纳米技术.ppt

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1、纳米技术纳米技术一、纳米科技的诞生二、纳米技术与纳米材料的概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料2一、纳米科技诞生l19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更费曼预言，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，逐个小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造地排列原子，制造“产品产品”，这是关于纳米，这是关于纳米技术最早的梦想。技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。不同角度提出有关纳米科技的构想。原子排成的“原子”字样3l19

2、741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词年，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。描述精密机械加工。19821982年，科学家发明研究纳年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。促进作用。19901990年年7 7月，第一届国际纳米科学技月，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会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学

3、技术的正式诞生术的正式诞生4l1991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10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。5l19931993年，继年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子年美国斯坦福大学搬走原子团团“写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、19901990年美年美国国际商用机器公司在镍表面用国国际商用机器公司在镍表面用3636个氙原子排个氙原子排出出“IBMIBM”之后，中国科学院北京真空物理实之后，中国科学院北京真空物理实验室

4、自如地操纵原子成功写出验室自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。之地。61997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20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。72000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手

5、术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。8 到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳

6、米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。9纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。硅表面10纳米皇冠11二、纳米技术与纳米材料的概念l1.纳米技术纳米科技是纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在沿科研领域。它是指在1-100nm尺度空内，研究尺度空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。单个原子、分子，制造出

7、具有特定功能的产品。离子注入三维图像122.纳米材料l纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当

8、人们将宏观物体细分成超和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。13三、纳米材料的特性1.表面效应表面效应2.小尺寸效应小尺寸效应3.量子尺寸效应量子尺寸效应4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应141.表面效应表面效应152.小尺寸效应l 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由

9、于颗粒尺寸变小所引起的宏颗粒性质的质变。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。对超微颗粒观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，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性质。从而产生如下一系列新奇的性质。（1 1）特殊的光学性质特殊的光学性质（2 2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3 3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4 4）特殊的力学性质）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电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。性能、声学特性以及化学性能等方面。

10、163.量子尺寸效应l微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。174.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。18四、几种典型的纳米材料l纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料l纳米固体材料纳米固体材料l纳米膜材料纳米膜材料l纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料l碳纳米管碳纳米管19l纳米颗粒型材料也称纳米

11、粉末，一般也称纳米粉末，一般指粒度在指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。原因，它具有不同于常规固体的新特性。20l用途：l高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高材料、太阳能电池材料、高

12、效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。人体修复材料和抗癌制剂等。21纳米固体材料l纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。Fe-B纳米棒22l纳米膜材料纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。23l纳米磁性液体材料l磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。24碳纳米管，是碳纳米管

13、，是1991年由日本年由日本电镜学家饭岛教授通过高分电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。微米甚至数毫米。碳纳米管25碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材

14、料所不具备的性能：非常好的导电性它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。能、导热性能和电性能。26碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的万倍，它的强度是钢的100倍而重倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。27正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电

15、学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。28如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居

16、就很容易月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。发展方向。29把碳纳米管用作转子的纳米马达图像30然而，碳纳米管作为一种新型材料然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场应用。超高的成本使国际市场9090高纯高纯度的碳纳米管价格高达度的碳纳米管价格高达1000100020002000美元美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在克，

17、一般纯度的碳纳米管价格也在6060美元克，美元克，远远高出黄金的价格。远远高出黄金的价格。31纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术l“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成4，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。32l1963年，年，RyoziUyeda等人用气体蒸发（或等人用气体蒸发（或“冷凝冷凝”）法获得了较干净的超微粒，并对单个）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。衍射研

18、究。1984年，年，Gleiter等人用同样的方法等人用同样的方法制备出了纳米相材料制备出了纳米相材料TiO2。33一、物理方法一、物理方法1 1真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。2 2物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分其特点操作简单、成本低，但产

19、品纯度低，颗粒分布不均匀。布不均匀。3 3机械球磨法机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。34二、化学方法二、化学方法1 1 化学沉淀法化学沉淀法共沉淀法共沉淀法均匀沉淀法均匀沉淀法多元醇沉淀法多元醇沉淀法沉淀转化法沉淀转化法352.化学还原法水溶液还原法水溶液还原法多元醇还原法多元醇还原法气相还原法气相还原法碳热还原法碳热还原法36微乳液法制备微乳液法制备Fe2O3示意图示意图37

20、纳米技术及纳米材料的应用纳米技术及纳米材料的应用l由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。面有广阔的应用前景。38一、陶瓷增韧一、陶瓷增韧l陶瓷材料在通常情况下呈脆陶瓷材料在通常情况下呈脆

21、性，由纳米粒子压制成的纳性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。现出甚佳的韧性与延展性。纳米陶瓷39二、磁性材料方面的应用二、磁性材料方面的应用l巨磁电阻材料巨磁电阻材料2新型的磁性液体和磁记录材料新型的磁性液体和磁记录材料40三、纳米材料在催化领域的应用三、纳米材料在催化领域的应用l催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的催化剂在许多化学化工领域中

22、起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来

23、不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高般催化剂的反应速度提高10101515倍。倍。41l1金属纳米粒子的催化作用金属纳米粒子的催化作用l贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使

24、打的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。42l2半导体纳米粒子的光催化半导体纳米粒子的光催化l半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，孔穴把周围环境中的

25、羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、醇、醇、醛、醛、酸、酸、CO2，完成了对有机物的降解。，完成了对有机物的降解。43常用的光催化半导体纳米粒子有常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄

26、露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和

27、光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。还有一个重要的应用是，纳米。还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取从甲醇水溶液中提取H2。44l3纳米金属、半导体粒子的热催化纳米金属、半导体粒子的热催化l金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进如炸药，增加爆炸效率；也可以

28、作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米作助燃剂。目前，纳米Ag和和Ni粉已被用在火箭粉已被用在火箭燃料作助燃剂。燃料作助燃剂。45四、纳米材料在光学方面的应用四、纳米材料在光学方面的应用l纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中

29、的能量损耗等，吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。一下各种纳米微粒在光学方面的应用。461红外反射材料红外反射材料l高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强

30、高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的照明，但是电能的6969转化为红外线，这就表明有相转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。新的途径。2020世纪世纪8080年代以来，人们用纳米年代以来，人们用纳米SiO

31、2SiO2和纳和纳米米TiO2TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约传统的卤素灯相同时，可节省约1515的电的电472优异的光吸收材料优异的光吸收材料l纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收

32、带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：的几种材料有：3040nm的的TiO2纳米粒子的树脂膜；纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的波长以下的紫外光有极

33、强的吸收能力，后者对紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器483.隐身材料隐身材料l由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波由于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，这就大大减少波的反比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积

34、比常规粗一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，测器及雷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，起到了隐身作用。因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。49美国F117隐形轰炸机机50美国B2隐形轰炸机51五、纳米技术与纳米材料在环境保五、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用护方面的作用l随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和也会迅速来临，

35、拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了从源头上控制新的污染源产生创造了条件。条件。521纳米技术在治理有害气体方纳米技术在治理有害气体方面的应用面的应用l纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用率，防治有害气体的产生。纳米

36、级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。根本无需进行尾气净化处理。532纳米技术在污水处理方面的应用纳米技术在污水处理方面的应用污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直低、成本高、存在

37、二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的絮凝能力是普通

38、净水剂三氯化铝的1020倍倍。543纳米纳米TiO2 2与环境保护与环境保护ll由于纳米由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性能，使得它在环境点外，还具有光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。污染治理方面将扮演极其重要的角色。55l（1）降解空气中的有害有机物）降解空气中的有害有机物l对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米米TiO2的降解效率最好，将近达到的降解效率最好，将近达到100。其降解机。其

39、降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。量。l（2）降解有机磷农药）降解有机磷农药l有机磷农药是有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国年代发展起来的农药品种，占我国农药产量的农药产量的80，它的生产和使用会造成大量有毒，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可来催化降解可以得到根本解决。以

40、得到根本解决。56l（3）处理毛纺染整废水）处理毛纺染整废水l用纳米用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。前景。l（4）解决石油污染问题）解决石油污染问题l在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米TiO2可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。可以降解石油，解

41、决海洋的石油污染问题。l（5）处理城市生活垃圾）处理城市生活垃圾l用纳米用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒度是大颗粒TiO2的的10倍以上，从而解决大量生活倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。垃圾给城市环境带来的压力。57l（6）高效的杀菌剂）高效的杀菌剂l一般常用的杀菌剂一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米起伤寒、霍乱等疾病。

42、利用纳米TiO2的光催的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用光催化剂还具有除臭作用。58l（7）自洁作用）自洁作用l纳米纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一我国新近

43、研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的消毒的“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”。l“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平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膜，薄膜在紫外线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玻璃上的污物，氧化室内的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种有害气体，杀灭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玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。59被称之为被称之为2121世纪前沿科学的纳米技术将世纪前

44、沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。成为未来环境保护发展的必然趋势。60六、纳米技术在生物工程上的六、纳米技术在生物工程上的应用应用l众所周知，分子是保持物质化学性质不变的众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运

45、动过程中以可预测方式进行状态变化，其原在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的州大学的AdelmanAdelman博士等应用基于博士等应用基于DNADNA分子计算分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题无法解决的问题“哈密顿路径问题哈密顿路径问题”，使人们，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进

46、一步的认识。术有了进一步的认识。61三、纳米技术对生物科学的影响 1、生物电脑l电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度来决定的。科学家发现，蛋白质有开关特性，用蛋白质分子作元件制成的集成电路，称为生物芯片。使用生物芯片的电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。利用蛋白质团已开发出的开关装置有：蛋白质芯片、遗传生成芯片、血红素芯片。62l特点：用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数亿个电路，存储量可达普通电脑的10亿倍；其集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一，且运转速度更快，大大超过人脑思维速度。l生物芯片传递信息时阻抗小，耗能低且具有生物的特点，具有自我组织和自我修复的

47、功能。它可以与人体及人脑结合，听从人的指挥，从人体中吸收营养。把生物大脑植入人的体内，可以使盲人复明，使人脑的记忆力成千上万倍地提高；若植入血管中，则可以监视人体内的化学变化，使人的体质增强，使残疾人重新站起来。63l生物集成电路的制作方法，在技术上也有所突破。目前采用的方法把聚赖氨酸分布在玻璃基底上，形成单分子层，再在上面涂一层塑料绝缘膜。然后用电子计算机控制的狭窄的一束聚焦的X光束或电子束，在该簿膜上画出一条条互相平行的条纹。条纹的宽度几十纳米，条纹之间的距离为200250纳米。用酒精把光束照射的那部分塑料溶解掉，蚀出一条条缝隙，让赖氨酸分子从缝隙中暴露出来，把另一种蛋白质“嫁接”上去。如

48、果聚赖氨酸的特性符合设计要求，就可以涂上传输电脉冲所需的金属(如银)。这就是生物集成电路，其体积在1cm3之内，其记忆可溶纳一个大型电子计算机的记忆装置，应用前景十分诱人。64lDNA电脑电脑更为诱人。其原理是，DNA分子中的密码相当于存储的数据，DNA分子之间可以在某种酶的作用下瞬间完成生物化学反应，从一种基因代码变成另一种基因代码。反应前的基因代码可作为输入数据，反应后的基因代码可以作为运算结果。如果控制得当，那么就可利用这种过程制成一种新型电脑，具有运算速度快、存储容量大、耗能极低的特点。生物电脑可实现模糊推理和神经网络运算功能，是智能计算机的突破口之一。65l神神经经电电脑脑：人脑有1

49、40亿神经元及10亿多神经节，每个神经元都与数千个神经元交叉相联，它的作用相当于一台微型电脑。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络，就构成了神经电脑。它具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。日本富通研究所开发的神经电脑，每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公司推出一种神经网络声音识别系统，能识别任何人的声音，正确率达99.8%。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电脑，右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适用于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。现在，纽约、迈阿密和伦敦的飞机场已经用神经电脑来检查爆炸物，每小时可查6007

50、00件行李，检出率为95%，误差率为2%。662、纳米级的生物工程产业l以微生物技术、酶技术、细胞技术、基因技术为主导的新型纳米农业生产体系即将形成，微生物工业产业将兴起。l生物纳米技术是以生命科学为基础，生物体系，就是生物组装、细胞、酶等，采用工程技术原理，向人类提供商品或提供社会服条的综合性科学技术。将逐步出现以动植物工程、药物及疫苗、蛋白质工程、细胞融合、基因组、生物芯片及生物智能机等为基本内涵的生物工程产业，使人类生产和生活发生巨大的变化。673、对付害虫的微型“杀手”l美国一家研究所正在追踪监视逐渐向北迁移的巴西“杀人蜂”。在捕获的蜂的背部粘上一个微芯片和一个红外线发射器，然后释放，