第五章 化學(xué)與材料

社會(huì)Chem與第五章化學(xué)與材料

第1節(jié)納米材料

主講：化學(xué)工程學(xué)院2015年5月納米與納米技術(shù)

NanoandNanotechnology

納米(nm)：長度單位，1m=109nm,人頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬納米(0.06mm)。納米技術(shù)：在納米尺度上，通過直接操縱原子、分子來組裝和創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)。

納米材料：當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級(<100nm)后，這種物質(zhì)就可被稱為納米材料。

納米效應(yīng)：同一種物質(zhì)，因?yàn)闃?gòu)造上以納米為單位的變化，其物理性能與化學(xué)性質(zhì)便會(huì)產(chǎn)生意想不到的巨變。花粉是納米級的粒子

?室內(nèi)的灰塵是納米級的粒子,

其光環(huán)300nm.

?病毒也是納米級的,30-100nm.納米顆粒納米顆粒的檢測

如果一個(gè)納米的粒子放在乒乓球上，相當(dāng)于把一個(gè)乒乓球放在地球上。

掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM）。STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。其他：高分辨透射電鏡（HighResolutionTransmissionElectronMicroscope，HRTEM），分辨率1nm。掃描隧道顯微鏡示意圖外膜蛋白病毒基因反轉(zhuǎn)錄酶核核心蛋白組織核心蛋白移動(dòng)原子—世界上最小的廣告1990年，IBM公司展示了一項(xiàng)令世人瞠目結(jié)舌的成果，在金屬鎳表面用35個(gè)惰性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文字母。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)STM的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個(gè)位置吸住，再搬運(yùn)到另一個(gè)地方放下。這可真是個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)，因?yàn)檫@意味著人類從此可以進(jìn)行“原子剪裁”了。納米神算子——分子算盤STM探針不僅可以將原子、分子吸住，也可以將它們象算盤珠子一樣撥來撥去。科學(xué)家把C60分子每10個(gè)1組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺(tái)階排列的?這項(xiàng)試驗(yàn)的真正意義在于未來人們能夠通過操縱原子、分子來隨心所欲地構(gòu)造新的物質(zhì)。納米繪畫藝術(shù)—— 納米中國這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國地圖。碳納米球（富勒?。?/p>

--碳的第三種形態(tài)，納米碳材料

TheNobelPrizeinChemistry1996fordiscoveryoffullerenes（C60).

碳原子組成的小單元看起來和足球一樣。碳原子的活性差，導(dǎo)電，非常穩(wěn)定。絕佳的材料和電性能．碳納米管Nanotube

--碳的第三種形態(tài)，納米碳材料

碳原子組成的圓柱體管狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)。長度和直徑之比很高的纖維，韌性極高，兼具金屬性和半導(dǎo)體性，強(qiáng)度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1／6。世界上最小的碳管－單壁碳納米管，直徑僅為0.4nm。納米碳管的應(yīng)用－儲(chǔ)氫氫氣的儲(chǔ)存：氣態(tài)，所占空間太大。液化，壓力太大，費(fèi)用太高。碳納米管儲(chǔ)氫：強(qiáng)吸附氫，儲(chǔ)氫密度相當(dāng)于液體氫，壓力僅有100atm。原理：碳納米管的直徑和氫原子的直徑相似。在這種情況下，氫氣的儲(chǔ)存濃度可以達(dá)到近似液體的水平。納米管存儲(chǔ)器--2005年4月科學(xué)美國人納米管存儲(chǔ)器的優(yōu)點(diǎn)存儲(chǔ)量大低成本和閃存的非揮發(fā)性完美的結(jié)合耗電量低較好地抵抗可能出現(xiàn)的高溫、低溫或磁性損壞納米技術(shù)對信息技術(shù)的影響可以將存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)能力提高1000倍，到那時(shí)巨型計(jì)算機(jī)小到可以放進(jìn)口袋里，國家圖書館的全部資料的信息可以存儲(chǔ)在一塊水果糖大小的存儲(chǔ)器中。以硅為材料的微米級集成電路技術(shù)將走到盡頭，納米材料將成為替代硅和其它半導(dǎo)體材料的最佳候選者。從技術(shù)上講，碳納米管很有可能成為硅的換代品，成為電子產(chǎn)品的主要材料?？茖W(xué)家分別研究了金屬性的碳納米管和半導(dǎo)體性的碳納米管，認(rèn)為金屬性碳納米管可以用作電路中的連接件，而半導(dǎo)體性碳納米管可以用作電路開關(guān)。碳納米管有可能同時(shí)取代硅和銅。計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)器的微型化。石器時(shí)代的紡毛線機(jī)來紡碳納米管纖維

---低技術(shù)靈感給納米管工作帶來進(jìn)展科學(xué)家將可能是來自石器時(shí)代的紡毛線機(jī)變小，用它來紡碳納米管纖維，紡出的納米管纖的強(qiáng)度足以用于制造防彈衣。MeiZhang等用多壁碳納米管，紡出了高強(qiáng)度、柔軟、高導(dǎo)電性的扭卷纖維。和通常的纖維不同，這些纖維的端部被釋放后，它們的股不散開，而且纖維打結(jié)后其強(qiáng)度也不降低。這些纖維也許能取代電子紡織物中的金屬絲，從而提供新的功能，比如啟激人工肌肉，或用于超級纖維電容來儲(chǔ)存能量。2004年11月19日 美國《科學(xué)》周刊306卷納米材料的妙用導(dǎo)體變絕緣體，絕緣體變導(dǎo)體導(dǎo)體－銅等，納米銅（幾個(gè)納米），絕緣體。絕緣體－二氧化硅等，納米二氧化硅，導(dǎo)電。脆性變韌性陶瓷－脆性材料；納米陶瓷－韌性材料，在常溫下能彎曲，不怕摔，堅(jiān)固無比。納米效應(yīng)！！納米技術(shù)在環(huán)境中的應(yīng)用納米孔膜－用于海水淡化、污水處理，提高效率、降低成本。海水淡化成本3元/噸，納米技術(shù)成本降低1倍。納米涂層－自潔玻璃和自潔瓷磚。任何粘在表面上的臟物，包括油污、細(xì)菌，在光的照射下，由于納米材料的催化作用，都可以變成氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)。納米涂料－催化脫除空氣中的有害物質(zhì)，比如一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、三氧化硫等污染物。納米技術(shù)在生活中的應(yīng)用納米纖維－將納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不沾水又防污。納米冰箱－在冰箱中添加納米微粒，可以除味殺菌，聰明的廠家已利用這一技術(shù)生產(chǎn)出可以抗菌的冰箱和洗衣機(jī)。納米陶瓷粉體－作為涂料的添加劑也得到廣泛的應(yīng)用，這些特種涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防塵和耐磨的性能。Nano-engineeredPowdersTackleToxicChemicals

納米粉末處理有毒化學(xué)品April28,2005，TheNationalScienceFoundationComposedofmagnesium（Mg),titanium(Ti)andoxygen,thetoxic-chemicalcleanerknownasFAST-ACTisunremarkableatfirstglance.生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域納米機(jī)器人－納米生物學(xué)中最具誘惑力的新領(lǐng)域。納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，可以進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。納米機(jī)器人納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。納米機(jī)器人可以在人的血管中自由的游動(dòng)，對于象腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。納米醫(yī)藥中藥－有效成分一般都是油性的（溶于油，難溶于水）。如果在水相當(dāng)中納米化，注射到患者血液當(dāng)中，中藥的治療效果就會(huì)大大提高。納米包覆技術(shù)－用特定性質(zhì)的納米界面材料去包覆中藥的有效成分，到了血液環(huán)境里因親和而溶解，釋放出治療成分，這樣治療成分就帶有很強(qiáng)的靶向性，進(jìn)一步提高療效。－靶向藥物或治療技術(shù)。英科學(xué)家織成“納米繩”英國劍橋大學(xué)科學(xué)家阿蘭·溫德爾所領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組最近宣布，他們成功地用納米碳管組成的纖維織成“納米繩”?！凹{米繩”直徑只有10幾個(gè)納米，但其剛度是鋼材的10倍，其硬度是金剛石的2倍?？梢詫⑦@種“納米繩”應(yīng)用到大跨度橋梁的懸索上，甚至有朝一日，可以用這種“納米繩”將位于宇宙空間的一個(gè)發(fā)射平臺(tái)與地面固定起來，形成一個(gè)“人造天梯”。在這個(gè)發(fā)射平臺(tái)上發(fā)射衛(wèi)星可以大大降低發(fā)射成本。隱身衣第2節(jié)其他材料半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料化學(xué)是人類使用新材料的源泉高分子材料?塑料?橡膠?纖維?膠粘劑金屬材料復(fù)合材料硅酸鹽材料?玻璃?水泥材料功能材料形狀記憶合金1952年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到"記憶"效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時(shí)，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。SMA:ShapeMemoryAlloy超導(dǎo)superconductor

外膜蛋白病毒基因反轉(zhuǎn)錄酶高分子材料

物質(zhì)的形態(tài)與分子量和鍵能的關(guān)系平均分子量鍵能形態(tài)塑料纖維合成橡膠高分子的合成均聚：單一單體的加成聚合共聚物：兩種或以上不同的單體進(jìn)行聚合無規(guī)共聚交替共聚接枝共聚高分子的立體結(jié)構(gòu)全同立構(gòu)無規(guī)立構(gòu)間同立構(gòu)線形高分子枝鏈高分子交叉連接高分子高分子的收縮高分子的伸展非晶區(qū)晶區(qū)

塑料（1）酚醛樹脂:苯酚和甲醛共聚物（2）聚烯烴：聚乙烯、PVC、聚苯乙烯（3）有機(jī)玻璃：聚甲基丙烯酸甲酯。（4）ABS塑料：用苯乙烯-丙烯腈共聚物與丁二烯-丙烯腈共聚物共混制得。也可用苯乙烯、丙烯氰、丁二烯共聚制得。（5）含氟塑料：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟丙烯。不粘鍋的表面鍍層就是聚四