第八讲新材料中的化学

1、材料：是具备有用性能、可用来制造物质产品材料：是具备有用性能、可用来制造物质产品的物质。的物质。材料是人类社会赖以生存和发展的物质基础。材料是人类社会赖以生存和发展的物质基础。材料与社会文明程度的关系材料与社会文明程度的关系一、传统材料的新开发一、传统材料的新开发1.1.金属材料金属材料黑色金属：铁、铬、锰等几种黑色金属：铁、铬、锰等几种有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的多种金属的统称。在自然界元素中，有色金属占多种金属的统称。在自然界元素中，有色金属占6464种，是元素周期表中最庞大的种，是元素周期表中最庞大的“家族家族”。重金属与轻金属

2、重金属与轻金属贵金属与稀有金属贵金属与稀有金属钛及其合金钛及其合金在地壳中约占总重量的0.42%,在金属世界里排行第七,含钛的矿物多达70多种、在海水中含量是1ug/L，在海底结核中也含有大量的钛。钛的抗腐蚀能力，比常用的不锈钢强15倍,使用寿命比不锈钢长10倍以上。钛是钛是“亲生物金属亲生物金属”。应。应用于膝关节、肩关节、肋用于膝关节、肩关节、肋关节、头盖骨、主动心瓣、关节、头盖骨、主动心瓣、骨骼固定夹等方面。骨骼固定夹等方面。二氧比钛是一种宝贵的白二氧比钛是一种宝贵的白色颜料，叫钛白。钛白兼色颜料，叫钛白。钛白兼有铅白的掩盖性能和锌白有铅白的掩盖性能和锌白的持久性能，它是世界上的持久性能

3、，它是世界上最白的物质之一，最白的物质之一，1克钛克钛白可以把白可以把450多平方厘米多平方厘米的面积涂得雪白。特别可的面积涂得雪白。特别可贵的是钛白无毒。贵的是钛白无毒。“钛飞机钛飞机”可以减轻机体可以减轻机体重量重量5吨，多载乘客吨，多载乘客100多名。在新型喷气多名。在新型喷气发动机中，钛合金已占发动机中，钛合金已占整个发动机重量的整个发动机重量的1825；在最新出现的超；在最新出现的超音速飞机上，钛的使用音速飞机上，钛的使用量几乎占到整个机体结量几乎占到整个机体结构总重量的构总重量的95钛潜艇可以下潜到钛潜艇可以下潜到4500米以下，用米以下，用钛制造军舰、轮船，钛制造军舰、轮船，不用

4、涂漆，在海水不用涂漆，在海水中航行几年也不会中航行几年也不会生锈。由于钛不是生锈。由于钛不是铁磁体物质，不会铁磁体物质，不会被磁水雷发现。被磁水雷发现。2.2.无机非金属材料无机非金属材料陶瓷是人类最早利用的材料，由陶瓷是人类最早利用的材料，由粘土、石英、长石等矿物原料配制而成。从粘土、石英、长石等矿物原料配制而成。从陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从传统陶瓷陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃。从先进陶瓷到纳到先进陶瓷是第二次飞跃。从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次飞跃。陶瓷材料优点是强度米陶瓷是第三次飞跃。陶瓷材料优点是强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，高，收缩小，

5、机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。性。 陶瓷防弹板 以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物为以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺而获得主要原料，改进和发展传统陶瓷工艺而获得的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易性都有大幅度提高，克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已成为受到普遍重视的一种重要碎的弱点，已成为受到普遍重视的一种重要的新型工程材料。的新型工程材料。 这种陶瓷在国外又称工这种陶瓷在国外又称工程陶瓷、精密陶瓷或结

6、构陶瓷。按应用和发程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子展大致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷两大类。特种功能陶瓷两大类。 一种长度单位，一纳米一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四之一微米。大约是三、四个原子的宽度。个原子的宽度。 1. 1.纳米（纳米（nanometernanometer，nmnm）纳米材料纳米材料2.纳米科学技术（纳米科学技术（nanotechnology） n是用单个原子、分子制造物质的科学技术。是用单个原子、分子制造物质的科学技术。 n纳米科学技术是以许多现代先进科学技术

7、为纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。术、核分析技术）结合的产物。n纳米科学技术将引发一系列新的科学技术，纳米科学技术将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。 n3.纳米技术发展历程纳米技术发展历程 n著名的诺贝尔奖获得者著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在

8、在60年代年代就预言，如果对物体微小规模上的排列加以就预言，如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材料。料。n1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工术一词描述精密机械加工 n1982年，科学家葛年，科学家葛.宾尼和海宾尼和海.罗雷尔发明研罗雷尔发明研究纳米的重要工具究纳米的重要工具扫描隧道显微镜（简称扫描隧道显微镜（简称为为STM），为我们揭示一个可见的原子、分），为我们揭示一个可见的原子、分子世界

9、，对纳米科技发展产生了积极的促进子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用作用n1990年年7月，第一届国际纳米科学技术会议月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生的正式诞生 n19911991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的体积钢的六分之一，强度却是钢的1010倍，成为倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也

10、将被广泛用于超微导线、超微开关选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等以及纳米级电子线路等 n19931993年，继年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、19901990年美国国年美国国际商用机器公司在镍表面用际商用机器公司在镍表面用3636个氙原子排出个氙原子排出“IBM”IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，标志二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地着我国开始在国际纳米科技

11、领域占有一席之地 1990年，年，IBM公公司的科学家在金属司的科学家在金属镍表面用镍表面用35个惰个惰性气体氙原子组成性气体氙原子组成“IBM”三个英文三个英文字母。意味着人类字母。意味着人类从此可以对原子进从此可以对原子进行操纵！行操纵！这是中国科学这是中国科学院化学所的科院化学所的科技人员利用纳技人员利用纳米加工技术在米加工技术在石墨表面通过石墨表面通过搬迁碳原子而搬迁碳原子而绘制出的世界绘制出的世界上最小的中国上最小的中国地图。地图。n1997年，美国科学家首次成功地用单电子年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在移动单电子，利用这种技术可望在20年后研年后研制成

12、功速度和存储容量比现在提高成千上万制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；倍的量子计算机；n1999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的管实验时发明了世界上最小的“秤秤”，它能，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的能称量单个原子重量的“秤秤”，打破了美国，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。和巴西科学家联合创造的纪录。 纳米材料从根本上改变了材料的结构，为克纳米材料从根本上改变了材料的结

13、构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。其性质主要体现在以下三个开辟了新途径。其性质主要体现在以下三个方面：方面：一、表面效应一、表面效应 二、小尺寸效应二、小尺寸效应 三、宏观量子隧道效应三、宏观量子隧道效应 4.纳米材料的性质纳米材料的性质对直径大于对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于略不计，当尺寸小于 0.1微米时，其表面微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒克超微颗粒表面积的总和可高达表面积的总和可高达100m2，这时的表面，这时的表面效应将不容忽略。

14、效应将不容忽略。 一、表面效应一、表面效应超微颗粒的表面具有很高的活性，在超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。及低熔点材料。 二、小尺寸效应二、小尺寸效应n由于颗粒尺寸变小所引起的宏

15、观物理由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。性质。 n（1） 特殊的光学性质特殊的光学性质 n所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。由所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等利用这个特性可以作为

16、高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。外隐身技术等。 （2） 特殊的热学性质特殊的热学性质n固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于于10纳米量级时尤为显著。纳米量级时尤为显著。n金的常规熔点为金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小，当颗粒尺寸减小2纳米纳米尺寸时，熔点仅为尺寸时，熔点仅为327左右；银的

17、常规熔点为左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于，而超微银颗粒的熔点可低于100。 n超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点覆盖面积大，既省料又具高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力例下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力例如，在钨颗粒中附加如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微重量比的超微镍颗粒后

18、，可使烧结温度从镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。大功率半导体管的基片。 （3） 特殊的磁学性质特殊的磁学性质 n小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。已将磁

19、性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。n（4）特殊的力学性质）特殊的力学性质n纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混纳米材料具有大的界面，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一定的延展性表现出甚佳的韧性与一定的延展性 n超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。能、声学特性以及化学性能等方面。5.纳米材料的应用纳米材料的应用 n在陶瓷领域的应用在陶瓷领域的应用 n纳米陶瓷能克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金纳米陶瓷能克服陶瓷

20、材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。易加工等优点。 n例如纳米例如纳米ZnO可不经磨碎直接用于陶瓷行业，可不经磨碎直接用于陶瓷行业，并使陶瓷制品的烧结温度降低并使陶瓷制品的烧结温度降低400600，烧，烧成品光亮如镜，减少了生产工序，降低了能耗。成品光亮如镜，减少了生产工序，降低了能耗。加有纳米加有纳米ZnO的陶瓷制品具有抗菌

21、除臭和分解的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有机物的自洁作用，任何粘污在表面上的物质，有机物的自洁作用，任何粘污在表面上的物质，包括油污、细菌在光的照射下，由纳米的催化包括油污、细菌在光的照射下，由纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质，作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质，大大提高了产品质量。大大提高了产品质量。在电子计算机和电子工业中的应用在电子计算机和电子工业中的应用 n在信息技术领域，现在普遍使用的数据处理和在信息技术领域，现在普遍使用的数据处理和存储技术即将达到最终极限。为获得更强大的存储技术即将达到最终极限。为获得更强大的信息处理能力，人们正在开发信息处理能力，人们正在开发D

22、NA计算机和量计算机和量子计算机，而制造这两种计算机都需要有控制子计算机，而制造这两种计算机都需要有控制单个分子和原子的技术能力。单个分子和原子的技术能力。n纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为子学将成为21世纪信息时代的核心。世纪信息时代的核心。在纺织工业中的应用在纺织工业中的应用 在合成纤维树脂中添加

23、纳米在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米、纳米ZnO、纳米、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。采用纳米抗紫外线辐射的功能纤维。采用纳米ZnO和和SiO2混混合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣

24、、窗帘及厕所用纺织品等。布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等。n将将ZnO微粉掺入异形截面的聚酯纤维或长丝中，微粉掺入异形截面的聚酯纤维或长丝中，可制成防紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功可制成防紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能。除能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能。除用于制造手术服、护士服外，还可制造内衣、用于制造手术服、护士服外，还可制造内衣、外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐蓬、日光伞、夏外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐蓬、日光伞、夏日装、农用工作服、运动服等。日装、农用工作服、运动服等。n在化妆品中的应用在化妆品中的应用 n纳米纳米ZnO在阳光，尤其在紫外线照射下，能把

25、大多在阳光，尤其在紫外线照射下，能把大多数病菌和病毒杀死。据有关单位对纳米数病菌和病毒杀死。据有关单位对纳米ZnO的定量的定量杀菌试验，在杀菌试验，在5min内纳米内纳米ZnO的浓度为的浓度为1%时，时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%，大肠杆菌的，大肠杆菌的杀菌率为杀菌率为99.93%。所以在化妆品中添加纳米。所以在化妆品中添加纳米ZnO，既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。既能屏蔽紫外线防晒，又能抗菌除臭。 n近年来诸如纳米近年来诸如纳米ZnO、TiO2和氧化铁红等一批和氧化铁红等一批无机粉体的防晒剂倍受青睐，因为它们无毒、无机粉体的防晒剂倍受青睐，因为它们无毒、

26、无味、对皮肤无刺激性，不分解、不变质、热无味、对皮肤无刺激性，不分解、不变质、热稳定性好，且纳米稳定性好，且纳米ZnO本身为白色，可以简单本身为白色，可以简单地加以着色，价格便宜，吸收紫外线能力强，地加以着色，价格便宜，吸收紫外线能力强，对对UVA（长波（长波320400nm）和）和UVB（中波（中波280320nm）均有屏蔽作用，因而得到广泛）均有屏蔽作用，因而得到广泛使用。使用。在医学上的应用在医学上的应用 n用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进用纳米技术制造的微型机器人，可让它安全地进入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它入人体内对健康状况进行检测，必要时还可用它直接进行治疗；

27、用纳米技术制造的直接进行治疗；用纳米技术制造的“芯片实验室芯片实验室”可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得检测可对血液和病毒进行检测，几分钟即可获得检测结果；结果；n科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药物科学家还可以用纳米材料开发出一种新型药物输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的输送系统，这种输送系统是由一种内含药物的纳米球组成的，这种纳米球外面有一种保护性纳米球组成的，这种纳米球外面有一种保护性涂层，可在血液中循环而不会受到人体免疫系涂层，可在血液中循环而不会受到人体免疫系统的攻击，如果使其具备识别癌细胞的能力，统的攻击，如果使其具备识别癌细胞的能力，它就可直接将药物送到癌变部位，而

28、不会对健它就可直接将药物送到癌变部位，而不会对健康组织造成损害。康组织造成损害。 n科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。少副作用等。n另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。验，估计不久的将来即可服务于人类。 研究纳研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生

29、物大分子的精细结构及其与功能的关上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。 n科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景。我们知道人体中红血球的重要功能之起的情景。我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳

30、。画中体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的蓝色小球称为呼吸者，它们不仅具有比红血球的蓝色小球称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。将无用的二氧化碳带走。n画家笔下的一种纳米仿生术机器人。这种称为游画家笔下的一种纳米仿生术机器人。这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。胞修复等工作。 n描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积描述的是一

31、个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。开胸手术。 在军事中的应用在军事中的应用 n雷达波吸收材料（简称吸波材料）系指能有效地吸雷达波吸收材料（简称吸波材料）系指能有效地吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料。吸收入射雷达波并使其散射衰减的一类功能材料。吸波材料的研究在国防上具有重大的意义，这种波材料的研究在国防上具有重大的意

32、义，这种“隐隐身材料身材料”的发展和应用，是提高武器系统生存和突的发展和应用，是提高武器系统生存和突防能力的有效手段。纳米微粉是一种非常有发展前防能力的有效手段。纳米微粉是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂。途的新型军用雷达波吸收剂。n纳米金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜纳米金属氧化物由于质量轻、厚度薄、颜色浅、吸波能力强等优点，而成为吸波材色浅、吸波能力强等优点，而成为吸波材料研究的热点之一。将纳米涂料涂在飞机料研究的热点之一。将纳米涂料涂在飞机上就可以制造出隐形飞机。上就可以制造出隐形飞机。 在家电中的应用在家电中的应用 n用纳米材料制成的纳米多功能塑料，具有抗用纳米材料制成的纳米多

33、功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。例如江西恒大高新技术实业有限公司和有关例如江西恒大高新技术实业有限公司和有关科研单位合作开发成功并投产一种只有一张科研单位合作开发成功并投产一种只有一张IC卡大小并且具有抗菌、除臭、保鲜功能的卡大小并且具有抗菌、除臭、保鲜功能的星河纳米电冰箱卫生卡。星河纳米电冰箱卫生卡。n据介绍，这一新品内含金属和非金属纳米据介绍，这一新品内含金属和非金属纳米材料，采用广谱长效的无机物杀菌原理，材料，采用广谱长效的无机物杀菌原理，可杀死电冰

34、箱内的多数细菌，且对人体无可杀死电冰箱内的多数细菌，且对人体无害。它以极大的表面积大量吸附有机分子，害。它以极大的表面积大量吸附有机分子，使这些分子迅速在表面催化分解，产生长使这些分子迅速在表面催化分解，产生长效除去电冰箱的异味。效除去电冰箱的异味。 n将一定量的超细将一定量的超细ZnO、Ca(OH)2、AgNO3等加入磷酸盐溶液中，经混合、干燥、粉等加入磷酸盐溶液中，经混合、干燥、粉碎等再制成涂层涂于电话机、微机上，有碎等再制成涂层涂于电话机、微机上，有很好的抗菌性能。很好的抗菌性能。 n彩电等家电一般都是黑色，被称为黑色家彩电等家电一般都是黑色，被称为黑色家电，这是因材料中需加入炭黑进行静

35、电屏电，这是因材料中需加入炭黑进行静电屏蔽。而利用纳米技术，已研制出可静电屏蔽。而利用纳米技术，已研制出可静电屏蔽的纳米涂料，通过控制纳米微粒的种类，蔽的纳米涂料，通过控制纳米微粒的种类，人们可进而控制涂料颜色，黑色家电将变人们可进而控制涂料颜色，黑色家电将变成彩色家电。成彩色家电。 在玻璃等建筑材料中的应用在玻璃等建筑材料中的应用 n添加纳米添加纳米ZnO的玻璃可抗紫外线、耐磨、的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭，可用作汽车玻璃和建筑用玻抗菌和除臭，可用作汽车玻璃和建筑用玻璃。璃。 n在玻璃表面涂一层渗有纳米在玻璃表面涂一层渗有纳米TiO2的涂料，的涂料，普通玻璃马上变成具有自己清洁功能的普

36、通玻璃马上变成具有自己清洁功能的“自洁玻璃自洁玻璃”，无需人工擦洗。，无需人工擦洗。n例如由长春新世纪纳米技术研究所研制成例如由长春新世纪纳米技术研究所研制成功的功的“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳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通玻璃的价格比预计为1.5：1。 国家大剧院采用自清洁玻璃国家大剧

37、院采用自清洁玻璃 n在石膏中掺入纳米在石膏中掺入纳米ZnO及金属过氧化物粒及金属过氧化物粒子后，可制得色彩鲜艳、不易褪色的石膏子后，可制得色彩鲜艳、不易褪色的石膏产品，具有优异的抗菌性能，适用于建筑产品，具有优异的抗菌性能，适用于建筑材料和装饰材料。材料和装饰材料。 描述的是两描述的是两种不同的分种不同的分子在分子间子在分子间作用力的作作用力的作用下在溶液用下在溶液中自组装的中自组装的情形。由于情形。由于纳米机械尺纳米机械尺寸非常小，寸非常小，必须具有自必须具有自组装、自我组装、自我复制等功能。复制等功能。 6. 碳纳米管碳纳米管 n碳纳米管是由碳碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种分子经加

38、工形成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材料研究的直径只有几纳米的微型管，是纳米材料研究的重点之一。重点之一。n与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能：它的强度比钢高电子和化学性能：它的强度比钢高100倍，但倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。体、半导体、甚至绝缘体。n因此碳纳米管可制成具有导体、半导体或因此碳纳米管可制成具有导体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂绝缘体特性

39、的高强度纤维，在传感器、锂离子电池、场发射显示、增强复合材料等离子电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景，也可能成为纳米级领域有广泛应用前景，也可能成为纳米级印刷电路的材料，因而受到工业界的普遍印刷电路的材料，因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。但许多研究成果已显示出良好的应用前景。 n在在 1985 年，克罗托年，克罗托 (Kroto) 说服一位美国说服一位美国同事里克同事里克斯莫尔斯莫尔 (Rick Smalley) 合作研究了合作研究了一个项目，目的是在试验室条件下对红巨星的一个

40、项目，目的是在试验室条件下对红巨星的状况进状况进 行模拟。但在实验中意外的发现了行模拟。但在实验中意外的发现了C-60存在存在 。nC-60因其结构上的对称性，在当时，这种对因其结构上的对称性，在当时，这种对称性在建筑师布克敏斯特称性在建筑师布克敏斯特富勒富勒 (Buckminster Fuller) 的某些建筑物中体现得十分明显。的某些建筑物中体现得十分明显。n因此，科学家将此分子命名为布克敏斯因此，科学家将此分子命名为布克敏斯特特富勒分子。布克敏斯特富勒分子。布克敏斯特富勒分子常富勒分子常被简化为富勒分子或布基球。研究小组将被简化为富勒分子或布基球。研究小组将结论发表在著名的刊物结论发表在

41、著名的刊物自然自然（Nature）杂志上。该分子的对称性结构只是一种假杂志上。该分子的对称性结构只是一种假设，人们有必要搜集直接的几何学证据来设，人们有必要搜集直接的几何学证据来证实此结论是完全正确的。证实此结论是完全正确的。 n克罗托克罗托 (Kroto)回到英国后尝试通过某种方回到英国后尝试通过某种方法来制备足够量的法来制备足够量的 C-60，以进行结构分析。，以进行结构分析。但是，还没等但是，还没等Kroto将其新的研究发现详细记将其新的研究发现详细记录下来，录下来，Kroto就收到一份传真，请他为就收到一份传真，请他为（Nature）杂志审核一篇由一德）杂志审核一篇由一德/美研究小组美

42、研究小组撰写的论文。该小组的沃尔夫冈撰写的论文。该小组的沃尔夫冈科瑞斯莫尔科瑞斯莫尔 和唐和唐霍夫曼霍夫曼 已成功地用碳弧法产生已成功地用碳弧法产生 C-60，并将并将 C-60晶体化通过晶体化通过 X 射线确定了它的结构。射线确定了它的结构。令令 Kroto 感到沮丧的是，这篇论文恰好包含感到沮丧的是，这篇论文恰好包含了他希望亲自发现的结论！了他希望亲自发现的结论！n当把碳弧的电源由交流电改为直流电时，当把碳弧的电源由交流电改为直流电时，在其中一种电极沉积物中发现了奇特的管在其中一种电极沉积物中发现了奇特的管状结构。这些管状分子完全由碳构成，因状结构。这些管状分子完全由碳构成，因为管径只有几

43、毫微米长，因此，它们被命为管径只有几毫微米长，因此，它们被命名为纳米管。它们是由一位日本科学家饭名为纳米管。它们是由一位日本科学家饭岛澄男（岛澄男（Sumio Iijima）在）在 1991 年首年首次发现并公布的。次发现并公布的。 通过电子显微镜观察到的纳米管 电子显微镜下的纳米碳管(左)与纳米碳管墙 n碳纳米管制作的纳米齿轮模型。纳米齿轮碳纳米管制作的纳米齿轮模型。纳米齿轮上的原子清晰可见上的原子清晰可见 n1991年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管

44、壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状个空心圆柱状“笼形管笼形管”。它非常微小，。它非常微小，5万个并万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。因此碳纳米管径之比很高的纤维。因此碳纳米管实际上和金刚石、实际上和金刚石、石墨同属于一个家族。石墨同属于一个家族。 碳星（红巨星）碳星（红巨星） n1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；导电性；1995年，科学家研

45、究并证实了其年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；优良的场发射性能；1996年，我国科学家年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；n2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。米管场发射显示器样管。 n近年来，我国科

46、学家不仅在世界上合成出近年来，我国科学家不仅在世界上合成出最长的碳纳米管，而且加紧了碳纳米管的最长的碳纳米管，而且加紧了碳纳米管的应用研究，研制出具备良好储氢性能的碳应用研究，研制出具备良好储氢性能的碳纳米管和具备初步显示功能的碳纳米管显纳米管和具备初步显示功能的碳纳米管显示器，并在利用其电子发射性能研制发光示器，并在利用其电子发射性能研制发光器件。器件。 目前，国际上出现了目前，国际上出现了“纳米热纳米热”，美、日、欧，美、日、欧各国都在争夺纳米科技制高点。美国制定了纳各国都在争夺纳米科技制高点。美国制定了纳米技术战略。它与米技术战略。它与21世纪信息技术战略并列世纪信息技术战略并列为最优先

47、研究开发的重点。日本政府在其为最优先研究开发的重点。日本政府在其“2001年度科学技术振兴重点指针年度科学技术振兴重点指针”中，把中，把纳米技术列为重点，并成立了专门机构。纳米技术列为重点，并成立了专门机构。超导体超导体(Superconductor)是一种导电性较是一种导电性较一般导体更佳的一般导体更佳的”超级导体超级导体”。当温度低于。当温度低于其超导转变温度其超导转变温度(或称临界温度或称临界温度)Critical Temperature ,Tc时，它具有以下两种特时，它具有以下两种特性性 零电阻以及反磁性。零电阻以及反磁性。超导体超导体超导体的导电现象则与一般导体不同。当温度超导体的导

48、电现象则与一般导体不同。当温度高于其高于其TcTc时，超导体表现出一般导体或半导体时，超导体表现出一般导体或半导体之特性，此时仍有电阻产生；但温度降至之特性，此时仍有电阻产生；但温度降至T Tc c以以下时，电子在结构中运动完全不会受到晶格之下时，电子在结构中运动完全不会受到晶格之影响，亦即电阻完全消失，此种现象即称为零影响，亦即电阻完全消失，此种现象即称为零电阻。将超导体冷却到某一电阻。将超导体冷却到某一临界温度（临界温度（TcTc）以以下时电阻突然降为零的现象称为超导体的下时电阻突然降为零的现象称为超导体的零电零电阻现象阻现象。不同超导体的临界温度各不相同。不同超导体的临界温度各不相同。

49、反磁性反磁性（迈斯纳效应）（迈斯纳效应） n超导体在温度高于其超导体在温度高于其T Tc c时，其外加磁场可自由穿时，其外加磁场可自由穿过其内部，亦即超导体内过其内部，亦即超导体内部可有磁场存在；但温度部可有磁场存在；但温度低于低于T Tc c时，则超导体内之时，则超导体内之磁场便全被排出其内部，磁场便全被排出其内部，成为一零磁场状态，即为成为一零磁场状态，即为反磁性反磁性。MeissnerMeissner于于19331933年发现此现象，故称为年发现此现象，故称为MeissnerMeissner效应效应 即当超导体冷却到临界温度以下而转变为超即当超导体冷却到临界温度以下而转变为超导态后，只要

50、周围的外加磁场没有强到破坏导态后，只要周围的外加磁场没有强到破坏超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的超导性的程度，超导体就会把穿透到体内的磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保磁力线完全排斥出体外，在超导体内永远保持磁感应强度为零。该效应可用一个试验来持磁感应强度为零。该效应可用一个试验来演示：一块永磁体可以使浸泡在液氮中的超演示：一块永磁体可以使浸泡在液氮中的超导体悬浮起来。只有当磁场较小时才会出现导体悬浮起来。只有当磁场较小时才会出现麦斯纳效应，如果磁场过大，磁场将穿透金麦斯纳效应，如果磁场过大，磁场将穿透金属内部，从而金属失去超导性。属内部，从而金属失去超导性。 超导现象的发现历程超导

51、现象的发现历程 n18941894年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林年荷兰莱顿大学实验物理学教授卡麦林昂昂内斯（内斯（Heike Kamerlingh-OnnesHeike Kamerlingh-Onnes，荷兰人，荷兰人，1853-1853-19261926，19131913年诺贝尔奖得主）建立了著名的低温试年诺贝尔奖得主）建立了著名的低温试验室。验室。19081908年年7 7月昂内斯使用月昂内斯使用2020升的液化氢，将氦升的液化氢，将氦液化（生产了液化（生产了6060立方分米的液态氦），成功地液化立方分米的液态氦），成功地液化了地球上最后一种了地球上最后一种“永久气体永久气体”氦气，并

52、且氦气，并且获得了接近绝对零度（摄氏零下获得了接近绝对零度（摄氏零下273.15273.15度，标为度，标为OKOK）的低温：的低温：4.25K1.15K 4.25K1.15K （相当于摄氏零下（相当于摄氏零下272.05268.95272.05268.95度）度）, ,开启了低温物理的研究领域。开启了低温物理的研究领域。 1911年昂内斯发现：汞的电阻在年昂内斯发现：汞的电阻在4.2K左右的左右的低温度时急剧下降，以致完全消失（即零电低温度时急剧下降，以致完全消失（即零电阻）。他观察到汞（阻）。他观察到汞（Hg）在）在4.2 K以下，直流以下，直流电阻降为电阻降为0（电阻迅速消失的温度范围为

53、（电阻迅速消失的温度范围为0.02度，电阻变化值超过度，电阻变化值超过104倍）。他称这个奇特倍）。他称这个奇特的物理性质为超导性的物理性质为超导性(superconductivity)，而直流电阻开始降为而直流电阻开始降为0时的温度，则称为超导时的温度，则称为超导转变的临界温度转变的临界温度Tc ( Superconducting transition temperature)。 1914年昂内斯用延长观察时间的方法，确年昂内斯用延长观察时间的方法，确定了超导金属铅电阻率的上限为定了超导金属铅电阻率的上限为10-16 cm。1913年他在一篇论文中首次以年他在一篇论文中首次以“超导电性超导电

54、性”一词来表达这一现象。由于一词来表达这一现象。由于“对低温下物质性质的研究，并使氦气液化对低温下物质性质的研究，并使氦气液化”方面的成就，昂内斯获方面的成就，昂内斯获1913年诺贝尔物理学年诺贝尔物理学奖。奖。 超超导导温温度度的的演演进进 高温超导体的研究与开发高温超导体的研究与开发n1986年，瑞士科学家年，瑞士科学家Mller与与Bednorz在几在几乎不可能成为良好导体的陶瓷氧化物乎不可能成为良好导体的陶瓷氧化物La2BaCuO4中发现了极佳超导性，设在瑞士苏中发现了极佳超导性，设在瑞士苏黎士的美国黎士的美国IBM公司的研究中心报道了这种氧公司的研究中心报道了这种氧化物（镧钡铜氧）具

55、有化物（镧钡铜氧）具有35K的高温超导的高温超导性，打破了传统性，打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体氧化物陶瓷是绝缘体”的观的观念，引起世界科学界的轰动。念，引起世界科学界的轰动。n 1986年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超年底，美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料，其临界超导温度达到导材料，其临界超导温度达到40K，液氢的，液氢的“温度壁垒温度壁垒”（40K）被跨越。）被跨越。n1987年年2月，美国华裔科学家朱经武和中国月，美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料科学家赵忠贤相继在钇钡铜氧系材料上把临界超导温度提高到上把临界超导温度提高到90K以上，液氮的以上，液氮的禁区（禁

56、区（77K）也奇迹般地被突破了。）也奇迹般地被突破了。n1987年底，铊钡钙铜氧系材料又年底，铊钡钙铜氧系材料又把临界超导温度的记录提高到把临界超导温度的记录提高到125K。从。从19861987年的短短一年多的时间里，临年的短短一年多的时间里，临界超导温度竟然提高了界超导温度竟然提高了100K以上。以上。其后，在其后，在19881988年年1 1月，日本科学家月，日本科学家Hirashi MaedaHirashi Maeda报导报导研制出临界温度为研制出临界温度为106K106K的的Bi-Sr-Ca-Cu_OBi-Sr-Ca-Cu_O系新型高温系新型高温超导体。同年超导体。同年2 2月，美国

57、阿肯萨斯大学的月，美国阿肯萨斯大学的Allen Allen HermannHermann和和Z.ZZ.ZShengSheng等发现了临界温度为等发现了临界温度为106K106K的的Tl-Ba-Ca-Cu-OTl-Ba-Ca-Cu-O系超导体。一个月后，系超导体。一个月后，IBMIBM的的AlmadenAlmaden又将这种体系超导体的临界温度提高到了又将这种体系超导体的临界温度提高到了125K125K。19891989年年5 5月，中国科技大学的刘宏宝等通过用月，中国科技大学的刘宏宝等通过用PbPb和和SbSb对对BiBi的部分取代，使的部分取代，使Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-

58、Cu-O系超导材系超导材料的临界温度提高到了料的临界温度提高到了130K130K。这是迄今所报导的最。这是迄今所报导的最高的临界温度。高的临界温度。超导体的用途超导体的用途 n磁浮与磁浮列车磁浮与磁浮列车 n 超导体的反磁性超导体的反磁性类似磁铁的相斥性，类似磁铁的相斥性，但其发出的磁力更但其发出的磁力更强，故可应用于需强，故可应用于需产生大磁场的装置。产生大磁场的装置。如果将其置于火车如果将其置于火车车体内，而在轨道车体内，而在轨道上布置电磁铁，则上布置电磁铁，则便成为磁浮列车。便成为磁浮列车。 n优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运优点：克服了传统列车对速度的限制；非接触的运行克服

59、了恶劣气候的障碍；采用非接触运行，没有行克服了恶劣气候的障碍；采用非接触运行，没有机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，机械磨损，减少了维修成本；由于没有运动部件，大大提高了系统的可靠性；可节省能源。大大提高了系统的可靠性；可节省能源。 1 1人公里消人公里消耗能源只是飞机或汽车的耗能源只是飞机或汽车的 1/41/4；速度极大提高，增加；速度极大提高，增加了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度了运送旅客的能力，具有很大的潜在市场；大幅度地降低了噪声和振动，有利于保护环境。地降低了噪声和振动，有利于保护环境。 超导导线(含2120根微米直径之铌钛合金纤维) 超导发电机，拥有两万千瓦的

60、功率超导电磁动力船超导电磁动力船 n利用磁体动力学，通过电解海水产生的电流，与利用磁体动力学，通过电解海水产生的电流，与船体下方垂直于电流方向的磁场作用，可对海水产船体下方垂直于电流方向的磁场作用，可对海水产生水平推进的电磁力，推动海水而使船身前进。生水平推进的电磁力，推动海水而使船身前进。 26 米长米长, 10 米宽，米宽， 250 吨重吨重使用超导磁体的磁共振成像比使用常规磁体的磁共使用超导磁体的磁共振成像比使用常规磁体的磁共振成像有如下优点：重量轻，磁场稳定性好；磁场振成像有如下优点：重量轻，磁场稳定性好；磁场强度大，如中心磁场，前者约为后者的强度大，如中心磁场，前者约为后者的 6倍；