纳米材料及应用

,纳米材料及其应用,三组2014.5,纳米技术概念的提出,40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。,纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。,纳米结构材料首次合成1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd,Fe,Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。,一、纳米材料的研究和发展历程,A1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在时代周刊上，被称为当年最了不起的公司广告，轰动全球。从此开创了一个崭新的纳米世界。每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近Xe原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。,在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。,1991年元旦前夕，日本日立电子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词“peace91”（和平91）。每个字母的高度均小于1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从二硫化钼晶体上轰击出来写成的。美国商业机器公司的“IBM”是在-263下拼出的，而日立公司的祝词则是在室温下完成的。该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶段。,1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。,1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2nm）硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米白春礼院士1988年4月12日，中国第一台计算机控制的STM研制成功。,纳米材料的应用,光电材料环境和能源生物医学航天和航空军事,FROM:,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。,光电材料,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，这张片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。,CPU,SRAM静态随即存储器,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。,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。,纳米存储器,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,1.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。,在化工领域中的应用,2.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,利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.51%，即可充分屏蔽紫外线。目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。,3.走进你家里,纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。,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,在生物医学领域的应用,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,纳米机器人,“纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,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。,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、开胸手术。,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。,第一届纳米科学技术会议1990年7月，在美国巴尔德摩召开了国际第一届纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。NanostructuredMaterials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召开了第一届纳米结构材料会议。张志焜和崔作林参加80年代以来，各国已投入大量人力，物力开展纳米超微粒的研究，如美国、日本。,三、各国纳米技术发展现状,我国的纳米科技发展现状,天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1）,京工红旗厂中商纳米公司成本增加20%,3.1国内纳米科技发展进展3.2存在问题,国家纳米技术产业化基地于2000年12月6日正式批准成立，坐落在天津经济技术开发区，占地2平方公里。,国内纳米科技发展进展2010年纳米科技发展的“三大目标”,中国科学技术部2003.8.26组织召开国家纳米科技工作会议，并具体提出2010年中国纳米科技发展的三大目标：1纳米科学前沿领域，要以纳米电子学、纳米尺度的加工及组装技术、纳米生物和医学、纳米材料学等前沿理论和方法为重点，建立、完善国际先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验室系统，加强纳米科技信息网络和科研开发网络建设，构筑国家纳米科技创新体系。2纳米技术开发及其应用方面，要在纳米材料的制备、纳米器件制造工艺及装备、微型计算机和信息系统、环境和能源、医疗与卫生、生物和农业、航天和航空以及国防建设领域，攻克一批重大关键技术，取得一批对未来产业有重大影响的知识产权，为纳米科技成果的应用与产业化奠定技术基础。3形成纳米科技骨干队伍方面，吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进懂科技、懂经营、懂管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。,发展现状,政府重视我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告列入十五规划列入“863”、“973”计划。科研投入我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势。但因基数太小，根本不能和美、日、欧盟等技术大国相比。主要研发力量我国纳米技术研发力量表面相对集中，实际上仍很分散，难以形成规模优势。研发力量主要集中在高等院校和科研院所。企业介入纳米技术的研发领域占5%，力量薄弱且层次不高。80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。但在较低层次的纳米材料领域，就集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。科研成果尽管我国对纳米技术研究投入严重不足，但在过去10年中我国科学家还是取得了非凡的成绩。在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中多篇发表在自然和科学等世界顶级学术杂志上。技术人才国内有50多所高等学校、科研院所、名纳米科研人员。产业化状况据调查，全国共有纳米企业323家，其中以“纳米”注册的企业共57家。但大多数企业尚处初创期，技术尚不成熟，处在微利或亏损的状态。,存在问题,空有计划虚有组织虽然有关部门制定了我国纳米技术发展的十年规划，并成立了国家纳米技术指导小组，但因种种原因使我国纳米技术发展几乎空有计划、虚有组织，发挥不了应有的强大作用。科研投入严重不足，迄今为止，尚无有关纳米技术的国家预算规划出台。,缺乏专业人才尽管我国有4500多人的纳米技术研究队伍，但以传统分门别类的教育体制培养的“专业人才”，不适合也远远不适应纳米技术发展需要；据初步测算，为推动我国纳米技术的发展，近期就至少需要1万名复合型的纳米科研人员，而目前我国从事纳米技术研究的科研人员大都是从其它领域转到或延伸到纳米领域的，在知识结构和知识面上存在着一定缺陷，人才缺口非常明显，但每年还有大量的人才流失。原创性成果少文章数量多，高档次少，专利少；已经转化的技术中，还有很多是不成熟的。这不仅造成了企业的损失，而且也给纳米技术的发展造成了严重的影响。,我国与世界各技术大国在纳米技术上的差距不仅仅在技术本身，更重要的是机制和体制上以及政府部门的支持力度上。因此，政府有必要支持建立一个强大的、跨学科的、开放的、流动的、市场化的、综合的研发平台，推动研发工作在联合中竞争，在竞争中联合，并以此作为研究机构与企业之间的纽带。,1该数字为联邦政府对国家级研究所和大学等专业单位的投入。受限于预算制度，美国没有长期预算计划。,国际纳米科技发展态势和特点2002-2006一、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划(一)发达国家和地区雄心勃勃为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划，其宗旨是开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作。2003年11月，通过了21世纪纳米技术研