纳米材料学.ppt

1、纳米材料学,王治华，博士，副教授， 主要从事纳米材料和有机功能材料的制备及性能研究 Tel.课程学习要求,课程性质：纳米材料学是物理学、化学、材料学、生物学及电子学等多学科交叉的分支学科，也是目前材料科学领域中迅速发展的一门学科。 教学目标：本课程旨在使学生了解和掌握纳米材料的性能、制备、检测方法和生产工艺的基础理论与知识，并对纳米材料学科的最新进展和研究成果有所了解，具备分析、设计、研究和应用纳米材料的基础知识、基本方法和实际能力。 考核方式：期末考试，占总成绩的70%，平时成绩占总成绩30%（包括考勤和作业）。 学习要求：ppt课件内容和授课顺序和教材有所不同，要

2、求认真听课，做好课堂笔记，按时完成作业。,课程内容说明,绪论 团簇 纳米材料的基本概念与性质 4. 纳米微粒的制备方法 5. 纳米薄膜材料 6. 纳米固体（结构）材料 7. 纳米复合材料 8. 纳米一维材料 9. 纳米材料合成制备专题,本课程主要参考书目,1. 曹茂盛、关长斌、徐甲强，编著，纳米材料导论，哈尔滨工业大学出版社，2001年8月，第1版 2. 张立德、牟季美， 纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001年2月，第1版 3. 张立德， 超微粉体制备与应用技术，中国石化出版社，2001年4月， 第1版 4. 朱屯，王福明，王习东， 国外纳米材料技术进展与应用，化学工业出版社，2002年6

3、月，第1版,1 纳米是什么 1.1 空间尺度的划分,宇观(Cosmoscopic) 遥观(Remote sensoscopic) 宏观(Macroscopic) 显微观(Optico-microscopic) 介观(Mesoscopic) 或纳米观(Nanoscopic): 1100nm 微观(Microscopic) 皮米观(Picosopic) 飞米观(Fentoscopic) 亚飞米观(Subfentoscopic),宏观有下限而无上限（从人的肉眼可见的最小物体到无限大的宇宙），微观有上限而无下限（从分子原子到无限的领域）。,1.2 纳米,纳米是什么? 纳米nanometer是尺寸单 位

4、。1纳米= 十亿分之一米(1nm=10-10m) =0.0000001毫米（1nm=10-7mm ） 常见的长度单位：千米（kilometer）； 米（meter）；厘米；毫米；微米（m） 纳米；皮米；飞米 头发的直径（0.08mm）,1.2 纳米,地球直径约为12万7千公里，而十亿分之一约是12.7厘米，就大概是一颗弹珠的大小了。 -牛顿杂志 将1nm的物体放在乒乓球上，就像乒乓球放在地球上一般,1.2 纳米,9,1 纳米是什么,10,手背,白血球,DNA,1 纳米是什么,11,蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某

5、种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂” 纳米结构是生命现象中基本的东西,1 纳米是什么,2.纳米自然世界,12,其实我们生活的自然环境中早就存在纳米的现象。,比方说：莲叶表面不沾污泥，或者是鸭子在水中游泳，但翅膀并不透水。科学家研究后，才发现这些物质的表面结构都呈纳米尺寸 。,2.1自然及生活中的“纳米”,2.1自然界及生活中的“纳米”,13,2 纳米自然世界,蜜蜂,14,英国的科学家发现，蜜蜂的腹部存有磁性纳米颗粒，这种纳米颗粒具有“罗盘”的功用，可以做为蜜蜂的行动导航。,2 纳米自然世界,蜜蜂,15,从前科学家一直以为，蜜蜂是利用北极星,或是身体的摇摆，来告诉同伴方向;最近科学家才发

6、现蜜蜂的腹部存有磁性纳米颗粒，这种纳米颗粒具有“罗盘”的功用，蜜蜂在离开蜂房时，会把周围环境图像储存起来，采蜜归来时会开启记忆系统，把储存在记忆中的图像与眼前看到的图像进行比对，并不断移动，直到两个图像完全一致。,2 纳米自然世界,海龟-行动导航,16,纳米磁性引导海龟回家 海龟为了寻找食物，会横渡大半个海峡，到另一个海域生活，当产卵季来临时，又会再度迁移游过数万里的海洋，回到原本的地区产卵。科学家发现，引导海龟费时五六年，又高达数万里行程的神秘力量，正是海龟头上所拥有的一种纳米磁性物质。,2 纳米自然世界,螃蟹,印象中“横行”霸道的螃蟹，在他们第一对蟹角里也有几颗用于定向的磁性纳米颗粒，就像

7、几个小小的指南针。其实螃蟹的老祖先也曾堂堂正正的前进后退，行走自如，只是亿万年来，由于地球磁场发生多次剧烈倒转，使得螃蟹体内小磁针粒发生严重的混乱完全失去原先的定向作用，最后使他们失去了前后移动的能力，变成必须“横行”天下，真是可怜的下场啊！,17,是真的吗？我好想直着走比较酷！,2 纳米自然世界,2.2 自然界中的纳米结构,鹅毛鸭毛不透水 由于雁鸭及鹅类动物其羽毛上具有纳米颗粒的防水结构，故可浮于水面上。 水黾（黾mn）行走于水上 水黾的足部末端具有纳米颗粒的组织，可行走于水面上。,18,2 纳米自然世界,纳米结构,19,鸭、鹅羽毛不沾水的秘密 鸭、鹅羽毛排列非常紧密，毛和毛之间的空隙有纳米

8、尺寸那么小，因此，水分子没有办法穿过他们身上的羽毛而沾附在身上。当然，在寒冷的冬天里,因为有不透气的羽毛保暖，鸭子和鹅快快乐乐的戏水玩耍，也不会冷呢!,2 纳米自然世界,纳米结构,20,蛾能找到方向，是因其眼球有纳米结构 蝉蝶翅有纳米结构，光折射后五彩缤纷 人体小肠周壁绒毛，是天然纳米结构，帮助消化、 吸收 海豚表皮有纳米结构,2 纳米自然世界,牙齿和宝剑,人类和动物的牙齿坚硬无比，能承受极大且不断咀嚼的磨损和压力，原因是在牙齿的外表排列着纳米尺寸的微小晶体。 中国古代铸剑大师，可能已经创造纳米晶体结构，使得凡铁铸成的宝剑既不锈蚀又能削铁如泥。,21,2 纳米自然世界,22,莲花效应,2 纳米

9、自然世界,莲花效应(Lotus Effect),23,莲花效应 ( Lotus effect )：在莲花的叶子上，其表面有自然的微小纳米级颗粒（大约大小为1纳米的惧水性蜡晶体），而在这个布满纳米级颗粒的表面结构上，水分子不易与表面接触，导致水珠不会分散，让污泥、水粒子不容易沾附表面。而这种特性更让莲叶具有“自我洁净”的功能,2 纳米自然世界,最早发现莲叶上纳米级颗粒的德国人Prof. Dr. Wilhelm Barthlott,24,2 纳米自然世界,莲花出淤泥而不染,25,水滴滴在莲花叶片上，形 成晶莹剔透的圆形水珠， 而不会摊平在叶片上的现 象，便是莲花叶片表面的 “纳米”结构所造成。 表

10、面不沾水滴，污垢自然 随着水滴从表面滑落，因 此纳米结构造成所谓的莲 花效应(Lotus Effect),2 纳米自然世界,高倍数显微镜下观察荷叶表面的纳米突起,26,2 纳米自然世界,莲花效应(Lotus Effect),在莲花叶子上的一颗水滴，当它在滚落的过程中, 吸附灰尘的粒子。从图中，清晰可见莲叶上的乳突体。这些乳突体大约都有5至10微米的高度, 而且本身都会有一种腊晶体的细微纳米结构，约一纳米的大小,27,2 纳米自然世界,莲花效应的应用,28,莲花效应实质为既疏水也疏油的超双疏效应 经过超双疏技术处理过的各种纺织材料（棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等）等不仅显示出卓越的超疏水超疏油

11、性能（包括蔬菜瓜汁、墨水、酱油等各种物质），而且不改变原有织物的各种性能（纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、皮肤亲和性、免熨性等），甚至还增加了杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。,2 纳米自然世界,3、用纳米改造生活,29,二十一世纪是纳米的世纪。全世界科学研究皆积极投入纳米技术应用的开发，未来的人类生活可能深受纳米的影响，而改变生活的方式。,3 用纳米改造生活,3.1 媒体中的纳米怪象,说法上就很荒谬 在宏观世界和微观世界之间，存在一个区域，范围大致在0.1至100纳米之间，科学家将其称为介观区域。介观区域里有许多难以解释的现象，过去一直是人类科学的盲区 社会上商家热炒的“纳米”实际上就是

12、指纳米材料，相当一部分“纳米材料”并不符合标准 -中国钢铁研究总院纳米材料研究中心副主任、国家纳米科技指导协调委员会委员周少雄教授,3 用纳米改造生活,纳米冰箱 纳米洗衣机,“纳米车辆”,世界上第一辆“纳米车辆”。科学家说，未来这种车辆可用来运输单个的分子，成为“纳米生产”中的有用工具 至纳米见方，不到头发丝直径的万分之一，却拥有完整的底盘、轮轴和车轮 当这种“纳米车辆”放置在金片表面时，受热就会运动 -纽约时报2005.10.22,3 用纳米改造生活,世界最小纳米收音机问世,尺寸仅为头发丝直径万分之一的碳纳米管构成 碳纳米管集天线、调谐器、放大器和解调器于一身 利用共振现象探测无线电信号,3

13、 用纳米改造生活,4.纳米技术进展,思考题： 1.了解纳米技术提出的背景与发展过程. 2.纳米世界的“眼”和“手”指什么？ 3.AFM和TEM在纳米技术中发挥着什么作用？ 4.与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个？,1.1纳米科技的提出和发展,1965年诺贝尔物理奖得主。 1965年预言”如果我们按自己的愿望一个一个得排列原子，将会出现什么呢？”被认识是纳米技术最早的科学预测，费曼因此被誉为“纳米科技之父”。,理查德.费曼 1918-1988,纳米科技的发展,1974年，IBM公司的两位专家获得了第一个有关分子电子器件的专利。 1982年， IBM公司苏黎世研究所的Binnig和Rohrer发明了扫

14、描隧道显微镜（STM),并因此取得了1985年诺贝尔物理奖， STM为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米技术的发展起到了巨大的促进作用。,Binnig和Rohrer,1985年，美国科学家在研究团簇时发现了C6O,它是足球式的中空形分子，直径为0.7nm, C6O的发展反映了自然界物质在纳米尺度下的有序排列的优异性能，轲尔等人因这一发明获得了1996年度诺贝尔化学奖。,1986年， Binnig，Quate和Gerber发明了原子力显微镜（AFM).AFM可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面，弥补了TEM只能分辨导电材料表面的不足，其应用范围无疑比TEM更加广阔。,在纳米科技研究领

15、域中，要有“眼” 和“手”（STM和AFM），所谓“眼”， 即可利用STM直接观察原子、分子和纳米粒子的相互作用与特性，表征纳米器件。所谓“手”，是指AFM用于移动原子，分子，构造纳米结构，在纳米尺度研究他们的相互作用，为科学家提供在纳米尺度研究研究新现象，提出新理论的微小实验室，为微型器件的构筑提供了研究手段。,1990年，IBM公司苏黎世实验室的科学家利用针尖搬动35个氙原子排出“IBM”，这标志着人类已经具备了操纵单个原子的能力。,1991年，日本NEC实验室观察到碳纳米管。碳纳米管的密度只有钢的1/6，强度却是钢的100倍。,2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划（NNI)”，

16、NNI的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到了普遍接受。自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮。,2.5 纳米技术在中国,1993年，中科院操纵原子写字,2.5 中国纳米技术进展,中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管 中国科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”,2.5 中国纳米技术进展,中科院化冶所 “七五攻关”: 纳米碳化硅 “八五863”: 纳米阻燃剂 中科院化学所 纳米领带 超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材 高强度、抑菌功能,2.5 纳米技术应用,全国范围

17、 三百多家纳米企业 以“纳米”注册的企业近百家 数十条纳米材料生产线 资金约百亿元,3.1 纳米技术与经济,材料人类文明的四大技术支柱之一 材料是人类物质文明的基础 材料支撑着其它新技术的前进 纳米材料是纳米技术的基础 纳米材料是材料家族中的重要新成员,3.2 纳米技术与经济,科学 发现新材料、提出新方法 知识创新 将“钱”转化为“知识” 技术 工业化制备纳米材料 清洁生产工艺 商品化技术 将“知识”转化为“钱”,4 纳米科技与当代中国,近代中国的机遇与挑战 二百年回顾 蒸汽机技术、电气化技术、微电子技术的高潮都错过 IT产业、网络通讯与西方差距不大 纳米技术使大家都面临着重新变革，相当于5千

18、米赛跑，都才跑出500米，我们落后得不是很多，有的还不落后,4.1 纳米技术对竞争力的提升,1.纳米材料在航空航天领域中的应用 2.纳米材料在环保能源领域中的应用 3.纳米材料在生物医药领域中的应用 4.纳米材料在石油化工领域中的应用, 4.1.1 纳米材料在航空航天领域中的进展与应用,1. 纳米粉体：航空航天纳米材料中使用大量的金属纳米（如Fe、Al、Mg、Ni等）与非金属纳米粉体（ 如Al2O3、TiO2等） 2.纳米涂层 ：航空航天各类涂层材料（如保护涂层、隐身涂层等）越来越多的使用先进的纳米复合涂层技术。,3.纳米结构材料：主要是高温合金材料，或者是纳米增韧补强的复合陶瓷材料。用于飞行

19、器的机身或部件。 4.纳米功能材料：主要用于传感器、航空仪表、通信装置、雷达装置。,4.1.1.1 纳米复合结构材料在航空航天材料中的应用 航空航天材料的总体要求是高强度、低密度，有些材料还要求具有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、耐高压等性能。 纳米材料具有极佳的力学性能，如高强度、高硬度和良好的塑性。如金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高，同时保持良好的塑性和韧性。,图1.1 航空航天飞机外壳不同部位的温度分布,1.纳米金属材料 （1）纳米金属复合结构材料,图8.2 纳米复合材料的种类,例如：纳米氧化物弥散强化高温合金具有良好的高温强度，优异的抗氧化、耐摩擦以及耐高温腐蚀等性能。纳米Co

20、-WC的硬度比普通Co-WC提高1倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。,（2）发汗金属 高速飞行的火箭与空气摩擦产生极高的温度，就是熔点最高的金属钨(3380C)，也难以承受。人们把金属钨制成介孔的金属骨架，以相对低熔点的铜或银填充在孔隙中，制成“发汗金属”随着温度的升高，铜或银就熔化、沸腾、蒸发、并及时吸收大量的热量，从而使材料的耐高温性能提高，保护了喷嘴的骨架。,（3）纳米焊接 金属焊接通常都是在高于金属熔点的高温下进行。为了使飞行器的仪表及传感器不受影响，必须采用低温的纳米焊接。这是因为一方面随着颗粒尺寸的减小，纳米材料的熔点下降，另一方面随着颗粒比表面积的提高，扩散速率大幅度上升。,例如

21、Ag的熔点约为900 ，而Ag纳米微粒液相烧结温度可以降低几百度。因此用Ag纳米微粒制成导电浆料，可以在较低温下进行，此时基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料等低温材料。纳米颗粒具有极高的界面或表面比，因此具有高的扩散系数，可实现特殊金属材料的固态扩散结合。,2. 纳米增韧补强陶瓷 陶瓷材料广泛用作飞行器的发动机、燃烧室等热阻性高强材料和耐高温涂层材料。 纳米增韧陶瓷克服了陶瓷的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。纳米粉体对陶瓷显微结构、组织和性能都有影响。 由于纳米微粒颗粒小，比表面积表面能大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。

22、,烧结是通过高温热处理使得一个粉末体系或多孔物系变致密的过程。本质上，烧结过程的主要驱动力是粉料表面能所引起的表面应力 P=2/r, 为表面能，r为曲率半径。因此粒子尺寸越小，P越大，烧结越容易进行。在烧结过程中，实现致密化的关键是物质的迁移，即扩散和流动。,烧结速率是由驱动力，传质速率及颗粒间接触面积所决定，而它们都与粉体的粒径密切相关，可定性表示为,Vd为致密化速率，为表面能；D为扩散系数；d为粒子直径，m=34. 纳米颗粒粒径小，比表面积表面能高并有高的扩散速率，因而用纳米粉体烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度。,3.聚合物基纳米复合材料 把纳米材料用于添加改性塑料，可以开发出各种

23、新型的功能复合材料。例如纳米TiO2对紫外光的吸收率达90%以上，利用纳米粒子的光学特性改性聚合物，可使其具有良好的抗紫外能力，不易老化。,4.1.2 纳米复合涂层在航空航天材料中的应用,1.制备纳米涂层的方法主要有沉积、喷涂、涂覆。 纳米涂层是指运用表面处理技术、将部分或全部含有纳米粉的材料涂覆于基体，由于纳米粉的作用，从而赋予基体新的性能或达到改性的目的。 基体材料包括钢铁、有色金属、塑料、玻璃、陶瓷等，纳米涂层包括金属及合金、无机非金属材料、陶瓷纳米材料等。,纳米涂层材料按用途可分为结构涂层和功能涂层两大类。 结构涂层包括：高强、高硬和耐磨涂层； 自润滑涂层； 耐热、耐高温和抗氧化涂层；

24、 耐蚀、防护和装饰涂层。功能涂层包括： 热学涂层； 光学涂层； 电学涂层； 磁学涂层； 催化敏感涂层等。,2.防护涂层 制造飞行器的材料有各种金属和非金属材料。金属材料与所处的环境介质之间发生的化学或电化学作用所引起的变质和破坏成为腐蚀。非金属材料如工程塑料、橡胶等与所处环境介质产生某些作用引起变质和破坏，成为老化。,（1）金属及合金的纳米涂层材料 金属及合金的纳米涂层材料通常采用电解、还原、喷雾等方法，生成金属或合金的纳米粉。金属纳米涂层主要由镍、铜、铁、钴，以及这些金属为基的合金组成。通过烧结、喷涂或沉积等方法形成金属基复合材料涂层。这些金属或合金纳米复合涂层可明显提高材料的抗腐蚀性能。,

25、（2）陶瓷材料纳米涂层 此类涂层大量用于耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨、高强度、电绝缘等关键部位。主要包括纳米氧化物涂层材料，如Al2O3、TiO2、ZrO2、Cr2O3等。非氧化物纳米涂层材料，如SiC、WC、TiC等。,（3）塑料与高分子纳米复合涂层材料 通过在塑料或高分子材料基体中添加复合纳米粉，形成塑料或高分子基纳米涂层。如在树脂中加入二氧化钛、二氧化硅纳米填充材料等，随着涂层的固化，纳米粒子起到强化、增韧等作用。,3.纳米微波涂层 （1）微波透波材料涂层 微波透波材料是对微波的透过率大于70%的材料，这种材料可用于制作雷达天线罩、微波通讯设备等。,（2）微波吸波材料涂层 吸波材料将雷达

26、波转换成为其他形式的能量而消耗掉，用于雷达对抗、隐身、反隐身等领域。吸波材料可分为电损耗形，如石墨粉等和磁损耗型，如羧基铁粉、超细金属粉。,4. 纳米光学涂层 (1) 光学涂层：纳米光学涂层在民用领域，如各种标牌表面施以纳米材料涂层，成为发光、反光标牌；改变纳米涂层的组成和特性，得到光致变色、温致变色、电致变色等效应，产生特殊的防伪，识别手段。,（2）纳米红外涂层 纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3填充到纤维中，制成有红外吸收功能的衣物，另外由于吸收了人体辐射的红外线，可起到保暖的作用。,(3) 纳米紫外线防护涂层 纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，纳米微粒

27、粉体对各种波长的光吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外线吸收就是利用这两个特性。如30-40nm的TiO2树脂膜，对紫外线有很强的地吸收。 在防晒油、化妆品中加入包覆高聚物的TiO2、ZnO 等纳米微粒，可起到防止紫外线的作用。但粒径不能太小，以免堵塞毛孔。,（4）纳米隐身材料 纳米隐身涂层包含纳米微波涂层、纳米光学及红外涂层的复合结构涂层。超微粒子对红外及电磁波的隐身主要原因有两点。一是纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波的波长，因此对这种波的透过率比常规材料强得多；另一方面，纳米微粒的比表面积大比常规粗粉大34个数量级，也使得吸收增强，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号很弱，从而达到隐身目的。例如

28、纳米Al2O3、Fe2O3、SiO2、TiO2可用于隐身涂层。,4.1.1.3 纳米功能材料在航空航天材料中的应用 1.纳米传感材料 纳米材料的比表面积大，因此它具有相当高的化学活性，在催化、敏感和响应等性能方面尤为突出。气体传感器是通过利用金属氧化物随周围气体组成的改变，致使电阻发生变化来对气体进行检测。如用氧化锡膜制成的气体传感器、可用作战场化学剂的报警、可燃性气体泄漏报警和湿度变化预报等。,红外传感器 红外线被纳米金属膜吸收后转变为热，由膜与冷接点之间的温度差可以测出温差电动势，因此可以制成辐射热量测量器，战场上可测出敌方人员、武器装备与背景之间的微弱的温度差。,4.2 纳米材料在环保和

29、能源领域中的进展与应用,4.2.1 纳米材料在环保领域中的作用 1.纳米粒子光催化原理 氧化物如TiO2, ZnO, CeO2等，硫化物如CdS, ZnS等半导体催化剂的电子结构一般是由能带隙隔离开的价带(valence band)和导带(conduction bond) 组成，在光的照射下，当一个具有h 大小能量的光子或者具有超过这个半导体带隙能量Eg的光子射入半导体时，一个电子e-cb从价带VB激发到导带CB, 在其后留下了一个空穴h+vb。,激发态的导带电子和价带空穴能够重新结合消除输入的能量和热，电子在材料的表面态被捕捉，价态电子跃迁到导带，价带的空穴把周围环境中的羟基电子夺过来时羟基

30、变成自由基，作为强氧化剂将脂类按照以下次序完成对有机物的降解：酯-醇-醛-酸-CO2。,以TiO2为例,一些氧化物和硫化物如ZnS、CdS均可用作光催化剂，但用得最多的还是TiO2,2.纳米材料在空气净化中的作用 （1）纳米材料应用于汽车尾气的超标报警器及净化器上，减少有害气体的排放。如SnO2,ZnO 作为可燃气体传感器，控制燃料和空气的比例；超细Fe、Ni与Fe2O3混合轻烧结体代替贵金属作为汽车尾气净化器。,（2）纳米材料应用于石油提炼工业中的脱硫工艺，从根源上解决污染问题。如采用CoTiO3做催化剂脱硫，其催化效率极高。在燃料燃烧时，加入纳米级助燃剂，可提高能源利用率，使硫转化为固体的

31、硫化物，不产生SO2。,3. 纳米材料在污水处理中的应用 污水治理就是将污水中通常含有的有毒有害物质、悬浮物、泥沙、有机污染物、细菌病毒等物质从水中除去。 纳米AlCl3的吸附和絮凝能力是普通净水剂的几倍，可将污水中的悬浮物质吸附并沉降下来。纳米孔径的过滤膜可除去细菌和病毒，纳米TiO2的光催化作用可消除许多有机物和无机污染物。,4. 自清洁表面TiO2具有光诱导超亲水性,机理：在光照下，TiO2产生电子和空位，但与光催化时的反应不同，电子将Ti（）还原为Ti(),空位去氧化氧离子。氧原子被逐出形成氧空位。水分子可以占据这些空位产生OH基团，从而使表面具有亲水性。材料的表面被紫外光照射时间越长

32、，水的润湿角就越小。水具有在材料表面完全铺开的趋势。 用途：自清洁或防结雾。,8.2.4 纳米技术在能源领域中的作用 储氢材料：纳米碳管和纳米碳纤维,4.3 纳米材料在生物医药领域中的进展与应用,8.3.1 常用的生物材料及其特点 生物材料要求有良好的生物相容性、可吸收性、无毒和无蓄积性，它是以医用为目的，用于和活体组织接触、且具有功能的无生命材料。生物材料包括金属材料、无机材料和有机材料三大类。医用生物材料包括天然、合成和两者的结合物。从性能上分为可降解和非降解，降解型高分子又可分为生物可吸收性和不可吸收性。,纳米生物材料：例如纳米金属毒性低，其传感特性和弹性模量可接近正常的天然生物组织，可

33、使细胞在其表面生长，并具有修复病变组织的功能。纳米羟基磷灰石构成的人工骨材，与生物骨质的成分相同，可与人体骨折部分完全融合。,4.3.2 普通纳米给药系统 给药系统主要是纳米粒(Nanoparticles, NP)，纳米囊(Nanocapsules, NC).NP一般是指由天然或合成的高分子材料制成的、粒度在纳米级的固态胶体微粒。NC是用高分子材料包成的纳米囊泡，一般在囊内含有油性液相。,NP作为给药系统的特点： 增加药物吸收 控制药物释放 改变药物的体内分布特征 改变药物的膜运转机制,1.NP用于抗肿瘤药物的载体 抗肿瘤药物与NP结合后，在体内的滞留时间延长，结果是提高了对肿瘤的抑制率，提高

34、药物疗效。如氰基丙烯酸烷基酯NP、白蛋白NP和明胶NP等。,2. NP 用于抗感染药物载体 3. NP 用于多肽蛋白类药物载体 4. NP用于眼科药物的载体。,4.3.3 特殊的纳米给药系统 1. 磁性纳米载体 常用的磁性材料为Fe2O3, Fe3O4，铁钴合金等。 磁性纳米材料经表面包衣处理后，可作为超顺磁材料用于磁共振成像。 表面包衣后可用于磁导向纳米材料。,2. 长循环纳米载体 常见的NP在网状内皮系统有被动靶向性，一方面有利于提高相应组织（如肝、脾、肺和骨髓）的治疗效果，另一方面，由于网状内皮系统的吞噬，对于治疗这些组织以外的疾病，疗效可能下降。,为了延长药物在体内的循环时间，采用的方

35、法有： 用表面活性剂进行包衣处理，提高空间位阻。 在NP 表面交联PEG或聚丙烯酰胺。 对补体系统的抑制 利用NP表面电荷的作用,3. 温度敏感性纳米载体 用温度敏感性亲水凝胶（异丙基丙烯酰胺/丙烯酰胺共聚物）植被NP载体，其临界温度比体温稍高，当聚合物受热时，亲水凝胶结构被破坏，凝胶骨架中的药物就会释放出来。用可透过组织的近红外光照射病灶部位，产生热量使药物释放，而组织不会有太大的损伤。,4.pH敏感性纳米载体 pH敏感性纳米载体是指在体内某个特定的酸碱环境下，载体的性能发生改变，使释药增加的一类给药系统。多用于口服给药的研究，利用肠胃道的pH值得不同，如乙烯吡珞烷酮(VP)和丙烯酸(AA)

36、用亚甲基双丙烯酰胺(MBA)进行交联，可得到包封率高的NP。在酸性介质中释放很慢，而随着pH值的增加，释放也增加。,4.3.4 基因输送的纳米载体 基因治疗疾病的三个环节： 找到出毛病的基因（靶基因）。 获得用于取代靶基因的正常基因（目标基因） 要有适当的方法或手段将正常基因输送到靶部位，实现基因的治疗。,用生物降解型的高分子材料制备的NP用于基因的输送有稳定、无毒、无抗原性、有生物相容性、控释作用（可延长基因表达时间）以及对基因有保护作用等等。,4.3.5 纳米材料在医学领域中的应用 1. 医用纳米材料的应用 纳米材料在癌症监测、治疗、细胞及蛋白质分离，靶向和缓释药物中具有重要应用价值。如磷

37、酸钙骨水泥(Calicium Phosphate Cement, CPC)是一种自固化非陶瓷羟基磷灰石人造骨材料，是由固相磷酸钙盐在液相(稀酸、水、血清)发生水化凝固，并在37 C硬化，最终形成羟基磷灰石(HAP),具有良好的生物相容性。,同时，CPC固化后，由不同排列晶体构成微孔状结构，微孔直径2-5 nm, 可阻断细菌通过，但不影响离子和小分子通过。在骨修复中，将抗生素或抗癌药物加入生物材料CPC中，药物既不影响材料的凝聚和组织修复，同时又可对缺损局部组织或恶性肿瘤切除后进行治疗，防止感染和肿瘤复发，起到组织修复和药物治疗的双重作用。,2. 纳米机器人 采用纳米大分子“生物部件”与小分子无

38、机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将使许多疑难病症得到解决。这些纳米机器人以光感应器作开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序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，监视体内病变等。纳米机器人还可用于进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，进行起因装配工作等。,4.4 纳米材料在石油化工领域中的进展与应用,8.4.1 纳米材料在润滑油脂中的应用 润滑油是由润滑基础油和各种添加剂所构成的。 目前石油炼制技术受环保等因素的推动，日益要求生产环境有好产品，减少副产品和废物的排放，同时要求是用无毒无害的添加剂。 随

39、着国内机械设备要求的不断提高，传统的国产润滑油愈加难以满足设备润滑的需要，润滑油向着具有优良的减摩抗磨性能及其他优良性能的高品质化和通用化发展。,不断完善和提高添加剂的品种和质量，研制高抗剪切高粘度指数改进剂、高温复合抗氧剂、复合抗磨剂等优质添加剂是目前润滑油添加剂研究的重点。 纳米粒子具有比表面积大、高扩散性、易烧结性、熔点降低等特性，因此以纳米粒子为基础制备的新型润滑材料应用于摩擦系统中，将以不同于传统载荷添加剂的作用方式起减摩抗磨作用，同时可以解决许多传统润滑剂无法解决的难题。,1.固体润滑添加剂与纳米粒子,图8.7 目前使用的固体润滑剂,要使固体润滑剂发挥润滑作用，首先必须使其进入到摩

40、擦面之间。如果固体润滑剂能够附着在摩擦面上，则能形成固体润滑膜。要使固体润滑剂微粒能进入摩擦面间狭小的缝隙中，不仅颗粒的形态和粒度要适当，而且还要求它能够安定地分散在润滑中，另一方面，要使固体润滑剂微粒很好地附着在摩擦面上就要求其表面具有活性。,减摩剂的作用是降低摩擦副的摩擦系数。减摩剂可分为油溶性和非油溶性两大类。 油溶性减摩剂易与润滑油混合，但在摩擦过程中可分解产生有害成分，特别是当油温较高时，可能对有色金属（如含银、锡）的轴承材料起腐蚀作用。 非油溶性添加剂可以克服上述缺点，但在润滑油系统中分散稳定性不好、易聚沉。,图8.8 代表性非油溶性添加剂的性质,纳米粒的润滑性 纳米金属粒子 软金

41、属，如铅、锡、锌等，具有剪切强度低，能发生晶间滑移的特点。当它与对偶材料发生摩擦时，软金属膜便向对偶表面转移形成转移膜。, 纳米金属化合物粒子 金属的氧化物、卤化物、硫化物、硼酸盐、磷酸盐、有机酸盐等的纳米粒子都可以作为抗磨添加剂加入基础油或润滑油脂中提高润滑油脂的润滑能力。, 纳米无机物粒子 石墨、氟化石墨等具有层状晶体结构，剪切强度很小。当它与摩擦表面接触后便有较强的粘着力，并能防止对偶材料直接接触。, 纳米有机物类粒子 近年来，聚合物球形颗粒作为新型的润滑油添加剂在水基润滑中的摩擦学性能得到了广泛的研究。如聚苯乙烯纳米微球，聚四氟乙烯纳米超微粉。,2. 纳米材料在其他润滑体系中的应用 LB膜一