納米科技概論(8)20140416(發(fā)展趨勢)

納米科學技術概論主講教師：楊輝、郭興忠納米科技應用、產業(yè)及

納米科技發(fā)展一、納米科技的應用二、我國及浙江省納米科技產業(yè)的現(xiàn)狀三、納米科技的發(fā)展納米材料及科技的應用

電子信息化學工業(yè)能源與環(huán)保生物醫(yī)藥國防軍工…..微電子學領域研制成功各種納米器件、單電子晶體管、紅、綠、藍三基色可調諧的納米發(fā)光二極管利用納米絲、巨磁阻效應制成超微磁場探測器研制成功具有奇特性能的碳納米管，為納米電子學的發(fā)展起到了關鍵作用用磁性納米微粒制備納米磁記錄材料可提高信噪比，改善圖像質量微電子學領域納米磁性材料納米微晶軟磁性材料的應用領域將沿著高頻多功能發(fā)展（如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、互感器磁頭、磁開關、傳感器等），它將成為鐵氧體有力的競爭者；尤其新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應。納米微晶稀土永磁材料，其磁性高于鐵氧體5－8倍且稀土含量減少生產成本下降，并且不易被氧化或腐蝕，可以作為粘結永磁體的原材料，用于磁制冷具有效率高、功耗低、噪聲小、體積小、無污染等優(yōu)點。納米磁性材料合成示意圖微電子學領域微器件

納米材料，特別是納米線，可以使芯片集成度提高，電子元件體積縮小，使半導體技術取得突破性進展，大大提高了計算機的容量和進行速度，對微器件制作起決定性的推動作用。世界最小的激光器-納米激光器。該激光器比一根頭發(fā)還細1000倍，能發(fā)射紫外光，且能將藍色光變成遠紫外光。該激光器可在室溫下工作，納米激光器最終可能用來制造一些器件，而這些器件可用于鑒別化學物、增加計算機磁盤存儲信息量及用于光計算機中。納米激光器的發(fā)明人楊培東博士是美國加州大學伯克利分?；瘜W系教授。楊培東教授是納米激光器的發(fā)明人，也是世界公認的一維納米器件的學術領袖。他的兩篇文章被引用超過3000次。納米激光器部件中科院化學所的科技人員利用納米技術在石墨表面通過搬遷碳原子繪制出世界上最小的中國地圖應用實例微電子學領域傳感材料納米粒子具有高比表面積、高活性、特殊的物理性質及超微小性等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變會迅速引起納料粒子表面或界面離子價態(tài)和電子運輸?shù)淖兓?，利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，其特點是響應速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良。

中科院合肥物質研究院在納米敏感材料與納米傳感器研究方面取得重要進展通過煅燒硫化物前驅體的方法制備了一種具有多孔結構的單晶半導體氧化物納米材料。這種多孔單晶納米材料有望成為制作高靈敏度和長期穩(wěn)定傳感器的新一代材料。多孔結構的單晶ZnO納米片航天航空領域

用于機身及其輔助裝置、機翼、發(fā)動機及其部件、螺旋槳、火箭噴嘴、點火器等納米氧化物彌散強化高溫合金已部分用于航空發(fā)動機導向葉片、渦輪工作葉片把金屬鎢制成納米介孔的金屬骨架，把相對低熔點的銅或銀等填充在孔隙中，制成“發(fā)汗金屬”利用納米微粒材料的尺寸遠小于紅外和雷達波波長及磁損耗大的特點，可制成電磁波吸收率非常高的隱身材料

這種材料用高熔點金屬構成多孔的基體，孔隙中滲入低熔點金屬；在高溫下工作時，低熔點金屬蒸發(fā)吸熱，借以冷卻材料的表面。發(fā)汗金屬光電領域將納米發(fā)光材料用于陰極射線發(fā)光、場發(fā)射及電致發(fā)光等技術，獲得比傳統(tǒng)材料更優(yōu)越的發(fā)光特性，提高發(fā)光器件的分辨率用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察美國的研究人員把被激發(fā)的鋇原子單個送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，效率很高

美國一家專門從事小型合成孔徑雷達（SAR）研究的ImSAR公司最近同一家從事遠程無人機開發(fā)的Insitu公司合作，成功地實現(xiàn)了重量僅為1磅（0.454千克）的世界上最小的納米合成孔徑雷達(NanoSAR)的原型機開發(fā)。一磅重納米合成孔徑雷達問世生物工程領域利用生物分子在運動中的狀態(tài)變化，結合納米技術，可以設計量子計算機美國科研人員應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識利用納米技術制備分子生物芯片，實現(xiàn)對細胞、蛋白質、DNA及其其它生物組份的準確、快速、大信息量的檢測，應用于疾病診斷、預測、藥物篩選、基因測序等眾多領域德國超級計算機成功模擬42位量子計算機醫(yī)學領域科研人員已經成功利用納米微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用等利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物已經取得了突破性進展利用納米技術獲取生命信息，制造出分子機器人利用納米Fe3O4和γ-Fe2O3的順磁性，包敷藥物后制得納米磁粒子，在外磁場作用下，將藥物引至病灶，利用交變磁場加熱，起到治病效果納米類骨磷灰石晶體可用于制備高性能仿生組織修復和替換生物材料的核心材料磁性流體中納米Fe3O4粒子包覆結構的研究醫(yī)學領域納米醫(yī)療及檢測設備

（1）納米技術的新型診斷儀。只需檢測少量血液就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種病毒（2）納米機器人。利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，對人體進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物。甚至還能吞噬病毒、殺死癌細胞等（3）納米機器人主要有納米生物傳感器、納米藥物存儲器、納米生物導彈、納米細胞修復器、監(jiān)督器等納米機器人或納米器件將視為當今絕癥如癌癥、高血壓和愛滋病的治療和人類健康長壽帶來希望的曙光納米機器人利用一對尾巴狀的附加物在動脈和靜脈中游動醫(yī)學領域衛(wèi)生保健---防紫外服裝將少量的納米粒子（TiO2,ZnO,SiO2等）添加到化纖和化妝品中，就會產生紫外線吸收現(xiàn)象，可以大大減少紫外線對人體的傷害。添加了這類納米材料的化纖都可制成紡織成品如運動衫、罩衫、制服、套褲、職業(yè)服、泳衣和童裝等，也可制成帽子、面罩、廣告布、戶外裝飾、傘布、野外帳蓬、高溫崗位服、航天服等”。醫(yī)學領域衛(wèi)生保健

抗菌殺菌納米Ag，Zn及其化合物，TiO2，SiO2等具有抗菌、殺菌功能。如銀系抗菌劑可強烈吸引細菌內酶蛋白的疏基并與其迅速結合，使其失活直到死亡。納米TiO2

、ZnO等還是殺菌極佳的光催化殺菌劑。這些材料配合化纖、多孔材料、橡膠制品、水或空氣等輔助介質和載體，其抗菌、殺菌效果相當好。目前，已用于臨床醫(yī)學上與衛(wèi)生有關的日常生活、水處理等方面。

納米藥物載體

將一些藥物通過藥劑學和納米技術的高度結合，使原本因理化性質不穩(wěn)定而影響其使用的藥物經特殊的方法高度分散于藥物載體中，制成載藥納米微粒，用液體載體的流動形式給藥。納米藥物載體控釋載藥納米微粒納米控釋系統(tǒng)包括納米粒子和納米膠囊，它們是粒子在10~500nm間的固體膠態(tài)粒子。靶向定位載藥納米微粒靶向藥物能完成從靶器官、靶細胞到最為先進的細胞內結構的三級靶向治療，從而達到病灶部位緩慢釋放藥物，維持長期局部有效的藥物濃度。載藥磁性納米微粒（物理靶向）在微囊基礎上發(fā)展起來的新型藥物運載系統(tǒng)。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物載體靜脈注射到動物體(小鼠、白兔)內后，在外加磁場下，通過納米微粒的磁性導航，使藥物移向病變部位，達到定向治療的目的。納米生物器件納米機器人是納米生物學中最具誘感力的內容。動脈粥樣硬化的治療。機器人能夠從動脈壁上清除粥樣沉積物。這不僅會提高動脈壁的彈性,還會使通過動脈的血液流動狀況得到改善。

血管中運動的納米機器人中國科學院合肥研究院的研究研制的納米機器人在清理血管中的有害堆積物中國科學院沈陽自動化所研制研制的納米微操作機器人在10×10微米的基片上刻出的字樣

腎結石、膽結石的治療，將納米機器人以插入導管的方式引入到尿道或膽道里內,直接到達結石所在的部位,并且直接把結石擊碎。納米生物傳感器化工領域納米TiO2可以有效地遮蔽紫外線，將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用利用納米微粒構成的海綿體狀的輕燒結體氣體的分離和濃縮還可用作導電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤滑劑等?？梢岳眉{米碳管做成納米反應器，使化學反應局限于一個很小的范圍內進行化工領域納米SiO2和橡膠分子的接技作用，制造出多功能的納米SiO2

改性彩色橡膠，也可制成納米SiO2改性彩色防水卷材及配套膠粘劑，納米SiO2改性場地材料以及彩色輪胎等納米ZnO用于制造高速耐磨的橡膠制品，例如飛機輪胎、高級轎車用子午胎等具有防老化、抗摩擦著火，使用壽命長等功能納米技術是未來微型化工廠的基礎和關鍵分子組裝如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現(xiàn)分子手術的主要手段化纖紡織人造功能纖維是化纖和紡織行業(yè)發(fā)展的總趨勢。我國已開始研制納米改性的人造纖維，如抗紫外纖維、紅外保溫纖維、抗菌自潔纖維、防油防水纖維、防靜電阻燃纖維開發(fā)具有“感覺”和“知覺”的智能紡織品，不但具有溫度可調節(jié)、自動修補復原、抗輻射紫外及生物活性等功能采用納米技術對羊毛、綿等天然紡織品進行后整理，使綿紡織品具有抗菌、抗紫外、色牢度提高等特性，羊毛紡織品具有抗紫外、抗靜電、遠紅外等功能不用洗滌劑的納米服裝2002年，一批高科技服裝面料從實驗室走上了展臺：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等令人耳目一新環(huán)境和能源領域能源存儲

物理和化學儲氫設備昂貴，碳納米材料是一種有效而清潔的儲氫方式，碳儲氫材料只要儲存其自重6.5%的氫即使燃料電池汽車具有實用價值（設定兩個加油站間的距離是500km）能源轉換

當金屬細分到小于光波波長的尺寸時，金屬超微顆粒對光反射很低，通常小于1%，大約幾微米的厚度即可完全消光，利用這一特殊的光學特性，可制造高效率的光熱、光電轉換材料，以很高的效率轉變?yōu)闊崮芑螂娔墉h(huán)境和能源領域節(jié)省資源

納米技術是從原子和分子開始制造材料和產品技術。這種從小到大的制造方式需要的材料很少，造成環(huán)境污染程度低，產品微型化，使所需資源減少，不僅可以達到可持續(xù)發(fā)展目的，而且價格低廉?？梢灶A測，將來資源浪費、造價昂貴的大型機械設備會逐漸淘汰，以實現(xiàn)資源消耗的“零增長”。環(huán)境和能源領域水處理納米級凈水劑吸附吸收能力是普通氧化鋁的10-20倍，將污水中懸浮物完全吸附并沉淀，再采用納米磁性物質、纖維和活性碳的凈化裝置，最后通過帶有納米孔徑的特殊水處理膜和帶有不同納米孔徑的陶瓷小球組裝的處理裝置后，可得到高質量的純凈水。半導體光催化效應在環(huán)保、水質處理、有機物降解、失效農藥降解等方面有重要的應用。能徹底分解污染物，通過納米粒子的光催化可以將有機和無機化合物甚至微生物降解或轉化成為有害性非常小的物質。環(huán)境和能源領域水處理

納米Ti02所具有的光催化氧化活性，對于水中的鹵代脂肪烴、染料，硝基芳烴、取代苯胺、多環(huán)芳烴、雜環(huán)芳烴化合物等都能有效的進行光催化反應，達到除毒、脫色、礦化，從而消除有機物對環(huán)境的污染。納米Ti02能對水中的重金屬離子通過光電子產生很強的還原能力。廢水中含有Cr6+具有較強的致癌性，通過Ti02的光催化還原，將毒性減少到1/100。汽車尾氣凈化用納米材料含鉛汽油中的鉛很容易通過血液長期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。汽車尾氣的處理：加入納米級的復合稀土氧化物后，對尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉化。環(huán)境和能源領域

防止電磁輻射

在強烈輻射區(qū)工作并需要電磁屏蔽時，可以加入納米涂層，能達到提高遮擋電磁波輻射性能。環(huán)境監(jiān)測

碳納米碳管可以探測有毒的二氧化氮和氨氣，造價低廉，并且體積微小，只有3um長，仿佛是用微芯片進行化學分析的“芯片實驗室”。建筑領域在涂料中引入TiO2納米粒子制備得到光催化涂料、抗菌防霉涂料、金屬閃光面漆及特殊納米界面涂料引入CaCO3納米粒子有效提高涂料附著力，耐水、耐堿、耐擦洗性能趨好引入SiO2納米粒子使涂料的干燥時間縮短，耐洗刷和老化性能提高，且附著力、表面硬度、涂膜自潔能力也顯著提高納米ZnO粒子可顯著提高涂料的耐人工老化能力，還具有很好的抗菌性能中國航空館外墻采用PVC自潔膜技術涂覆二氧化鈦膜建筑領域各種功能涂料(吸波、除味、儲光、殺蟲、防輻射)和下一代的智能涂料〔氣敏、溫敏、光致變色等〕也正在開發(fā)中，預計3-5年陸續(xù)進入市場內裝修用的具有殺蟲、防放射性納米材料改性的涂料也在實驗室研制成功，應用前景看好納米材料減輕建筑玻璃重量的研究也開始進行布署，一些超細化和納米添加劑兩項技術可以使水泥性能全面升級，提高水泥抗彎折的能力，在建筑和采油工業(yè)上應用前景看好納米塑料、納米防水密封材料、納米材料改性混凝土等技術也在建筑中得到廣泛應用陶瓷領域陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米材料在陶瓷領域的應用也日趨廣泛，應用途徑眾多，研究十分活躍。在陶瓷領域中應用表現(xiàn)在：（1）納米陶瓷；（2）微/納米復合陶瓷；（3）納米材料低溫助燒、增強陶瓷；（4）納米表面工程；（5）納米抗菌陶瓷；（6）無機納米材料改性古陶瓷微/納米復合陶瓷微/納米復相陶瓷是指通過有效的分散、復合而使異質相(第二相)納米粒子均勻彌散地保留在陶瓷基體中而得到的復合材料。根據納米復合陶瓷中基體與補強劑間的尺寸和結構關系,將納米復合陶瓷分為晶內復合型、晶間復合型、晶內/晶間復合型和納米型4種。微/納米復合陶瓷金屬氧化物納米顆粒增強氧化物基復相陶瓷

采用濕化學方式引入適量ZrO2微粉/納米Al2O3顆粒，利用四方相ZrO2（t-ZrO2）相變和單斜相ZrO2（m-ZrO2）之間的相變體積變化可達到高鋁氧化鋁陶瓷增韌目的；納米Al2O3顆粒引入在陶瓷制品內部形成內晶型結構，誘發(fā)陶瓷的穿晶斷裂，使制品強度上升，同時降低制品熱膨脹系數(shù)，改善陶瓷的抗熱震性能。

相同的體系還有YAG/Al2O3、BaTiO3/MgO等復合陶瓷。微/納米復合陶瓷納米SiC顆粒增強氧化鋁陶瓷

采用溶膠－凝膠法制得Al2O3/SiC(P)復合粉體，燒結成復合陶瓷材料，陶瓷的斷裂方式由沿晶斷裂向穿晶斷裂轉變，具有更高的強度，斷裂韌性，具有更細的晶粒和更窄的晶粒尺寸分布。納米ZrO2、SiC協(xié)同增韌補強莫來石陶瓷

采用共沉淀法將SiC納米顆粒引入到莫來石前驅體中，干燥后與納米ZrO2機械濕法共混制備復合粉體，燒結后得到顯微結構均勻細小、材料韌性及強度高的納米復合陶瓷。另外還有Al2O3/Si3N4(p)、MgO/SiC(p)、Si3N4/SiC(p)、Mullite/SiC(p)等復相陶瓷

納米材料低溫助燒、增強陶瓷

精細陶瓷的燒結過程困難，添加燒結助劑是促進陶瓷燒結的有效方法。采用特殊的方法，將納米材料引入到陶瓷基體中，大降低陶瓷的燒結溫度，改善陶瓷結構和性能。納米YAG低溫助燒碳化硅結構陶瓷采用無機鹽溶膠－凝膠法將添加劑Y3Al5O12(YAG)引入到SiC中，制備得YAG粒徑小、均勻分布的SiC/YAG復合粉體。降低了復合陶瓷的燒結溫度低(低100～150℃)，顯微結構均勻、晶粒尺寸細小，提高了陶瓷強度和斷裂性能。

納米材料低溫助燒、增強陶瓷納米CuO/TiO2粉體改性Al2O3微波介質陶瓷采用濕化學方式引入納米CuO/TiO2粉體，協(xié)同降低Al2O3陶瓷燒結溫度，協(xié)調介電性能，改善陶瓷料漿組分均勻性、成型特性以及介電性能一致性，獲得了一種具有應用價值的中溫燒結高頻微波介質陶瓷。

納米材料低溫助燒、增強陶瓷高居里點、低電阻的PTC陶瓷材料，添加少量納米二氧化銑可以降低燒結溫度，致密速度快，減少Pb的揮發(fā)量，大大改善了PTC陶瓷的性能4mm的氧化鋅，閥值電壓為4kV／cm，如果添加少量的納米材料，可以將閥值電壓進行調制，其范圍在100V－30kV之間，可以根據需要設計具有不同閥值電壓的新型納米氧化鋅壓敏電阻三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3％－5％的27nm納米三氧化二鋁，熱穩(wěn)定性提高了2－3倍，熱導系數(shù)提高10％－15％

具有易潔納米涂層的陶瓷視頻：納米表面摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷納米表面工程納米表面工程：指以納米材料和其它低維非平衡材料為基礎、通過特定的加工技術、加工手段，對固體表面進行強化、改性、超精細加工，或賦予表面新功能的系統(tǒng)工程。

①納米添加劑改性鎂合金表面微弧氧化陶瓷化新技術利用電解液與電參數(shù)的匹配調節(jié)，在陽極超過臨界電壓值時因微放電產生的局部高溫高壓作用下，于鎂合金表面生長出以氧化鎂為主，輔以電解液組分改性的陶瓷化涂層，極大地改善涂層的防腐蝕與抗擦傷性能。納米表面工程

②熱噴涂制備納米涂層提高基體表面特性技術

通過特殊粘結處理制成專用熱噴涂納米粉，用等離子噴涂方法獲得了納米結構的Al2O3/TiO2涂層，該涂層致密度達95%～98%，結合強度比商用粉末涂層提高2～3倍，磨?？鼓p能力是粉末結構涂層的3倍，彎曲試驗比商用粉末涂層提高2～3倍。③不銹鋼表面含銀有機硅烷偶聯(lián)劑抗菌耐蝕薄膜

通過溶膠－凝膠方法在乙烯基三甲氧基硅烷偶聯(lián)劑中加入銀離子，在不銹鋼表面制備了抗菌、耐蝕的不銹鋼抗菌膜層。不銹鋼的抗菌性能和耐腐蝕性能明顯提高。納米表面工程④生物材料表面納米化技術

在強基體（輕合金）表面涂覆納米羥基磷灰石活性涂層，形成復合結構種植體可改變原金屬表面形態(tài)和活性，制成較為理想的硬組織植入材料。納米抗菌陶瓷納米抗菌陶瓷：是在納米抗菌材料與陶瓷材料基礎上發(fā)展起來的一類賦有抗菌、殺菌功能的陶瓷材料。以多孔質材料為載體，通過交換或吸附具有抗菌能力的金屬離子制備得到納米抗菌劑，與陶瓷材料共燒制備得到具有抗菌功能的納米抗菌陶瓷。應用實例：采用濕化學法制得高活性、良好抗菌殺菌功能的納米無機抗菌劑，利用特殊的摻入方式將納米無機抗菌劑直接引入到日用陶瓷的釉料中，經1240－1280℃高溫燒成具有良好抗菌性能和耐持久性的新型日用陶瓷制品。

納米抗菌高檔日用陶瓷納米材料改性古陶瓷

薄胎厚釉是南宋官哥窯青瓷的一大特色，薄胎厚釉制作工藝為制瓷業(yè)的一大絕技。官哥窯薄胎厚釉制造困難，在開片過程中容易發(fā)生厚釉拉裂胎體等現(xiàn)象。在低溫合成納米莫來石的研究基礎上，結合官哥窯坯體要求，在原有的胎釉配方基礎上，引入針狀納米氧化鋁與坯體中SiO2低溫原位合成針狀莫來石，提高坯（胎）體低溫強度，提高了產品合格率。

納米技術在軍事上的應用納米微粒尺寸小，從而增加化學反應的接觸面。納米材料可作為催化劑被廣泛應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，降低尾氣排放提高常規(guī)武器的打擊與防護能力。運用納米技術在產品中添加特殊性能的材料或在產品表面形成一層特殊的材料，能產生出新的性能。把納米技術用于武器制造，可大大提高武器彈頭對目標的穿透力和破壞力，也可提高武器裝備的防護能力，未來防彈裝甲車可能產生使導彈滑落或彈回去的奇跡。提高武器裝備的隱身性能。某些納米固體在較寬的頻譜范圍對電磁波有均勻的吸收性能，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，美國研制的納米隱身涂料超黑粉對雷達波的吸收率達99%。用納米吸波材料涂在戰(zhàn)略轟炸機、導彈等攻擊性飛行器的表面，能有效地吸收敵方防空雷達的電磁波(B-2隱身轟炸機表