納米材料與生物技術(shù)-課件

納米材料與生物技術(shù)參考資料納米材料與生物技術(shù)NanoBiotechnology楊文勝,高明遠(yuǎn)等編化學(xué)工業(yè)出版社2005年第一節(jié)概述一、納米科技的誕生二、納米技術(shù)的概念三、納米技術(shù)在世界各國(guó)四、納米材料的特性五、幾種典型的納米材料1959年，著名的諾貝爾獎(jiǎng)得主查理德費(fèi)曼（RichardFeynman）就設(shè)想：“如果有一天人們可以按照自己的意志排列原子和分子，那會(huì)產(chǎn)生什么樣的奇跡！”，“毫無疑問，如果我們對(duì)細(xì)微尺度的事物加以控制的話，將大大擴(kuò)充我們可以獲得物性的范圍”，他首次提出了“納米”材料的概念。今天，納米科技的發(fā)展使費(fèi)曼的預(yù)言已逐步成為現(xiàn)實(shí)。納米材料的奇特物性正對(duì)人們的生活和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。(查理德曼教授于1988年去世)

1962年，久保提出超微顆粒的量子限域理論，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)納米微粒進(jìn)行探索。

1984年德國(guó)的Gleiter教授等合成了納米晶體Pd,Fe等。

1987年美國(guó)阿貢國(guó)立實(shí)驗(yàn)室Siegel博士制備出納米TiO2多晶陶瓷，呈現(xiàn)良好的韌性，在100多度高溫彎曲仍不裂。這一突破性進(jìn)展造成第一次世界性納米熱潮，使其成為材料科學(xué)的一個(gè)分支。

1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。

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。美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家Amotrong說：“正如70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)將成為下一世紀(jì)信息時(shí)代的核心?！卞X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。”納米技術(shù)前景展望

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1020W++粒子微觀介觀宏觀宇觀山太陽(yáng)系地球星系團(tuán)星系原子原子核DNA人1.納米技術(shù)

納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在納米尺度上對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究和處理的技術(shù)被稱為納米技術(shù)。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。古代“文房四寶”中的墨水----用碳納米微粒溶于水形成。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）。人體的牙齒、骨骼都是有含鈣的羥基磷灰石(HAP)。納米就在我們身邊中國(guó)古代的納米：早在中國(guó)古代，安徽出的墨，其顆粒就可以是納米級(jí)的，非常非常細(xì)，從煙道里掃出來后一遍遍地篩，研制出來的墨非常均勻、飽滿，寫字非常好，這實(shí)際就是納米顆粒。納米就在我們身邊蜜蜂腹部的磁性納米顆粒，G代表磁性顆粒。

納米就在我們身邊層狀骨結(jié)構(gòu)圖

蛋白質(zhì)、DNA、RNA、病毒，都在1-100nm的范圍光合作用在“納米車間”

進(jìn)行細(xì)胞中的一些結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞象一個(gè)“納米工廠”蓮花荷葉出污泥而不染:“荷葉效應(yīng)”納米結(jié)構(gòu)是生命現(xiàn)象中基本的東西。進(jìn)一步認(rèn)識(shí)納米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、IBM公司的科學(xué)家STM移動(dòng)氙原子，最后把一個(gè)個(gè)原子排列成IBM商標(biāo)。后來，他們又進(jìn)一步把一排鐵原子拼成漢字“原子”。圖左，掃描隧道顯微鏡針尖移動(dòng)表面吸附原子的過程示意。圖右，用原子排列成的“原子”兩個(gè)字。STM針尖科學(xué)家使用STM觀測(cè)物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)1993年，中科院北京真空物理實(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。媒體中的納米怪象納米冰箱納米洗衣機(jī)

所謂納米冰箱，只不過是添加了氧化鈦的納米無機(jī)物，產(chǎn)生了一定的抗菌性能；所謂納米洗衣機(jī)，也只能說是添加了納米材料的洗衣機(jī)，而且納米材料還只是應(yīng)用在滾筒洗衣機(jī)外桶的內(nèi)壁上，而對(duì)于最容易產(chǎn)生污垢的內(nèi)桶的外壁還沒有很好的解決辦法。納米技術(shù)在生活中的應(yīng)用：

納米材料用于紡織品，經(jīng)過獨(dú)特的工藝處理，將紫外線隔離因子引入纖維中，能起到防紫外線、阻隔電磁波，具有無毒、無刺激，不受洗滌、著色和磨損等影響的作用，可以有效保護(hù)人體皮膚不受輻射傷害。

如果在分散的納米分子材料上經(jīng)過特殊處理，再運(yùn)用到纖維物體上，那么衣服就可以不粘油、不粘水，由于納米分子非常非常小，它不會(huì)影響纖維物體的透氣性和清洗效果。

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：追蹤病毒把某種納米顆粒“粘”在生物分子上，然后利用納米顆粒的發(fā)光特性研究生物分子的活動(dòng)情況。比人體細(xì)胞小得多的納米顆?？梢员凰瓦M(jìn)人的組織、器官內(nèi)，用光線從人體外部向內(nèi)進(jìn)行照射，體內(nèi)的納米顆粒也會(huì)發(fā)光，這樣就可以達(dá)到追蹤病毒的效果。疾病診斷納米顆粒極高的傳感靈敏效應(yīng),利用納米成像技術(shù)，這種方法需要將直徑只有１５納米的熒光粒子附著到ＤＮＡ的特殊部分，隨后分析熒光信號(hào)的強(qiáng)度以及其它特性。這些粒子稱為量子點(diǎn)，具有獨(dú)特的光電性質(zhì)，使其比生物醫(yī)學(xué)研究中常用的傳統(tǒng)熒光標(biāo)簽更易檢測(cè)到。納米藥物由于生物醫(yī)藥產(chǎn)品的開發(fā)周期相對(duì)較長(zhǎng)，納米生物醫(yī)藥真正成熟的產(chǎn)品還不多，但前景是非常樂觀的。以被認(rèn)為最有應(yīng)用前景的化療藥物的例子來看：利用正常組織以及病灶部位毛細(xì)血管通透性的差異，可以有效地增加藥物在病灶位的聚集度，同時(shí)明顯降低毒副作用。納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：

專家們把磁性納米復(fù)合高分子微粒用于細(xì)胞分離，或者把非常細(xì)小磁性納米微粒，放入一種液體中，然后讓病人喝下后，對(duì)人身體的病灶部位進(jìn)行治療，并且通過操縱，可使納米微粒在人的身體病灶部位聚集進(jìn)行有目標(biāo)的治療，在不破壞正常細(xì)胞的情況下，可以把癌細(xì)胞等分離出來，也可以制成靶向藥物控釋納米微粒載體（俗稱“生物導(dǎo)彈”），用于治療腦栓塞等疾病，同時(shí)也可用納米技術(shù)生產(chǎn)出納米探針（微型機(jī)器人）深入體內(nèi)治療疾病或清理體內(nèi)垃圾等。

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：納米機(jī)器人是可以在細(xì)胞內(nèi)或血液中對(duì)納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。其實(shí)細(xì)胞本身就是一個(gè)活生生的納米機(jī)器，細(xì)胞中的每一個(gè)酶蛋白分子就是一個(gè)個(gè)活生生的納米機(jī)器人。納米機(jī)器人

納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用：

密西根大學(xué)已經(jīng)用樹形聚合物發(fā)展了能夠捕獲病毒的“納米陷阱”。體外實(shí)驗(yàn)表明“納米陷阱”能夠在流感病毒感染細(xì)胞之前就捕獲它們，使病毒喪失致病的能力。

納米技術(shù)在軍事中的應(yīng)用：

納米微粒因尺寸小，從而增加化學(xué)反應(yīng)的接觸面。因此，納米材料可作為催化劑被廣泛應(yīng)用提高軍事能源的使用效能。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；納米材料制成的燃油添加劑，可節(jié)省燃油，降低尾氣排放。

納米技術(shù)在軍事中的應(yīng)用：

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。隱身材料納米技術(shù)在軍事中的應(yīng)用：美國(guó)F117隱形轟炸機(jī)機(jī)納米技術(shù)在軍事中的應(yīng)用：美國(guó)B2隱形轟炸機(jī)納米技術(shù)在化妝品中的應(yīng)用：

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，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。納米技術(shù)可能帶來的危害：納米技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品由于構(gòu)成微粒的尺寸太小，也可能直接對(duì)人體產(chǎn)生威脅。一般的物品拿在手上，由于構(gòu)成的微粒大小是微米或以上量級(jí)的尺寸，不會(huì)滲透到人的皮膚細(xì)胞內(nèi)，以致進(jìn)入血液。但是納米技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品，由于構(gòu)成微粒在納米量級(jí)，完全有可能通過皮膚接觸進(jìn)入人體。如果這種物質(zhì)有毒的話，人體與之接觸將是十分危險(xiǎn)的，所以，生產(chǎn)和處理這種納米產(chǎn)品，其生產(chǎn)廠房、放置措施都將有極其嚴(yán)格的規(guī)定。

納米科技的研究領(lǐng)域納米科技就是與納米微粒，團(tuán)簇，甚至分子原子打交道------納米材料學(xué)納米生物學(xué)納米化學(xué)納米機(jī)械納米加工等等

材料人類文明的四大技術(shù)支柱之一材料是人類物質(zhì)文明的基礎(chǔ)材料支撐著其它新技術(shù)的前進(jìn)納米材料是納米技術(shù)的核心納米材料是材料家族中的重要新成員納米技術(shù)與經(jīng)濟(jì)碳60球和碳納米管的發(fā)現(xiàn)觸發(fā)了納米科學(xué)的大發(fā)展!國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展

碳元素是自然界最普遍的元素之一，其特有的成鍵軌道可形成豐富的碳家族。人們以為自然界只有三種碳的同素異形體：金剛石，石墨，無定形碳。

1985年，Kroto等人發(fā)現(xiàn)幻數(shù)為60的籠狀C60分子，其60個(gè)碳原子分別位于由20個(gè)六邊形環(huán)和15個(gè)五邊形環(huán)組成的足球狀多面體的頂點(diǎn)上。

KratschmerW.用石墨電極電弧放電首次宏觀量的合成了C60。引發(fā)又一次納米研究熱。其后，又發(fā)現(xiàn)一大家族球形和橢球形的碳的同素異形體。1991年，日本NEC公司Iijima教授在Ar氣氛直流電弧放電后的陰極棒沉積碳黑中，通過透射電鏡發(fā)現(xiàn)一種直徑在納米或幾十納米，長(zhǎng)度在幾十納米到1毫米的中空管。幾十個(gè)管子同軸構(gòu)在一起，相鄰管的徑向間距約0.34納米，即石墨的（002）面間距。這就是現(xiàn)統(tǒng)稱的碳納米管。其獨(dú)特的一維管狀分子結(jié)構(gòu)開辟了一維納米材料研究的新領(lǐng)域。又一次形成納米研究的高潮。碳納米管它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。

碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的1萬倍，它的強(qiáng)度是鋼的10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。

奇妙的應(yīng)用暢想

碳納米管的最異想天開的用途，是用于太空升降機(jī)。一根碳納米管纜繩從地球同步軌道上垂到地球表面，與鋼或其他任何物質(zhì)不同的關(guān)鍵是它能支持住自身的重量。這就提供了一種把人或物品提升到外層空間的可能方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。碳納米管可能成為最佳超微導(dǎo)線。一根納米管的直徑只有計(jì)算機(jī)芯片上最細(xì)電路直徑的1/100。預(yù)計(jì)它將成為理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能大大超過銅。納米管最終可以用于納米級(jí)電子線路。奇妙的應(yīng)用暢想把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達(dá)圖像

國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展實(shí)心的納米棒、納米線、量子線朗訊公司和牛津大學(xué):納米鑷子碳納米管“秤”，稱量一個(gè)病毒的重量稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展DNA開關(guān)納米存儲(chǔ)器存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米10萬億字節(jié)國(guó)外納米技術(shù)進(jìn)展

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?？茖W(xué)家在英國(guó)《自然》雜志上報(bào)告說，他們用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。納米技術(shù)在美國(guó)2010年:80萬納米科技人才,GDP1萬億美元,200萬個(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):納米材料納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)

納米技術(shù)在美國(guó)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)納米技術(shù)在日本1962年,久保(Kubo):久保理論國(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)代的到來納米技術(shù)在中國(guó)1993年，中科院操縱原子寫字納米技術(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”中國(guó)納米技術(shù)應(yīng)用中科院化冶所“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、抑菌功能納米技術(shù)應(yīng)用全國(guó)范圍三百多家納米企業(yè)以“納米”注冊(cè)的企業(yè)近百家數(shù)十條納米材料生產(chǎn)線資金約百億元判斷一種材料是否是納米材料？微粒尺寸和晶粒尺寸是否小于100nm是否具有不同于常規(guī)材料的性能兩個(gè)條件缺一不可！

性能用途力學(xué)性能超硬、高強(qiáng)、高韌、超塑性材料、特別是陶瓷增韌和高韌高硬涂層光學(xué)性能光學(xué)纖維、光反射材料、吸波隱身材料、光過濾材料、光存貯、光開關(guān)、光導(dǎo)電體發(fā)光材料、光學(xué)非線性元件、紅外線傳感器、光折變材料磁性磁流體、磁記錄、永磁材料、磁存貯器、磁光元件、磁探測(cè)器、磁致冷材料、吸波材料、細(xì)胞分離、智能藥物電學(xué)性能導(dǎo)電漿料、電極、超導(dǎo)體、量子器件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽催化性能催化劑熱學(xué)性能耐熱材料、熱交換材料、低溫?zé)Y(jié)材料敏感性能濕敏、溫敏、氣敏等傳感器、熱釋電材料其他醫(yī)學(xué)（細(xì)胞分離、細(xì)胞染色、醫(yī)療診斷、消毒殺菌、藥物載體）能源（電池材料、貯氫材料）、環(huán)保（污水處理、廢物料處理、空氣消毒）、助燃劑、阻燃劑、拋光液、印刷油墨、潤(rùn)滑劑納米材料的制備技術(shù)、檢測(cè)及表征零維在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇、納米尺度孔洞一維在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管二維在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格

納米材料的分類

納米顆粒（超微顆粒）

L>1 μm微粉

1—100nm納米顆粒

<1nm團(tuán)簇“納米”尺度的粒子早已存在。比如，中國(guó)古代的徽墨粒子，出土銅鏡涂層中的粒子，已在輪胎中使用了100年用作增強(qiáng)劑的炭黑顆粒等，疫苗（它常含有一種或數(shù)種納米尺度的蛋白質(zhì)）也可能擠身于納米之列。生物中磁性顆粒——生物磁羅盤（如：鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、水中的超磁細(xì)菌）高溫分解法制備的磁性納米粒子的TEM照片10nm高溫分解法制備的水溶性Fe3O4米粒子的TEM圖量子橢球的TEM像。橢球直徑為4.2nm，A-C樣品的長(zhǎng)度分別為11，20和40nm。D-E分別為3個(gè)樣品的吸收和熒光譜。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。

二維：納米膜納米固體材料納米陶瓷

普通陶瓷

—硬、脆、易碎納米陶瓷

—堅(jiān)韌、塑性、彎曲、耐磨汽車、高速列車

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。Forexample

羥基磷灰石(Ca10(PO4)6(OH)2,簡(jiǎn)稱HAP)是人體和動(dòng)物骨骼的主要無機(jī)成分。它含有人體組織所必需的鈣和磷元素,且不含其它有害元素。HAP燒結(jié)體與三磷酸鈣、生物玻璃等表現(xiàn)有同樣的生物親和性。植入體內(nèi)后,在體液的作用下,鈣和磷會(huì)游離出材料表面,被機(jī)體組織所吸收,并能與人體骨骼組織形成化學(xué)鍵結(jié)合,生長(zhǎng)出新的組織。因此,羥基磷灰石陶瓷是目前公認(rèn)的具有良好的生物相容性,并具有骨引導(dǎo)性,即生物活性的陶瓷材料。納米羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合陶瓷材料

的制備與研究Forexample

近年來,人們逐漸認(rèn)識(shí)到許多材料細(xì)化到納米量級(jí)性能可能發(fā)生突變,包括某些機(jī)械性能。HAP顆粒越小,骨植入體的扭轉(zhuǎn)模量、拉伸模量和拉伸強(qiáng)度就越高,疲勞抗力也相應(yīng)提高。因此,合成納米級(jí)HAP將有利于改善骨植入體的力學(xué)性能。此外,HAP納米粉體對(duì)不同癌細(xì)胞尚有一定的抑制作用;并有望提高骨缺陷填充的愈合速度。納米羥基磷灰石/碳納米管復(fù)合陶瓷材料

的制備與研究Forexample必須提高羥基磷灰石陶瓷力學(xué)性能人工合成的羥基磷灰石粉末具有優(yōu)良的生物相容性和生物活性,可用來制備各種硬組織植入材料。然而,目前這類骨植入材料因強(qiáng)度偏低,尤其是脆性太大尚難應(yīng)用于人體承載部位。Forexample提高羥基磷灰石陶瓷力學(xué)性能的途徑晶須增韌羥基磷灰石基復(fù)相陶瓷使用高強(qiáng)的第二相進(jìn)行增韌預(yù)燒增韌加入燒結(jié)助劑促進(jìn)燒結(jié)稀土增韌Forexample炭在生物化學(xué)方面，屬惰性材料。在生物力學(xué)上，它能適應(yīng)許多具體使用的要求，承受一定載荷。它與其它的生物材料相比，特別應(yīng)當(dāng)提出的是炭材料的彈性模量與骨匹配良好，對(duì)疲勞加載不很敏感。由于炭質(zhì)輕，在人體中具有較優(yōu)良的生理相容性，表面狀態(tài)和材料結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性，一定程度上能自潤(rùn)滑，因而是人類器官代用品良好材料之一。

炭材料在生物方面的應(yīng)用Forexample德國(guó)馬克斯-普朗克協(xié)會(huì)下屬固體研究所與美國(guó)、澳大利亞和意大利同行合作研究出人造肌肉纖維，它以近年來倍受人們注目的納米碳管為成份，其伸縮性和靈敏度超過迄今的任何人造材料，這種人造肌肉纖維不僅適用于人體的移植和修復(fù)手術(shù)，還可作為未來機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，被譽(yù)為21世紀(jì)醫(yī)學(xué)材料。炭材料和微生物關(guān)系的研究，實(shí)驗(yàn)證明，炭纖維固定微生物的能力比其他材料(尼龍、聚乙烯等)高得多。Forexample

sp2雜化的碳碳鍵是自然界最強(qiáng)的化學(xué)鍵之一，強(qiáng)度比其他纖維高200倍，可以經(jīng)受約100萬個(gè)大氣壓壓力而不破裂，比類似的纖維高二個(gè)數(shù)量級(jí)：軸向楊氏模量：200GPa~4000GPa

軸向彎曲強(qiáng)度：14GPa

軸向壓縮強(qiáng)度：100GPa如此高的模量使其斷裂過程具有一定塑性,不是脆性的；ForexampleTEM（HAp）ForexampleTEM(HAP/CNTs)CNTsForexample碳納米管摻雜到羥基磷灰石中后，分散良好，羥基磷灰石也很好得復(fù)合到了碳納米管上，且摻雜后的復(fù)合材料的機(jī)械性能比起純的羥基磷灰石有很大提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出，當(dāng)CNTs%為3.0%時(shí)，硬度和抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，即CNTs%=3.0%為最佳摻雜量。

通過在羥基磷灰石中摻雜碳納米管，集中了HAP和CNTs各自的性能優(yōu)點(diǎn)，使材料具備綜合性能優(yōu)勢(shì)，從而更好地實(shí)現(xiàn)其在人體內(nèi)的輔助治療功能，在一定程度上拓寬了人工骨材料的應(yīng)用范圍。

納米材料如此神奇，怎樣才能獲得納米材料呢?納米材料：指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。與常規(guī)材料相比,納米材料表現(xiàn)出一些物理效應(yīng)和奇特的物理特性。制備技術(shù)是納米科技的關(guān)鍵。影響納米材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。通過不同的制備技術(shù),可以得到納米顆粒材料、納米膜材料、納米固體材料等等。

很久以前,我國(guó)人們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經(jīng)冷凝后變成很細(xì)的碳粉，實(shí)際上就是納米粉體，但在當(dāng)時(shí)的條件下他們并不知道納米材料的概念，也沒有任何手段來分析這些納米小顆粒．然而．他們知道用這種方法獲得的超細(xì)碳粉所做成的墨具有良好的性能，應(yīng)該說這種方法是制備納米材料的最簡(jiǎn)單方法。在科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展的今天．人工制備納米材料的方法得到了很大的發(fā)展。通常采用兩個(gè)不同的途徑得到納米材料：納米材料制備途徑｛從小到大:原子團(tuán)簇納米顆粒從大到小:固體微米顆粒納米顆粒目前納米材料制備常采用的方法:(按物態(tài)分類)氣相法液相法固相法蒸發(fā)-冷凝法化學(xué)氣相反應(yīng)法溶膠-凝膠法沉淀法噴霧法非晶晶化法機(jī)械粉碎(高能球磨)法固態(tài)反應(yīng)法各種方法有各自的特點(diǎn)和適用范圍目前納米材料制備常采用的方法:(按物態(tài)分類)氣相法液相法固相法蒸發(fā)-冷凝法化學(xué)氣相反應(yīng)法溶膠-凝膠法沉淀法噴霧法非晶晶化法機(jī)械粉碎(高能球磨)法固態(tài)反應(yīng)法各種方法有各自的特點(diǎn)和適用范圍化學(xué)方法化學(xué)沉淀法ZrOCl2.8H2OYCl3洗滌、脫水、防團(tuán)聚ZrOCl2.8H2O+YCl3NH4OHZrOCl2+2NH4OH+H2Zr(OH)4+2NH4ClYCl3+3NH4OHY(OH)3+2NH4ClZr(OH)4+nY(OH)3按比例混合Zr1-xYxO2

煅燒1.原料混合2.加沉淀劑3.沉淀反應(yīng)控PH、濃度攪拌、促進(jìn)形核、控生長(zhǎng)4.洗滌、脫水、防團(tuán)聚5.煅燒穩(wěn)定氧化鋯陶瓷的化學(xué)沉淀法制備水熱法

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。

微乳液法微乳液法就是采用微乳液來制備納米材料的方法。微乳液為兩種互不相溶的液相，一相以微液滴形式（直徑約為1-100nm）分散在另一相中所形成的分散體系。微乳液＝表面活性劑＋水＋油常用的油-水體系有:柴油/水、煤油/水、汽油/水、甲苯的醇溶液/水等等。常用的表面活性劑有:琥鉑酸二異辛脂磺酸鈉(AOT)、十二烷基硫酸鈉(SDS)等等。特點(diǎn)：微乳液法具有原料便宜、實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、操作容易、反應(yīng)條件溫和、粒子尺寸可控。而廣泛用于納米材料的制備。微乳液法微乳液是由兩種互不相溶液體在表面活性劑的作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn)定的、各向同性、外觀透明或半透明的液體分散體系，分散相直徑約為1-100nm。O/WW/O親水端親油端Forexample模板合成法

模板是指含有高密度的納米柱形孔洞，厚度為幾十到幾百微米厚的膜。模板合成法最典型的特點(diǎn)是利有模板的限域能力，并結(jié)合電化學(xué)沉積、化學(xué)沉積、溶膠－凝膠等方法使物質(zhì)原子或離子沉積在模板孔洞中的一種方法二十一世紀(jì)以來利用模板生長(zhǎng)一維磁性納米絲的研究很活躍材料包括單一金屬，合金，化合物，多層材料，復(fù)合材料等等，應(yīng)用目標(biāo)也從存儲(chǔ)介質(zhì)到細(xì)胞分離多種多樣。1987年Martin等人電化學(xué)和模板合成方法結(jié)合以聚碳酸脂濾膜為模板成功的制備了Pt納米線陣列

CHARLESR.MARTINUNIVERSITYOFFLORIDA

PennerRM,MartinCR.Anal.Chem.,1987,59,2625納米孔道模板材料鍍Au或Ag膜作陰極固定于導(dǎo)電基底上暴露于電解液恒電壓恒電流電沉積溶解模板，得到納米管或納米線一般過程實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單，能耗低，反應(yīng)可較低溫度進(jìn)行可合成多種納米材料納米材料粒徑可調(diào)可得單分散納米結(jié)構(gòu)材料易于分離和收集特點(diǎn)Fieldemissionscanningelectronmicrographs(FESEM)ofhome-madealuminatemplate(60-nmdiameter);Top-viewedimage(left)andcross-sectionalviewedimage(right).Templatesynthesisofmultifunctionalnanotubesforcontrolledrelease

ForexampleSchematicillustrationoftemplatesynthesisForexample納米材料在液相中的合成液相中固體顆粒的形成（LaMerModel）納米粒子在水相中形成的反應(yīng)機(jī)理例：已知：（a）0.25MTi4+水體系20ml在pH11.0時(shí)140℃下陳化72小時(shí)所得TiO2納米顆粒的直徑為60.0nm；（b）0.25MTi4+水體系20ml在pH1.0時(shí)140℃下陳化72小時(shí)所得TiO2納米顆粒的直徑為5.0nm。問：如果TiO2在水相中的形成遵循表面反應(yīng)控制模型，那么在（a）條件下體系中加入0.1ml（b）條件下的產(chǎn)物并保持pH11.0，則得到的TiO2納米顆粒的大小是多