纳米材料技术及其应用

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1、纳米材料技术及其应用TheSmallWorld主讲教师：李科敏2012年5月27日本讲座的主要方面内容：（1）纳米碳管、纳米生物材料、纳米器件的性能。（2）纳米材料技术在电子信息领域中的应用。（3）纳米材料技术在航空航天领域中的应用。（4）纳米材料技术在生物医学领域中的应用。一、几个有关的概念1、纳米（nm）：它是长度单位，1纳米=米。一根头发的直径一般为7000-8000纳米。2、纳米材料：尺度在0.1—100纳米这个范围，具有不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达

2、到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。3、纳米技术常有三种不同的概念：　　（1）分子纳米技术：直接操作原子或分子，制造出需要的分子结构，再组合成分子机器。　　（2）纳米加工技术：把纳米技术定位为微加工技术的极限。（3）纳米生物技术：包括纳米生物学和纳米药物学方面的技术，DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发也是重要内容。二、纳米材料技术的主要内容（四个主要方面）：1、纳米材料：尺度大约在0.1—100纳米且有特殊性能的材料，有天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米催化材料等。2、纳米动力学：主要是

3、制造微机械和微电机，用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等，其特点是部件很小。从理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。3、纳米生物学和纳米药物学：如可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞或生物医药，注入人体内后可以用于定向杀死癌细胞等有害人类健康的细胞或病毒。4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等，满足当前电子器件和系统“更小、更快、更冷”的趋势要求；更快是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。三、纳米

4、材料技术与人们日常生活的关系：　纳米材料技术目前已成功用于电子信息、航空航天、生物医学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等许多领域，正在极大地改变人们的日常生活：1、衣：如在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。也可以自动清洁；化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。2、食：如利用纳米材料制作的冰箱可以抗菌；用纳米材料可以做成无菌餐具、无菌食品包装；利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准；纳米食品色香味俱全，还有益健康。3、住：如运用纳米技术可使墙面涂料的耐洗刷性提高10倍；玻

5、璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗；含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。4、行：如纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标；纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。5、医：如用纳米技术制成的微型药物输送器，可在体外电磁信号的引导下准确地把药物到达病变部位进行有效治疗；用纳米材料制造成的微型机器人，能疏通脑血管的血栓；清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。四、纳米材料的基本性质1、小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级

6、时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生显著地变化。例如，由于比表面积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力；光吸收显著增强；纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K，而2nm的金微粒的熔点只有600K。“小尺寸效应”举例⑴特殊的光学性质：所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，黄金（Au）变成黑金，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。⑵特殊的电学性质：介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料

7、有和很大的不同。⑶特殊的磁性：小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步见效其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。“小尺寸效应”举例⑷特殊的热学性质：当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。⑸特殊的力学性质：如纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，

8、这是因为纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一