讲义一-纳米材料简介

第一章 迷人的纳米材料和纳米科学纳米材料简介（讲义）如果有人告诉你，铁会在空气中自动燃烧起来，你一定不会相信。在现实生活中，人民即使将铁钉、铁丝烧的发红，它们也不会燃烧起来。可是，如果把粉末状的还原铁粉撒在酒精灯的火焰上，这些铁粉就会燃烧起来，在光线较暗的室内，可以见到灯焰周围形成许多明亮的火星。不进入四，化学家们还能用化学方法制得一种微粒更细小的乌黑色铁粉，平时放在密封性好的容器内，如果将它们撒到容器中，立刻就会自燃，形成一簇簇的火花。由此可见，由于铁物质颗粒大小的变化，会改变铁原有的一些性质。而纳米材料和纳米科学正是源于微粒大小的不同而造成性质不同，从而成为当今科学界研究的热点。火中取钻蜡烛的火焰总是闪动着钻石一样的光芒。英国华人学者周午纵和同事最近完成的一项研究显示，在蜡烛火焰中确实存在着纳米尺度的钻石颗粒，将来可能因此发现新的生产钻石的途径。这一成果已经发表在英国化学通讯杂志上。这个吸引人的“钻石级”发现，其源头却是一次跨学科的闲聊。英国圣安德鲁斯大学化学系教授周午纵说：“我是做物质微结构分析的，而朋友谢菲尔德大学的张阳教授是研究燃烧的，有一次就聊到蜡烛火焰中究竟有什么，结果发现已有学术文献对此还不是很清楚，于是决定想办法看看。”周午纵在接受新华社记者采访时说，以前研究蜡烛火焰多采用两种方法，一种是使用光谱等手段的原位分析法，但分辨率常常不够，另一种是用探针伸进火焰获取样本，虽然探针进出火焰只有零点几秒，但获取的样本也会在此期间因为火烤而发生变化。因此从事微结构研究的周午纵就想出了一个新的办法，即用电化学方法处理氧化铝薄膜，使其上分布有直径为几十个纳米的微小孔洞，将这种薄膜放入蜡烛火焰中，火焰中存在的物质就会钻进纳米孔洞，同时也就避开了火焰，可以获得较好的样本。研究小组的苏梓学博士进行了实验，结果发现，这些纳米孔洞中含有碳的所有四种形态，即无定形碳、石墨、富勒烯和钻石。过去人们知道，在蜡烛火焰底部是碳水化合物，火焰顶部的产物是二氧化碳，而对火焰之中发生了什么，细节并不清楚。本次研究首次揭示了碳元素在火焰之中还会发生如此丰富多彩的变化。周午纵说：“据估计，在蜡烛火焰闪动的每一秒，都会产生大约150万个纳米尺度的钻石颗粒。”除蜡烛火焰外，周午纵的团队还用煤气和木头做了实验，在其火焰中也发现了钻石颗粒。对于中国人常用的煤炭，虽然还没有进行测试，但他也认为其火焰中“很有可能存在钻石颗粒”。不过，要从火焰中取出钻石来现在还有难度。因为这些钻石颗粒极为微小，很快就在火焰中燃烧了。对于“火中取钻”的前景，周午纵表示，将来如果有研究者顺着这个方向继续深入探索，有可能找到一种成本较低的生产钻石新途径。科学家从电子层面上研究石墨烯英国曼彻斯特大学教授安德烈海姆与康斯坦丁诺沃肖洛夫因制备石墨烯而获得2010年诺贝尔物理学奖。现在，他们又从电子层面上研究了这种被认为是硅终结者的“神奇材料”，并声称这是石墨烯迈向实际应用的“巨大跃进”。石墨烯是从石墨材料中剥离出来的、由碳原子组成的二维晶体，只有一层碳原子的厚度，是迄今最薄、同时也是最坚硬的材料，导电、导热性能超强，几乎完全透明。很多人认为，石墨烯可能将取代硅成为未来的电子元件材料，在超级计算机、触摸屏和光子传感器等多个领域“大显身手”。海姆和诺沃肖洛夫7月24日在英国自然物理杂志上发表论文说，为从电子层面上研究石墨烯，他们让多层石墨烯悬浮于真空环境中，这样最大限度地减少了电子散射，并方便观测电子间如何相互作用。结果发现，电子在石墨烯中的表现与在其他金属中大为不同。在石墨烯中，电子能像光子那样高速运动，其速度是在硅中的数十倍。海姆在新闻公报中说，这是一项令人激动的物理学发现，它可能直接应用于制造电子设备等方面。诺沃肖洛夫则表示，这是石墨烯迈向实际应用的“巨大跃进”。科学家早在1947年就从理论上提出石墨烯可能存在，但在此后很长时间里，制取石墨烯的努力一直没有成功。2004年，海姆和诺沃肖洛夫用普通胶带从石墨上剥离出石墨片，并重复操作，石墨片越来越薄，最终得到单层石墨片，即石墨烯。2010年，他们因此获得诺贝尔物理学奖。科学家用神奇纳米药水造出超级防弹衣“液体装甲”年底就可大批量生产。这种新型防弹衣的头盔、衣服和靴子全部用“剪切增稠液体”处理过的材料制成，不但能够护住全身，还可非常柔软轻盈，一点也不防碍士兵的灵活性。这个玻璃小瓶里装的淡蓝色液体就是“剪切增稠液体”，你可以用塑料棒轻轻搅拌，发现它跟普通的液体没什么两样，但一旦你加快搅拌的速度和力度，就发现，它越来越黏，立刻变得搅拌不动。自从有战争以来，盔甲(战斗服)的研发就从未停息，人们一直在战斗服的防护性和舒适性之间寻找平衡，希望能制造出一种既刀枪不入又轻便柔韧的战斗服。据英国GIZ杂志8月13日报道，利用美国“陆军研究实验室”(ARL)和“特拉华州立大学合成物质研究中心”(UDTC)的科学家运用新型纳米科技研制出来的“剪切增稠液体”(STF)，将制造出新一代战斗服，使长久以来人们的梦想变为现实。头盔衣服靴子啥都能做这项技术的目标是制成一种成本低、重量轻的新材料，这种材料的防弹能力优于当前防弹衣专用的“凯夫拉”织物，但弹性更好、更薄，潜在的用途非常广泛。“剪切增稠液体”能使织物变得无比强韧，可以抵御尖钉、刺刀和子弹的袭击，同时又不改变织物的重量、舒适度和弹性。“剪切增稠液体”的用途非常广泛，可以用于制造防护服、汽车装甲、头盔和手套，不但能够为军人和警察提供保护，也能为任何危险行业，如矿工、建筑工人等提供更舒适的工作服。这种新型材料还可以被制成防爆毯，覆盖在可疑包裹或未爆炸的军火上，甚至可以用在伞兵靴上，这种靴子在碰撞时可以变硬，从而保护伞兵的脚踝。柔软轻便如同普通衣服今年年底，首批利用“剪切增稠液体”处理升级的新型防弹衣将正式问世，到时候，美国驻伊拉克的前线士兵们将得到全方位的保护。众所周知，传统的防弹衣根本无法保护军人的许多关键部位，如手臂、颈部、腿部和肘部，因为这些部位需要经常活动和弯曲。如今的防弹衣，通常叫做防弹背心，不但厚重，而且硬邦邦的，不便用来制造需要弯曲折叠的裤子和袖子，因此只能护住躯干部分。而利用“剪切增稠液体”处理升级的新型防弹衣，柔软坚韧，可以制造连袖子带裤腿的全套衣服，保护军人的任何部位，无论人的身体如何弯曲防弹衣的防护性能都不会受损，这才是真正的防弹衣。一打就变硬力消就还原“剪切增稠液体”其实是一种处在固液混合状态的纳米粒子溶剂，很少存在于同一种物质中。利用它制造的防护服通常被叫做“液体装甲”，“剪切增稠液体”渗入织物中，通常状态下是以液态形式存在，但是，织物一旦受到冲击、压紧，“剪切增稠液体”就变成坚硬的固体，使织物更强韧，难以被穿透。因此，利用“剪切增稠液体”制造的新型防弹衣，平时柔软舒适，一旦遭到刀等利物砍、刺，或高速子弹、弹片冲击，就在受到冲击的瞬间变得坚韧无比，而且能将冲击力沿织物迅速分散开来，大大降低单位面积的压强。当冲击力消失之后，“剪切增稠液体”又恢复液体状态，织物也重新变软。“液体盔甲”年底问世“剪切增稠液体”技术由“美国特拉华州立大学合成物质研究中心”和“美国陆军研究实验室”下属的“武器和原料研究理事会”共同开发，仅授权美国“装甲控股公司”生产相关产品。据悉，利用“剪切增稠液体”技术制造的新型防弹衣将于今年年底批量上市销售，每件售价为500至600美元。又轻又软又薄又刀枪不入的衣服，一直都只存在于神话和小说中，如黄蓉的软猬甲、貔貅甲等等。但盔甲的轻便性和防护性一直是一对不可调和的矛盾，即使是目前最先进的防弹背心，其实也没比中世纪的盔甲在原理上高明多少，起主要防护作用的，还是插在里面的那块金属板。悍马军车也面临同样的问题，现在的轻装甲悍马，屡遭驻伊美军诟病，因为防护能力明显下降，他们往往自己加焊几块铁皮以增强防护性。现在，“液体装甲”的问世，彻底解决了这个问题。它就像科幻小说中的物质，平时只是普通布料，一但遭到袭击，就瞬间变得坚韧无比，而且能把冲击力向四周扩散，将损伤降到最低。“液体装甲”的制作也非常简便，就是把目前通用的“凯夫拉”防弹背心织物放在最新研制出来的纳米“神水”“剪切增稠液体”中浸泡一下，就大功告成。-工作原理不受冲击：粒子互不干扰呈液态受到冲击：粒子激烈碰撞变固态“液体装甲”的关键成分“剪切增稠液体”(STF)，由悬浮在聚乙二醇中的坚硬粒子组成。聚乙二醇是一种应用广泛的无毒液