第五章-纳米材料应用

,一、化工催化领域的应用,铂,铑,银,钯,Ni,Fe,Co,Ag,Fe2O3,TiO2,ZnO等纳米粒子,聚合氢化反应催化剂,炸药助燃剂,火箭助推剂,工业废水处理光催化剂,静电屏蔽材料,防紫外线化妆品,食品保鲜剂,润滑剂,回目录页,表面原子输送和构型发生变化，使粒子产生较高催化活性,无庸置疑随着纳米微粒粒径的减小，表面积逐渐增大，吸附能力和催化性能也随之增强。些独特效应使纳米催化剂不仅可以控制反应速度，大大提高反应效率，甚至可以使原来不能进行的反应进行。,附着Pt（黑点）的碳纳米催化剂,二、能源领域应用石油、煤等不可再生资源,纳米技术有望为太阳能发展找到突破口,研究背景,传统化石能源,不可再生、环境污染、能源枯竭,可再生能源：,资源丰富、利用方便、洁净无污染,中华人民共和国国家发展和改革委员会中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书,石油,煤,天然气,其他,世界的能源结构,能源结构调整,每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰20202030年,太阳能电池的发展,可收放的大型太阳能电池帆翼,太阳能锅炉,太阳能路灯,太阳能的利用,洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染,资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量全球人类一年的能量需求,使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。,1.无机太阳能电池(81页),半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。,工作原理,样机,三、环保领域解决水污染的问题解决空气污染的问题,夹心式纳米材料过滤材料微观结构图,汽车尾气,含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。,汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。,四、功能性涂料、薄膜1.紫外线吸收涂层（168页）2.特殊视觉涂料3.防静电涂料4.耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层,6%,1.紫外线吸收涂层,纳米TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2、Fe2O3等，都是优良的紫外吸收剂，用在有机涂料中，能明显地提高涂料的抗老化性能。,加强型紫外线防护伞,纳米紫外线防护剂,紫外线防护漆,2.防静电涂料（168页）,空腔导体(无论接地与否)将使腔内空间不受外电场的影响，而接地空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场的影响空腔导体的静电屏蔽原理。,外界不影响内部,接地空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场影响.,空腔导体壳接地与否，外界均对壳内电场无任何影响，,2.防静电涂料,改善静电屏蔽涂料的性能，应用的纳米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO等.,这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。,防静电油漆是一种树脂组合的涂料,适用于移动电话、便携式电脑、DVD、对讲机等电子产品塑料外壳内部，电磁干扰的屏蔽涂料。,塑料和橡胶制品成型剂、补强剂、抗老化剂,光肥助长,塑料和橡胶（149页）,纳米啤酒瓶,五.纳米陶瓷的应用（171页）,日本超塑性纳米科学实验室的纳米陶瓷,所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。,其高温力学性能、抗弯强度、韧性优良，在刀具、轴承、汽车发动机以及超高温、强腐蚀等环境下具有广阔的应用前景。,氮化硅陶瓷拉伸变形,保洁抗菌陶瓷,抗菌保洁陶瓷主要是引进无机抗菌保健剂，以其良好的耐热性、安全性等特点，来实现陶瓷产品保洁杀菌、防污除臭效果。,生物陶瓷（195页）,(1).惰性生物材料氧化铝陶瓷,单晶氧化铝螺钉,多晶氧化铝牙种植体,视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝三种；,根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，把它们可以分为三类：,(2).生物活性陶瓷,包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料；羟基磷灰石简称HA，因为HA占人体骨组成的70%80%，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果；,长骨的结构,生物活性陶瓷,珊瑚骨修复材料,(3).可吸收生物陶瓷,可吸收生物陶瓷植入人体后材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之；生物降解可吸收生物陶瓷在生物医学上的主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周的空洞，还可作为药物的载体；最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽而造成塌陷；目前广泛使用的生物降解陶瓷材料为-磷酸三钙，依据材料物理化学原理，控制-磷酸三钙的万分组成和微观结构，可以制备出不同降解速度的可吸收生物陶瓷材料。,人工骨修复兔桡骨缺损4周时（左）和12周时（右）的X光照片,人工骨外观,微观照片,东南大学材料学院最新科技成果,微电子纳米电子器件、纳米线、纳米传感器,在这张概念图中，纳米发电机（前方）从周围环境中吸取能量，为血糖或血压传感器提供动力。,六.微电子领域的应用（217页）,单电子晶体管,纳米线阵列示意图,分子晶体管结构图,七、机械领域应用纳米结构单元和纳米机械,车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。,分子自组装,纳米齿轮,纳米机械产品用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型车床,可望钻进核电站管道系统检查裂缝;只有蜜蜂大小且能升空的直升机;眼睛几乎看不见的发动机;提供化工使用的火柴盒大小的反应器。,纳米算盘,Rice大学的专家研发出了一辆Nanocar，四纳米长三纳米宽，啊？没错吧？是的，你没看错，,纳米管轴承,分子剪刀,可见光照射打开剪刀紫外线照射关闭剪刀,生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。,八、纳米在生物中的应用（252页）,纳米机器人在疏通血管,纳米机器人机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。,纳米在生物中的应用,Tuan和其同事研制的纳米探针，探测单个活细胞的纳米传感器,当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA的损伤。,直径50纳米，外面包银的光纤，尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体,微小探针技术,KasiliPM,Vo-DinhT.JNanosciNanotechnol.5,12(2005):2057-62,纳米技术在肿瘤早期诊断中的应用,纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。,治疗糖尿病药科学家正在为糖尿病人研制超小型的模仿健康人体内的葡萄糖水平监控系统，它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。,返回,纳米止血绷带,有的人鼻孔流血将长达数小时，但是目前一种纳米绷带可向鼻孔灌输铝矽酸盐纳米微粒，能够立即止住鼻孔流血。,纳米中药,纳米载药微粒,尺度：直径10500nm的固态胶体粒子构造：药物通过溶解、包裹作用位于粒子内部,或通过吸附、耦合作用位于粒子表面特点：长循环、缓释、靶向,纳米微粒长循环靶向、缓释,物理化学导向生物导向,利用药物载体的磁性特点，在外加磁场的作用下，磁性纳米载体将富集在病变部位，进行靶向给药。,纳米载药微粒：物理化学导向,PEG-FA包裹的磁性纳米材料及其与BT-20细胞的结合能力,YZhang,JZhang.JColloidInterfSci,283(2005):352357,修饰后的纳米磁性材料,如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。,放在指尖上的400支排列整齐的无痛型微型针,分子马达,利用人体内源性ATP作为能量来源的分子马达体外实验证明可以捕捉病毒，并可以使病毒在入侵细胞前失活,分子马达,脑功能的加强,納米科技機械牙醫,清潔牙齒及口腔（去除口氣）修補牙齒、牙肉蛀牙和牙週病從此消失,納米科技病毒殺手,探測並毀滅人體內的病毒傷風感冒愛滋病毒沙士,九、纺织品中的应用1.反射红外线型化纤,远红外纤维是将能吸收和发射远红外线的物质微粒添加到纤维材料中经共混纺丝而成。,常用的纳米材料有：ZrO2、Al2O3/SiC、TiO2/SiC,远红外纺织品应用主要集中在保暖纺织品、保健纺织品。,红外磁疗热能护膝,远红外功能纤维制作而成的护腰,纺织品中的应用反射红外线型化纤,远红外拉舍尔八美缎保暖被,远红外保暖衣服,2.抗菌防臭除臭纤维,抗菌防臭、除臭纤维是指在纤维制造或后处理过程中，加入具有抗菌防臭、除臭性能的物质，旨在防止有害生物对纤维和附着色素的破坏，保护纤维以及防止因使用纤维制品而产生微生物病害，保护使用者的一类功能纤维。,2.抗菌防臭除臭纤维,银纤维抗菌袜子,抗菌毛巾,抗菌防臭运动服,卫生保健品防晒霜,十、纳米技术在军事上的应用,纳米探测系统纳米材料提高武器打击纳米材料提高防护能力纳米机械系统制造的小型机器人雷达隐身技术美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层,1.微/飞行器与传感器,纳型飞行器主要是指在地面上飞行的微纳型飞行器，其主要目的是用于侦察，有效载荷大多是传感器。,纳型飞行器,“黑寡妇”微型飞机,微型飞机,1.微/飞行器与传感器,纳米昆虫武器,“尺寸不均衡的战斗”,士兵通过昆虫上携带的摄像设备进行操纵。,1.微/飞行器与传感器,美军士兵准备在巷战中使用微型昆虫。,美国乔治亚技术研究所的纳米武器专家贾森纳德勒,1.微/飞行器与传感器,微型昆虫飞向目标楼房,通过昆虫的定位，地面火力准确命中目标。,10年后建成“纳米军团”,1.微/飞行器与传感器,西游记引发微型武器潮,美国纳米武器专家贾森纳德勒称中国神话小说西游记中的孙悟空给了他灵感,宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体,宇航头盔,TiO2陶瓷可用于军用涡轮发动机高温件，坦克、装甲车的防弹装甲。,“纳米科技战士”,“纳米科技战士”,这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作为“辅助肌肉”增强士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战场急救。,“纳米科技战士”,用纳米技术制造的防水布料。用这种超薄布料制成的作战服几乎感觉不到重量，而现在一名全副武装的美军士兵负重介于90到120磅之间。另外根据磁场变化的原理，科学家们正在研制通常状态下柔软舒适，一旦侦测到弹道威胁时立刻强化僵硬的装甲系统。,“纳米科技战士”,未来的美军作战服可能就是这个样子,预计于2011年投入使用的美军作战服,“纳米科技战士”,机器人战争时代即将到来对战争态势有巨大冲击,参加韩美联合军演的美军士兵和军用机器人,智慧机器人公司生产的军用拆弹机器人在战场上应用的效果图,考试题型,一、填空题（15分）二、名词解释（20分）三、简答题（24分）四、论述题（24分）五、综合题（17分）,第一讲纳米科学技术简介,教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历史、进展和趋势。重点内容：1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、莲花效应、自上而下、自下而上。2、自然界的纳米技术。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。,教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及碳纳米管重点内容：纳米材料的分类纳米材料与传统材料的主要差别：物理特性：热学性能，磁