1、西安交通大学,1,纳米技术及其应用,一、什么是纳米、纳米材料、纳米科学、纳米技术？ 二、纳米技术的应用,西安交大 王琪琨,西安交通大学,2,一、什么是纳米、纳米材料？,1纳米是10亿分之1 米。80年代材料科学界才以长度单位为1100nm（纳米）范围来命名“纳米材料”。具体说纳米材料是指长宽高（三维）至少有一个方向（一维）处于纳米量级的材料。 1、零维材料：纳米级质点或纳米微粒。 2、一维材料：纳米丝、纳米线、纳米管。 3、二维材料：纳米量级厚度的薄膜，与其多层膜， 4、块体纳米材料：基于上述低维材料所构成的致密或非致密块体材料。 5、纳米复合材料：纳米材料分散于其它材料（有机与无机）中构成的
2、纳米复合材料，分散相为纳米尺度。,西安交通大学,3,纳米科学,1、纳米物理 2、纳米化学 3、纳米机械学 4、纳米电子学 5、纳米生物学 6、纳米测量学,西安交通大学,4,纳米技术,1、纳米材料的制备 2、纳米结构的组装技术 3、纳米器件、电路与系统的设计、制造、测试技术 4、纳米应用技术，生物、医疗、材料、能源、环境、国防、航空航天等。,西安交通大学,5,纳米尺度的意义,1、值得注意的是从蛋白质、病毒到细胞，都是在1100nm尺度范围。纳米结构也是生命现象的基本结构。 2、凝聚态物理学中早已明确的特征长度，电子波长与平均自由程，激子的半径，匀畴粒子的临界尺寸，铁磁性向顺磁性转化的尺寸。 3、
3、新的物理效应。量子尺寸效应，表面效应，隧道效应。,西安交通大学,6,我国的水平,科学领先行列：论文统计第三 、北大 刘忠范 吴全德 薛增泉 、清华 范守善 、西交大 CNTFED 朱长纯 、中科院固体研究所 张立德 、中科院物理所 谢思深 、中科院化学所 江雷 、国家领导人非常重视，大投入，我国领先的领域、国家目标、国家安全、市场导引。,西安交通大学,7,二、纳米材料及其应用,、纳米技术21世纪新产品诞生的源泉 、受到各国关注的新科技 、纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用 、纳米陶瓷极具市场潜力 、产品形成系列，应用前景看好,西安交通大学,8,1、纳米技术 21世纪新产品诞生的源泉,A、神奇
4、的介观世界 B、巨大的应用价值 C、产品创新的好思路,西安交通大学,9,A、神奇的介观世界 尺寸效应,尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固体的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，量子尺寸效应十分显著。 尺寸小，电子被局限在一个纳米空间，电子输运受到限制，电子平均自由程缩短，电子的局域性和相干性增强。 纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。,西安交通大学,10,A、神奇的介观世界 特性畸变,直到80年代，科学家才惊奇的发现，在宏观与微观之间的纳米体系（介观）中，许多我们认为理所应当的性质都完全变了模样。,西安交通大学,11,A、神奇的介观世界 特性畸变,
5、在介观状态时，金属竟会失去了典型金属特征,常态下电阻较小的金属到纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数。 原是绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；,西安交通大学,12,A、神奇的介观世界 特性畸变,10-25nm的铁磁金属微粒，其矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10nm，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。 纳米金属粒子失去原有的光泽，都呈现黑色。纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”。 纳米粉体的熔点、烧结温度均比常规粉体低得多。,西安交通大学,13,A、神奇的介观世界 表面效应,纳米材料的尺寸小，位于表面的原子数
6、所占总原子数的比例很大，产生相当高的表面能。 随着粒径减小，表面原子数迅速增加： 粒径10nm时，表面原子所占比例20%，包含原子数3 104 ；粒径为2nm，所占比例增加到80%，包含2.5102原子 ； 粒径达到1nm时，所占比例竟有99%，但是所包含的总原子数只有30。 表面原子数增多导致庞大的比表面，原子配位不足，键态严重失配，存在大量的悬键和不饱和键，因而表面能极高，出现许多活性中心。,西安交通大学,14,A、神奇的介观世界 表面效应,有极强的吸附能力。对物质腐败的(i)氧原子、(ii)氧自由基，(iii)生异味的烷烃类分子等。极强的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能； 纳米材料具有催化
7、剂的良好性能。 储氢。,西安交通大学,15,B、巨大的应用价值 分子设计原子组装（纳米组装）,59年，美国理查得范曼提出了一个设想：“如果有一天可以按照人的意志安排一个个原子的话，将会产生奇迹！” 89年，美国IBM公司实现了用单个原子排列IBM商标。 日本单个原子排列了汉字“原子”的字型。 这时，科学家们由探索纳米颗粒制备方法和特殊性能，转向了如何利用它的奇特理、化和力性能，设计纳米组装体系和纳米结构材料及其应用。,西安交通大学,16,B、巨大的应用价值 轻工领域纳米材料的应用,把金属的纳米颗粒放入陶瓷中，可大大改善材料的力学性质。 纳米Si2O3和SiO2粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和
8、耐磨性。 SiOx放入金属或合金中可以使晶粒细化，大大改善力学性质，提高了高温冲击韧性。 美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上。 纳米氧化铝的悬浮液被用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光。 纳米微粒加入油墨中可改善油墨的流动性，美国已出现了纳米微粒生产颜料的专利。,西安交通大学,17,B、巨大的应用价值 轻工领域纳米材料的应用,静电屏蔽涂料。需要树脂加碳黑来进行静电屏蔽。日本松下公司已研制成功具有良好静电屏蔽作用的纳米涂料，可以通过控制纳米微粒的种类来控制涂料的颜色。 化纤防静电。金属纳米微粒为解决化纤制品静电问题提供了一条新途径。日本和德国已开发出了相应的产品。 纺织品添加纳米微粒可除味杀
9、菌，银纳米微粒加入袜子中，可清除脚臭味。 医用纱布中放入纳米Ag粒子有消毒杀菌作用。,西安交通大学,18,C、产品创新的好思路,纳米技术将是21世纪新产品诞生的源泉，纳米技术会引起新一轮的产业革命，必将推动生产力的发展，改善人类生活环境。,西安交通大学,19,C、产品创新的好思路,在陶瓷、塑料、玻璃等制造中运用纳米技术，使其性能改善，并得到合理的性能/价格比。 (i) 英国重点制备纳米氧化铝+纳米氧化锆，纳米氧化铝+纳米氧化硅，纳米氧化铝+纳米氮化硅等新型纳米复合陶瓷。 (ii) 美、日将纳米材料添加到电子陶瓷研究方面。(iii) 我国95年将纳米材料添加到传统材料中改进其功能，总体研究水平处
10、于国际前列。 (ix) 改性并不昂贵，价格略升，性能好得多，有市场竞争力。,西安交通大学,20,C、产品创新的好思路,不少国产的无菌冰箱上用了纳米材料制成的无菌塑料；深圳一家公司推出了包括了无菌餐具、无菌扑克牌在内的一系列纳米材料制作的产品；合肥纳米保健食品公司生产的纳米硒产品已通过鉴定不难预见，纳米技术将引起新一轮产品创新革命。,西安交通大学,21,2、受到各国关注的新科技,日本74年底最早用“纳米”术语。以纳米命名的材料则出现在80年代，它作为一种材料的定义，把纳米颗粒限制在1100纳米范围。,西安交通大学,22,2、受到各国关注的新科技,人工纳米颗粒在60年代初由日本首先制备成功。稍晚，
11、德国也获得纳米颗粒。80年代，人们才意识到，其实在自然界早就有纳米颗粒存在。由几千个原子组成的纳米微粒，不同于宏观大块物体，也不同于单个的原子和分子，它具有许多新的特性，是人类从未探索过的非宏观非微观的中间领域（介观）。80年代初，德国的格莱特教授以及美国的席格尔相继用纳米微粒作为结构单元成功地合成了纳米块状材料。他们得到的纳米氟化钙离子晶体和纳米二氧化钛陶瓷材料在室温下表现出良好的韧性甚至经受弯曲时不产生裂纹。这一突破性的进展，使得那些为陶瓷增韧奋斗了近一个世纪的材料科学家看到了希望。,西安交通大学,23,2、受到各国关注的新科技,89年有文献又提出纳米结构材料的新概念，它包括零维、一维和二
12、维材料。在这个时期，国际上把1-100纳米的技术加工作为纳米技术的标准。90年在巴尔的摩召开的第一届纳米科技会议上统一了概念。正式提出了纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米刊物。从此，这些术语得到广泛应用，纳米技术研究成为国际科技的一大特点。,西安交通大学,24,2、受到各国关注的新科技,欧盟委员会95年的一项报告中预测：国际纳米技术市场价值10年内将达到900亿美元。 美、日、德和英等发达国家和地区，都不惜巨资进行研制和开发，以谋求在国际竞争中处于主导地位。 我国在2000年十大科技新闻：卢柯，金属铜超塑延展性。,西安交通大学,25,2、受到各国关注的新科技,
13、纳米技术也引起了我国政府、科学界以及社会各界的重视和关注。我国从90年代初开始申请纳米材料的专利，90年代中期形成高潮。目前有关纳米材料的专利有几十个，大部分集中在研究所和高校。1997年以来，我国纳米材料的应用出现可喜势头，大的集团公司已经开始介入纳米材料和纳米技术的开发。据不完全统计，全国已有7条纳米材料的生产线已经投入或正在开发之中。目前，纳米材料还被列入S-863计划范围内，纳米材料在研究和应用领域里的开发正在蓬勃展开。,西安交通大学,26,纳米材料应用,幻想科学是科学的太阳，求实是科学的土壤。 1、癌症、心血管病的检查与治疗 2、信息存储( cm3美国国会图书馆） 3、计算机将变小
14、4、隐身材料 5、机器昆虫 6、分子秤 7、碳纳米管天梯,西安交通大学,27,3、纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用,意义重大：目前国内常用的有机物废水处理技术难以达到有效的治理：物理吸附法、混凝法等非破坏性的处理技术，只是将有机物从液相转移到固相，如何解决二次污染问题，使吸附剂、混凝剂再生是一个难题。化学、生物等处理技术虽是破坏性的，但除净度低，废水中的有机物含量仍远远高于国家废水的排放标准。,西安交通大学,28,3、纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用,纳米材料的优点： A、具有较大的比表面积，因而可与废水中的有机物更充分的接触，它可将有机物最大限度的吸附在它的表面； B、具有更强的紫外
15、光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉； C、采用这种表面活性很强的纳米二氧化钛作为光催化剂，可望利用更经济的太阳辐射源来代替紫外汞灯光源。该技术以其特有的广泛适应性、较强的降解效率，日益引起关注。,西安交通大学,29,3、纳米二氧化钛在有机物废水处理中的应用,日本率先开发利用二氧化钛的光催化作用建立一个新型的废水处理系统，用于降低废水中的COD（化学需氧量）和BOD（生物需氧量）。 浙江农大等单位利用纳米二氧化钛的光催化活性降解久效磷农药废水。 中科院一研究所采用纳米二氧化钛粉末，利用太阳光进行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸钠水溶液的实验获得成功，
16、在多云-阴天的条件下，光照12小时，浓度为0.5mmol/l的苯酚已降解为零，浓度为1mmol/l的十二烷基苯磺酸钠已基本降解。这是极有前途的水处理技术。,西安交通大学,30,4、纳米陶瓷极具市场潜力,A、国际陶瓷市场一片兴旺 B、信息功能陶瓷 C、基片及厚膜材料 D、陶瓷墙地砖,西安交通大学,31,4、纳米陶瓷极具市场潜力 A、国际陶瓷市场一片兴旺,目前，国际陶瓷市场需求最大的建筑陶瓷年贸易额达50亿美元，并以每年12-15%的速度增长。但我国无论是信息功能陶瓷、基片及厚膜材料这类高科技陶瓷还是建筑卫生陶瓷和日用陶瓷还停留在较低的发展水平上，远不能满足日益发展的市场需要。专家指出，将纳米材料
17、应用到陶瓷工艺中去，生产纳米复合或纳米改性的的高技术陶瓷，将使这一现状得到改变。,西安交通大学,32,4、纳米陶瓷极具市场潜力 B、信息功能陶瓷,95年全世界信息功能陶瓷材料及其制品的销售额约210亿美元，预计每年的增长率为15-20%。我国的传统电子陶瓷材料相对落后，无法参与国际竞争。目前高性能的，电子陶瓷材料一个重要发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷、高性能PTC陶瓷和铁氧体等电子产品以及导电、绝缘陶瓷。,西安交通大学,33,4、纳米陶瓷极具市场潜力 C、基片及厚膜材料,厚膜电路是电子元件集成的重要基础，其中基片和集成电路封装材料质量的提高是当前国内厚膜电路急待解
18、决的问题。氧化铝基片主要用于厚膜电路和家用电器，前者是我国电子产品的主要出口创汇产品，年耗用基片10万平方米。国内基片经多次烧结，变形大、易热解、基板材料的热稳定性不好，出口厚膜电路多采用日本（京都陶瓷厂）的产品。纳米氧化铝的添加不仅可以改善基片的烧结性能，而且可以大幅度地提高氧化铝的热稳定性。研究证实，上述方法可以将热稳定性提高23倍，平整度提高1.5倍，而每片基板材料的成本仅提高劳动0.2元人民币。,西安交通大学,34,4、纳米陶瓷极具市场潜力 D、陶瓷墙地砖,近十年来，我国陶瓷墙地砖就产量而言，已成为世界大国。但不少功能特性的品种、高档墙地砖的彩色釉料须进口；卫生陶瓷无论是结构、功能，还
19、是造型、色调、釉面质量等方面的差距更大，高档卫生陶瓷仍大量采用进口货。纳米复合功能建筑卫生陶瓷的开发，将使功能性建筑卫生陶瓷得到发展，例如荧光墙地砖、氧敏变色和具有保洁、抗菌功能特性的墙地砖。,西安交通大学,35,5、产品形成系列，应用前景看好,浙江舟山走产学研结合的道路，在与中国科学院固体物理研究所合作设计制造出国内第一条具有自主知识产权的纳米硅基氧化物百吨生产线后，又相继开发出纳米氧化铝、纳米氧化锆、纳米氧化钛、纳米氧化铈、纳米氧化钇等新产品，现已形成纳米粉体材料、功能复合材料、亚微米复合材料等三大系列、十多个品种、30多种型号的产品格局，并使橡胶、塑料、玻璃钢、涂料、陶瓷、黏结剂行业的传
20、统产品得到改性，有的已升级换代，成效显著。,西安交通大学,36,在橡胶行业，通常都是加入碳黑来提高制品的强度、耐磨性和抗老化性，但制品均为黑色。因一直找不到合适的材料替代碳黑作为补强剂和抗老化剂，所以过去研究出来彩色橡胶制品的强度、抗老化性都较差。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。金鼎新材料产业化中心的专家们只用了半年时间就开发出填补国内市场空白的纳米改性彩色氯化聚乙烯防水卷材，引起海内外专家、学者的关注。西北橡胶总厂应用纳米材料开发新一代高性能彩色胶管。这些新型彩色橡胶制品的主料是丁苯橡胶、天然橡胶等，但产品的各项性能指标均有大幅度的提高，尤其是抗老化性能可达到并超过三元乙丙橡胶制品，使用寿
21、命长达成30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。,西安交通大学,37,5、产品形成系列，应用前景看好,浙江明日公司与江苏扬州颜料有限公司合作，利用纳米材料的光学性能成功地合成出高性能纳米系列复合颜料。这种颜料色彩艳丽，保色持久，且极易分散，实际使用效果超过国外同类产品。,西安交通大学,38,普通塑料产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格较高，限制了大范围应用。浙江绍兴铁道器件厂更是大胆出新，用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性，达到工程塑料尼龙6的性能指标，而成本却降低了1/3，产品供不应求，为企业创造了可观的经济效益。,5、产品形成系列，应用前景看好 （塑料）,
22、西安交通大学,39,我国是涂料生产和消费大国，但传统涂料普遍存在悬浮稳定性和触变性差、不耐老化、光洁度不高等缺陷。浙江淳安雄峰涂料厂和江苏宜兴鑫乐化工厂添加纳米材料改性，生产出的新涂料一改传统产品的不足，经实际使用效果优异，现已投放市场。,5、产品形成系列，应用前景看好 （涂料）,西安交通大学,40,将纳米粉体添加到陶瓷制品，其硬度、耐磨性、韧性、抗冷热疲劳等性能均可得到明显提高。章丘福利刚玉厂、济南圣泉集团公司等企业研制出纳米复合陶瓷过滤网、刚玉球等新一代产品，各项性能指标已超过可以代表国际最先进水平的德国同类产品。,5、产品形成系列，应用前景看好 （陶瓷）,西安交通大学,41,此外，在密封胶、粘结剂、化妆品、抛光浆料以及医学、冶金等诸多行业中，也已有人着手纳米材料的应用研究，相信在不久的将来，应用纳米材料的产品将不断问世，纳米材料对传统产品的改造、产业结构的调整将起到不可估量的作用。,5、产品形成系列，应用前景看好（其它）,西安交通大学,42,谢谢!,
