纳米材料技术概述new0.ppt

纳米材料与生物技术NanomaterialsandBiotechnology 本课程除了讲述纳米科技的一些基础知识以外 主要介绍了纳米材料在生物检测中的应用 磁性纳米材料及其在生物医学中的应用 纳米药物控释系统 纳米药物与制剂 纳米材料在生物技术中的应用前景展望等内容 安排上述内容的教学就是为使学生了解掌握纳米材料技术的基本原理和常识以及纳米材料在生物医学领域的应用 第一章纳米材料技术概述 纳米材料指的是晶粒尺寸为1 100纳米的超细材料 已成为世界各国研究和发展的热点和重点 第一节 纳米材料技术的发展历史1 1纳米材料技术的发展的历程1 2纳米材料技术研究方法的转变1 3纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况第二节 纳米材料与结构的奇异特性2 1尺寸效应 i 特殊的光学性质 ii 特殊的热学性质 iii 特殊的磁学性质 iv 特殊的力学性质 v 特殊的电学性质 2 2表面与界面效应2 3宏观量子隧道效应2 4胶体分散体系 i 胶体和胶体的基本特性 ii 溶胶的动力性质 iii 溶胶的光学性质第三节 纳米科技发展的特点及社会影响第四节 纳米科学技术发展趋向第五节 生物学应用 第一节 纳米材料技术的发展历史1 1纳米材料技术的发展的历程 1 孕育萌生阶段1860年 胶体化学诞生 2 探索研究阶段1984年 6nmFe粒子成功合成 3 应用开发阶段1993年以来 蓬勃发展 1 2纳米材料技术研究方法的转变 1 由上而下的方法 topdown 2 由下而上的方法 bottomup 1 3纳米科技在20世纪末和21世纪初的发展概况100nm芯片 磁性纳米棒 分子电动机 纳米机器人 第二节 纳米材料与结构的奇异特性2 1尺寸效应随着颗粒尺寸的变小 在一定条件下会引起颗粒性质的变化 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为尺寸效应 对纳米颗粒而言 尺寸变小的同时 其比表面积亦显著增加 表面原子的电子能级离散 能隙变宽 晶格改变 表面原子密度减小 从而产生一系列新奇的性质 尺寸相当于或小于光波波长 传导电子的德布罗意波长 超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸时 周期性的边界条件将被破坏 声 光 电 磁 热力学等特性即呈现新的小尺寸效应或量子尺寸效应 i 特殊的光学性质 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色 纳米材料可以作为高效率的光热 光电等转换材料 可以高效率地将太阳能转变为热能 电能 ii 特殊的热学性质 大尺寸固态物质的熔点是固定的 在其被超细化后熔点将显著降低 当颗粒小于10纳米是尤为显著 金 m p 1064 1037 10nm 327 2nm 银 m p 670 100 通过少量掺杂 可大大降低烧结温度 iii 特殊的磁学性质 磁性纳米粒子具有高矫玩力和或超顺磁性的特性 鸽子 海豚 蝴蝶 蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒 趋磁细菌内通常含有约20纳米的Fe3O4粒子 从而使这类生物在地磁场导航下能辨别方向 并具有回归的本领 iv 特殊的力学性质 纳米粒子由于细化后晶界数量大大增加 可使纳米材料的强度 韧性和超塑性大为提高 对机械应力的反应完全不同 从而显示出优于同类大块材料的力学性能 v 特殊的电学性质 久保理论 针对金属纳米粒子费米面附件电子能级状态分布而提出的 认为相邻电子能级间距和金属粒子的直径有关 随着粒径减小 能级间隔增大 电子移动困难 电阻率增大 从而使能级变宽 金属导体将因此变成绝缘体 由于表面原子数增加 表面原子配位数不足和高的表面能 使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来 从而具有很高的化学活性 实际应用中 常需对其表面进行修饰或包覆 2 2表面与界面效应Table1 1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 2 3宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应 一些宏观物理量 如微观粒子的磁化强度 量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应 称为宏观的量子隧道效应 量子尺寸效应 隧道效应是未来微电子器件的基础 确立了现有微电子器件进一步微型化的极限 必须考虑量子效应 2 4胶体分散体系 i 胶体和胶体的基本特性分散体系 把一种或几种物质 分散相 分散在另一种物质 分散介质 中形成的体系 胶体分散体系 分散相大小在10 9 10 7m之间 液溶胶 分散介质为液体的胶体分散体系 固溶胶 气溶胶 1861年 Graham提出了 胶体 的概念 基本特性 特有的分散程度 不均匀 多相 性 聚结不稳定性 例 碘化银胶团构造示意图 KI为稳定剂 胶团 AgI mnI n x K x xK 胶粒 AgI mnI n x K x 胶核 AgI m ii 溶胶的动力性质动力性质主要是指溶胶中粒子的不规则运动以及由此产生的扩散 渗透压以及在重力场下浓度随高度的分布平衡等性质 布朗 Brown 运动 扩散和渗透压 沉降和沉降平衡 iii 溶胶的光学性质丁铎尔 Tyndall 效应当光线射入分散体系时可能发生两种情况 1 分散相的粒子大于入射光的波长时 则发生光的反射或折射现象 2 分散相的粒子小于入射光的波长时 则发生光的散射现象 此时光波绕过粒子而向各个方向散射出去 散射出来的光称为乳光或散射光 第三节 纳米科技发展的特点及社会影响特点 领域广泛 难以垄断 领先发展纳米材料和结构 多学科合作和交叉 基础性和战略性 投资的优选性 选择优势 避免风险 社会影响 纳米技术对科学 技术和社会发展将起重大作用 将使未来10 20年工业生产 健康保健和环境管理产生明显变化 影响经济发展 改变人类生存 社会和环境状况 第四节 纳米科学技术发展趋向研究与开发材料在纳米尺度下电子和原子的交互作用 在不改变化学成分下对化 电容量 催化性能的控制 纳米尺度的生物系统 化学用催化剂 吸收剂 输电及向人体输入药物的纳米材料 高强度复合材料 高效能的能源材料等 重点是在纳米尺度下材料的物理 化学性质改进 控制与应用 是开发应用的关键 第五节 生物学应用5 1纳米材料在生物检测中的应用生物标记技术 免疫金纳米粒子细胞染色 金属纳米晶在核酸检测中的应用 荧光量子电标记物5 2磁性纳米材料及其在生物医学中的应用磁性纳米材料的制备 磁性纳米粒子的表面修饰 磁性纳米粒子在生物分离中的应用 磁性纳米粒子在临床诊断和治疗中的应用5 3