程上的应用
科学家设法用显微操作技术移动果蝇染色体的基因， 结果培育出了比正常果蝇多长了一个胸脯和翅膀的果蝇， 科学家已经可以通过基因操作把果蝇的眼睛搬到不该有眼 的地方，把翅膀搬到不该长翅膀的地方。 分子是保持物质化学性质不变的最小单位。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，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化， 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，可以此来设计量子计算机。虽然分子计算机目前只 是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制 造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。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，并 且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代 替当今计算机信息处理和信息存储的作用。 27
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（2） 纳米探针 一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米 量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA 损伤。 图为载激光束 （蓝色）的纳 米传感器探针 穿过活细胞， 以检测该细胞 是否曾置于致 癌物质下
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5. 4 纳米技术在医学上的应用 10nm 以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以 在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送 到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科学家 们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环， 对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑 血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其 吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当 今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从 而将使医学研究发生一次革命。