纳米材料科普报告课件

1、神奇的纳米世界报告人：xxx2012.11.20主要内容 结论与展望纳米材料的应用纳米材料的制备方法纳米材料的研究与发展历程 引 言纳米(nm): 纳米是长度单位，1nm=10-9m。 相当于万分之一头发的粗细.纳米技术:在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术.纳米材料:指尺寸在1100nm之间的超细微粒。 1959年，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。一、纳米材料的研究和发展历程思想起源 1984年，德国萨尔大学的葛莱特教授等人首次采用惰性气体冷

2、凝法制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd, Fe, Cu等块状材料。纳米固体材料诞生。纳米材料概念的提出 1990年，美国加州的IBM研究室艾格勒等人利用扫描隧道显微镜(4K, 超真空)，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。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。这是人类历史上首次操纵原子，用原子或分子制造机器，也不再是梦想。 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。每个字母的高度均小于1.5nm，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。该祝

3、词则是在室温下完成的。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。第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。第二阶段（1990-1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维

4、和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，可划分为三个阶段：三、纳米材料的制备方法化学气相沉积是指固态源在特定温度和压力下汽化，在一定流量的载气的输运下到达衬底表面，使反应产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断地长大。化学气相沉积化学气相沉积四、 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传统化石能源不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等资源丰富、利用方便、洁净无污染中华人民共和国 国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书 石油煤炭天然气其他能源结构调

5、整太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰20202030年世界的能源结构应用一、太阳能电池 应用一、太阳能电池 染料分子受太阳光照射后由基态跃迁至激发态； 处于激发态的染料分子将电子注入到半导体的导带中； 电子扩散至导电基底，后流入外电路中； 处于氧化态的染料被还原态的电解质还原再生； 氧化态的电解质在对电极接受电子后被还原，从而完成一个循环； 和 分别为注入到TiO2 导带中的电子和氧化态染料间的复合及导带上的电子和氧化态的电解质间的复合 应用一、太阳能电池 光在光照下会产生光生载流子，可用于制作光敏电阻、光敏三极管、光电耦合和光电探测器。最

6、常用的传感材料主要是硅，其次是锗和砷化镓、锑化铟、碲化铅、硫化镉等。应用二、光电传感器 气敏材料是对气体敏感，电阻值会随外界气体种类和浓度变化的材料，如SnO2、ZnO、Fe2O3、ZrO2、TiO2和WO2等n型或p型金属氧化物半导体。气敏材料用于制作气敏传感器，吸附气体后载流子数量变化将导致表面电阻率变化，进而对气体的种类和浓度进行探测。SnO2气敏传感器 矿用SnO2瓦斯检测器ZnO气敏传感器 ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 36503656应用三、气敏传感器 1. 可在紫外线或日光照射下进行；2. 反应速度快（几分钟或几小时）；3. 产物为CO

7、2、H2O，不会造成二次污染；4. 无选择性，几乎可分解所有的有机物；5. 反应所需的温度低，室温即可。优点应用四、光催化 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，降解石油光催化拯救水资源应用四、光催化 Nature Nanotechnology, 2011, 6, 5065102006 年4 月Science，王中林研究组利用竖直结构的ZnO 纳米线弯曲时内外表面产生的极化电荷，以及与金属形成的肖特基势垒，成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电装置纳米发电机。更重要的是这一纳米发电机竟然能达到17%30%的发电效率。Scien

8、ce， 312，245，2006.应用六、纳米发电机Nano Letters. , 9 (2009),1201-1205应用六、纳米发电机纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，可使纳米器件或纳米机器人实现能量自供。这些器件在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的应用。在未来发展的方向上，可以设想把ZnO纳米发电机植入到体内，为治疗肿瘤等疾病一些微型机械提供电能。应用七、纳米存储器随着微电子技术的不断发展，集成度越来越高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小的芯片中。纳米存储器比利时

9、微电子研究中心IMEC宣布，将与Nantero公司合作开发临界尺寸小于20nm的碳纳米管非挥发性存储器。IMEC一直积极研究基于金属氧化物的电阻式RAM ，该组织希望能成功研发出碳纳米管存储器，以作为DRAM的替代产品。纳米机器人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”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。图中描述的是纳米机器人正在寻找入侵的病毒纳米蜘蛛机器人可以用于医疗事业，以帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的，还可以帮助人们完成外科手术，清理动脉血管垃圾等。一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物应用八、纳米机器人

10、应用八、纳米机器人它能够毫不费力地完成飞行、盘旋、前进后退等空中动作，加上纳米级的娇小外形和内置电源，它非常适合用于室内外各种监视任务。这款蜂鸟机器人是时代杂志评选出的2011年度五十项最佳发明之一。一个纳米机器人正在进入红细胞应用九、航天和航空宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体隐身材料 应用九、航天和航空纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱. 纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷

11、达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标。美国F117隐形轰炸机机美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波复合材料，并成功应用于F-117A隐身战斗机的机身、机翼和V形垂尾外表面，获得很好的隐身效果，在1991年的海湾战争中，F-117A出动1000多架次无一受损，最大限度地达到使隐身飞机杀伤敌方人员并保护自身安全的目的。美国B2隐形轰炸机日常生活 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。利用具有半导体特性的纳米氧

12、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。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。二个月不用洗信不信由你 科技日报2002/3/

13、13报道：日本研制出能随意拉伸、可自由折叠的弹性陶瓷该陶瓷材料由40%氧化锆、30%铝酸镁尖晶石和30%的-氧化铝在1650加热25s制成，可从1cm拉到11cm。天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1）5.1 国内纳米科技发展进展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。 纳米国旗的防水效果达到5级，除高压水枪外，一般的雨水都不能在旗帜中渗透，因此雨天一样能飘展。此外，纳米国旗还具有优异的防尘和固色功能，可大大延长其使用寿命。五.我国的纳米科技发展现状 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“

14、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

15、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、4500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。 项目重复

16、投资 由于我国传统的科研体制和社会分工的不合理，造成在科研经费严重不足的情况下，有相当一部分科研项目属于重复投资。例如纳米隐身涂料，需求的领域专业性很强，但全国就有40多家科研单位在搞。根本原因在于： 传统科研体制的条块分割； 后计划经济的弊端，信息不对称；尚未形成跨学科、跨领域的联合研发体制 传统的科研体制和教育体制决定了科研工作往往表现为各自为战，单打独斗，不能形成科研领域的强强联合。而纳米技术的跨学科、跨领域等特点恰恰要求建立联合研发体制，这严重制约了纳米技术的进一步发展。 没有纳米技术权威检测机构 造成市场上狂炒“纳米”热的主要原因，就是国家没有建立一个权威的纳米技术及材料的检测机构。不能对纳米技术及其产品进行检测、鉴别，客观真实地评价纳米技术对新产品、新材料所带来的性能等方面根本性的提升和改变。 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