1、纳米材料-材料系列讲座一、纳米的概念1、纳米 :它是长度单位，1纳米=10米。一根头发的直径一般为7000-8000纳米。二、纳米材料技术的主要内容（四个主要方面):1、纳米材料:尺度大约在0.1100纳米且有特殊性能的材料，有天然纳米材料、纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米催化材料等。2、纳米动力学:主要是制造微机械和微电机，用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等，其特点是部件很小。从理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。三、纳米材料技术与人们日常生活的关系:纳米材料技术目前已成功用于电子信息、航空航天、生物医学、化学及生物检
2、测、制造业、光学以及国防等许多领域，正在极大地改变人们的日常生活:1、衣:如在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。也可以自动清洁;化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。纳米材料技术目前已成功用于电子信息、航空航天、生物医学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等许多领域，正在极大地改变人们的日常生活:1、衣:如在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。也可以自动清洁;化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。4.行:如纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标;纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发 动机部件的理想材料
3、，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。5.医:如用纳米技术制成的微型药物输送器，可在体外电磁信号的引导下准确地把药物到达病变部位进行有效治疗;用纳米材料制造成的微型机器人，能疏通脑血管的血栓;清除心脏动脉的脂肪和沉淀物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。四、纳米材料的本性质1、小尺寸效应: 当颗粒尺寸减小到纳米上级时,一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生显著地变化。例如，由于比表面积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力;光吸收显著增强;纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%;纳米微粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K,而2nm的金微粒的熔点只有600K.小尺寸效应特殊的光学
4、性质:所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，黄金(Au)变成黑金，银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变成铬黑。特殊的电学性质:介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（(介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。特殊的磁性:小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步见效其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。(4特殊的热学性质:当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平
5、衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。特殊的力学性质:如纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。四、纳米材料的基本性质2袁面效应:物质的尺寸减小到纳米级时,将引起物质表而原子数、表画积、表面能的迅速增加。从而引起物质的化学活性、物理性（光热电藏力)的明垦变化。例如，5nm的粒子。表而原子占50%;而2nm
6、的粒子，表画原子占80%.表面原子增加。因美同围缺少相邻的原子而有许多悬空不饱和嚏,这使纳米材料的表而能增高,从而大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。四、纳米材料的基本性质3、量子尺寸效应:随着粒子由宏观尺寸进入纳米落围。准连俟能带将分裂为分立的能级。能级间的距真随粒子尺寸减小面增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。这种量子尺寸效应导敦纳米粒子具有与宏观物威截然不同的反常特性。蔡带加宽)例如,粒径为20nm的偎微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。四、纳米材料的基本性质4、宏观量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近
7、年来。人们发现一些宏观量,如纳米粒子的藏化强度、量子相干器件中的徽逦量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势而产生变化,这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。扫描隧道显微崴的基本原理就是基于量子隧道效应.宏观量子隧道效应和量子尺寸效应将会是未来微电子、光电子罴件的基础。它们确定了微电子鬻件进5、库仑阻塞效应:当微粒的尺寸达到纳米级时，这个体系的充电和放点是不连续(量子化)的。即电演随电压不再成纔性增加而是阶梯式增加。此时充入一个电子所需的能量成为库仑阻橐能,它是电子进入和高开体系时前一个电子对后一个电子的库仑排斥能。所以，对一个纳米体系的充放电过程中，电子不能连续的集体传输,而是一个个单电子
8、的传输,这种纳米体系中电子的单个输运现象叫傲库仑阻塞效应。五、纳米碳管纳米碳管的外径在150纳米，长度一般从几几百个微米（1微米=1000纳米)，管壁分为单层和多层，多层碳纳米管有多个单层纳米管套叠而成。1、碳的米管可以因碳管的直径和其中石基层的画方式同W星世好的金导电性或半导体性。2、碳纳米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飞行器的隐形材料。3、碳纳米管具有很高的比面积，可用于催化剂的竟体。六、纳米生物材料的内容和应用前景1、纳米生物材料，包括纳米医用载体、纳米生物器件和纳米医药等。纳米生物材料的科学基础是基于基因特征的分子表达，生物分子功能，生物大分子之间、大分子与表面之间、细
9、胞与表面之间的规律与机理的认识。六、纳米生物材料的内容和应用前景、纳米生物材料的应用前景主要体现在:(生物分子的操作和组装。(2生物分子机器。(3生物分子芯片。(4)生物分子识别系统。(5)可以调控的功能分子膜。(6)自组装分子膜。七、纳米器件的性能以纳米技术制造的电子器件，其性能大大优于传统的电子器件:(1)工作速度快。纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍。(2功耗低。纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。(3信息存储量大，在一张不足巴掌大的光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。(4)体积小、重量轻，可使各类电子产品体积和重量大为减小。八、纳米材料技术在信息领斌的应用1
10、、纳米材料技术将使电子元件更小、更快、更低能耗,可以创造出存贮密度和运算德度比现在大3至6个数量级的全颜道通讯工程和计算机嚣件。2、纳米信息材料主要包括以下三大类型:(1)纳米电子材料(单电子晶体管、单电子存储器、纳米芯片、纳米电脑)。(2纳米光学材料（光子晶体、光子储存器、光电(3纳米藏性材料(巨徽阻材料、磁记录材料)3、纳米电子材料:(1)单电子晶体管:该晶体若为金属一般为几个纳米,若为半导体一般为几十个纳米，它们充放电时，表现出电荷传输的量子化行为，即电子不能集体传输，而是一个一个的单电子传输（库仑阻塞效应)。(2单电子存储器:利用库仑阻塞效应和库仑振荡可以控制纳米颗粒中单电子的迁移和驻
11、留，因此，可以库仑阻塞效应来存储二进制信息。可见，单电子存储器很适合用作高密度储存器。(3）纳米芯片:芯片即集成电路块，随着集成电路集成度的不断提高，芯片中集成电路的条宽已经小到0.3微米以下，若再缩小，将受到一系列物理原理(量子效应等)的限制。为了使电脑更加智能化、人性化，需要进一步提高芯片的集成度,这就必须突破芯片原有的设计原理，向纳米芯片进军。(4)纳米电脑:主要有量子计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑、神经电脑。量子计算机使用量子信息原理制作的。它具有体积和功耗很小、运行迹度奇快(采用量子并行计算)、存储能力大大提高、可破评加密能力超凡等特性。超导电脑(日本电气研究所已制成)利用超导
12、隗道效应原理制成,它的蚝电量只有传统电脑的几千分之一。而且比传统电脑快10倍。(iii)化学电脑:采用碳基化学制品代替电子部件，它 是同时解决多个问题的(iv)生物电脑：利用蛋白质分子的开关作用制成生物 芯片，生物芯片传递信息时阻抗小、能耗低，而且具 有生物自我组织和自我修复的功能。若把它植入人脑， 可使盲人复明，使人的记忆力成千上万倍地提高；若 植入血管中，可以监视人体内的化学变化，使人体体 质增强，使残疾人从新站起来。(v)神经电脑：模仿人脑中神经元结构的工作模式。4、纳米光学材料： （1）光子晶体：在均匀光介质中引入折射率的周期 调制，该材料中就会出现带隙效应，即对于一定频率 范围的光波
13、被禁止在材料中传播，这种折射率的周期 性变化晶格称为光子晶体。光子晶体由于具有一个完整的光子禁带和光子局 域，使得它具有广泛而重要的应用，如：高功率低损 耗反射镜、光子晶体微谐振腔、光子选频滤波器等。2）光子储存器：光子存储的基本原理是基于光子 同物质（记录信息的介质）的直接相互作用。它的最 大优点是： i）超高的记录速度（很容易达到纳秒或皮秒量级） ii）超高的分辨率（在理论上达到分子水平） iii）超高的存储密度（储存容量特大）3）光电脑：即光电脑，它是由激光器、透镜、反射镜等组 成的电脑。 i）光电脑是依靠激光束进入透镜和反射镜组成的陈列来对 信息进行处理的，其处理信息的速度可达现有半导
14、体硅器件的 1000倍。 ii）不同光束相交时可以互不影响地独立传播，这使得光电 脑能够在极小的空间内开辟很多平行的信息通道，如：一块4 平方厘米的通道空间，其容量超过全球现有电话电缆总和的许 多倍。5、纳米磁性材料的磁特性： （1）超顺磁性：纳米颗粒的尺寸小到一定临界值时 会进入超顺磁状态。如：四氧化三铁粒径达到16纳 米时变成顺磁体。 2）高矫顽力：纳米颗粒的尺寸高于超顺磁临界尺 寸时通常呈现高矫顽力。（剩磁性很强） 3）高磁化率：纳米磁性金属的磁导率是常规金属 的20倍。5、纳米磁性材料的应用： （1）巨磁阻材料：它是指在一定的磁场下电阻急剧 减小的现象，减小的幅度比常用材料要高出10倍
15、。应用：巨磁阻效应的读出磁头（将磁盘记录密度 提高了近20倍）；微弱磁场探测器。 2）磁记录材料：纳米颗粒、纳米薄膜可以是很好 的磁记录材料。九、纳米材料技术在航空航天领域的应用:1、纳米涂层在航空航天材料中的应用2、纳米功能材料在航空航天领域中的应用3、纳米材料技术在航空航天和军亭中的应用1) 纳米防护涂层它主要包括:金属及合金纳米涂层、陶瓷纳米涂层、塑料与高分子纳米涂层。纳米涂层可以提高基体的防护能力(防腐蚀、防紫外饶、防变色等)，达到保护、修饰、杀菌、保洁的目的。2）纳米微波涂层主要包括:微波透波纳米涂层和微波吸收纳米涂层微波透波纳米涂层,是指对波长为11000毫米、频率为0.3500赫
16、兹枢围的电藏波的透过率大于70%的材料,用于微波发射或接收装置的天线或窗口的表而涂层。微波吸收纳米涂层，起作用与微波透波纳米涂层相反，用做飞机、潜艇等的“隐身衣”。3）纳米光学涂层：主要包括 i）纳米可见光涂层：包括对可见光的透射涂层、反射涂层。 ii）纳米红外线涂层：包括对紫外线透射涂层、反射涂层）。 iii）纳米紫外线防护涂层 。 iv）纳米隐身材料涂层：“隐身技术”与“激光”、“巡航 导弹”并称为当代军事技术的三大革命。2、纳米功能材料在航空航天领域中的应用1)纳米传感器材料:纳米材料的比表而大、表面活性高，可广泛用作传感器材料。气体传感器:是利用金属氯化物的电阻随同图气体俎成的改变而变
17、化。从而对气体进行检测和测定。)红外洒传感器:即辎射热量测量器。在战场上可以测出敌方人员、武器装缶等与背景之间的微弱温度差,从而确定军情布置。(2) 新型红外纳米陶瓷材料与新型纳米跛瑞材料:1）新型红外纳米瓷材料:它是能够透过或者反射红外辐射的多晶陶瓷材料，可用作红外跟踪装置、红外雷达、前视红外系统(检视敌情)。2）新型纳米玻璃材料微晶纳米玻璃：强度大， 抗弯强度是普通玻璃的712倍；耐高温性能好，软 化温度可达1000摄氏度；对微波具有良好的穿透性。3、纳米材料技术在航空航天和军事中的应用1)纳米桃器人的虚用。(2太空升降机的应用:利用破纳米管高飘度、轻质量的转。可能制成太空升降机(把人成物
18、品升降到太空去).(3)的米材料岌术在食器装督中的应用可以“改进材料的性鲍和提高式装管的质-:武器装督的雕身能力”:“增差信息的存信和获取能力”“使式黑装备高遗化、撒型化和智能化”.10、 纳米材料技术在生物医学领域中的应用(1)用作纳米载体(纳米药用载体、纳米基因载体)(2用作生物器件(纳米机器人、纳米生物传感器、纳米生物芯片)3用作纳米医药(1)靶向定位载药纳米颗粒靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到细胞内结构的三级靶向治疗,从而达到向病灶部位缓慢释放药物,维持长期局部有效的药物浓度，实现靶向定位给药。这样，既能大大减少药物对人体其他部位的副作用，又能对病情实现有效地治疗。(2载药磁性纳米颗粒
19、它是将载有高分子和蛋白质分子的磁性纳米粒子作为药物载体静脉注射到人体或动物体内，在外加磁场的作用下，通过纳米粒子的磁性导航，将药物送到病变部位，从而达到定向治疗的目的。一些特殊的纳米粒子可以进入细胞结构达到基因治疗的目的。如:国外有人利用纳米技术可使DNA通过主动靶向作用定位与细胞;还有人研究了一种树突状的多聚物，发现它可以成为一个很好的DNA导入细胞的载体，即具有纳米基因载体的作用。用作生物器件(1)纳米机器人（最具诱惑力的内容)将纳米机器人注入血液，它能清除动脉壁上粥样沉积物，这不仅可以提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的血液流动状况得到改善。i将纳米机器人引入胆道或尿道，它可以直接到达结石
20、所在部位，并直接把结石击碎，从而使胆结石、尿结石病人得到有效治疗。十、纳米材料技术在生物医学领域中的应用2、用作生物器件(2纳米生物传感器:如重庆科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统”，就像一个胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样展现在电脑屏幕上，起到了很好的传感作用。(3纳米生物芯片:包括基因芯片和蛋白质芯片，它们可以广泛应用于疾病诊断和治疗、药物筛选、农作物的优育优选、食品卫生监棍、环境监测、国防、航空等许多领域。用作纳米医药:是指粒径小到1100纳米的药物有效成分。当物质的颗粒小到1100纳米时,由于其量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应，会使物质的很多性能发生质
21、变,呈现许多既不同于宏观物体,又不同于单个孤立原子的奇异现象,使药物的物理活性、靶向性比普通药物大大提高。十一、社会对纳米的需求目前，国内有关纳米产品进入平民百姓家的报道有些炒作成分，媒体和广告对纳米产品的宣传还缺少科学精神和社会责任感。纳米水、纳米化妆品、纳米内衣、纳米洗衣机、纳米冰箱等产品的功效令人怀疑。如广告:大米粥小米粥，我们要喝纳米粥。“纳米水”的报道:.喝纳米水能养额、美容、祛病.纳米科技为高科技，为我国各类人所重视，这是好事，对待纳米科技必须有严谨的科学态度和社会责任感。对于企业家，你的产品美容、保暖、杀菌有什么科学根据，有什么实验数据，有什么副面作用，应该搞清楚，只有这样，才能对人民负责。十二、纳米材料技术的危险1、纳米材料技术对人类健康和环境构成危险:汽车尾气、各种燃烧过程等，都会产生大量的纳米粒子。前期研究表明，一些纳米颗粒在很小剂量下容易引起靶器官炎症;容易导致大脑损伤;容易使机体产生氧化应激;容易进入细胞甚至细胞核内;表面吸附力很强，容易把其他物质带入细胞内;有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势;表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。2、纳米材料技术对社会安全构成危险:由于纳米材料技术能自由将原子分子组茕成各种产品，若管强不善。概客与对社会建成巨大的混乱和灾难。
