第三讲 纳米材料课件

现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer-Materials（3）,材料科学与工程学院,2,第三讲纳米材料(2),3,纳米材料的制备方法,4,气相法制备纳米微粒低压气体蒸发法(气体冷凝法)活性氢-熔融金属反应法溅射法流动液面真空蒸镀法激光诱导化学气相沉积化学蒸发凝聚法,5,液相法制备纳米微粒沉淀法喷雾法水热法溶剂挥发分解法溶胶一凝胶法(胶体化学法)超声电化学微乳液法,6,纳米结构材料(纳米固体、块体、膜)的制备方法主要有以下几种：惰性气体蒸发+原位加压法高能球磨法非晶晶化法磁控溅射法,7,低压气体蒸发制备纳米材料(氢等离子体法),该法利用快速凝固原理制备纳米粉体。先使系统达到预定高真空，然后充入低压(约2kPa)气体(含一定的活性气体H2)；将欲蒸发的金属置于坩埚内，通过等离子体将其蒸发，形成金属蒸汽；等离子体中心区温度高达4000-6000，金属蒸汽离开等离子焰后，温度急剧下降，加上气体对流及冷阱(液氮温区)作用，形成特殊的温度场为快速冷却创造条件。,8,金属蒸汽中的原子与气体原子碰撞，迅速损失能量而冷却，在金属蒸气中形成很高的局域过饱和，先形成原子团簇，再形成单个纳米微粒。系统研究了氢等离子体制备纳米金属粉体。,氢等离子法制备纳米粉体设备,9,目前已制备出Ni、Fe、Cu、Zn、Ag、Al、Mo、Ti等纳米金属粉体。氢等离子体法制备的纳米金属粉不含卤素、硫、氧、碳等杂质，具有纯度高、粒径均匀、松装密度小、表面活性高等特点。,氢等离子法制备纳米(a)Ni粉和(b)Fe粉,(a),(b),10,超声电化学微乳液法制备纳米粉体,利用超声波的空化作用和电化学原理制备纳米金属粉体。在电解液和微乳液形成的混合液中导入大功率超声波，产生大量空化气泡；气泡爆炸时释放巨大能量，产生具有强烈冲击力的微射流，促使相界面间的扰动和更新；,超声波的空化作用,11,空气泡在收缩-膨胀-爆炸中，内部气体的温度、压力骤然变化，产生局部的高温高压环境，促进电解微乳液中的形核；微乳液发生沉降、絮凝和聚集等，在晶核表面形成不良导体包覆层，阻碍电化学反应继续进行，防止金属粉体因持续电解发生长大和团聚，同时对生成的粉体形成原位包覆。,大功率超声波发生机,12,开展了超声电化学微乳液法制备纳米粉体的研究，金属粉体粒度可控(纳米/微米)；粉体可原位包覆，防止氧化，利于收集；工艺成本低，产量高，易于实现技术放大和产业化。目前已制备出Fe、Cu、Zn、Ag、Sn等多种粉体。,电化学制备的Cu粉粒径分布,电化学制备的Cu粉粒TEM图,13,球磨法制备纳米材料,利用金属磨球对原料粉末产生强烈的撞击、研磨和搅拌，经压延-压合-碾碎-再压合的反复过程，获得组织和成分较均匀的合金粉末。利用机械能实现合金化，也称为机械合金化法。,不锈钢磨球,ZrO2，Si3N4及Al2O3陶瓷球,14,球磨法还能制备纳米材料。粉末反复形变，局域应变增加引起缺陷密度增加，当缺陷密度达到临界值时，粗晶内部破碎；上述过程不断重复，促使晶粒细化，形成纳米晶结构。目前已制备出纳米晶纯金属，互不相溶的固溶体；纳米金属间化合物及纳米金属/陶瓷复合材料等。,行星式高能球磨机,15,利用高能球磨法，制备出纳米Ti(C,N)材料的前驱体纳米TiC，烧结后得到纳米晶Ti(C,N)粉体，晶粒尺寸仅几十纳米；贮氢材料课题组也利用高能球磨制备纳米合金粉体用于贮氢电池的研究。,纳米晶Ti(C,N)粉体的XRD图谱,纳米晶Ti(C,N)粉末的形貌,16,非晶晶化法,将原料用电弧或感应圈将坩埚内的母合金加热熔化成熔体，然后将合金液直接喷射到高速旋转的冷却辊轮上，冷却速度达到105-106/s，冷却得到非晶薄带。将非晶薄带放入真空晶化炉中进行热处理，得到具有纳米晶结构的材料。,快淬法制备非晶条带,17,我院金属材料系磁性材料组系统研究了合金成分、快淬工艺、热处理工艺等对纳米晶稀土永磁粉末微观结构和磁性能的影响。,真空动态晶化炉,真空电弧快淬炉,18,制备出高性能纳米晶NdFeB永磁粉末，其性能与国外同类产品相当，处于国际领先和国内一流水平。成果荣获2006年度国家科技进步二等奖、2004年度四川省科技进步一等奖等。,纳米晶NdFeB粉末的微观形貌,19,纳米材料和技术的应用,20,UTC860碳钢剧烈塑变后的显微硬度,经过剧烈塑性变形后，常规碳钢的微观组织得到改善，获得纳米晶结构，力学性能得到提高。,b,a,(a)UTC860碳钢剧烈塑变后的晶粒结构(约10nm)(b)剧烈塑变后350退火后晶粒结构(约70nm),Yu.Ivanisenko,R.K.Wunderlich,R.Z.Valiev,ScriptaMaterialia49(2003)947952,纳米材料和技术在工业上的应用,机械工程领域,21,经过多次剧烈塑性变形后，Fe的晶粒尺寸急剧减小到纳米级。小的晶粒尺寸、纳米粒子间产生的毛细管作用力是促使Fe/Cu合金化的驱动力。,X.Sauvage,F.Wetscher,P.Pareige,ActaMaterialia53(2005)21272135,22,采用纳米技术对机械关键零部件进行表面涂层处理，可提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。芬兰技术研究中心在碳钢上涂上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，涂层硬度达20.8GPa，涂层还具有良好的抗氧化和耐高温性。美国西北大学在工具钢沉积氮化物纳米复合多层膜，如TiN/NbN和TiN/VN等，硬度超过50GPa。,AlN纳米耐磨涂层,23,合肥工大研究纳米改性TiC基刀具材料，在金属陶瓷基体中加入纳米TiN、AlN细化晶粒，大幅提高刀具材料的强度、硬度和断裂韧性。四川大学研制了平均粒径约60nm的纳米VC粉体，应用于YG8硬质合金中作为晶粒抑制剂，使硬质合金抗弯强度超过2600MPa。,硬质合金刀具,纳米VC粉末的TEM图谱,24,燕山大学将立方氮化硼微粒在1800高温及15GPa的高压下进行压缩，这种晶体材料将重组形成纳米结构，维氏硬度达到108GPa，超过钻石。合成钻石的维氏硬度为100GPa，这种超硬材料与当前商用较低硬度的立方氮化硼价格相当，可用于机械加工、碾磨、钻探、切削工具以及制造科学仪器。,YongjunTian,BoXu,DongliYu,etal,Ultrahardnanotwinnedcubicboronnitride,Nature,2013,493,385388,25,将包裹表面活性剂的纳米磁性微粒(通常为Fe3O4和铁氧体，约10nm左右)弥散分布在特定基液中，得到稳定的复合体系纳米磁流体。纳米磁流体可大幅减少机械运行中的磨损。,纳米Fe3O4磁流体,26,在纳米尺寸下，强磁性颗粒呈超顺磁状态，在磁场作用下，磁性颗粒带动包裹液体一起运动。将磁流体分布在金属表面，纳米粒子完全填充到金属表面的微孔中，形成平滑金属表面，有利于形成完整的烃类保护膜，最大限度减少金属间的摩擦，减少能耗，降低机械噪声，延长机械寿命；我院纳米粉体课题组研制的纳米润滑油的润滑效果和美国乙基公司的产品相当，部分参数指标还大大超过乙基公司。,27,磁流体还可实现动密封。在需密封的部件上施加环状磁场，将磁流体约束在磁场中，形成具有密封作用的O形环，这种密封圈自身没有磨损，可以实现长时间的动态密封。计算机中已普遍采用磁流体密封防尘；精密仪器的转动部分，甚至机械人的活动部件亦采用磁流体密封。,磁流体密封示意图,用磁流体密封的法兰,28,利用纳米技术可直接制造超微型机械。设计出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械零器件，发明了纳米发动机和纳米执行机构。为今后开发和研制微小的分子机械奠定基础,以原子为起点设计的精密运动控制器，包含若干可以独立运动的齿轮和拔杆，共由2596个原子组成,纳米碳管和苯分子构成的纳米齿轮,29,2010年，美国劳伦斯实验室研制出世界首个纳米光驱动马达，体积非常小，可驱动4000倍大的硅盘。透过不同长度的光谱，可控制马达旋转的速度和方向，创造出更快的旋转速度或更大的动力。应用范围广泛，包括纳米电磁系统、纳米太阳能收集器，甚至可用于制造微型机器人的控制系统，用于生物细胞和DNA分子的检验研究。,研发全世界第一个纳米光马达的团队成员(左起)刘明、张翔、ThomasZentgrafLight-drivennanoscaleplasmonicmotors，NatureNanotechnology,2010(5):570573,30,2011年，荷兰格罗宁根大学合成一个结构特殊的分子，分子中间有一根“主轴”，前后两端各有两个类似轮子的结构，堪称世界最小的“电动车”.用探针碰一下分子，为之提供电流，四个“轮子”开始旋转，驱动整个分子前行。测试显示，施加10次电流，分子可以前进6nm。这种分子“电动车”将来可用于许多微观领域，比如把微量药物送达人体所需区域。,合成的四轮分子结构Electricallydrivendirectionalmotionofafour-wheeledmoleculeonametalsurface，Nature，2011，479（10）208211,31,化工催化领域纳米微粒表面原子配位不全，表面活性位置增加，使它具备作为催化剂的基本条件。随着粒径减小，微粒表面光滑程度变差，形成凸凹不平的原子台阶，表面所占体积百分数大，增加了化学反应的接触面。纳米催化剂将成为催化反应的主要角色。,纳米颗粒的凸凹表面,32,烯烃双键往往很难打开，用纳米Rh微粒催化，双链打开十分容易；粒径小于300nm的Ni和CuZn合金粉末可使有机物氢化效率比传统镍催化剂提高10倍；超细的Fe3O4微粒作为催化剂可在低温(270-300)下将CO2分解为C和H2O；,纳米Pd催化剂,33,半导体的光催化效应是指在光照下，半导体价带中的电子跃迁到导带，价带中出现的空穴将空气中的H2O氧化，导带中的电子将空气中的O2还原，产生氧化能力较强的-OH，使有机物产生降解（酯-醇-醛-酸-CO2）。,半导体光催化示意图,34,纳米半导体比常规半导体的光催化活性高得多量子尺寸效应使纳米半导体粒子的导带和价带能级变成分离能级，能隙变宽，具有更强的氧化还原能力；表面效应使纳米粒子的光生载流子比粗颗粒更容易从粒子内扩散到表面，有利于得失电子，促进氧化还原反应。,纳米二氧化钛光催化机理,35,常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐钛型)、CdS、ZnS和PbSe等。利用纳米TiO2丝阵列提高光催化效率已获成功，相比同样面积的TiO2膜，纳米阵列接受光的面积增加几百倍，光催化效率提高300倍以上。,纳米SiO2催化剂,36,纳米TiO2在可见光照射下对碳氢化合物(包括油污、细菌等)具有催化作用，使其进一步氧化成气体或是很容易被擦掉的物质。在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上纳米TiO2薄层，使其具有自清洁作用。,国家大剧院用的自清洁玻璃,37,碳纳米管是一种很有希望的储氢材料。碳纳米管在室温下就可吸附氢气，只要稍微加温就可释放氢气，有望促进氢能的规模利用。LiMn2O4纳米管电极的放电容量达133.8mAh/g，相同材料薄膜电极只有52mAh/g；循环10次后，纳米管电极的放电容量降至125mAh/g，薄膜电极降至41mAh/g。,纳米管储氢材料,新能源领域,38,超大电容的关键是让电子栖息地有更大的表面积，没有任何材料比碳纳米管更具优势；2011年，莱斯大学将碳纳米管自组装成密集对齐的结构，制造出一种以碳纳米管为基础的固态超级电容器。集高能电池和快速充电电容器的性质于一体，适合极限环境下使用。,CaryL.Pinta,NolanW.Nicholasa,Threedimensionalsolid-statesupercapacitorsfromalignedsingle-walledcarbonnanotubearraytemplates,Carbon,2011,49(14):48904897,超级电容器的结构图,39,2011年，德克萨斯大学从石墨烯中衍生出一种新型三维多孔碳材料，具有大量纳米微孔，比表面积达3100m2/g(两克此种材料的表面积相当一个美式橄榄球场)；作为电极可组装成超级电容器，其能量密度可达铅酸电池水平，同时还保持超级电容器固有的高功率输出和极快的充电速度；,Carbon-BasedSupercapacitorsProducedbyActivationofGraphene,Science,2011,332:1537-1541,RodneyRuoff教授(右)、朱彦武博士(中)和MerylStoller(左)以及新型碳材料的3D模型,40,2011年，英国科学家把不稳定的纳米氢化物用高分子载体固定成无数“微珠”，使其密度变大、体积缩小，发生爆炸的可能大大降低，可像液体般倾倒或抽取，解决了液态氢的保存难题。燃烧产物是水，碳排放量几乎为零，加满这种人造汽油的汽车可跑400-500公里。人造汽油售价仅为每升19便士，折合人民币2.8元，,人造汽油,包覆高分子的纳米氢化物,41,纳米粒子远小于可见光的波长(400-760nm)，对紫外光具有很强的吸收散射能力。纳米SiO2对400nm内紫外光的吸收率达到70%以上；纳米TiO2也有很强的散射和吸收紫外线的能力，改性添加后涂料抗紫外老化性能由250h提高到600h以上。复合添加对涂料的抗紫外老化性能有明显提高。,纳米粒子改性外墙涂料的耐老化性能,涂料领域,42,纳米材料的表面催化特性赋予纳米SiO2、TiO2、ZnO等具备消毒杀菌和自清洁作用，用于涂料可提高其耐候性和抗污染能力。纳米ZnO能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒的作用，通常与其它纳米材料配合使用于内外墙涂料中。,未放置纳米材料的实物，长满细菌,纳米复合改性内墙涂料抑菌效果,43,纳米材料具有大的表面积，使其与成膜物质和溶剂间形成强大的相互作用力；表面活性中心与成膜物质的官能团发生化学键结合，极大增加涂层的刚性和强度；使用纳米颜料和填料可减少添加量，提高基体树脂填充比，改进涂层的机械强度；纳米材料极大改善涂料的流变性，防止涂料沉降，使其具有良好的触变性及防流挂性。,纳米涂层后涂膜表观形貌,44,我院纳米抗菌涂料课题组制备出纳米改性复合涂料，耐候性好，在紫外线较强的地区已成功应用；具有抑菌功能，可杀灭金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌，同时还可降解甲醛，净化空气。,若尔盖红梅宾馆,阿坝县县政府办公楼,45,航空发动机叶片等构件表面纳米涂层处理后大大提高使用寿命：传统工艺的叶片平均寿命约4-8年，纳米涂层处理的叶片使用寿命可达20年。提高发动机效率需能承受高温的材料。增韧陶瓷在1000下也不变形，在发动机中应用后可使其在更高温度下工作，重量大大减轻。,航空航天领域,发动机用陶瓷部件,陶瓷环形火焰筒,46,纳米技术促进卫星向小型化和微型化发展。著名的“铱”星通信系统是由66颗重0.7吨的小型卫星组成的通信网络，可以实现全球“无缝隙”通信，是名幅其实的“全球通”。,铱星通讯系统,47,纳米卫星重量不足10千克，部件全部采用先进的微机电集成技术进行整合（MEMS）。在地球同步轨道上等间隔放置648颗功能不同的纳米卫星，可保证随时对地球上任何一点进行连续监视。用一枚小型运载火箭就可发射几百颗甚至上千颗纳米卫星，组成卫星网络。我国清华大学宇航研究院已经研制出重量为几十公斤的微型卫星，并发射成功。,小型卫星,48,出汗是常见的生理现象，通过汗液蒸发带走人的部分热量，实现体温调节。高速飞行的飞行器与空气摩擦产生大量热量。为及时散热，先制成高强度的纳米介孔骨架，然后用低熔点金属填充孔隙，制成“发汗金属”。温度升高，低熔点金属熔化、沸腾和蒸发，及时带走大量热量，保护喷嘴骨架，保证飞行器正常远行。,生理出汗,仿生出汗可用于航天飞机,49,信息技术领域传统电子产业具有以下限制：以量子隧穿效应等为代表的物理限制；以功耗、互联延迟等为代表的技术限制；制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，具有量子效应的纳米材料将突破这些限制，提供不同于传统器件的全新功能，对信息技术和其他相关领域产生深刻影响。,50,把自由运动的电子限制在一个纳米颗粒内，或在一根宽度只有几纳米的金属线内，电子运动受到限制，原具有连续任意动量的状态变成只有某一动量值(电子能量量子化)。自由电子能量量子化后，可形成用一个电子控制的电子器件(单电子器件)。电压合适(Ve/C)，量子点上的单电子穿过能垒到另一个量子点；电压不合适，单电子不能隧穿，,单电子器件原理图,51,单电子器件尺寸很小，把它们集成起来做电脑芯片，电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。单电子晶体管原型器件首先由加州大学洛杉矶分校和IBM公司共同研究成功，功耗低，适合于高度集成，是新一代微型器件的基础。,52,2012年，澳大利亚新南威尔士大学研究出一种可工作的单原子晶体管，由刻蚀在硅基底上的单个磷原子构成，拥有控制电流的门电路和原子级的金属接触，为下一代计算机研制打下基础。,MartinFuechsle,Asingle-atomtransistor,NatureNanotechnology,2012(7):242246,53,Intel公司研制的纳米晶体管，比常规晶体管体积小30，速度快25，运行速度接近20GHz。美国的“美洲虎”超级计算机，运算速度达1.75petaflop（每秒钟可进行1750万亿次浮点运算）。2011年，我国“天河一号”超级计算机的运算速度每秒2507万亿次，峰值每秒4700万亿次(成为全球最快计算机)，中央处理器首次采用自主研制的“银河飞腾1000”芯片，数量约占全部CPU的七分之一。用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等领域。,2016年8月，“神威太湖之光”超天河二号成为世界上运行最快的超级计算机。申威26010处理器：25平方厘米集成数十亿晶体管，达到了每秒3万多亿次计算能力。“神威太湖之光”共有40960块申威处理器，一分钟的计算能力相当于全球72亿人口用计算器不间断计算32年。,54,55,纳米氧化铬/复合稀土粉体是有效的尾气净化剂，电子在其三价和四价离子间传递，具有极强的氧化还原能力；加上纳米材料表面效应，可在氧化CO的同时还原氮氧化物，使其转化为CO2和N2。新一代纳米催化剂在汽缸里直接催化，使汽油燃烧时不产生CO和氮氧化物，无需进行尾气处理。,环保领域废气的治理,56,工业废水中含有对人体极其有害的贵金属，而且从污水中流失是资源浪费；同时废水中含有毒有害物质、悬浮物、泥沙、异味污染物、细菌病毒等。传统水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，纳米技术的发展很可能彻底解决这一难题。,废水的治理,工业废水,污水处理装置,57,磁性物质和活性炭等净化装置能有效除去铁锈、泥沙及异味污染物，同时提炼污水中贵金属，变害为宝。纳米净水剂的吸附和絮凝能力是普通净水剂的10-20倍，能将污水中的悬浮物完全吸附并沉淀下来。用不同纳米孔径的水处理膜和陶瓷小球组成的装置可将水中的细菌、病毒去除，得到高质量纯净水。,纳米过滤陶瓷,纳米净水器,纳米过滤陶瓷片,58,2015年，美国研制出一款污水处理装置（蒸馏过滤），可从粪便中提取可直接饮用的纯净水；这款装置将在塞内加尔投入试运行，帮助当地贫困居民喝上干净的水；每台装置能为10万人提供干净饮用水。为支持这一项目，比尔盖茨喝了一杯这种水味道并不比任何瓶装水差。,59,医学领域,纳米微粒的尺寸比生物细胞、红血球还要小,为医学研究提供了新的契机。应用纳米材料和技术可方便有效进行细胞分离、病情诊断、靶向药物定向治疗等，这些技术已成为医学的前沿科技，直接应用于临床诊断和药物开发等。,60,传统细胞分离技术所需时间长，效果差。在粒径为15-20nm的SiO2纳米微粒表面包覆层与要分离的细胞具有亲和作用的物质，得到的复合体尺寸约为30nm。细胞尺寸一般在微米级，在包覆层作用下，30nm的纳米包覆体很容易依附在需分离的细胞上，利用密度梯度原理，很快分离所需细胞。,细胞离心分离,细胞分离技术,61,判断胎儿是否有遗传缺陷，需采用细胞分离技术，常用价格昂贵并对人体有害的羊水穿刺等技术；用纳米SiO2微粒很容易将孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来，准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。利用纳米微粒可在早期肿瘤患者的血液中分离检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。用纳米微粒可分离检查心脏病患者血液中的心肌蛋白，帮助治疗心脏病。,62,MIT研究了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物在磁性纳米粒子表面涂覆高分子，外部与蛋白结合，这种复合磁性纳米粒子作为药物载体，注射到生物体内；在外加磁场作用下，通过纳米微粒的磁性导航，药物移向病变部位，实现定向治疗；降低药物剂量，减轻副作用。这种磁性靶向药物可用于癌症的诊断和治疗。,纳米药物,63,把药物制成纳米微粒，不仅可在血管和人体组织内运动，而且比表面积大，能和体内组织充分接触，便于人体吸收，具有更好的医疗效果。,64,我国中药之所以难以做成见效快的注射剂，是因为大部分中药的有效成分不溶于水，只能煎服。很多不溶于水的物质做成纳米微粒后可溶于水。把中药的有效成分做成纳米微粒就可溶于水中，这将有利于我国中药的发展。把人参的有效成分制成纳米微粒，溶于水后注射入人体，十分方便地就可将其全部吸收。,人参,黄芪,杜仲,当归,65,冬虫夏草的精华成分主要含在细胞内，对其进行超微粉碎达到细胞破膜、破壁，打破细胞结构，精华成分溶出比原草至少提升7倍，易于释放和吸收；对珍稀药用资源的可持续发展、青藏高原的环境保护、藏区农牧民生活的安定富裕有积极意义。,冬虫夏草,超微破碎后的含片,2013年国际健康成就奖,66,纳米微粒在临床诊断上有重要应用，它可使临床诊断变得准确、快捷，有利于对疾病的及时发现和早期治疗。纳米金颗粒通过弱相互作用与生物大分子结合，也可通过化学键与生物大分子偶联，不改变大分子生物活性；金颗粒具有电子密度高、分辨率高、对结构遮盖少、定位精确等特点。用纳米金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，用于快速诊断。,纳米诊断技术,67,通常对艾滋病的检测主要采用复杂的酶联免疫染色法，成本高，只适于专门机构采用。纳米金胶体与免疫球蛋白结合制备的金探针可方便定性检测：准备预吸附了HIV抗原的特殊滤纸；若待测液中有HIV抗体，免疫球蛋白与抗体-抗原复合物结合，金颗粒附在滤纸上呈现红色，为抗体阳性；若没有，纳米金颗粒全部通过滤纸，不显红点，为抗体阴性。该法可用肉眼观察，简单易行，不需特殊仪器，成本低，可推广至普通基层医院或血站。,快速艾滋病检测试剂,快速艾滋病检测试纸,68,如将金溶胶妊娠试剂加入尿液中，未妊娠呈无色，妊娠则呈显著红色。仅用0.5g金即可制备1万毫升的金溶胶，可测1万人次，其判断结果清晰可靠。,快速检测妊娠试剂棒,69,纳米微粒在核磁共振成像领域可做为增强显示材料，不但使检测更为准确，而且成本大大降低。处于纳米尺度的氧化铁具有超顺磁性，这种性能意味在外部磁场作用下它能集中在某个区域。,外包层,纳米硅示踪颗粒,70,肝脏内的网状内皮细胞是由枯否细胞和巨吞噬细胞构成，它可吞噬氧化铁颗粒，但恶性肿瘤细胞仅含极少量枯否细胞，无法大量吸收氧化铁。纳米氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的功能差别：正常组织吸收纳米氧化铁，表现为黑的低信号；病灶不吸收纳米氧化铁，表现为亮的高信号。,黑的低信号,亮的高信号,71,2012年，中科院化学所研制出新型癌细胞靶向识别的生物粘附界面，实现对癌变淋巴细胞高效捕获及释放通过化学腐蚀得到三维纳米线阵列基底，再修饰可对癌变淋巴细胞产生特异吸附的核酸适配体，实现对目标细胞的高效捕获，效率高于传统二维材料两个数量级。只需利用核酸外切酶切断核酸适配体单链分子，捕获的细胞便可有效释放，避免对细胞的伤害。在细胞重大疾病诊断，如HIV检测、癌症检测等领域具有巨大的应用前景。,Feng,LingyanDetectionofaPrognosticIndicatorinEarlyStageCancerUsingFunctionalizedGrapheneBasedPeptideSensors,AdvancedMaterials,2013,24:125131,72,磁疗治癌是从人体外利用电磁场对肿瘤部位进行加热，当温度高于40时杀死癌细胞，但这种方法也会同时损害肿瘤周围的健康组织。,纳米治疗技术,阳离子脂质体,中性脂质体,将纳米磁性氧化铁微粒注入肿瘤里，置于可变磁场中受磁场作用，肿瘤里的纳米氧化铁微粒升温到45左右，烧毁癌细胞；肿瘤附近的健康组织没磁性微粒，温度不升高，不受到伤害。,AkiraIto,MasashigeShinkai,HiroyukiHonda,etal.J.BiosciBioeng.100,1(2005):111,73,纳米机器人比红血球小，能周游于人体而不被免疫系统排斥，以光感应器作开关，从溶解在血液的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探示体内物体，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。,纳米机器人清扫血管和捕捉病毒示意图,74,国防领域,海湾战争中，美军第一天出动的战机就躲过伊拉克严密的雷达监视网，摧毁了电报大楼和其他军事目标。在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，摧毁伊军95的重要军事目标，而战机受损很少。,隐身材料,海湾战争,75,美机的机身表面涂覆了红外与微波隐身材料，具有优异的宽频微波吸收能力，可逃避雷达的监视；伊拉克的军事目标没有防御红外探测的隐身材料，很容易被战机上灵敏的红外探测器发现，通过激光制导武器就能准确打击目标。,海湾战争中的美军战斗机,76,纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的吸收比常规材料强得多，大大减少波的反射，使红外探测器和雷达接收的反射信号很弱；纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬键增多使电磁波吸收频带拓宽；纳米颗粒的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，可形成电磁波的多重散射；,美B2和B52隐形战略轰炸机,77,纳米材料的量子尺寸效应使电子能级分裂,分裂的能级间距处于微波能量范围,为纳米材料创造了新的吸波通道；美国研制的纳米隐身涂料“超黑粉”对雷达波的吸收率达99，将其涂在战机、导弹等攻击性飞行器表面，能有效吸收敌方防空雷达的电磁波。,美F117隐形战斗机,78,2011年，美国海豹突击队采用绝密武器“隐形直升机”，成功突袭目标人物本拉丹。直升机的桨叶在旋转时会产生一种很容易识别的声音。如果能降低这种声音，那就很有可能让人听不到。附近的巴基斯坦居民称，他们一开始并没有听到直升机的声音，直到它们飞到差不多正上空的位置才察觉。机尾螺旋桨整流罩、稳定器、尾翼都经过改良；桨叶上有降噪材料；机身使用了类似于隐形战机上的纳米材料。,隐形直升机概念图,79,利用纳米材料制造军舰、潜艇的蒙皮，可灵敏感觉水流、水温、水压等的极细微变化，及时反馈给中央计算机并进行操纵微调，将信号特征减至最小，大幅降低噪声，达到隐身目的，并大大节约能源。根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷，及时做出规避动作。,采用隐身涂料的美国宙斯盾导弹驱逐舰,智能核潜艇,80,人体的红外线很容易被灵敏的中红外探测器发现。纳米Al2O3、TiO2、SiO2等具有很强的中红外频段吸收特性，对人体红外线有很好的吸收屏蔽作用。纳米颗粒对人体红外线的强吸收作用可增强保暖，减轻衣服重量，用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，重量可减轻30%。,纳米军服,美陆军纳米男式常服,传统作战服,81,纳米侦察设施,纳米侦察机是一种比苍蝇还小的遥控飞行装置，可携带各种探测仪器，不仅具有信息处理、导航和通讯能力，还可有效避开敌方雷达探测。可昼夜拍摄红外照片，及时将最新情报传回数百公里外的基地，也可直接引导导弹攻击目标。可单兵配置，在小分队和单兵作战时探测周围军情，以防遭受敌方突然袭击。,研制中的纳米侦察机,82,2011年，美国研制出一种可放入口袋的蜂鸟侦察