材料化学第12讲-纳米材料B

1,Teacher:Ph.D.TengyunZhang(张腾云)E-mail:peroxyyuzhang,20072008学年第2学期,第十二讲,材料化学导论-第六章纳米材料B,NonometerMaterialsB,2,6.3纳米材料的应用,由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。,3,分子机器指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋白质等生物分子。因其尺寸多为纳米级，又称生物纳米机器,排名第一的2007年国际十大科技：第一台生物分子机器诞生,分子机器是近年纳米研究领域的重点。2007年新年伊始，法国图卢兹材料设计和结构研究中心与德国柏林大学科学家就在美国自然纳米技术杂志上共同发布了一项重要成果：成功研制出可旋转的“分子轮”，并组装出了真正意义上的第一台生物分子机器。,4,研究人员声称，这是一种比纳米更新的全新技术，有望在电子计算机和医学等领域掀起一场革命，连用于形容纳米的词汇都不足以用来描述这种新膜片。它比硅更灵敏、更节能，有可能最终取代硅，成为更加有效的晶体管，用于大幅提高计算机运算速度和研制新药物。,排名第二的2007年国际十大科技仅一个原子厚的最薄材料问世,2007年3月1日，英德两国科学家宣布，研制出了只有一个原子厚的世界最薄材料。这种膜片由碳原子六边形连接而成，状如蜂巢，如果层层叠加，需要20万层才能达到一根头发丝的厚度。,5,一、陶瓷增韧,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。,纳米陶瓷,6,二、磁性材料方面的应用,巨磁电阻材料2新型的磁性液体材料,7,二、磁性材料方面的应用,2007年10月9日瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会宣布法国科学家阿尔贝费尔和彼得格林贝格尔,共同获得诺贝尔物理奖。重大贡献是因为发现“巨磁电阻”效应,巨磁电阻,材料的磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象。所谓巨磁电阻就是指在微小的磁场变化下电阻急剧减小的现象。巨磁电阻材料电阻减小的幅度比通常磁性金属与合金材料约高10余倍。,8,二、磁性材料方面的应用,巨磁电阻,20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应，,1988年费尔和格林贝格尔各自在基础研究中独立发现巨磁电阻效应这一特殊的物理现象，在国际上引起了很大的反响。,法国科学家费尔,格林贝格尔,9,二、磁性材料方面的应用,巨磁电阻,利用“巨磁电阻”效应在不同的磁化状态具有不同的电阻值的特点,可以制成随机存储器.由于其具有可在无电源的情况下继续保留信息的优点,已经成为笔记本电脑、手机、数码相机、MP3及其他便携式媒体播放器等电器必备的存储元件.,“巨磁电阻”效应的发现在全球电子化进程中,是具有里程碑意义的一次革命.基于“巨磁电阻”效应的读出磁头研制成功,使得1954年占满整个屋子的电脑变成如今非常普通、只有一个手掌般大小的硬盘;计算机硬盘的存储密度提高50倍之多,小型的、大容量的及廉价的硬盘得到了广泛的应用。,10,二、磁性材料方面的应用,2新型的磁性液体材料,磁性液体(MagneticLiquid)或铁磁流体(FerromagneticFluid)，是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加界面活性剂）中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。,11,二、磁性材料方面的应用,2新型的磁性液体材料,原理图,Fe3O4颗粒电镜照片（D=12nm）,12,二、磁性材料方面的应用,2新型的磁性液体材料,磁性液体目前最广泛的应用是动态密封，特别是用于封真空、封气体或用于防尘等。例如x射线衍射仪的转靶的真空密封、气流分级系统的防尘泄漏等等。,工作原理是：由环状永磁体，导磁极靴和导磁转轴构成闭合磁路，利用永磁体中的磁能，在转轴与极靴极齿顶端的齿形间隙中产生强弱相间的非均匀磁场，将磁性液体紧紧吸住，形成磁性液体“O”型密封环，把间隙堵死，从而达到密封的目的。,13,三、纳米材料在催化领域的应用,催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，它为作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。,14,三、纳米材料在催化领域的应用,A-纳米金红石TiO2,B-纳米锐钛矿,纳米TiO2和商用TiO2催化活性比较,C-商用金红石1,D-商用锐钛矿,E-商用金红石2,F-Al2O3,15,1.金属纳米粒子的催化作用,贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为1nm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。,三、纳米材料在催化领域的应用,16,2.半导体纳米粒子的光催化,半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、醇、醛、酸、CO2，完成了对有机物的降解。,三、纳米材料在催化领域的应用,17,2.半导体纳米粒子的光催化,常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。,三、纳米材料在催化领域的应用,将粉体纳米粒子添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维;锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景;还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取H2。,18,3.纳米金属、半导体粒子的热催化,金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。,三、纳米材料在催化领域的应用,为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。,19,纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。,四、纳米材料在光学方面的应用,研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。,20,1.红外反射材料,高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题。,四、纳米材料在光学方面的应用,纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15的电。,21,2.优异的光吸收材料,纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。,四、纳米材料在光学方面的应用,通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：3040nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器,22,3.隐身材料,由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；,四、纳米材料在光学方面的应用,另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。,23,3.隐身材料,四、纳米材料在光学方面的应用,美国F117隐形轰炸机,24,3.隐身材料,四、纳米材料在光学方面的应用,美国B2隐形轰炸机,25,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。,26,1.纳米技术在治理有害气体方面的应用,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01;在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生;纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。,27,2.纳米技术在污水处理方面的应用,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。,纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍。,28,3.纳米TiO2与环境保护,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。,29,3.纳米TiO2与环境保护,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,（1）降解空气中的有害有机物对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米TiO2的降解效率最好，将近达到100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。,30,3.纳米TiO2与环境保护,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,（2）降解有机磷农药有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国农药产量的80，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。,（3）处理毛纺染整废水用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。,（4）解决石油污染问题在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米TiO2可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。,31,3.纳米TiO2与环境保护,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,（5）处理城市生活垃圾用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。,（6）高效的杀菌剂一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。,32,3.纳米TiO2与环境保护,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,（7）自洁作用纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。,33,五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用,被称之为21世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。,34,六、纳米技术在生物工程上的应用,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。,美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。,35,六、纳米技术在生物工程上的应用,虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。,在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。,通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。,36,六、纳米技术在生物工程上的应用,到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。,美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。,37,六、纳米技术在生物工程上的应用,纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。,38,六、纳米技术在生物工程上的应用,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。科学家在自然杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”控制这种镊子反复开合。,39,1.粘合剂和密封胶,国外已将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。,其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构，固化速度加快，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,40,2.涂料,在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,41,3.各种助剂,橡胶纳米Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米SiO2可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝缘橡胶的填料。添加纳米SiO2的橡胶，弹性、耐磨性、强度都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,42,3.各种助剂,塑料纳米SiO2对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度、韧性、防水性能大大提高。在有机玻璃生产时加入纳米SiO2可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃中添加纳米Al2O3既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,43,3.各种助剂,纤维以纳米SiO2和纳米TiO2经适当配比而成的复合粉体作为纤维的添加剂，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用SiO2+TiO2+Al2O3+ZnO四合一粉体对人造纤维进行改性的研究正在进行中。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,44,4.化妆品,纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收，如防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。如纳米TiO2、ZnO、SiO2等。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。,七、纳米技术在精细化工方面的应用,45,1.医学,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。,将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。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。,八、纳米技术在其他方面的应用,46,1.医学,“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机