納米材料概述

納米材料概述第1頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)、概述第二節(jié)、納米材料的結(jié)構(gòu)與性能第三節(jié)、納米材料的制備方法第四節(jié)、納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用第五節(jié)、發(fā)展與展望第2頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)概述一、納米科技的誕生二、納米技術(shù)與納米材料的概念三、納米材料的分類四、納米科技研究的重要性第3頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月一、納米科技誕生1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼在《在底部還有很大空間》的一次講演中指出，從石器時(shí)代開始，人類所有的技術(shù)革新都與把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)，而從物理學(xué)的規(guī)律來看，不能排除從單個(gè)分子甚至原子出發(fā)而組裝制造物品的可能性。費(fèi)曼憧憬說：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會產(chǎn)生怎樣的奇跡？”他預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。費(fèi)曼——納米科技之父

原子排成的“原子”字樣第4頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米技術(shù)的迅速發(fā)展是在20世紀(jì)80年代末、90年代初。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，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。第5頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)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”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。第6頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月原子構(gòu)成萬物的小小原子，究竟小到什么程度？中國古代有位叫公孫龍的說過：“一尺之棰，日取其半，萬世不竭?！?/p>

如果確實(shí)有這樣的工具，能一直截下去的話，那么，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩八分之一尺；第十天只剩1千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十億分之一尺，這時(shí)木棍已經(jīng)比纖維分子還??；到第三十二天，只剩下四十億分之一尺，相當(dāng)于原子大小了?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，不同的原子，大小也不同。原子的直徑一般是一億分之一厘米。一個(gè)最小的細(xì)菌里面大約可以容納20億個(gè)原子。氫原子的直徑為1埃?；瘜W(xué)家常常自豪地說：“化學(xué)是一門在原子分子水平上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)?！钡钦嬲翱匆姟痹雍头肿訁s是20世紀(jì)80年代后期的事，距離道爾頓提出原子論的時(shí)間差不多有2個(gè)世紀(jì)。原子小于光的波長，單個(gè)原子對光是透明的。光學(xué)顯微鏡怎么改進(jìn)都不可能看到原子。十個(gè)氫原子緊密排列——1nm顆粒——乒乓球——地球第7頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

怎樣看見和操縱原子？

納米世界的眼和手—掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡為我們揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，對納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用。STM是20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。第8頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡是80年代初期發(fā)展起來的新型顯微儀器，能達(dá)到原子級的超高分辨率。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細(xì)微的尺度──即納米尺度（1nm=10-9m）上實(shí)現(xiàn)對物質(zhì)表面精細(xì)加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子。一門新興的學(xué)科──納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。第9頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家G．Binnig和H．Roher發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。

這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠?qū)崟r(shí)地觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎。

第10頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描隧道顯微鏡第11頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月科學(xué)家使用STM觀測物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)第12頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

STM具有空間的高分辨率(橫向可達(dá)0.1nm，縱向可達(dá)0．01nm)，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的針尖(針尖頭部為單個(gè)原子)去接近樣品表面，當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí)(＜1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會通過針尖和樣品構(gòu)成的勢壘而形成隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動，就可把表面的信息；(表面形貌和表面電子態(tài))記錄下來。由于STM具有原子級的空間分辨率和廣泛的適用性，國際上掀起了研制和應(yīng)用STM的熱潮，推動了納米科技的發(fā)展。

第13頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月STM針尖掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖第14頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米算盤C60每10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。硅表面第15頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米皇冠第16頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月StructureofSodiumChlorideImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscope第18頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月AFM彌補(bǔ)STM的局限

有人發(fā)現(xiàn)利用探針針尖與表面之間的各種相互作用，可以用來分析高分辨率成像。1986年賓尼戈等人發(fā)明了利用激光檢測針尖與表面相互作用進(jìn)行表面成像的分析儀器。該儀器稱為原子力顯微鏡（ATM）。STM與ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱之為掃描探針顯微鏡（SPM）的兩大主體技術(shù)。AFM又彌補(bǔ)了STM的局限，使被測試樣擴(kuò)大到非導(dǎo)電領(lǐng)域。

第19頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月原子力顯微鏡（atomicforcemicroscope簡稱AFM)：

利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來作為反饋信號，維持針尖——樣品間作用力恒定，同時(shí)針尖在樣品表面掃描，從而得知樣品表面的高低起伏。原子間作用力的檢測主要由光杠桿技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會彎曲。為檢測懸臂的微小彎曲量（位移），采用激光照射懸臂的尖端，四象限探測器就可檢測出懸臂的偏轉(zhuǎn)。通過電子學(xué)反饋系統(tǒng)使彎曲量保持一定，即控制掃描管Z軸使作用于針尖——樣品間的力保持一定。在掃描的同時(shí)，通過記錄反饋信號就可以得到樣品表面的形貌。第20頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月目前除了隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）以外，還有近場光學(xué)顯微鏡（NSOM）、側(cè)面力顯微鏡（IFM）、磁力顯微鏡（MFM）、極化力顯微鏡（SPFM）……已有二十多個(gè)品種。但大量還處在實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品研發(fā)階段。由于它們都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像，因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM）。第21頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月二、納米技術(shù)與納米材料的概念過去，人們只注意原子、分子或者宏觀物質(zhì)，常常忽略納米這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域大量存在于自然界，只是以前沒有認(rèn)識到這個(gè)尺度范圍的性能。第22頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

納米材料其實(shí)并不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的。人工制備納米材料的實(shí)踐也已有1000年的歷史，中國古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國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）。二、納米技術(shù)與納米材料的概念納米就在我們身邊第23頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米（nm）實(shí)際上是一種長度單位，1納米僅等于十億分之一米，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個(gè)納米。納米小得可愛，卻威力無比，它可以對材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，并發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性。科學(xué)家們說，納米這個(gè)“小東西”將給人類生活帶來的震憾，會比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)更深刻、更廣泛、更持久。1m=1000mm1mm=1000μm1μm=1000nm第24頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月空間尺度的劃分

宇觀(Cosmoscopic)遙觀(Remotesensoscopic)宏觀(Macroscopic)顯微觀(Optico-microscopic)介觀(Mesoscopic)或納米觀(Nanoscopic):1~100nm微觀(Microscopic)皮米觀(Picosopic)飛米觀(Fentoscopic)亞飛米觀(Subfentoscopic第25頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月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1--100nm尺度內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。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。注意——單純的某一納米材料若沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，還不能稱為納米技術(shù)。如香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末，雖然它們也能夠達(dá)到一百個(gè)納米以內(nèi)的尺度，但是，因?yàn)樗鼈儧]有特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能表現(xiàn),所以這些材料還不能稱為納米技術(shù)。

第26頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2.納米材料納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成,一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。納米材料可分為兩個(gè)層次：納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子是指粒子尺寸為1-100nm的超微粒子，納米固體是指由納米超微粒子制成的固體材料。而人們習(xí)慣于把組成或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100納米以下的長度尺寸稱為納米材料。

第27頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月三、納米材料的分類1.按結(jié)構(gòu)：零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料，如納米粒子、原子團(tuán)簇等一維納米材料：有兩維處于納米尺度的材料，如納米線納米管二維納米材料：在三維空間有一維在納米尺度的材料，如超薄膜三維納米材料（納米固體材料）：指由尺寸小于15nm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性固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個(gè)晶界，從而使得納米材料具有高韌性。第28頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月掃描隧道顯微鏡下的納米團(tuán)簇第29頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米顆粒型材料也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。第30頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月用途：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。第31頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月奇妙的碳納米管1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管。這是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，長度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。這樣的材料很輕，但很結(jié)實(shí)。它的密度是鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。如果用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。

第32頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。第33頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

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100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。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。

第34頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達(dá)第35頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月

然而，碳納米管作為一種新型材料被發(fā)現(xiàn)至今已有十余年，卻尚未得到工業(yè)應(yīng)用。超高的成本使國際市場90％高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)1000－2000美元／克，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元／克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格。

我國清華—南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心，一直致力于碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān)，是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地。

第36頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月多孔納米線第37頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米膜材料納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。第38頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米固體材料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。Fe-B納米棒第39頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第40頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料分類2.按組成可分為：金屬納米材料半導(dǎo)體納米材料有機(jī)和高分子納米材料復(fù)合納米材料：無機(jī)粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料，無機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu)第41頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料分類3.按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料第42頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料分類4.按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)藥材料納米敏感材料納米儲能材料第43頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料分類5.按化學(xué)組分可分為：納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子納米復(fù)合材料第44頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月四、納米科技研究的重要性

納米科技與基因工程和智能科技一起被稱為“21世紀(jì)高科技三劍客”，在21世紀(jì)初正式登上世界經(jīng)濟(jì)舞臺.納米科技的興起,孕育了一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)模式------納米經(jīng)濟(jì)的誕生.錢學(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?！钡?5頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米科技研究的重要性2004年1月12日，由中國科學(xué)院主辦的528名院士投票評選出來的2003世界十大科技新聞揭曉。其中，排名第一的新聞就是科學(xué)家研制出世界最小的納米電動機(jī)。二十一世紀(jì)納米技術(shù)將推動信息、醫(yī)學(xué)、自動化及能源科學(xué)的迅速發(fā)展，在未來的二十至三十年內(nèi)，納米技術(shù)將在三個(gè)方面對人類社會產(chǎn)生深刻的影響：一、社會生產(chǎn)途徑；二、人類生活方式；三、人們思維模式。第46頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月所以，納米技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類社會在發(fā)展進(jìn)程中正邁向一個(gè)新的臺階。

第47頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月傳統(tǒng)化學(xué)的研究對象通常包含著天文數(shù)字的原子或分子，例如，1克水包含了約3.346*1022個(gè)水分子；因此通常所測得的體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)都是大量粒子的平均行為。實(shí)際上，熱力學(xué)規(guī)律成立的前提條件就是由大量粒子組成的體系；那么，當(dāng)研究對象變成納米尺度的物質(zhì)，納米尺度的微觀世界，變成一個(gè)原子或一個(gè)分子時(shí)，是否還會遵循我們從課本上學(xué)到的傳統(tǒng)理論和規(guī)律呢？第二節(jié)、納米材料的特性

納米尺度的物質(zhì)與宏觀物質(zhì)一樣嗎？第48頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、納米材料的特性水可能是我們最熟悉的東西，我們每天都離不開水，我們知道油水是不相溶的，無論宏觀尺度上的水和微觀尺度上的水都是和油不相溶的，你沒有辦法把它混在一起。但是如果到了納米尺度上，也就是說在這個(gè)微觀世界里，它就能夠溶，并且溶得非常好，成為熱力學(xué)的穩(wěn)定相。不管它溫度變化也好，振動也好，里頭加一點(diǎn)化學(xué)原料也好，它都能夠是穩(wěn)定的。第49頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)、納米材料的特性從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，納米級這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會有顯著的不同。第50頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的特性1.表面效應(yīng)

2.小尺寸效應(yīng)

3.量子尺寸效應(yīng)

4.宏觀量子隧道效應(yīng)第51頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月1.表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同,存在許多懸空鍵,并具有不飽和性,因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定,所以,具有很高的化學(xué)活性.利用這一特性可制得具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。第52頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系直徑/nm1510100原子總數(shù)N30400030000300000表面原子百分比9940202第53頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月表面效應(yīng)第54頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米顆粒的表面效應(yīng)—活性超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。如要防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。第55頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2.小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

第56頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月小尺寸效應(yīng)

特殊的光學(xué)性質(zhì)—顏色特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時(shí)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑變成鉑黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。也有可能?yīng)用于紅外敏感原件、紅外隱身技術(shù)等。第57頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月小尺寸效應(yīng)

超微納米顆粒的不穩(wěn)定性超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑2nm）進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體、二十面體等），它既不同于一般固體，有不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了沸騰狀態(tài)，尺寸大于10nm后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。第58頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月小尺寸效應(yīng)

納米微粒的熔點(diǎn)降低納米微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)粉體低得多。由于顆粒小，納米微粒的表面能高，表面原子數(shù)多，這些原子近鄰配位不全，納米微粒間是一種非共價(jià)相互作用，活性大，納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒的熔點(diǎn)急劇下降。例如，大塊鉛的熔點(diǎn)為00K，而20nm球形鉛的熔點(diǎn)低于288K，金的熔點(diǎn)通常是１０００多攝氏度，而晶粒尺度為３納米的金微粒，其熔點(diǎn)僅為普通金的一半

第59頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月3.量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸展庾V向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。對于宏觀物體包含無限個(gè)原子，N→∞，于是δ→0，即宏觀物體的能級間距幾乎為零；而納米微粒包含的原子數(shù)有限，N值很小，能級間距將發(fā)生分裂，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性不同，從而產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。例如，溫度為1K時(shí)，直徑小于14nm的銀納米顆粒會變成絕緣體。第60頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月4.宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。第61頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月經(jīng)典理論和量子理論的差別第62頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)納米材料的制備技術(shù)為了研究納米科學(xué)和應(yīng)用納米科學(xué)的研究成果，首先要能按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。納米材料的制備科學(xué)在當(dāng)前的納米技術(shù)研究中占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。人們一般將納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。第63頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料的制備技術(shù)實(shí)際上，一方面納米加工技術(shù)是納米科學(xué)的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中包含了許多人們尚未認(rèn)識清楚的納米科學(xué)問題。比如說，一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動時(shí)的摩擦力主要來源于物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力就越小。在納米世界里，材料表面很小，相互之間距離很近，以至于使兩塊材料表面上的原子會發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對相互運(yùn)動的阻力。因此，在納米世界內(nèi)，所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮。第64頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月一、物理方法1真空冷凝法

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。2物理粉碎法

通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。3機(jī)械球磨法

采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。第65頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月二、化學(xué)方法1.化學(xué)沉淀法

共沉淀法

均勻沉淀法

多元醇沉淀法

沉淀轉(zhuǎn)化法2.化學(xué)還原法水溶液還原法多元醇還原法氣相還原法碳熱還原法3.溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠，再制成凝膠，經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子。

溶膠－凝膠法可以大大降低合成溫度。用無機(jī)鹽作原料，價(jià)格相對便宜。

第66頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月4.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。

第67頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月5.溶劑熱合成法

用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì)，采用類似水熱合成的原理制備納米微粉。非水溶劑代替水，不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。苯由于其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑，最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù)，溶劑加壓熱合成技術(shù)可以在相對低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。第68頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月6.微乳液法

微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油類(通常為碳?xì)浠衔?組成的透明的、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液中，微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒，其大小在幾至幾十個(gè)納米間，這些微小的“水池”彼此分離，就是“微反應(yīng)器”。它擁有很大的界面，有利于化學(xué)反應(yīng)。這顯然是制備納米材料的又一有效技術(shù)。與其它化學(xué)法相比，微乳法制備的粒子不易聚結(jié)，大小可控，分散性好。運(yùn)用微乳法制備的納米微粒主要有以下幾類：(1)金屬，如Pt，Pd，Rh，Ir[84]Au,Ag,Cu等；(2)硫化物CdS，PbS，CuS等；(3)Ni,Co,Fe等與B的化合物[；(4)氯化物AgCl，AuCl3等；(5)堿土金屬碳酸鹽，如CaCO3，BaCO3，SrCO3；(6)氧化物Eu2O3，F(xiàn)e2O3，Bi2O3及氫氧化物Al(OH3)等。第69頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月微乳液法制備Fe2O3示意圖第70頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月7.模板合成法

利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙作為模板進(jìn)行合成。結(jié)構(gòu)基質(zhì)為多孔玻璃、分子篩、大孔離子交換樹脂等。例如將納米微粒置于分子篩的籠中，可以得到尺寸均勻，在空間具有周期性構(gòu)型的納米材料。Herron等將Na-Y型沸石與Cd(NO3)溶液混合，離子交換后形成Cd-Y型沸石，經(jīng)干燥后與N2S氣體反應(yīng)，在分子篩八面體沸石籠中生成CdS超微粒子。南京大學(xué)采用氣體輸運(yùn)將C60引入13X分子篩與水滑石分子層間，并可以將Ni置換到Y(jié)型沸石中去，觀察到C60Y光致光譜由于Ni的摻入而產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象。第71頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月9.電解法

此法包括水溶液電解和熔鹽電解兩種。用此法可制得很多用通常方法不能制備或難以制備的金屬超微粉，尤其是負(fù)電性很大的金屬粉末。還可制備氧化物超微粉。采用加有機(jī)溶劑于電解液中的滾筒陰極電解法，制備出金屬超微粉。滾筒置于兩液相交界處，跨于兩液相之中。當(dāng)滾筒在水溶液中時(shí)，金屬在其上面析出，而轉(zhuǎn)動到有機(jī)液中時(shí)，金屬析出停止，而且已析出之金屬被有機(jī)溶液涂覆。當(dāng)再轉(zhuǎn)動到水溶液中時(shí)，又有金屬析出，但此次析出之金屬與上次析出之金屬間因有機(jī)膜阻隔而不能聯(lián)結(jié)在一起，僅以超微粉體形式析出。用這種方法得到的粉末純度高，粒徑細(xì)，而且成本低，適于擴(kuò)大和工業(yè)生產(chǎn)。第72頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們在磁、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。第73頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月一、陶瓷增韌陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。納米陶瓷第74頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月二、磁性材料方面的應(yīng)用

１．巨磁電阻材料

2．新型的磁性液體和磁記錄材料第75頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月三、納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。第76頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月1．金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上，例如納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團(tuán)，致使雙鍵很難打開，若加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開雙鍵變得容易，使氫化反應(yīng)順利進(jìn)行。第77頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2．半導(dǎo)體納米粒子的光催化

半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的重視，原因在于這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。第78頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利用太陽光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國、日本利用這種方法對海上石油泄露造成的污染進(jìn)行處理。采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。第79頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月3．納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化

金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。提高熱燃燒效率:將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。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.第80頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月四、納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用

納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。下面簡要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。第81頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月1．紅外反射材料高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69％轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力。第82頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2.隱身材料

由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長，因此納米微粒材料對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，使得紅外探測器和雷達(dá)接收到的反射信號變得很微弱，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，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達(dá)得到的反射信號強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。某些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(dá)波的吸收率達(dá)99%。第83頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月美國F117隱形轟炸機(jī)機(jī)第84頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月美國B2隱形轟炸機(jī)第85頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月3、

用于制造微型武器利用納米技術(shù)可以把傳感器、電動機(jī)和數(shù)字智能裝備集中在一塊芯片上，制造出幾厘米甚至更小的微型裝置。在未來戰(zhàn)場上，將出現(xiàn)能像士兵那樣執(zhí)行軍事任務(wù)的超微型智能武器裝備。據(jù)報(bào)道，美國研制的小型智能機(jī)器人，大的像鞋盒子那么大，小的如硬幣，它們會爬行、跳躍甚至可飛過雷區(qū)、穿過沙漠或海灘，為部隊(duì)或數(shù)千公里外的總部收集信息。微型機(jī)電武器還可用于敵我識別、探測核污染和化學(xué)毒劑、無人偵察機(jī)等。第86頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月4、用于制造微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星由于納米技術(shù)、微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些國家發(fā)射的衛(wèi)星正向小型化方向發(fā)展。1993年，美國航空航天公司就提出了納米衛(wèi)星(重約0.1—10千克)的概念。1999年，英國、美國、瑞典各發(fā)射了一顆納米衛(wèi)星。專用微型集成電路取代現(xiàn)在衛(wèi)星上使用的有關(guān)系統(tǒng)，使微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星體積小、重量輕；生存能力強(qiáng)，即使遭受攻擊也不會喪失全部功能；研制費(fèi)用低，不需大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施和跨度大的廠房；易發(fā)射，不需大型運(yùn)載工具發(fā)射，一枚小型運(yùn)載火箭即可發(fā)射千百顆，再按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對地球表面的覆蓋。第87頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月五、納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的作用

隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會迅速來臨，拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。第88頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月1．納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01％。因而，在燃煤中可加入納米級助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級催化劑用于汽車尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無需進(jìn)行尾氣凈化處理。第89頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2．納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用

污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來，變害為寶。一種新型的納米級凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的10~20倍。第90頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月3．納米TiO2與環(huán)境保護(hù)

由于納米TiO2除了具有納米材料的特點(diǎn)外，還具有光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。第91頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）降解空氣中的有害有機(jī)物對室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結(jié)果表明，光催化劑可以很好地降解這些物質(zhì)，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100％。其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣質(zhì)量。（2）降解有機(jī)磷農(nóng)藥有機(jī)磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來的農(nóng)藥品種，占我國農(nóng)藥產(chǎn)量的80％，它的生產(chǎn)和使用會造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來催化降解可以得到根本解決。第92頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機(jī)物完全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用前景。（4）解決石油污染問題在石油開采運(yùn)輸和使用過程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力。第93頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（6）高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。第94頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月（7）自潔作用納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。我國新近研制成功一種具備自動清潔功能，可以自動消除異味、殺菌消毒的“納米自潔凈玻璃”。“納米自潔凈玻璃”是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。第95頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月被稱之為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念，利用納米技術(shù)解決污染問題將成為未來環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢。第96頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月六、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用

眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動過程中以可預(yù)測方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。第97頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子計(jì)算機(jī)組件。科學(xué)家們認(rèn)為：要想提高集成度，制造微型計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于尋找具有開關(guān)功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲器。此外，他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲裝置。第98頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米計(jì)算機(jī)的問世，將會使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。第99頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機(jī)械就容易多了?？茖W(xué)家用DNA（脫氧核糖核酸）制造出了一種納米級的鑷子。利用DNA基本元件堿基的配對機(jī)制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復(fù)開合。第100頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月七、納米科技在其他方面的應(yīng)用1.醫(yī)學(xué)使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機(jī)制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。第101頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米機(jī)器人

采用納米大分子：“生物部件”與小分子無機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機(jī)器人，將會給人類醫(yī)學(xué)科技帶來深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決。第102頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月這些分子機(jī)器人以光感應(yīng)器作開關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得能量，并按編制好的程序探體內(nèi)物體，以醫(yī)師預(yù)先編制的程序進(jìn)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，吞噬病毒和組織破碎細(xì)胞，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等。納米機(jī)器人還可以用來進(jìn)行人體器官修復(fù)工作，如修復(fù)損壞的器官和組織，做整容手術(shù)，進(jìn)行基因裝配工作，從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體恢復(fù)正常功能。第103頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月在血管中運(yùn)動的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來清除血管中的沉積物第104頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月檢查體內(nèi)疾病重慶科研人員開發(fā)的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”估計(jì)三年內(nèi)可以上市。該醫(yī)生長得像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然第105頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月2.家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

3.電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)

可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

第106頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月4.紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

5.機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

第107頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米齒輪第108頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月6、納米科學(xué)技術(shù)

在精細(xì)化工方面的應(yīng)用

第109頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月一、粘合劑和密封膠

國外已將納米材料如納米SiO2作為添加劑加入到粘合劑和密封膠中，使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性都大大提高。其作用機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料，使之具有親水性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu)，即納米SiO2形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)掏膠體流動，固體速度加快，提高粘接效果，由于顆粒尺寸小，更增加了膠的密封性。

第110頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月二、涂料在各類涂料中添加納米SiO2可使其抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地提高，涂料的質(zhì)量和檔次自然升級。因納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料（即抗老化），加之其極微小顆粒的比表面積大，能在涂料干燥時(shí)很快形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加涂料的強(qiáng)度和光潔度。第111頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月三、各種助劑橡膠

納米Al2O3粒子加入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性。納米SiO2可以作為抗紫外輻射、紅外反射、高介電絕緣橡膠的填料。添加納米SiO2的橡膠，彈性、耐磨性都會明顯優(yōu)于常規(guī)的白炭黑作填料的橡膠。

第112頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月塑料

納米SiO2對塑料不僅起補(bǔ)強(qiáng)作用，而且具有許多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料變得更致密，可使塑料薄膜的透明度、強(qiáng)度和韌性、防水性能大大提高。在有機(jī)玻璃生產(chǎn)時(shí)加入納米SiO2可使有機(jī)玻璃抗紫外線輻射而達(dá)到抗老化的目的；在有機(jī)玻璃中添加納米Al2O3既不影響透明度又提高了高溫沖擊韌性。第113頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月四、化妝品納米微粒與樹脂結(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。第114頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月第五節(jié)、現(xiàn)狀與展望納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代，納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問題。第115頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米材料是近幾年來最受關(guān)注的新材料之一，其重要意義越來越為人所認(rèn)識。已有人預(yù)言“本世紀(jì)五十年代重視微米技術(shù)的國家，現(xiàn)在都取得了很大的發(fā)展，同樣，現(xiàn)在重視納米科技的國家，將在二十一世紀(jì)獲得高速發(fā)展?！盜BM的首席科學(xué)家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心?！钡?16頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應(yīng)用。第117頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米技術(shù)在各國發(fā)展情況納米技術(shù)在美國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“國家納米技術(shù)倡議”(NNI):軍工:隱形飛機(jī)表面涂料、艦船表面納米涂料美國總統(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)第118頁，課件共131頁，創(chuàng)作于2023年2月納米技術(shù)在各國發(fā)展情況納米技術(shù)在日本1962年,久保(Kubo):久保理論(