第五章-纳米材料的应用

第五章纳米材料的应用,纳米技术现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起2I世纪又一次产业革命。钱学森,纳米材料的应用领域,微电子学领域光电领域陶瓷领域生物工程领域医学领域纺织领域塑料领域环保领域化工领域,一、微电子学领域,纳米电子学是纳米技术重要组成部分，是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单原子或单分子构成的室温可用的各种器件。,纳米器件左：基于碳纳米管点电极的柱状纳米晶体管结构示意图纳米碳管右：基于石墨烯电极的单分子膜场效应晶体管结构示意图,微电子学领域,目前利用纳米电子学已研制成功各种纳米器件。此外，有奇特性能的碳纳米管的研制成功对纳米电子学发展起关键作用。,纳米技术生产的有机发光二极管,微电子学领域,高电压纳米发电机和自驱动纳米器件成功问世,(a)基于垂直于基片生长的纳米线所设计的纳米发电机(VING)。(b)基于平行于基片多行生长的纳米线所设计的纳米发电机(LING)。(c)基于一行平行于基片生长的氧化锌纳米线所组成的纳米发电机。(d)在微小形变下能产生1.2伏输出电压的纳米发电机的光学照片。,1989年，IBM公司利用隧道扫描显微镜上的探针成功移动氙原子并利用它拼成“IBM”3千字母（右）。下图为原子操作过程中的STM像。,左图为单个Xe原子静置在Ni表面上的情况；右图为探针“拾”起Xe原子的情景,微电子学领域,中科院北京真空物理实验室人员使用硅原子堆积的“毛泽东”三个字。,微电子学领域,日本Hitachi公司研制出单个电子晶体管，通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子是一个多功能器件。日本NEC研究所拥有制作100rlm以下的精细量子线结构技术并在GaAs衬底上成功研制出有开关功能的量子点阵列。,微电子学领域,大面积高质量的单晶石墨烯和Si插层,单电子晶体管为量子计算铺路,美国威斯康星大学研制出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳几十亿个这样的量子点。利用量子点制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域方面获得广泛应用。,量子点,量子点半导体,微电子学领域,机器苍蝇,麻雀卫星,间谍草,未来超级计算机：量子世界中原子对翩翩起舞,二、光电领域,纳米光电材料：光能电能、化学能等其他能量的一种纳米材料；纳米光电材料可分为：纳米光电粉、一维纳米光电材料、纳米光电薄膜等；,光电领域,纳米粉光电探测器一维纳米材料热光开关纳米薄膜硅薄膜紫外光电探测器,光电领域,纳米材料用于光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面能大大提高光电器件性能。纳米材料用于现有雷达信息处理上能使其能力提高十至几百倍，甚至能将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度对地侦察。,一磅重纳米合成孔径雷达问世,光电领域,纳米激光器是一根弯曲成极薄面包圈形状的光子导线，其大小和形状能有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器工作。纳米激光器工作时只需约100mA电流。,纳米线紫外激光器,三、陶瓷领域,传统陶瓷材料质地较脆韧性、强度较差，因而应用受较大限制。纳米陶瓷正是解决陶瓷脆性的重要途径。纳米陶瓷是指显微结构中的物相有纳米级尺度的陶瓷材料，即晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布和缺陷尺寸等都在纳米量级水平上。要制备纳米陶瓷，就要解决粉体尺寸、形貌和分布控制，团聚体控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度及成分控制。,纳米陶瓷的应用,应用于提高陶瓷材料的机械强度,纳米陶瓷的应用,应用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉体的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中产生超塑性行为,其原因是晶粒的纳米化有助于晶粒间产生相对滑移,使材料具有塑性行为。,纳米陶瓷的应用,应用于制备电子(功能)陶瓷,纳米陶瓷节能灯,纳米陶瓷的应用,应用于制备陶瓷工具刀,纳米陶瓷刀,纳米陶瓷的应用,应用于制备生物陶瓷接近于生物惰性的陶瓷,如氧化铝(Al2O3)；表面活性生物陶瓷,如致密羟基磷灰石(10CaO-3P2O5H2O)；可吸收生物陶瓷,如磷酸三钙(CaO-P2O5)(TCP)。,纳米陶瓷的应用,应用于制备功能性陶瓷纤维防紫外线纤维；远红外线保温纤维；抗菌防臭纤维。,四、生物工程,纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径。生物分子是很好的信息处理材料，每个生物大分子本身是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，原理类似于计算机逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术可设计出量子计算机。美国南加州大学应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效解决目前计算机无法解决的“哈密顿路径问题”。,生物工程,基因DNA双螺旋结构的直径约几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅几纳米的发光半导体晶粒选择性吸附或作用在不同碱基对上就能在DNA分子上贴标签，从而很方便地识别DNA外型和结构。,五、医学领域,目前成功利用纳米SiO微粒进行细胞分离，用纳米级粒子进行定位病变治疗以减少副作用等。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物取得突破性必展，现用于临床动物实验。,纳米探针刺入神经细胞,医学领域,肝病等器官性病变都有一个病理环境，用特定性质的纳米材料界面材料去包覆中药有效成分，在这种病理环境中，因亲和而溶解，治疗成分就释放出来，达到治病效果，治疗成分有很强的靶向性，能使疗效进一步提高。,医学领域,德国采用分子医学纳米技术发明新抗癌疗法，通电后肿瘤部位温度达47，在杀死癌细胞的同时不损害健康细胞。美国能源部运用激光纳米技术研制出癌症智能手术刀，每秒扫描10万个细胞，信息输入计算机，将“错杀健康细胞数量降到最低。,医学领域纳米机器人有望问世,纳米生物“部件”与纳米无机物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制做成的纳米机器人，其尺寸比红血球小。这类机器人问世，人类的医疗将会发生深刻的革命。医生可用它打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪的沉积物。,科学家想象的纳米机器人,六、纺织领域,纳米技术在纺织领域中主要有三大应用途径（1）纤维超细化（2）利用纳米材料对传统材料进行改性（3）对纤维或织物进行纳米后整理，使其功能化,纺织领域,纳米技术在纺织服装中的应用领域天然纤维织物中的纳米技术纳米技术在纺织服装的新研究、新开发纳米技术在其它纤维中的应用,纳米技术在纺织服装中的应用领域,红外功能,纳米技术在纺织服装中的应用领域,远红外保暖内衣,防紫外线,纳米技术在纺织服装中的应用领域,纳米技术在纺织服装中的应用领域,抗静电在化纤制品中加入少量纳米微粒，如将纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和Cr2O3等具有半导体性质的粉体掺入到树脂中，或将其加入到整理剂中对纤维或织物进行后整理，就会产生良好的静电屏蔽性能，大大降低静电效应。,纳米抗菌、防臭功能某些金属粒子(如纳米银粒子、纳米铜粒子)和纳米TiO2、ZnO等具有一定的杀菌性能，其与化纤复合纺丝，制造出抗菌的功能纤维，比一般的抗菌织物具有更强的抗菌效果和更多的耐洗次数。,纳米技术在纺织服装中的应用领域,波司登保暖内衣,江苏康博集团推出“波司登”纳米技术抗菌保健、超强透气导湿、超保暖三功能的内衣。其保暖内衣层内添加了从天然奇冰石中提取的纳米级超细粉末，能有效地杀菌抑菌，消除异味。,纳米技术在纺织服装中的应用领域,拒水拒油在材料表面进行特殊加工在其宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构，使材料不仅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用这种材料制成的衣物洗涤时可以仅用清水冲洗而不需使用传统的洗涤剂。,纳米技术在纺织服装中的应用领域,防电磁辐射电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁，纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。,防辐射孕妇装,银离子孕妇装运用纳米单质银与纤维聚合成一体，并使织物表面形成牢固的耐氧化膜层结构，将纯银和环保纤维进行有机整合，具有隔离电磁辐射功能，具有抗菌除臭、抗静电、调控体温，吸湿速干、透气性好，轻薄柔软，耐反复水洗，洗后不扎身，可贴身穿着，使用寿命长。,纳米技术在纺织服装中的应用领域,阻燃功能纤维阻燃多数通过用添加型阻燃剂或反应型阻燃剂对原材料进行前处理，或者是对织物进行后整理等途径实现。,七、塑料领域,由于分散性的纳米尺寸效应、大比表面积和强界面结合，使纳米复合材料有一般工程塑料不具备的优异性能，如高强度和耐热性、高阻隔和自熄灭性、抗静电性、防辐射及优良加工性等。纳米塑料的优异特性使其有广阔应用前景和商业开发价值，成为纳米技术最早实现产业化的技术之一。,塑料领域,纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子和电气部件等领域都有广泛应用前景。具有优异阻透性能的纳米复合材料在食品特别是啤酒罐装、肉类和奶酪制品的包装材料市场上的发展潜力巨大。添加0105纳米二氧化钛制成透明塑料包装材料，用它来包装食品，既防止紫外线对食品的破坏作用，也可使食品保持新鲜。,八、环保领域,纳米光催化剂纳米TiO光催化剂能很好降解甲醛、甲苯等污染物，效率几乎达100；用于石油和化工等工业废气处理中能改善厂区周围空气质量。利用纳米TiO光催化性能可杀死环境中的细菌，同时降解由细菌释放出来的有毒复合物；在医院病房、手术室及生活空间安放纳米TiO光催化剂还有除臭作用。,纳米光催化剂,环保领域,污水处理专用纳米光催化剂,环保领域,环保领域,纳米汽车尾气净化器利用纳米材料可制备汽车尾气净化器，如超细Fe、Ni与yFeO混合烧结体代替贵金属作为汽车尾气净化器，可降低成本、提高效率。以活性炭为载体、纳米ZrCe0粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，转化为对人体和环境无害的气体二氧化碳和氮气。,环保领域,目前工业上利用纳米二氧化钛三氧化二铁作为光催化剂，用于废水处理(含SO或Cr02一体系)并取得很好效果。含超细TiO和超细ZnO等微粉抗菌除臭纤维不仅用于医疗，还可制成抑菌防臭的高级纺织品、衣服、围裙及鞋袜等。利用纳米光催化技术与其他技术相结合而研制出新型空气净化器，对氮氧化物、一氧化碳和甲醛等有害气体有明显降解作用，使空气中的有害气体从10uLL降到01uLL，该设备现已进入实用化生产阶段。,九、化工领域,利用沉淀溶出法制备粒径约30-60nm的白色球状钛酸锌粉体，其比表面积大、化学活性高，用作吸附脱硫剂时，效果明显高于固相烧结法制备的钛酸锌粉体。用金属醇化合物和羧酸反应，可合成有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离，形成不同的“纳米结构”以作为纳米反应器。,化工领域,纳米微粒的表面活性使其可用作催化剂。主要有：(1)金属纳米催化剂，主要是贵金属如Pt、Ag及非贵金属如Ni、Fe等，其中贵金属纳米催化剂可用于高分子高聚物氢化反应；(2)以氧化物为载体、将粒径110nm的金属粒子分散到多孔衬底上，衬底种类有SiO、TiO和沸石等；(3)纳米氧化物粒子TiO是理想光催化剂。纳米催化剂主要作用是提高反应速度、提高化学反应选择性、降低反应温度和光催化降解。,化工领域,将功能性化妆品做成纳米尺度，达到更好美容效果。纳米亚麻酸有这种特效，如对抗皱有很好疗效，同时对溶解疤有相当好的效果，原因是纳米尺度改变了皮肤对化妆品的吸收机制，因皮肤组织是皮肤细胞的堆积，皮肤角质层细胞间的缝隙是纳米尺度，这样纳米级物质可直接进入皮肤而充分发挥作用。,化工领域,纳米TiO有很强散射和吸收紫外线能力并能透过可见光，因其无毒无味、无刺激性而广泛用于化妆品。纳米TiO用于涂料中可制成特殊防紫外线产品，如汽车、轮船面漆的防老化剂和防紫外线伞等。,纳米TiO,长余辉材料俗称夜光粉”，是一种以稀土离子为激活剂、碱土铝酸盐为基质的无机发光体系，是能无限次循环使用的绿色环保型自发光材料。纳米长余辉材料可作为纳米器件和纳米装置标记物，还可用于生物荧光标定。,化工领域,10、展望,市场上真正成熟的纳米材料并不是很多。真正意义的纳米时代还没有到来，我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。中科院院士白春礼院士,展望,纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。,展望,最近的研究发现，染色体端粒的长度可能与人体寿命有密切联系。端粒就好像鞋带两端防止磨损的塑料套，保护着染色体不被破坏。但端粒会随着年龄的增长不断缩短，当它再也不能保护染色体时，细胞便停止了分裂，或变得极不稳定，疾病也会随之而来。如果该理论成立的话，纳米技术是否可以在其中发挥一些积极的作用呢？虽至今尚未见此类报道，但由于其尺度的相近性，这种可能性是很高的。各种人造的纳米材料与细胞之间的相互作用的研究现在并将在未来很长一段时间内成为纳米科技研究的一大热点，从中将产生多少灵感与火花，我们且拭目以待。,思考题,1，总结纳米材料在各个领域中的应用。2，讨论纳米材料在其它领域的应用。,THEEND,纳米材料？,纳米材料是纳米科学技术的一个重要发展方向，指三维空间尺度中至少有一维处于纳米量级(1100nm)的材料，由尺寸介于原子、分子和宏观体系间的纳米粒子组成的新一代材料。,电纺丝,它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒。纳米材料构筑的物质，是看不到,摸不着的微细物质，因而其具有四种独特性质（1）表面与界面效应（2）小尺寸效应（3）量子尺寸