走进纳米世界精.ppt

走进纳米世界第1页，本讲稿共40页纳米科技与基因工程和智能科技一起被称为“21世纪高科技三剑客”.在21世纪初正式登上世界经济舞台.纳米科技的兴起,孕育了一个新的经济模式-纳米经济的诞生.第2页，本讲稿共40页河南纳米材料工程技术研究中心简介河南纳米材料工程技术研究中心简介l河南省纳米材料工程技术研究中心是由河南省科技厅委托河南大学特种功能材料重点实验室承建的工程中心，是河南省从事纳米材料开发与推广应用的专业研究机构，是我国最早从事纳米材料研究的集体之一。它位于河南济源科技园区它位于河南济源科技园区。中心集中了材料化学、高分子化学与物理、无机化学、凝聚态物理、摩擦学等多专业研究人员，其中有教授12人，副教授8人，在读博士研究生、硕士研究生100余人。拥有价值4000多万元的材料制备、化学合成、结构表征到性能测试的较完备的大型分析仪器和中试设备，8000平方米的专用实验室和1500平方米的中试车间，并与企业合作成立了济高化工有限公司。第3页，本讲稿共40页l中心运行以来建立了联合、开放、流动的运行机制，制定了一整套内部管理规章制度，设立了两批开放研究课题，吸引了一批优秀人才到实验室工作。近三年，共获得了国家863高新技术项目2项，973前期项目1项，国家自然科学基金3项，省杰出人才创新基金1项，省重大攻关项目1项，省高校创新人才基金1项，教育部项目2项，省杰出人才基金3项等。在国内外核心期刊发表论文100多篇，同时承担了洛阳玻璃厂、洛阳石油化工集团公司、胜利油田等一批横向课题，取得了可喜的研究成果。第4页，本讲稿共40页l中心多年来一直致力于可分散纳米微粒的制备，性能及应用研究，在纳米材料的合成制备方面取得了优异的成绩。中心工程技术开发以在有机介质中有良好分散性的修饰纳米微粒开发为主，形成具有自主知识产权的专利产品和技术，将化学制备与物理制备技术有机结合在一起，所开发产品和技术的起点高，附加值高，经济效益显著。目前该工程中心已鉴定项目四项，申请国家发明专利7项，完成了中石化胜利石油管理局委托项目“低渗油井增注剂”的中试放大和50吨工业化试生产，完成了“可分散性SiO2纳米粉体材料”的中试试验和50吨、1000吨规模的工业化设备和可行性论证，具备了很好的产业化基础。所研发的能吸收电磁波的防辐射纳米涂料、可分散性纳米二氧化硅系列产品、聚合物无机复合低表面能透明涂层系列产品等科研成果，先后通过了国家有关部门的鉴定。该中心前不久又研究成功油溶性铜纳米微粒，此产品可广泛应用于润滑、不透明涂料和油漆以及抗静电屏蔽材料等领域。中心在开展科学研究的同时，积极进行成果就地转化，目前已将首个具有自主知识产权的“可分散性纳米二氧化硅系列产品”技术转让给了济源煤炭高压开关厂，现已建成年产100吨规模的生产线。第5页，本讲稿共40页纳米就在我们身边古代“文房四宝”中的墨水-用碳纳米微粒溶于水形成。蜜蜂、海龟不迷路-体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。人体的牙齿、骨骼都是有含钙的羟基磷灰石(HAP).第6页，本讲稿共40页一、纳米的概念一、纳米的概念纳米（nm）实际上是一种长度单位，1纳米仅等于十亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活跃性。科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。纳米技术是指在1100纳米这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术，包括纳米结构和纳米材料。第7页，本讲稿共40页纳米是英文nanometre的音译.纳米源自拉丁语“NANO”,意为“矮小”.纳米是一种物理度量定位,是一长度单位.1纳米(1nm)=10-9m.l1纳米=1000皮米(picometre)l1皮米=1000飞米(femtometre)l1飞米=1000阿米(attometre)第8页，本讲稿共40页水可能是我们最熟悉的东西，我们每天都离不开水，我们知道油水是不相溶的，无论宏观尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你没有办法把它混在一起。但是如果到了纳米尺度上，也就是说在这个微观世界里，它就能够溶，并且溶得非常好，成为热力学的稳定相。不管它温度变化也好，振动也好，里头加一点化学原料也好，它都能够是稳定的。第9页，本讲稿共40页二、纳米技术的历史1、年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。2、20世纪50年代末，物理学家开始认识到“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性”。经过几十年的艰苦探索，纳米技术取得了关键性的突破。1990年IBM公司使用扫描探针移动35个原子，组成了IBM三个字母，创造了人类最“微乎其微”的伟大奇迹，纳米神话令世界震惊。第10页，本讲稿共40页3、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，强度却是钢倍，成为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。中国古代的纳米：早在中国古代，安徽出的墨，其颗粒就可以是纳米级的，非常非常细，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。第11页，本讲稿共40页三、纳米技术将来发展的几个阶段：1、准确地控制原子数量在个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。2、生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的倍。第12页，本讲稿共40页3、大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。4、造出纳米计算机。纳米磁膜材料将大大提高磁记录密度，纳米加工技术的进步将使纳米级光盘的出现成为可能，其信息储存量将是现在光盘的100万倍。第13页，本讲稿共40页未来的某一天，像现在“银河”那样的巨型计算机可能变成“掌中宝”，而美国国会图书馆的全部信息，将会被压缩到一个糖块大小的光盘中。可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快，效率将更高。5、科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。第14页，本讲稿共40页纳米微粒的表面效应表面效应:纳米粒子的表面原子与总原子数之比随纳米粒子的尺寸的减小而大幅度地增加,粒子的表面能及表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子性质的变化.四、纳米材料的特殊性质四、纳米材料的特殊性质第15页，本讲稿共40页纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬空键,并具有不饱和性,因而极易与其他原子相结合而趋于稳定,所以,具有很高的化学活性.第16页，本讲稿共40页粒子的大小与表面原子数的关系直径/nm1510100原子总数N30400030000300000表面原子百分比10040202第17页，本讲稿共40页纳米微粒的小尺寸效应随着颗粒的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变.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.第18页，本讲稿共40页特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质超导电性,介电性能,声学性能和化学性能等.第19页，本讲稿共40页纳米微粒的量子效应量子效应是指随着纳米微粒尺寸的减小，纳米微粒的能隙加宽并发生“蓝移(blueshift)”的现象，即材料中电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺寸之间的效应关系第20页，本讲稿共40页对于宏观物体包含无限个原子，N，于是0，即宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，N值很小，能级间距将发生分裂，这就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性不同，从而产生量子尺寸效应。第21页，本讲稿共40页五、纳米技术在生活中的应用：1、纳米材料用于纺织品，经过独特的工艺处理，将紫外线隔离因子引入纤维中，能起到防紫外线、阻隔电磁波，具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损等影响的作用，可以有效保护人体皮肤不受辐射伤害。第22页，本讲稿共40页如果在分散的纳米分子材料上经过特殊处理，再运用到纤维物体上，那么衣服就可以不粘油、不粘水，由于纳米分子非常非常小，它不会影响纤维物体的透气性和清洗效果。第23页，本讲稿共40页2、纳米生物技术的成果也会为制造人造器官和人造皮肤提供便利。如今科学家们已经能够利用烧伤患者未被破坏部分的皮肤细胞制成被烧伤部位的人造皮肤，并使其具有正常的代谢作用。将来纳米生物技术的进一步发展还会为医生有效治疗脑血栓提供可能。纳米微粒也将会在摧毁脑肿瘤方面起到重要作用。第24页，本讲稿共40页3、纳米技术用在医学上，专家们把磁性纳米复合高分子微粒用于细胞分离，或者把非常细小磁性纳米微粒，放入一种液体中，然后让病人喝下后，对人身体的病灶部位进行治疗，并且通过操纵，可使纳米微粒在人的身体病灶部位聚集进行有目标的治疗，在不破坏正常细胞的情况下，可以把癌细胞等分离出来，也可以制成靶向药物控释纳米微粒载体（俗称“生物导弹”），用于治疗脑栓塞等疾病，同时也可用纳米技术生产出纳米探针（微型机器人）深入体内治疗疾病或清理体内垃圾等。第25页，本讲稿共40页纳米机器人是可以在细胞内或血液中对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。其实细胞本身就是一个活生生的纳米机器，细胞中的每一个酶蛋白分子就是一个个活生生的纳米机器人，已有一种纳米药物载体通过了FDA批准并应用于临床，密西根大学的DonaldTomalia等已经用树形聚合物发展了能够捕获病毒的“纳米陷阱”。体外实验表明“纳米陷阱”能够在流感病毒感染细胞之前就捕获它们，使病毒丧失致病的能力。第26页，本讲稿共40页4、纳米化妆品项目的相关试验结果已经得出，北京地区唯一能做透皮吸收测试的北京军区总医院临床药物研究所为北京中阳德安医药科技有限公司的产品进行了透皮吸收试验。试验报告显示：将两种样品同时涂布于两组小鼠的表皮组织，纳米组在10分钟后，即可明显测出其渗透量，并且随时间延长渗透量的值增大，4小时的时候渗透量达稳态吸收量。而对照组在一个半小时后才开始有明显的渗透，但与同时间的纳米组的比较渗透量的值低5558。说明纳米组在给样最短时间内即达到有效吸收。纳米组的积累吸收量明显大于对照组。据进行此项实验测试的专家称，该实验是严格遵照美国FDA的药理实验标准进行的，其结果是可靠的。第27页，本讲稿共40页5、纳米技术如果应用在陶瓷上，可使陶瓷具有超塑性，大大增强了陶瓷的韧性，不怕摔，不怕碎，陶瓷坚固无比。另外，还能用纳米技术识别化学和生物传感器材料。令科学家高兴的是，纳米钛与树脂化合后生成的多种全新涂料，具有多种同类产品无法相比的优越性，在海水中浸泡10年不损，并具有神奇的自我修复能力和自洁性，纳米钛还作为唯一对人植物神经、味觉没有任何影响的金属，其用途广泛。第28页，本讲稿共40页六、纳米技术在军事上的应用：1、纳米微粒尺寸小，从而增加化学反应的接触面。因此，纳米材料可作为催化剂被广泛应用提高军事能源的使用效能。纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，可使燃烧效率提高100倍；纳米炸药比常规炸药性能提高千百倍；纳米材料制成的燃油添加剂，可节省燃油，降低尾气排放。第29页，本讲稿共40页2、提高常规武器的打击与防护能力。运用纳米技术在产品中添加特殊性能的材料或在产品表面形成一层特殊的材料，能产生出新的性能，如可以使易碎的陶瓷变得具有韧性，达到类似于铁的耐弯曲性，或具有特殊的刚性。现在已经制造出来的碳纳米管，硬度大约是钢的100倍。可以想象，把纳米技术用于武器制造，可大大提高武器弹头对目标的穿透力和破坏力，也可提高武器装备的防护能力，未来防弹装甲车可能产生使导弹滑落或弹回去的奇迹。第30页，本讲稿共40页3、提高武器装备的隐身性能。某些纳米固体在较宽的频谱范围对电磁波有均匀的吸收性能，几十纳米厚的固体薄膜的吸收效果与比它厚1000倍的现有吸波材料相同，美国研制的纳米隐身涂料超黑粉对雷达波的吸收率达99%。用纳米吸波材料涂在战略轰炸机、导弹等攻击性飞行器的表面，能有效地吸收敌方防空雷达的电磁波(B-2隐身轰炸机表面的涂层中就含有纳米材料)；将纳米粒子添加于发烟剂中，能对阵地起到很好的屏蔽作用，与土壤混合可遮蔽地下指挥所等重要军事设施。第31页，本讲稿共40页4、用于制造微型武器。利用纳米技术可以把传感器、电动机和数字智能装备集中在一块芯片上，制造出几厘米甚至更小的微型装置。在未来战场上，将出现能像士兵那样执行军事任务的超微型智能武器装备。据报道，美国研制的小型智能机器人，大的像鞋盒子那么大，小的如硬币，它们会爬行、跳跃甚至可飞过雷区、穿过沙漠或海滩，为部队或数千公里外的总部收集信息。微型机电武器还可用于敌我识别、探测核污染和化学毒剂、无人侦察机等。第32页，本讲稿共40页5、用于制造微型卫星和纳米卫星。由于纳米技术、微电机技术的发展，一些国家发射的卫星正向小型化方向发展。1993年，美国航空航天公司就提出了纳米卫星(重约0.110千克)的概念。1999年，英国、美国、瑞典各发射了一颗纳米卫星。专用微型集成电路取代现在卫星上使用的有关系统，使微型卫星、纳米卫星体积小、重量轻；生存能力强，即使遭受攻击也不会丧失全部功能；研制费用低，不需大型实验设施和跨度大的厂房；易发射，不需大型运载工具发射，一枚小型运载火箭即可发射千百颗，再按不同轨道组成卫星网，即可实现对地球表面的覆盖。第33页，本讲稿共40页6、中科院化学所宣布已研制出不沾水、不沾油的“纳米布”，用纳米布可制成水陆两用服装；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；由于碳纳米管发射电子的性能十分优良，可在制造数字化头盔用的高清晰度显示器方面大有作为，极小的微处理器可使图像弯曲，形成一幅180度的全方位图景，以便同头盔相匹配。碳纳米管还可保护士兵免受激光致盲武器的攻击，一旦受到攻击，它们可以迅速变为等离子体，吸收激光能量，然后再恢复原来的状态。第34页，本讲稿共40页七、纳米技术可能带来的危害：纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直接对人体产生威胁。一般的物品拿在手上，由于构成的微粒大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细胞内，以致进入血液。但是纳米技术生产的产品，由于构成微粒在纳米量级，完全有可能通过皮肤接触进入人体。如果这种物质有毒的话，人体与之接触将是十分危险的，所以，生产和处理这种纳米产品，其生产厂房、放置措施都将有极其严格的规定。第35页，本讲稿共40页八、假冒纳米技术纳米打假，可能被一些人认为是小题大做，其实不然，现在只要留心大城市的市场上，打着“纳米家用电器”、“纳米防辐射衣服”、“纳米防紫外线化妆品”、“纳米太阳伞”等新奇广告招牌随处可见，就如同“绿色食品”、“基因食品”、“数字电视”等一样，“前卫”商品堂而皇之地摆在商场的柜台上，纳米技术的用途相当广泛这点不错，但还没有到广泛地应用阶段，因此，一些企业借纳米造势，趁老百姓对纳米技术的内涵还不太清楚，或把一点点皮毛的加工谎称为纳米技术，或以“微米技术”“降格”充当，甚至置纳米材料不会释放微波这一普通常识不顾，声称自己产品能释放保健微波来欺骗消费者。第36页，本讲稿共40页1、“纳米水”广州一家公司用所谓的“纳米水”把老百姓搞得晕头转向：这家公司把“纳米水”说得神乎其神：抗疲劳、耐缺氧、抵抗细菌、降火排毒，长期饮用可“水到病除”，甚至还可以“增强女士防匪徒强暴的能力”。据称，“纳米水”将缔造一个水的“神话”，引起一次“饮用水革命”。据介绍，该公司还有“纳米口红”、“纳米衣服”、“纳米牙膏、牙刷”等，不过目前尚未上市。这种“纳米水”的关键在于所谓的“纳米珠”。在这家公司的现场演示中，一位所谓的“经理”拿出一把大小不一、颜色各异的椭圆形小珠，称这就是麦饭石与纳米特殊材料制作而成的“纳米珠”。他往两杯清水里加入纯蓝墨水，然后抓起一把“纳米珠”放到其中一个杯子里，几分钟后，这杯水颜色变淡，而另一杯没有“纳米珠”的水则还是老样子。这位经理得意地说，看，这就是纳米珠的厉害，多脏的水都不怕。回到家里，只要往自来水里放几颗，直接就可饮用啦，而且水中含有18种有益人体的微量元素，可以增强免疫力等。记者试着喝了一口，感觉和一般的纯净水没有区别。据了解，每盒纳米珠要300元，买齐整套设备（一台饮水机、一桶水和十盒纳米珠）则需3800元。第37页，本讲稿共40页针对以上现象，华南理工大学教授、博士生导师龚克成说：“这纯属骗局。”首先，要实现“化蓝为清”的表演效果，有许多种简单的化学反应都可以做到，与“纳米”技术没有任何关系。其次，纳米材料的确有一些普通材料无法达到的功能，但是，就目前纳米技术的研究进度以及纳米材料的较高成本等因素综合来看，纳米技术要大规模走入民用阶段需要相当长的时间，而且即使到了那个时候，也决不能替代药品，达到所谓的“水到病除”。第38页，本讲稿共40页2、纳米冰箱、纳米洗衣机：所谓纳米冰箱，只不过是添加了氧化钛的纳米无机物，产生了一定的抗菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，而对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。第39页，本讲稿共40页3、如何鉴别纳米的真伪：一要看这种材料是否在纳米尺度内，即纳米到纳米之间；二是看这种材料是否具有宏观材料不具备的特性。比如说纳米领带，就应该不沾油不沾水。纳米物品的价值：碳纳米管身价碳纳米管身价远高于黄金。远高于黄金。第40页，本讲稿共40页