第五章 化学与材料

1、Chem第五章第五章 化学与材料化学与材料主讲：化学工程学院主讲：化学工程学院2015年年5月月l 纳米(nm)：长度单位，1m=109 nm, 人 头发丝的直径相当于6万纳米(0.06mm)。l 纳米技术：在纳米尺度上，通过直接操纵原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。l 纳米材料：当物质颗粒小到纳米量级(100nm)后，这种物质就可被称为纳米材料。l 纳米效应：同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。l 如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。l 扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microsco

2、pe，STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米。l 其他：高分辨透射电镜（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM），分辨率1nm。 外膜蛋白病毒基因反转录酶核核心蛋白组织核心蛋白移动原子世界上最小的广告l1990年，IBM公司展示了一项令世人瞠目结舌的成果，在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。l试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住， 再搬运到另一个地方放下。 这可真是个了不起的发现，因为这意味着人类从此可以进行“原子

3、剪裁”了。lSTM探针不仅可以将原子、分子吸住，也可以将它们象算盘珠子一样拨来拨去。l科学家把C60分子每10个1组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的?l这项试验的真正意义在于未来人们能够通过操纵原子、 分子来随心所欲地构造新的物质。l这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而 绘制出的世界上最小的中国地图。 lThe Nobel Prize in Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60). l碳原子组成的小单元看起来和足球一样。碳原子的

4、活性差，导电，非常稳定。绝佳的材料和电性能l碳原子组成的圆柱体管状结构物质。l长度和直径之比很高的纤维，韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢的16。l世界上最小的碳管单壁碳纳米管，直径仅为0.4nm。 l氢气的储存：气态，所占空间太大。液化，压力太大，费用太高。l碳纳米管储氢：强吸附氢，储氢密度相当于液体氢，压力仅有100atm。l原理：碳纳米管的直径和氢原子的直径相似。在这种情况下，氢气的储存浓度可以达到近似液体的水平。纳米管存储器-2005年4月科学美国人l存储量大l低成本和闪存的非挥发性完美的结合l耗电量低l较好地抵抗可能出现的高温、低温或磁 性损坏l可以将存

5、储器的存储能力提高1000倍，到那时巨型计算机小到可以放进口袋里，国家图书馆的全部资料的信息可以存储在一块水果糖大小的存储器中。l以硅为材料的微米级集成电路技术将走到尽头，纳米材料将成为替代硅和其它半导体材料的最佳候选者。从技术上讲，碳纳米管很有可能成为硅的换代品，成为电子产品的主要材料。l科学家分别研究了金属性的碳纳米管和半导体性的碳纳米管，认为金属性碳纳米管可以用作电路中的连接件，而半导体性碳纳米管可以用作电路开关。碳纳米管有可能同时取代硅和铜。计算机和存储器的微型化。l科学家将可能是来自石器时代的纺毛线机变小，用它来纺碳纳米管纤维，纺出的纳米管纤的强度足以用于制造防弹衣。lMei Zha

6、ng等用多壁碳纳米管，纺出了高强度、柔软、高导电性的扭卷纤维。和通常的纤维不同，这些纤维的端部被释放后，它们的股不散开，而且纤维打结后其强度也不降低。这些纤维也许能取代电子纺织物中的金属丝，从而提供新的功能，比如启激人工肌肉，或用于超级纤维电容来储存能量。l2004年11月19日美国科学周刊306卷l导体变绝缘体，绝缘体变导体 导体铜等，纳米铜（几个纳米），绝缘体。 绝缘体二氧化硅等，纳米二氧化硅，导电。l脆性变韧性 陶瓷脆性材料； 纳米陶瓷韧性材料，在常温下能弯曲，不怕摔，坚固无比。纳米效应！l纳米孔膜用于海水淡化、污水处理，提高效率、降低成本。海水淡化成本3元/吨，纳米技术成本降低1倍。l

7、纳米涂层自洁玻璃和自洁瓷砖。任何粘在表面上的脏物，包括油污、细菌，在光的照射下，由于纳米材料的催化作用，都可以变成气体或者容易被擦掉的物质。l纳米涂料催化脱除空气中的有害物质，比如一氧化碳、碳氢化合物、氮氧化物、三氧化硫等污染物。l纳米纤维将纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不沾水又防污。l纳米冰箱在冰箱中添加纳米微粒，可以除味杀菌，聪明的厂家已利用这一技术生产出可以抗菌的冰箱和洗衣机。l纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂也得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。April 28, 2005，The National Science FoundationCompo

8、sed of magnesium（Mg), titanium (Ti) and oxygen, the toxic-chemical cleaner known as FAST-ACT is unremarkable at first glance.l纳米机器人纳米生物学中最具诱惑力 的新领域。l纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。l纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。l纳米机器人可以在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。l中药有效成分一般都

9、是油性的（溶于油，难溶于水）。如果在水相当中纳米化，注射到患者血液当中，中药的治疗效果就会大大提高。l纳米包覆技术用特定性质的纳米界面材料去包覆中药的有效成分，到了血液环境里因亲和而溶解，释放出治疗成分，这样治疗成分就带有很强的靶向性，进一步提高疗效。l靶向药物或治疗技术。l英国剑桥大学科学家阿兰温德尔所领导的一个研究小组最近宣布，他们成功地用纳米碳管组成的纤维织成“纳米绳”。 l“纳米绳”直径只有10几个纳米，但其刚度是钢材的10倍，其硬度是金刚石的2倍。 l可以将这种“纳米绳”应用到大跨度桥梁的悬索上，甚至有朝一日，可以用这种“纳米绳”将位于宇宙空间的一个发射平台与地面固定起来，形成一个“

10、人造天梯”。l在这个发射平台上发射卫星可以大大降低发射成本。半导体和超导体材料 高分子材料塑料橡胶纤维胶粘剂金属材料 复合材料硅酸盐材料玻璃水泥材料功能材料1952年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到记忆效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。SMA: Shape Memory Alloysuperconductor 外膜蛋白病毒基因反转录酶高分子材料 物质的形态与分子量和键能的关系平均分子量键能形态塑料纤维合成 橡胶高分子的合成均聚：单一单体的加成聚合共聚物：两种或以上不同的单体进行聚合无规共

11、聚交替共聚接枝共聚高分子的立体结构高分子的立体结构全同立构无规立构间同立构枝链高分子交叉连接高分子高分子的收缩非晶区晶区 塑料（1）酚醛树脂: 苯酚和甲醛共聚物（2）聚烯烃：聚乙烯、PVC、聚苯乙烯（3）有机玻璃：聚甲基丙烯酸甲酯。（4）ABS塑料： 用苯乙烯-丙烯腈共聚物与丁二烯-丙烯腈共聚物共混制得。也可用苯乙烯、丙烯氰、丁二烯共聚制得。（5）含氟塑料：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟丙烯。不粘锅的表面镀层就是聚四氟乙烯。（6）工程塑料乙烯-分子量28四氟乙烯（4个H换为F）H2C=CH2F2C=CF2聚乙烯大棚聚乙烯-分子量从2,000（72个乙烯分子） 到40,000（1429个乙烯分

12、子）H2C=CHCl管料线聚氯乙烯（PVC）聚丙烯地毯聚丙烯生产厂丙烯CH3CH2苯乙烯CH2聚苯乙烯灯罩有机玻璃-聚甲基丙稀酸甲酯H3C O H2C OCH3 塑料瓶底代码所表示的意思塑料瓶底代码所表示的意思“1号”PET：聚对苯二甲酸乙二醇脂用途：矿泉水瓶、碳酸饮料瓶等 使用：耐热至70，只适合装暖饮或冻饮，装高温液体、或加热则易变形，有对人体有害的物质融出。并且，科学家发现，1号塑料品用了10个月后，可能释放出致癌物DEHP。 “2号”HDPE：高密度聚乙烯用途：清洁用品、沐浴产品 使用：可在小心清洁后重复使用，但这些容器通常不好清洗，残留原有的清洁用品，变成细菌的温床，你最好不要循环使

13、用。 塑料瓶底代码所表示的意思“3号”PVC：聚氯乙烯用途：目前很少用于食品包装 使用：这种材质高温时容易有害物质产生，甚至连制造的过程中它都会释放，有毒物随食物进入人体后，可能引起乳癌、新生儿先天缺陷等疾病。 “4号”LDPE：低密度聚乙烯用途：保鲜膜、塑料膜等 使用：耐热性不强，通常，合格的PE保鲜膜在遇温度超过110时会出现热熔现象，会留下一些人体无法分解的塑料制剂。塑料瓶底代码所表示的意思“5号”PP：聚丙烯用途：微波炉餐盒 使用：唯一可以放进微波炉的塑料盒，可在小心清洁后重复使用。需要特别注意，一些微波炉餐盒，盒体的确以5号PP制造，但盒盖却以1号PE制造，由于PE不能抵受高温，故不

14、能与盒体一并放进微波炉。为保险起见，容器放入微波炉前，先把盖子取下。 塑料瓶底代码所表示的意思“6号”PS：聚苯乙烯用途：碗装泡面盒、快餐盒 使用：又耐热又抗寒，但不能放进微波炉中，以免因温度过高而释出化学物。并且不能用于乘装强酸（如柳橙汁）、强碱性物质，因为会分解出对人体不好的聚苯乙烯，容易致癌。因此，您要尽量避免用快餐盒打包滚烫的食物。 “7号”PC其它类用途：水壶、水杯、奶瓶使用：很容易释放出有毒的物质使用：很容易释放出有毒的物质双酚双酚A A，对人体有害。，对人体有害。使用时不要加热，不要在阳光下直晒。使用时不要加热，不要在阳光下直晒。 橡胶l指具有显著高弹性的一类高分子化合物。l分天

15、然橡胶和合成橡胶。l未经硫化的橡胶分子是线型或少数短支链的高分子。硫化后的大分子之间通过硫桥进行交联，成为网状或体型结构。 天然橡胶的采集和加工H2C N 丙烯腈 CH2H2C丁腈橡胶： 丁二烯与丙烯腈的共聚物丁二稀 为了为了使共轭高分子导电，必须要使共轭高分子导电，必须要做掺杂做掺杂。这和半导体。这和半导体经经过过掺掺杂杂后可以经由荷电载子提高后可以经由荷电载子提高导电度导电度类似类似。 发现发现导电高分子的故事是蛮具戏剧性的。在七零年代初，导电高分子的故事是蛮具戏剧性的。在七零年代初，日本日本化学家白川找到化学家白川找到一个合成聚乙炔的新方法。有一次由于一个合成聚乙炔的新方法。有一次由于疏

16、忽，多加了一千倍的催化剂，令他惊讶的是，这因此形成疏忽，多加了一千倍的催化剂，令他惊讶的是，这因此形成一个漂亮的银色薄膜。这薄膜是纯度很高的顺式聚乙炔一个漂亮的银色薄膜。这薄膜是纯度很高的顺式聚乙炔。 ( (A.G.McDiarmidA.G.McDiarmid) )和物理学家希格和物理学家希格( (A.HeegerA.Heeger) )正在研究有正在研究有金属光泽的无机高分子硫化氮金属光泽的无机高分子硫化氮(SN)x(SN)x。笛米德在笛米德在一次东京的一次东京的研讨会里提到这项研究，后来白川和笛米德有机会碰面讨论，研讨会里提到这项研究，后来白川和笛米德有机会碰面讨论，当笛米德听到白川发现了具

17、银色光泽的有机高分子，就邀请当笛米德听到白川发现了具银色光泽的有机高分子，就邀请他到宾大访问。白川以及来自台湾的博士后研究员姜传康藉他到宾大访问。白川以及来自台湾的博士后研究员姜传康藉著加著加碘蒸气碘蒸气改变聚乙炔的性质，令他们惊讶的是，顺式聚乙改变聚乙炔的性质，令他们惊讶的是，顺式聚乙炔的导电度因此增加了一百万倍。第一个导电高分子就此诞炔的导电度因此增加了一百万倍。第一个导电高分子就此诞生生! !他们将他们将发现发表在化学协会期刊的化学通讯，这是让他发现发表在化学协会期刊的化学通讯，这是让他们赢得们赢得20002000年诺贝尔奖的年诺贝尔奖的论文。论文。聚苯胺聚苯 聚吡咯 聚噻吩 丁苯橡胶合成橡胶的最大品种，是丁二烯与苯乙烯聚合成。氯丁橡胶（万能橡胶）氯乙烯与丁二烯的共聚物。丁腈橡胶丁二烯与丙烯腈的共聚物。丁基橡胶丁二烯聚合物。塑料成型 吹塑挤出注塑碾压热塑进料口 挤出机 旋进管 加热部件 高分子材料成型 熔融高 分子管 注塑 高分子材料成型 吹塑碾压注塑 胶粘剂 环氧树脂胶粘剂的交联固化 环氧树脂 有机胺固化剂 复合材料复合