第5节 纳米材料的应用精选文档.ppt

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1、第5节纳米材料的应用本讲稿第一页，共六十四页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。本讲稿第二页，共六十四页一一.纳米材料在催化领域的应用纳米材料在催化领域的应用催化剂

2、在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大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，而且其制备是凭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巨大浪费，使经济效经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，于作催化

3、剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作为甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作为催化剂比一般催化剂的反应速度提高催化剂比一般催化剂的反应速度提高10101515倍。倍。本讲稿第三页，共六十四页1 1金属纳米粒子的催化作用金属纳米粒子的催化作用贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子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，例如纳米粒子铑在氢化反应中显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。烯烃双键上往往连有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，致使双键很难

4、打开，若加上粒径为尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。利进行。本讲稿第四页，共六十四页2半导体纳米粒子的光催化半导体纳米粒子的光催化半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，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、失效农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效应是指：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，价带的孔穴把周

5、围环在光的照射下，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，作为强氧化剂将境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、物质氧化，变化如下：酯、醇、醇、醛、醛、酸、酸、CO CO2 2，完成了对，完成了对有机物的降解。有机物的降解。本讲稿第五页，共六十四页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：将这类材料做成空心小球，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，利太阳光可进行有机物的降解。浮

6、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污染进行处理。美国、日本利用这种方法对海上石油泄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，使其具有保洁杀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纤维。锐钛矿白色菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米纳米TiO2粒子表面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装

7、修等方面有着广泛的应用前景。铅化的用前景。铅化的TiO2纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生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、乙烷和丙烷；铂化的成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和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光催光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取化效应可以用来从甲醇水溶液中提取H2。本讲稿第六页，共六十四页3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

8、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AlAl和和NiNi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。本讲稿第七页，共六十四页本讲稿第八页，共六十四页二、纳米材料在光学方面的应用二、纳米材

9、料在光学方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块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、光吸收、材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米光反射、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。研究表明，利用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各种光学材料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广泛的应用。目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室阶段，有的得到前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得

10、到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。光学方面的应用。本讲稿第九页，共六十四页1红外反射材料红外反射材料纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用.高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的明，但是电能的6969转化为红外线，这就表明有相当多转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能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。如何提来照明。同时，

11、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键问题，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新的途径。纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。2020世纪世纪8080年代以来，人们用纳米年代以来，人们用纳米SiOSiO2 2和纳米和纳米TiOTiO2 2微粒制成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，而且有很强的红外线反射的内壁，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传统的卤素灯相同时，能力。

12、有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约可节省约1515的电。的电。本讲稿第十页，共六十四页2优异的光吸收材料优异的光吸收材料 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化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。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，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

13、粒子的掺加量和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。组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：目前，对紫外吸收好的几种材料有：303040nm40nm的的TiOTiO2 2纳米粒子的树脂膜；纳米粒子的树脂膜；FeFe2 2O O3 3纳米纳米微粒的聚酯树脂膜微粒的聚酯树脂膜;纳米纳米AlAl2 2O O3 3 。前者对。前者对400nm400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对对600nm600nm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;纳米纳

14、米AlAl2 2O O3 3 对对250nm250nm以下的紫外光有极强的吸收以下的紫外光有极强的吸收.利用纳米材料对紫外强吸收性质利用纳米材料对紫外强吸收性质,可运用到日光灯的寿命、防晒剂和化妆品、加可运用到日光灯的寿命、防晒剂和化妆品、加入高分子材料可作抗老剂，防止高分子材料老化等。入高分子材料可作抗老剂，防止高分子材料老化等。(1)紫外吸收紫外吸收本讲稿第十一页，共六十四页日光灯管是利用水银的日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明明.一般来说一般来说,185nm,185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响的短波紫外光对灯管的寿

15、命有影响,而且灯管的而且灯管的泄露对人体有害泄露对人体有害,这是一直困扰日光灯工业的主要问题这是一直困扰日光灯工业的主要问题.如果把几个如果把几个纳米的纳米的AlAl2 2O O3 3 掺杂到稀土荧光粉中掺杂到稀土荧光粉中,利用纳米紫外吸收的蓝移现象就利用纳米紫外吸收的蓝移现象就有可能吸收掉这种有害的紫外光有可能吸收掉这种有害的紫外光,而且不降低荧光粉的发光效率而且不降低荧光粉的发光效率.大气中紫外线在大气中紫外线在300-400nm300-400nm波段波段(太阳光对人体有伤害的紫外线也是太阳光对人体有伤害的紫外线也是这个波段这个波段),),在防晒油和化妆品中加入纳米材料在防晒油和化妆品中加

16、入纳米材料,纳米纳米AlAl2 2O O3 3、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2等对这个波段的紫外光进行强吸收等对这个波段的紫外光进行强吸收,可减少进入人体的紫外线可减少进入人体的紫外线.在紫外线照射下塑料很容易老化在紫外线照射下塑料很容易老化,如果在塑料表面涂上一层含纳米材料的如果在塑料表面涂上一层含纳米材料的透明层透明层,这种涂层对这种涂层对300-400nm300-400nm波段的紫外线有强吸收波段的紫外线有强吸收,就可防止塑料的老就可防止塑料的老化化.汽车和船舰的表面都涂上油漆汽车和船舰的表面都涂上油漆,底漆主要是氯丁橡胶和双酚或环氧树脂底漆主要是氯丁橡胶和双酚或环氧树脂为原料为

17、原料,容易在阳光照射下老化容易在阳光照射下老化,使得油漆脱落使得油漆脱落,若在面漆中加上能强烈吸若在面漆中加上能强烈吸收紫外光的纳米材料就可保护底漆了收紫外光的纳米材料就可保护底漆了.本讲稿第十二页，共六十四页(2)红外吸收 红外吸收在日常生活和高科技领域都有重要的应用红外吸收在日常生活和高科技领域都有重要的应用.人体释人体释放的红外线大致在放的红外线大致在4 416m16m的中红外波段的中红外波段.在战争如果不对在战争如果不对这个波段的红外线进行屏蔽这个波段的红外线进行屏蔽,很容易被灵敏的中红外探测器很容易被灵敏的中红外探测器所发现所发现,尤其在夜间人身安全将受到威胁尤其在夜间人身安全将受到

18、威胁.从这个意义上说从这个意义上说,研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服很有必要研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服很有必要.一些经济一些经济发达的国家已开始用这种具有红外吸收功能的纤维制成军装发达的国家已开始用这种具有红外吸收功能的纤维制成军装武装部队武装部队.纳米纳米AlAl2 2O O3 3、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2、FeFe2 2O O3 3及其复合材料对中红外有强烈及其复合材料对中红外有强烈吸收，也可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、吸收，也可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒，以及在军事上，防止敌人的红外探测器发现。军人战士防寒，以及在军事

19、上，防止敌人的红外探测器发现。本讲稿第十三页，共六十四页(3)隐身材料隐身材料 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

20、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。本讲稿第十四页，共六十四页1991年海湾战争中，美国战斗机美国F117表面包覆了多种超微粒（Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3、氮化硼，碳化硼及其复合材料都是隐身材料）的红外与微波隐身材料，吸收宽频带的微波，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标没有这种设施，损失惨重。美国又研制了纳米磁性材料，在一定条件下产生光发散效应，改变光传播方向，达到扰乱敌人探测的目

21、标。本讲稿第十五页，共六十四页美国F117隐形轰炸机机本讲稿第十六页，共六十四页美国B2隐形轰炸机本讲稿第十七页，共六十四页三、三、纳米材料在环境保护方面的作用纳米材料在环境保护方面的作用随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也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保护会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。上控制新的污染源产生创造了条件。本讲稿第十八页，共六十四页1纳米技术在治理有害气体方面纳米技术在治理有害气体方面的应用的应用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

22、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。本讲稿第十九页，共六十四页2纳米技术在污水处理方面的应用纳米技术

23、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、铁锈、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。污水治理就是将这些物质从水异味污染物、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低、成本高、存在二中去除。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，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术次污染等问题，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底解决这一难题。污水中的贵金属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害的物质。它从污水中流失，也是资源的是对人体极其有害的物质。它从污水中

24、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、浪费。新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。一种新型的纳米级净钯、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。它的吸附能力和絮凝能力是普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通净水剂三氯化铝的1020倍倍。本讲稿第二十页，共六十四页3纳米纳米TiO2与环境保护与环境保护 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

25、色。境污染治理方面将扮演极其重要的角色。本讲稿第二十一页，共六十四页（1）降解空气中的有害有机物）降解空气中的有害有机物 对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米TiO2的降的降解效率最好，将近达到解效率最好，将近达到100。其降解机理是在光照条件。其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、水和有机酸。纳米下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工

26、业废气处理，改善厂区周围空气质量。理，改善厂区周围空气质量。（2）降解有机磷农药）降解有机磷农药 有机磷农药是有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国农药产年代发展起来的农药品种，占我国农药产量的量的80，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米保难题，使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。来催化降解可以得到根本解决。本讲稿第二十二页，共六十四页（3）处理毛纺染废水）处理毛纺染废水 用纳米用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有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化、不存省资、

27、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，显示出良好的应用前景。在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。（4）解决石油污染问题）解决石油污染问题 在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油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，解决海洋的石油污染问题。（5）处理城市生活垃圾）处理城市生活垃圾 用纳米用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒大颗粒TiO2的的10倍以上，从而解决大量生活

28、垃圾给城倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。市环境带来的压力。本讲稿第二十三页，共六十四页（6）高效的杀菌剂）高效的杀菌剂 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。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、

29、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。本讲稿第二十四页，共六十四页l（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种具我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”。l“纳米自洁净玻璃纳米

30、自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板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，薄膜在紫外线的作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，氧化室内有害气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。这种玻璃与普体，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通玻璃的价格比预计为1.5：1。本讲稿第二十五页，共六十四页综上：被称之为综上：被称之为2121世纪前沿科学的纳米技世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有着广术将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泛的应用

31、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成保观念，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。为未来环境保护发展的必然趋势。本讲稿第二十六页，共六十四页四、纳米技术在生物工程上的四、纳米技术在生物工程上的应用应用众所周知，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

32、，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。美国南加州大学的艾德曼博士等应用基于州大学的艾德曼博士等应用基于DNADNA分子计算技分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题法解决的问题“哈密顿路径问题哈密顿路径问题”，使人们对，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。有了进一步的认识。本讲稿第二十七页，共六十四页虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已虽然分子计算机

33、目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变

34、化。毕阁等研究了细菌视紫红质分子潜的物质结构变化。毕阁等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。注：细菌视紫红质是一种具有光驱动质子泵功能的跨膜蛋白,迄今为止已被当作光合作用、质子泵和七螺旋跨膜的受体模型进行研究.本讲稿第二十八页，共六十四页到目前为止

35、，还没有出现商品化的分子到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高计算机组件。科学家们认为：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导制作出了光导“与与”门，利用发光门制门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。力的中心网络和联想式存储装置。本讲稿第二

36、十九页，共六十四页纳米计算机的问世，将会使当今的信息时纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。革命。本讲稿第三十页，共六十四页如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家在随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家在10日出日出版的英国自然杂志上报告说，他们用版的英国自然杂志上报告说，他们用

37、DNA（脱氧核（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元基本元件碱基的配对机制，可以用件碱基的配对机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制这种控制这种镊子反复开合。镊子反复开合。本讲稿第三十一页，共六十四页1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料30。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探

38、测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。本讲稿第三十二页，共六十四页五、纳米科技在其他方面的应用五、纳米科技在其他方面的应用1.医学医学使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。功能的药品。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层米材料粒子将使药物

39、在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊诊断出各种疾病。断出各种疾病。本讲稿第三十三页，共六十四页从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例

40、子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。本讲稿第三十四页，共六十四页纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快

41、速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。本讲稿第三十五页，共六十四页纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。本讲稿第三十六页，共

42、六十四页纳米机器人纳米机器人 采用纳米大分子：“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。本讲稿第三十七页，共六十四页这些分子机器人以光感应器作开关，从溶解在血液中的葡这些分子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，并按编制好的程序探体内物体，萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探体内物体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中的学栓，清楚心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎的学栓，清楚心脏动脉脂肪沉积物，吞噬

43、病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，从基因中除去有害的做整容手术，进行基因装配工作，从基因中除去有害的DNADNA或把正常的或把正常的DNADNA安装在基因中，使机体恢复正常功能。安装在基因中，使机体恢复正常功能。将由纳米硅晶片制成的存储器（将由纳米硅晶片制成的存储器（ROMROM）微型设备植入大脑）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经中，与神经通路相连，

44、可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。性疾病。注：帕金森氏症就是俗称的老年痴呆症，是一种渐进式的脑疾，主要是因为脑中控制运动的细胞遭到破坏所导致而成的。本讲稿第三十八页，共六十四页2.家电家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。除味塑料。3.电子计算机和电子工业电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已前

45、芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为可以缩小成为“掌上电脑掌上电脑”。本讲稿第三十九页，共六十四页4.纺织工业纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米在合成纤维树脂中添加纳米SiOSiO2 2、纳米、纳米ZnOZnO、纳米、纳米SiOSiO2 2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫

46、外线辐射的功能纤维。功能纤维。5.机械工业机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。寿命。本讲稿第四十页，共六十四页六、纳米科学技术六、纳米科学技术在精细化工方面的应用在精细化工方面的应用 本讲稿第四十一页，共六十四页1、粘合剂和密封胶、粘合剂和密封胶国外已将纳米材料如纳米国外已将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都

47、大大提高。其作用机理是在纳米密封性都大大提高。其作用机理是在纳米SiO2的表的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形形成网络结构防止胶体流动，固体速度加快，提高粘成网络结构防止胶体流动，固体速度加快，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。本讲稿第四十二页，共六十四页2、涂料、涂料在各类涂料中添加纳米在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的性能、光洁度及强度

48、成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米质量和档次自然升级。因纳米SiO2是一种是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。度和光洁度。本讲稿第四十三页，共六十四页3、各种助剂、各种助剂橡胶橡胶纳米纳米Al2O3Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶的介粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米电性和耐磨性。纳米SiO2SiO2可以作为抗紫外可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝缘橡胶的填料。辐射、红外

49、反射、高介电绝缘橡胶的填料。添加纳米添加纳米SiO2SiO2的橡胶，弹性、耐磨性都会的橡胶，弹性、耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。本讲稿第四十四页，共六十四页塑料塑料纳米纳米SiOSiO2 2对塑料不仅起补强作用，而且对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。利用它透光、粒度具有许多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。在有机玻璃生产时加入表面经大提高。在有机玻璃生产时加入表面经修饰的纳米修饰的纳米SiOSiO2 2

50、可使有机玻璃抗紫外线可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃中添加纳米中添加纳米AlAl2 2OO3 3既不影响透明度又提高既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。了高温冲击韧性。本讲稿第四十五页，共六十四页纤维纤维以纳米以纳米SiO2SiO2和纳米和纳米TiO2TiO2经适当配比而经适当配比而成的复合粉体作为纤维的添加剂，可成的复合粉体作为纤维的添加剂，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用射的功能纤维。用SiOSiO2 2+TiO+TiO2 2+AlAl2 2O O3 3+ZnO+ZnO四合一粉体对人造