纳米材料的应用课件

纳米材料的应用,1、纳米科技成果走进百姓生活,纳米服装二个月不用洗信不信由你,日本科学家采用碳纳米管技术制造了世界上最小的拉面碗,5月29日，日本东京大学机械工程教授MasayukiNakao称，他的学生们使用碳纳米材料制造了一个直径仅为1/25000英寸（约110-6米）的拉面碗，这项研究意在进一步开发纳米管处理技术。他指出，这个日本风格的拉面碗是由碳纳米管雕刻制造的。碳纳米管是管状碳材料，其厚度仅为人体头发的万分之一。由于碳纳米管具有强大的物理性质，比如：比钢铁更坚硬等，使该材料在电子和药物学研制领域有较广泛的应用。据了解，这个微型拉面碗中还包括着一根面条，其长度是1/12500英寸（约210-6米），直径约2.010-8米。MasayukiNakao说，“我们相信这是世界上最小的拉面碗，尽管面条不可以食用，但它是世界上最细的面条。通过显微镜从垂直角度看，拉面碗中的面条看上去就像紫花苜蓿萌芽，更加增加了可观赏性和娱乐性。”,走进你家里,材料世界中的大力士-纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性.,2、纳米技术对材料科学方面的影响,纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！,纳米陶瓷,陶瓷是中国的特产，但脆性大、易破碎，经过纳米技术处理后，可以用来代替优质钢做发动机零件。,设计新型复合材料纳米管/高分子复合材料-高强度材料,2008年2月1日亚利桑那州立大学DavidK.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。,碳纳米管场发射显示器,1999年韩国，2000年日本制成显示器样管,大视角、高亮度稀土纳米显示屏,纳米碳管储氢,高质量的碳纳米管能储存大量氢气，从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车。,H2,集成电路,一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张图片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。,CPU,SRAM,激光唱片,肉眼看激光唱片(CompactDisk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。,纳米技术存储器,上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术下图：Millipede存储芯片的实验室原型。,激光技术加工合成树脂,日本科学家使用激光技术，用合成树脂制成了迄今为止世界上最小的牛。,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,纳米碳管,碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。,纳米碳管,具有极好的可弯折性,0,30,45,60,90,具有极好的可扭曲性,碳纳米管储氢碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，成为最有潜力的储氢材料，用于发展纳米管燃料电池。美国国立可再生能源实验室采用程序控温脱附仪测量单壁纳米碳管的载氢量，从实验结果推测在130K、4104Pa条件下的载氢量为5wt一10wt，并认为SWNT是唯一可用于氢燃料电池汽车的储氢材料。这是世界上关于碳纳米管储氢的第一篇报道。Nature1997386(27)377379,H2原子和C纳米管,纳米碳管材料的价格,目前，纳米碳管材料尚未达到大批量制造水平，售价昂贵：1000美元/克。最近，日本科学家开发成功新的纳米碳管制造技术，可将生产成本降低至目前的1/100。预计2004年可进入大批量生产阶段。,目前，在纳米领域，美国、日本、德国的技术处于领先地位。我国紧跟其后，处于第二阶梯的前列。其中，纳米碳管技术处于世界一流水平，比如大面积定向碳管的合成、超长纳米碳管的制备等。,“纳米碳管”异想天开之应用,坚韧的碳纤维，其密度是钢的1/6，强度为钢的10100倍，重量则只有钢的1/4。,将纳米碳管做成太空升降机的缆绳，由于它的强度高、重量轻，即使是从太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不会断开，它是目前唯一可作为太空云梯的理想材料。,太空电梯,载卫星、载人、货物运输,70100亿美元,7.5天,7.5天,碳纳米管是一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。,奇妙的碳纳米管“太空电梯”的绳索,用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图,微型奥巴马头像是由美国密歇根州大学机械工程系教授约翰哈特（JohnHart）制造的，他称该微型头像为“纳米奥巴马”，这种立体逼真头像竟比盐粒还要小。每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个碳纳米管，这些碳纳米管像丛林中的树木一样垂直地排列着，每个碳纳米管都是中空圆柱体结构，其直径仅为人体头发的五万分之一。据称，哈特制造这件“纳米艺术品”的目的在于让更多人体验纳米技术的魅力所在。哈特说：“纳米奥巴马头像是以一种独特的方式向公众呈现纳米技术概念，同时，它将带给人们更多的乐趣。”为了创建“纳米奥巴马”头像，他们采用了画家谢泼德费尔雷（ShepardFairey）绘制的颇受欢迎的红、白、蓝色调构成的奥巴马素描头像，哈特将这个素描头像进行缩小，并使用激光建立一个模板打印在一个玻璃板上。照射紫外线穿过这个玻璃板模具，投影在一张硅薄片上形成相应的头像。然后他们在这个头像图形的基础上生成碳纳米管，在制造碳纳米管时采用了高温化学反应。之后研究人员使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行了拍照，其头像仅有0.5毫米大小。除了制作纳米艺术品之外，碳纳米管还可以用于制造太阳能电池，新型诊断和治疗疾病的方法，新一代计算机处理器和内存，以及更结实的轻型材料。,此双壁碳纳米管纳机电系统用于测量单个金原子质量,美国每日科学网报道，美国加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究人员通过打造世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重的纳机电系统(NEMS)。此项研究负责人物理学家亚历克斯泽特尔；此成果发表在最新出版的自然-纳米技术杂志上。此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特性，且硬度增加了。碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致它以某种波动的共振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动员会改变跳水板的共振频率一样。此研究小组成员肯尼思延森说：让碳纳米管振动很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或喷雾让它产生了振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。利用此纳机电系统质量传感器，泽特尔小组对单个金原子称了重量，其质量为3.25x1025千克。这意味着大约3亿亿亿个金原子才能达到1千克。,超微型机械零件美国华盛顿大学制成纳米金属齿轮，两个齿轮咬合在一起还不足一根人发的宽度。它可以用于微型机械、微型机器人、微型汽车、微型飞机的制造。用微型部件组装的汽车可以只有一粒米大小；用微型部件组装的飞机可以只有一粒花生米大小。,纳米齿轮,仿甲虫外形制造的微型机器人,纳米轴承,微型机器人,微型机器人,信息,1998年，美国首次研制出由磁性纳米棒组成的“量子磁盘”，每平方英寸可储存20万部红楼梦。,1999年，100nm的芯片又在美国诞生了。整个美国国会图书馆的藏书都能储存在一个糖块大小的芯片中。,随着微电子技术的不断发展，集成度越来越高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小的芯片中。,纳米存储器,1994年，IBM公司研制成新型巨磁电阻效应读出磁头，将磁盘的记录密度提高了17倍。目前，在硬盘的驱动器上已经开始使用这项技术，产值已超过100亿美元年。,磁头不仅在厚度上，而且在长度上都在100纳米以内,在一定磁场下材料电阻改变的现象称磁电阻.巨磁电阻效应是指在一定磁场下电阻急剧减小的现象.,用光刻技术做成的微米尺寸的微机械,用光刻技术做成的微米尺寸的微机械,被囚禁的电子和未来的电子学器件把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动或能量被量子化了。原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了,被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，会使材料发出强的光。用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者，如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存贮数据，制成量子磁盘，存贮度可提高成千上万倍。会给信息存贮的技术带来一场革命。,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。,世界上最小的汽车仅4nm,华裔教授王中林,在原子力显微镜的帮助下，美国佐治亚理工学院王中林小组利用竖直结构的氧化锌（ZnO）纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置直立式纳米发电机。,2006年图：(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室),世界上最小的发动机-纳米发动机,纳米发电机为血压传感器提供动力,由氧化锌纳米线构成的发电机,2007年超声波驱动式直流纳米发电机：超声波带动的直流纳米发电机的设计原理和输出的直流电流。电流随超声波的激发而起，停止而息。利用约五百根纳米线可连续发出纳安级的电流。,2008年交流纳米发电机的示意图以及当来回弯曲时所给出的交流输出电压：纳米布,只要能动（跑步、走路、心跳）就能发电：肌肉活动所带动的纳米发电机,世界最小直升机仅香烟盒大小PD-100黑黄蜂,据英国每日邮报报道，挪威ProxDynamics公司日前研制出一款迄今世界上最微小的“直升机”。这款纳米“直升机”的体积只有一个香烟盒大小，持续飞行时间约25分钟，未来可用于间谍活动或者战场侦察。,铂金纳米皇冠,中国科学院化学所高分子物理与化学国家重点实验室于澍燕研究员领导的研究组，在自组装纳米结构方面取得的重要进展。该项工作制造了一系列尺寸可调、功能化的“纳米皇冠”，并发现了这些自组装体系在水介质中对阴离子的特征选择键合作用，以及在阴离子纳米传感器、模拟酶和绿色化学等方面的应用前景。,机器人配备纳米“大脑”,1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的纳米算盘，该算盘的算珠由球状的C60分子构成。美国佐治亚理工学院的研究人员利用纳米碳管制成了一种崭新的纳米秤，能够称出一个石墨微粒的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量。,称量单个原子重量的“纳米秤”,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。,拯救水资源,特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废水，降解石油,纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。,纳米材料的其他应用,2010年1月6日，美国莱斯大学的科学家表示，他们开发出了宽度仅为人体头发直径1/50000的“纳米赛车”，其性能超过了过去人们研发的同类“纳米车”。研究人员认为，新开发的“纳米赛车”有望加快人们获得未来新一代分子机器的步伐。相关研究成果发表在近日出版的美国化学会有机快报双周刊上。,纳米机器人进入人体消化系统工作示意图,像胶囊一样的纳米机器人医生,重庆纳米机器人“医生”,重庆科研人员开发的这种名为“OMOM胶囊内镜系统”的纳米机器人。一种长得十分奇特的“重庆籍医生”目前在国际上名声大噪该医生长得像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。它第二次被列入国家“863计划”，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于2004年获得“863计划”专家组验收该医生“腰围”11毫米，“身高”25.4毫米，长得完全像一颗胶囊。并于2004年获得“863计划”专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像“瞧病”，还没有治病的本事。,纳米机器人,纳米机器人的魅力之处在于：由于可以进行自我复制，只需在体内植入很少的量，便可达到治疗目的。然而，所谓的魅力与可怕的危险是同时存在的，纳米机器人能在10小时内复制680亿个，在身体“防御盾”不断被削弱的同时，人类成为生物和技术的合成体，也就是同时具备两种特征。在这种情况下，抵抗是徒劳的。,分子机器人(分子钳在捕捉癌细胞)纳米级分子机器是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器”的梦想，四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小庆和他领导的研究集体进行了为期10年的研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素)。它们均特异性地攻击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。目前，科学家试图在分子尺寸上组装一种极其微小的装置，其在医学上应用前景广阔,纳米清洁工,科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。,纳米泵人造红细胞,它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气。,血液形态图,纳米药包,诺贝尔奖得主斯莫利的预言；美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；,纳米技术与基因疗法的结合,瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位；,果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性,军事方面的应用,吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。,防弹衣,因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。,“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。,未来的美军作战服可能就是这个样子,纳米发电机,纳米收音机,2007年，美国加利福尼亚大学伯克利分校的物理学家亚历克斯策特尔(AlexZettl)及其同事发明了一种纳米管收音机，拥有一身令人称奇的好功夫：单单一根碳纳米管就可以接收广播信号，放大并转换成音频信号，发送到外接扩音器上,纳米技术对生物科学的影响1、生物电脑,电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。,特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站起来。,DNA电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。如果控制得当，那么就可利用这种过程制成一种新型电脑，具有运算速度快、存储容量大、耗能极低的特点。生物电脑可实现模糊推理和神经网络运算功能，是智能计算机的突破口之一。,神经电脑：人脑有140亿神经元及10亿多神经节，每个神经元都与数千个神经元交叉相联，它的作用相当于一台微型电脑。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络，就构成了神经电脑。它具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本富通研究所开发的神经电脑，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公司推出一种神经网络声音识别系统，能识别任何人的声音，正确率达99.8%。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电脑，右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适用于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。现在，纽约、迈阿密和伦敦的飞机场已经用神经电脑来检查爆炸物，每小时可查600700件行李，检出率为95%，误差率为2%。,2、纳米级的生物工程产业,以微生物技术、酶技术、细胞技术、基因技术为主导的新型纳米农业生产体系即将形成，微生物工业产业将兴起。生物纳米技术是以生命科学为基础，生物体系，就是生物组装、细胞、酶等，采用工程技术原理，向人类提供商品或提供社会服条的综合性科学技术。将逐步出现以动植物工程、药物及疫苗、蛋白质工程、细胞融合、基因组、生物芯片及生物智能机等为基本内涵的生物工程产业，使人类生产和生活发生巨大的变化。,3、对付害虫的微型“杀手”,美国一家研究所正在追踪监视逐渐向北迁移的巴西“杀人蜂”。在捕获的蜂的背部粘上一个微芯片和一个红外线发射器，然后释放，研究其习性，试图阻止其迁移。这是最小的“间谍武器”，用于对付昆虫。未来开发的纳米级的微型装置，是一个类似整个昆虫形状的微型智能机械“虫”，不仅可以预报虫害情况，也可以大量杀死害虫。,4、医用的微型机械人,小人国的童话故事听了不少。如今用特制超细的纳米材料制成的“纳米机械人”，可以进入人的血管和心脏，完成医生不能完成的血管修补，清除心脏动脉的脂肪沉积物，疏通脑血管中的血栓等“细活”。因其体积很小，对人体健康不会产生影响。瑞典一大学研究出一种能移动单细胞或捕捉细菌的机械人，外型似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有24个手指。这种机械人能在血液、尿液和细胞介质中工作。如用杀菌的分子机械人与病菌“决斗”，又将无数台分子摄像机械放入血管中，进行现行现场拍摄，其真实性则大大超过人们用电脑合成的仿生动画片。有的科学家用磁性纳米颗粒，成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞，已在治疗人骨髓癌的临床实验中获得成功。还有，用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞等等。,5、“纳米生物导弹”,军事上的导弹，既然识别目标，又能摧毁目标。所谓“纳米生物导弹”，就是具有识别肿瘤细胞和杀死肿瘤细胞双重功能的药物。一旦进入体内，便随血液流动，专门寻找癌细胞进行攻击，而不损伤其他正常细胞。首先制备出多种抗肿瘤的单克隆抗体，再在抗体上装上杀死肿瘤细胞的武器药物，如白喉毒素分子、蓖麻毒素、相思豆毒素等一类毒蛋白与抗肿瘤的单克隆抗体相联。,我国