1、新材料新工艺,范 广 新 材料科学与工程学院 E-mail: ,公共邮箱,邮箱: 密码： xincailiao,第六讲 纳米材料和 纳米科技,1.1 什么是纳米 namometer,1纳米(nm)是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。纳米,是一个物理学上的度量单位。 如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃弹球大小相比。人的一根头发直径约为80m（微米），即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝的直径上就可写入8000字， 纳米尺度大于原子和分子，而小于通常的块体材料，是处于微观体系与宏观体系之间的中间领域，属于介观范畴。,1.2 纳米材料,纳米
2、材料是指在一维、二维或三维的空间中始终处于1nm100nm范围内的晶体或非晶体材料。其性质不同于常规材料，而具有特殊性。 临界尺寸 当颗粒大小减小到某一尺寸时，材料的性能发生突变，与同样组分构成的常规材料性质不同，这个尺寸就是临界尺寸。 值得注意的是，同一种纳米材料具有的不同性质所发生突变的临界尺寸不同，而同一种性能的不同纳米材料其临界尺寸也有很大差别。,1.2.1纳米材料的基本性质,1，小尺寸效应 熔点：大块金、银的熔点为 1064和960；而直径为2nm的 金、银的纳米颗粒熔点分别为300和100 颜色变化，纳米金可以表现出橘黄色、紫色、红色或绿色 导电：铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电
3、；绝缘的二氧化硅颗粒在20 nm时却开始导电。 力学性能：高分子材料加纳米材料(制成的刀具)比金钢石制品还要坚硬。,2，表面效应 表面效应，是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着 纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增 加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。,颗粒直径与比表面积、表面原子占原子总数的百分比,大比表面积引起特性：金属纳米颗粒在空气中会燃烧，无机纳米颗粒在空气中会吸附气体并发生反应。原因：纳米微粒表（界）面的原子与块体表（界）面的原子不同，处于非对称的力场，在纳米微粒表面作用着特殊的力，处于高能状态。为了保持平衡，纳米微粒表面总是处于施加弹性应力的状态，有着比常规固
4、体表面过剩许多的能量，具有较高的表面能和表面结合能。,3，量子效应当颗粒粒子尺寸下降到一定尺寸时，纳米微粒就会呈现一 系列与大块材料截然不同的反常特性，即量子尺寸效应。 从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。如，吸收光线能力非常强的金属纳米粒子，向水里放入1/1000这种粒子，水就会变得完全不透明。 4，宏观量子隧道效应,1.2.2 纳米材料的分类,材料的形态分类：纳米点、纳米线、纳米带、纳米块。 根据化学成分：纳米金属、纳米陶瓷、纳米玻璃，纳米高分子 根据物理性质： 纳米半导体、纳米磁性材料、纳米光学材料、纳米铁磁材料、纳米超导体材料、纳米热电材料、 根据应用：纳米电致材料、纳米光电子
5、材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料,1.2.2 纳米材料的分类,1 纳米颗粒把纳米颗粒归属于零维纳米材料，是因为纳米颗粒从三维 上都限制在纳米尺度范围内。纳米颗粒研究开发时间最长，技术最为成熟，是制备很多 其他纳米材料的基础。,2 纳米纤维 纳米纤维是直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，归属于 一维纳米材料，用于微导线、微光纤材料以及新型激光或发 光二极管材料等。 碳纳米管、纳米线等是典型的一维纳米材料。,几种碳纳米管,3 纳米膜纳米膜归属于二维纳米材料主要用于催化材料（如汽车尾气处理）、过滤器材、高密度 磁计量材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。 4 纳米固体 纳米固
6、体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压压制 成型，或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。,各种形状的纳米材料,各种形状的纳米材料,1.3 纳米材料的制备方法,1 固相法 2 液相法 3 气相法,1.4 纳米科学技术,1 纳米科学关于纳米物质世界的基本知识的认识和理解，关于纳米物质世界变化规律的掌握和利用。 纳米物质世界的神奇性质是纳米科学发展的驱动力。 纳米科学的发展就是人门利用崭新的科学工具作用于纳米物质世界，获取全新的科学信息的能动创造过程。这是一个艰巨的、漫长的认识过程，也是一个丰富的、多彩的、浪漫的过程，更是一个前所未有的、对人类社会进步产生巨大影响的过程。,2 纳米技术是在
7、纳米物质世界的认识过程中出现的各种工具、手段 以及产生的具体方法、技能；以纳米科学为基础制造新材料、新器件、研究新工艺的方 法和手段。,3 纳米科学技术纳米科技是以1100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新兴学科，就是指通过一定的微细加工方式，按人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造新功能的器件、机器以及其它各方面应用的科学与技术。,1.5 纳米科学技术的发展,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼1959年提出：如果人类能够在原子、分子的尺度上来加工材料、制备装置，将有许多激动人心的发现。我们需要新型的微型化
8、仪器来操纵纳米结构并测定其性质。 那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。当2000年人们回顾历史的时候，他们将会为直接用分子和原子来制造机器而感到惊讶。1965年获得诺贝尔物理奖,1974年，唐尼古奇 最早使用纳米技术(Nano-technology)一词。 20世纪70年代后期，麻省理工学院 德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，但当时的多数主流科学家都对此持怀疑的态度。,被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。 为了表彰他们在科学研究领域的杰出贡献，二人在1986年被授予诺贝尔物理学奖。,STM出现以后，又陆续发展了系列工作原理相似的新型显微技术，包括原子力显
9、微镜(Atomic Force Microscope, AFM)、横向力显微镜 (Lateral Force Microscope, LFM)、静电力显微镜，这类基于探针对被测样品进行扫描成像的显微镜统称为扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope, SPM)。 作为纳米科技重要研究手段的SPM，形象地被称为纳米科技的“眼睛”和“手”。眼睛：直接观察测试原子、分子的相互作用与特性手：移动原子、构造纳米结构,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。,1993年，中国科学院北京真空物理实
10、验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。,该结构由纽约大学的Nadrian Seeman用特殊设计的自组装DNA分子制作,二、纳米科技的应用,自然界中早就存在纳米微粒及纳 米固体，如陨石碎片、动物牙齿 是由纳米微粒构成的，蜜蜂、海 龟是用磁性纳米粒子导航的。,二、纳米科技的应用,2.1纳米医学 1 纳米药品 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功能的药品。 使药物在人体内的传输更为方便，用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只需检测少量血液
11、，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 纯天然的基础材料在纳米技术的改造下，可发挥明显的杀菌效果。,2 ，医疗纳米机器人遥控式的纳米机器人(mobile nanorobots)。可以携带工具， 随着血液的循环，到体内各处，疏通梗塞的（漂浮的脂肪、 胆固醇）血管，爆破肾结石，修补损伤的组织，稳定心脏的 跳动(取代体外的搏动器)等工作。用来进行人体器官的修复工作，做整容手术，从基因中 除去有害的DNA，或把正常的DNA安装在基因中，使机体 正常运行等。对付癌症的“生物导弹”。对肿瘤有针对性的识别力，加 上纳米型杀癌药物。,2.2 纳米电脑由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将 是
12、21世纪的最重大的科技发明之一。 纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。蛋白质芯片， DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，其存储量可 达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，运算速度比 现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智 能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电 视和无线通信的发展。,纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2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，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进
13、行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,2.3 纳米武器,纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。 纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前研制的主要有： 1. 微型间谍飞行器。只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。侦察、收集情报，起一种潜伏哨的作用，可望被做成像小蜜蜂一般大小。,2.2 纳米武器,2. 袖珍遥控飞机。不足扑克牌大小的遥控飞行装置。机上装有超灵敏感应器，这不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地
14、。 3. “间谍草”。一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。,2.2 纳米武器,4. 纳米卫星。重量小于100克。纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。5. 高性能敌我识别器。 6. 有毒化学战剂报警传感器。7. 纳米涂料,纳米攻击系统。运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。有所谓微机器人电子智能系统、“蚂蚁雄兵”、“机器虫”，“蚊子”导弹、“针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000
15、）。这 些微型武器广泛应用于战斗中，将使那些重装武器系统被取代。所谓小鱼吃大鱼。,纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方 的神经系统必然是纳米武器的首选目标。通过纳米武器所焕发 出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致 不得不屈服于微型武器所造成的战争压力 。21世纪的战争将是什么样式？战场将出现何种变化？怎样 为此进行战争准备？这是事关各国国家总体战略和国防发展战 略的重大问题。因此，对21世纪可能发生的战争及战场形态进 行科学预测，已成为当今世界各国谋求国家安全的重要途径。 预测的主要依据是当今迅猛发展的微电子技术。 未来的战略竞争将是硬件技术和软件技术的竞争。
16、,2.3 纳米工业化,利用纳米技术制造机器微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。,2.4 纳米农业,利用纳米技术，只要操纵DNA链上少数几种氨基酸甚至改变几个原子的排列，就可以培养出有新性状品种甚至全新的物种。 纳米农药。这种纳米级农药，易进入害虫的呼吸系统、消化系统及表皮内发挥作用。 动物杂碎骨、珍珠、蚕丝、茶叶等农副产品都可用纳米加工技术粉碎，生产食品、化妆品、保健品。 利用纳米技术解决了植物水培过程中的营养液无能耗杀菌
17、，以及栽培空间除臭消毒与净化。 利用纳米技术开发多功能的园艺观赏植物，如荧光植物，负离子植物，及除臭杀菌植物，,2.5 纳米医疗保健系统,纳米条形码检测板 条形码是将不同疾病的检测线条印制在板上，每条数码的大小是人头发直径的千分之一(约50纳米的长度)。这种条形板就能同时筛检各种疾病，如哮喘、乳癌、过敏症、糖尿病等等。,2.6 纳米技术与生活,1.更精彩的纳米世界电影 如果人们要看一部病菌和杀菌分子机器人“决斗”的记 录片。可以将无数台分子摄像机放入血管中，进行现场转播 或拍摄成电影。其真实性则大过现实人们电脑合成的仿生动 画片。 利用这一纳米电影形式，还可以帮助人们诊断疾病和 观察病人治疗的
18、情况。 2. 优美的自然音乐 而在微小的纳米世界中，也存在着各种物质的分子和原子运动时所发出优美动听的音乐旋律。,2.6 纳米技术与生活,3. 纳米光盘出版物 一张3寸光盘，可以储存上百万亿个字符。如果使用生物纳米碳管，则储存量更大，可以达到1T（万亿）个字符，相当于1千万本书的字数。 4.布料表层形成一层特别的微观薄膜，使油或水无法与布料直接接触，在布料表面产生防水防油的“超双疏”性能 5. 纳米涂料将大大提高涂料的附着力 6. 纳米技术生产的瓷砖不沾油污，始终清洁如新。 7. 纳米玻璃,2.6 纳米技术与生活,纳米材料抗菌机理 使细菌体内的蛋白酶丧失活力，导致细菌死亡。 洗衣机的内外桶，由
19、于其结构的原因不能随意清洗，每次洗涤完衣物后，就会有一些污垢粘附在桶的表面，再加上适宜的温度和湿度就成为细菌滋生温床。如果这些细菌不能被及时杀死，就会粘附在洗涤后的衣物上，形成二次污染，危害人体健康。洗衣机应用纳米技术，是指把纳米材料添加在内外桶材料或内外桶的表面涂敷材料中，使细菌无法在桶壁上存活，从而防止细菌的滋生，达到抗菌目的。,三、纳米科技经济化,纳米科技促进纳米经济学的产生和发展，纳米经济学研究的主要内容应包括： 1 纳米技术的应用与纳米产品。 纳米技术的应用是纳米产品存在和发展的基础。对纳米技术应用的研究就是为了更加充分、有效、合理地开发和利用纳米技术。纳米产品是纳米企业提供给消费者
20、的产品。要研究纳米产品的价值与使用价值的特点，按照纳米的各种不同需求组织纳米产品的生产和供应。,纳米经济学研究的主要内容,2 纳米市场与供求关系。纳米市场是纳米产品交换的载体，供求矛盾始终是纳米市场的中的主要矛盾。研究纳米市场问题，主要是为了充分运用价值规律的作用，在市场中不断增强纳米产品的竞争力；研究供求关系问题，主要是为了掌握市场供求规律，了解市场供求矛盾的各种表现，为实现纳米市场的宏观平衡提供决策依据。,纳米经济学研究的主要内容,3 纳米产品的价格。价格是调节经济运行的重要经济杠杆，也是纳米企业获得效益的重要手段。要通过对纳米产品价格的形成、构成、种类等问题的分析，掌握纳米产品价格的制定
21、方法和策略，加强对纳米产品价格的管理和监督。,4 纳米技术与新经济的关系。在新经济时代，如果说网络技术是新经济的血管，纳米技术则是新经济的血液。纳米材料作为一种新材料，将引起产业结构的变化，为新经济创造有形的财富。纳米技术还是新旧经济的纽带，纳米技术应用到传统工业领域，将是老产品更新换代。要研究纳米技术和新经济的关系，找到纳米技术改造传统产业的契合点，为新经济的发展寻求道路。,5 纳米经济效益。纳米经济效益可分为纳米企业经济效益（又称纳米微观经济效益）和纳米宏观经济效益，要研究二者之间的联系与区别，从不同角度寻求提高纳米经济效益的途径。此外，还要研究纳米经济效益与纳米社会效益、纳米环境效益的关
22、系。,6 纳米科技产业的风险投资。纳米技术是高科技，要遵守高科技产业风险投资的一般规律，与此同时，由于纳米技术的特殊性，它与其他高科技存在很大差异，所以，研究纳米产业风险投资的政策和模式，对于促进纳米技术的产业化具有重要意义。,7 纳米经济发展战略与发展模式。在发展纳米经济的过程中，各国大都有依据本国国情及世界纳米经济发展的现状与趋势，制定本国的纳米经济发展战略和选择本国的纳米经济发展模式。对各国纳米经济发展战略与纳米经济发展模式进行比较，可以为我国纳米经济发展战略制定和纳米经济发展模式的选择提供现实的参考和理论上的指导。,四、纳米科技冲击波,4.1 生产工具效率化通过纳米技术制造出来的超小型
23、机器人，则具有无限的复制能力，就像细胞的自我分裂、复制一样，1台机器会变成2台，2台变4台 ，从而带来难以想象的财富，有朝一日，纳米机器人会成为人类改造自然的简便生产工具，甚至可能向科幻作家描写的那样承担世界上所有的工作，人类可以彻底从繁重的体力劳动中解放出来。纳米科技可以根据人们的意愿生产出各种产品，这不仅创造了新的价值，而且增加了新的使用价值，无疑为人类世界带来了巨大的财富。,4.2 劳动对象的微观化纳米科技的一个目标就是在分子层次上制造具有新奇特性并且物理和化学性能有显著提高的材料。随着纳米科技革命的深入发展，人类的劳动对象在种类、性能与用途上都将发生难以想象的变化。人工合成材料正在向多
24、品种、高质量、多功能和定向设计的多方向发展。,当前，世界上除了少数国家遭受供给总量不足之苦外，大多数国家面临的主要问题是供给大于需求总量，产品卖不不去。商品之所以卖不出去，并不是因为人们不需要商品，而是因为商品不符合人们的需求。纳米技术的诞生和广泛应用，使劳动对象微细化，不仅可以根据需要任意地制造产品，而且可以根据不同人的身体和生理特征制造出符合每个人特点的产品，传统意义上的产品也可以被新型的“纳米产品”所代替。因此，供给结构将发生根本性的变化。从这一意义上来说，纳米技术的广泛应用是对传统产品和传统生产方式的一场革命。,4.3 劳动者高素质化纳米技术时代为劳动力素质提升提供了有利的条件。一是科
25、学技术的加速进步，为劳动力提升素质提供了外部压力。二是劳动力掌握的技术越高，所获得的收入越高，高收入是劳动力提高技术素质的内部动力。三是纳米技术以及其他现代科学技术开辟了许多新的技术和生产领域，同时也淘汰了一些旧的领域或行业，劳动力的流动日趋频繁，劳动力在流动中增强了技能。四是现代化的交通、通讯手段缩短了不同国家、不同地区之间的距离，扩大了劳动力之间的信息交流和文化技术交流，也增加了劳动力之间的技能和信息量。,纳米技术时代劳动力素质提高的主要表现,1 既有高智商又有高情商的科学家。 2 高素质的生产者。 3 高素质管理者。 4 纳米科技产品本身的使用也要求使用者素质的提高。,五、纳米研究正在进
26、行中,以生物器件应用为例 1 人体排异问题 2 纳米生物器件的操作问题 3 纳米生物器件的能源问题 4 纳米生物器件解除问题,六、纳米科技是一把双刃剑,纳米器件问题。 常规药物被纳米颗粒物装载后，急性毒性、骨髓毒性、细胞毒性、心脏毒性和肾毒性明显增强。 纳米材料易进入人体。 纳米材料易透过细胞膜进入细胞内。,人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。 纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待解决，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。 对于纳米科技，科学的态度是积极参与，脚踏实地地推动这一前沿科技的健康发展，既不需要商业炒作，也不需要科学炒作。纳米科技将给人类带来无限美好的未来。,谢 谢！,
