纳米材料.ppt

纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它 们作为基本单元构成的材料，这大约 相当于10100个原子紧密排列在一起 的尺度 纳米材料的发现 纳米材料的用途 制备方法 国内的研究情况及取得的成果简 介 纳米材料的发现 组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“ 大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发 现者德国物理学家格莱特（grant）的科学思路。 那是1980年的一天，格莱特到澳大利亚旅游，当 他独自驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，空旷、寂 寞和孤独的环境反而使他的思维特别活跃和敏锐 。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒 大小对材料的性能有很大的影响，晶粒越小，强 度就越高。 格莱特上面的设想只是材料的一般规律，他的想法一步一步地深 入，如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小，材料会 是个什么样子呢？或许会发生“翻天覆地”的变化吧！ 格莱特带着这些想法回国后，立即开始试验，经过将近4年的努 力，终于在1984年制得了只有几个纳米大小的超细粉末，包括各 种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。 格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现 象。众所周知，金属具有各种不同的颜色，如金子是金 黄色的，银子是银白色的，铁是灰黑色的。至于金属以 外的材料，例如无机化合物和有机化合物，它们也可以 带着不同的色彩，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各 种有机化合物组成的染料更是鲜艳无比。 可是，一旦所有这些材料都被制成超细粉末时，它们的颜色便一律 都是黑色的，瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色 黑色。正像格莱特想像的那样，“小不点”与“大个子”相比，性 能上发生了“翻天覆地“的变化。 为什么无论什么材料，一旦制成纳米“小不点”，就都成了黑色的呢 ？原来，当材料的颗粒尺寸变到小于光波的波长（110-7 m左右） 时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1，既然超细 粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料便都是黑色的了。 “小不点”性质上的变化确实是令人难以置信的。著名的美国阿贡国 家实验室制备出了一种纳米金属，居然使金属从导电体变成了绝缘 体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了 。 格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念。因此， 纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。 纳米材料的用途 纳米材料的用途很广，主要用途有： 医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并 在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有 特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输 更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可 主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的 新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质 和dna诊断出各种疾病。 家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌 、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰 霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量 为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机 在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。 环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够 探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤 ，从而消除污染。 纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米sio2、纳米zno、纳米sio2 复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外 线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国 防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。 机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳 米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。 为推进我国功能纳米材料的产业化进程，中国商品交易中心和 中国科学院化学研究所共同组建了北京中商世纪纳米技术有限公司 ，该公司将以中国科学院化学研究所功能纳米界面材料研究组为技 术依托，致力于功能纳米界面材料技术与开发与推广。 制备方法 1.1 真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形 成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒 度可控，但技术设备要求高。 1.2 物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其 特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀 。 1.3 机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或 复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品 纯度低，颗粒分布不均匀。 2 化学方法 2.1 气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯 度高，粒度分布窄。 2.2 沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料 。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。 2.3水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理 得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 2.4溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生 成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适 于氧化物和族化合物的制备。 2.5微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡 中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分 散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备。 国内的研究情况及取得的成果 在纳米材料研究方面很多国家都投入了大 量的人力物力，在国内，许多科研院所、 高等院校也组织科研力量，开展纳米技术 的研究工作，并取得了一定的研究成果， 主要如下： 定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学院物理研究所解思深研究员 等完成。他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米，长度约 100微米的碳纳米管。并由此制备出纳米管阵列，其面积达3毫米3 毫米，碳纳米管之间间距为100微米。 氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。他们首 次利用碳纳米管制备出直径340纳米、长度达微米量级的半导体氮 化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦 福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列 的自组织生长。 准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研 究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合纳米液 滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体sio2纳米电 缆。 用催化热解法制成纳米金刚石，由中国科学技术大学的钱逸泰 等完成。他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备出了金 刚石纳米粉。 但是，同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距 。德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测： 他们认为到2000年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元，纳 米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457 亿美元，纳米加工技术市场容量将达到44