材料科学与工程进展课件：第五章 纳米材料应用.ppt

1、一、 化工催化领域的应用铂,铑,银,钯,Ni, Fe,Co,Ag,Fe2O3,TiO2,ZnO等纳米粒子聚合氢化反聚合氢化反应催化剂应催化剂 炸药助燃剂炸药助燃剂 火箭助推剂火箭助推剂 工业废水处工业废水处理光催化剂理光催化剂 静电屏蔽材料静电屏蔽材料 防紫外线化妆品防紫外线化妆品 食品保食品保鲜剂鲜剂 润滑剂润滑剂 表面原子输送和构型发生变化，使粒子产生较高催化活性表面原子输送和构型发生变化，使粒子产生较高催化活性 无庸置疑随着纳米微无庸置疑随着纳米微粒粒径的减小，表面积逐粒粒径的减小，表面积逐渐增大，吸附能力和催化渐增大，吸附能力和催化性能也随之增强。些独特性能也随之增强。些独特效应使效应

2、使纳米催化剂纳米催化剂不仅可不仅可以以控制反应速度控制反应速度，大大，大大提提高反应效率高反应效率，甚至，甚至可以使可以使原来不能进行的反应进行原来不能进行的反应进行。 附着附着Pt（黑点）的碳纳米催化剂（黑点）的碳纳米催化剂石油、煤等不可再生资源纳米技术有望为太阳能发展找到突破口纳米技术有望为太阳能发展找到突破口 研究背景研究背景传统化石能源传统化石能源不可再生、环境污染、能源枯竭不可再生、环境污染、能源枯竭可再生能源：可再生能源：资源丰富、资源丰富、利用方便、利用方便、洁净无污染洁净无污染中华人民共和国中华人民共和国 国家发展和改革委员会国家发展和改革委员会 中国新能源与可再生能源发展规划

3、中国新能源与可再生能源发展规划19991999白皮书白皮书 10%24%40%26%石石油油煤煤天然气天然气其他其他世界的能源结构世界的能源结构能源结构调整每年排放的二氧化碳达210万吨化石能源开采高峰20202030年太阳能电池的发展可收放的大型太阳能电池帆翼可收放的大型太阳能电池帆翼 太阳能锅炉太阳能锅炉 太阳能路灯太阳能路灯 太阳能的利用太阳能的利用洁净能源：洁净能源： 与 石 油、煤炭等矿物燃料不同，不会 导致“温室效应”，也不会造成环境污染 太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！ 资源丰富：资源丰富： 40分钟照射地球辐射的能量全球人类

4、一年的能量需求 使用方便：使用方便： 同水能、风能等新能源相比，不受地域 的限制，利用成本低。1.无机太阳能电池(81页)l半导体中可以利用各种势垒如pn结、肖特基势垒、异质结等形成光伏效应。l当太阳能电池受到阳光照射时，光与半导体相互作用可以产生光生载流子，所产生的电子-空穴对靠半导体内形成的势垒分开到两极，正负电荷分别被上下电极收集。由电荷聚集所形成的电流通过金属导线流向电负载。 工作原理样样 机机解决水污染的问题解决空气污染的问题夹心式纳米材料过滤材料微观结构图夹心式纳米材料过滤材料微观结构图 汽车尾气汽车尾气l含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人

5、的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。1 .紫外线吸收涂层 （168页）2.特殊视觉涂料3. 防静电涂料4. 耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层 UV Visible Infrared6%1.紫外线吸收涂层紫外线吸收涂层纳米TiO2、ZnO、Al2O3、SiO2、Fe2O3 等，都是优良的紫外吸收剂，用在有机涂料中，能明显地提高涂料的抗老化性能。 加强型紫外线防护伞加强型紫外线防护伞纳米紫外纳米紫外线防护剂线防护剂紫外线防护漆紫外线防护漆2.防静电涂料（防静电涂料（168页）页）空腔导体(无论接地

6、与否)将使腔内空间不受外电场的影响，而接地空腔导体将使外部空间不受空腔内的电场的影响空腔导体的静电屏蔽原理静电屏蔽原理。CU 外界不影响内部外界不影响内部qq+q 接地空腔导体将使接地空腔导体将使外部空间不受空腔外部空间不受空腔内的电场影响内的电场影响.空腔导体壳接地与否，外界空腔导体壳接地与否，外界均对壳内电场无任何影响，均对壳内电场无任何影响，2.防静电涂料改善静电屏蔽涂料的性能，应用的纳米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO等. 这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。防静电油漆是一静电油漆是一种树脂组合的涂料种树脂组合的

7、涂料 适用于移动电话、适用于移动电话、便携式电脑、便携式电脑、DVD、对讲机等电子产品对讲机等电子产品塑料外壳内部，电塑料外壳内部，电磁干扰的屏蔽涂料。磁干扰的屏蔽涂料。 l塑料和橡胶制品成型剂、补强剂、抗老化剂光肥助长光肥助长 l塑料和橡胶（149页）纳米啤酒瓶纳米啤酒瓶五. 纳米陶瓷的应用（171页） 日本超塑性日本超塑性纳米科学实纳米科学实验室的纳米验室的纳米陶瓷陶瓷 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。 其高温力学性能、抗弯强度、韧性优良，在刀具、轴承、汽车发动机以及超高温、强腐蚀等环境下具有广阔的应用前景。氮化硅陶瓷拉伸变形氮化硅陶瓷拉伸变形保洁抗菌陶瓷保洁抗

8、菌陶瓷 抗菌保洁陶瓷主要是引进无机抗菌保健剂，以其良好的耐热性、安全性等特点，来实现陶瓷产品保洁杀菌、防污除臭效果。 生物陶瓷（生物陶瓷（195页）页） 单晶氧化铝螺钉单晶氧化铝螺钉多晶氧化铝牙种植体多晶氧化铝牙种植体视制造方法的不同，用于生物医学的氧化铝分为单晶氧化铝、多晶氧化铝和多孔氧化铝三种；根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，把它们可以分为三类：根据生物陶瓷材料与生物体组织的关系，把它们可以分为三类：(2).生物活性陶瓷l包括各种生物活性玻璃及羟基磷灰石等磷酸盐材料；l羟基磷灰石简称HA，因为HA占人体骨组成的70%80%，所以修复骨组织HA较金属和聚合物具有更好的效果；长骨的结构长骨

9、的结构 生物活性陶瓷珊瑚骨修复材料珊瑚骨修复材料(3).可吸收生物陶瓷l可吸收生物陶瓷植入人体后材料逐渐被吸收材料逐渐被吸收，同时新生骨逐渐长入而替代之；l生物降解可吸收生物陶瓷在生物医学上的主要应用为脸部和额部的骨缺损、填补牙周的空洞，还可作为药物的载体；l最早应用的生物降解材料是石膏，石膏的相容性虽好，但吸收速度太快，通常在新骨未长成就消耗殆尽而造成塌陷；l目前广泛使用的生物降解陶瓷材料为-磷酸三钙磷酸三钙，依据材料物理化学原理，控制-磷酸三钙的万分组成和微观结构，可以制备出不同降解速度的可吸收生物陶瓷材料。人工骨修复兔桡骨缺损人工骨修复兔桡骨缺损4 4周时（左）和周时（左）和1212周时

10、（右）的周时（右）的X X光照片光照片人工骨外观人工骨外观微观照片微观照片东南大学材料学院最新科技成果东南大学材料学院最新科技成果微电子纳米电子器件、纳米线、纳米传感器在这张概念图中，纳米发电机（前方）从周围环境中吸取能量，为血糖或血压传感器提供动力。 六. 微电子领域的应用（217页）单电子晶体管单电子晶体管纳米线阵列示意图纳米线阵列示意图分子晶体管结构图分子晶体管结构图车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制纳米制造技术造技术则是以相反的方向，则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件直接由原

11、子、分子来完整地构造器件。科学家们已。科学家们已经用经用原子、分子操纵技术原子、分子操纵技术、纳米加工技术纳米加工技术、分子自组装技术分子自组装技术等新科技制造了等新科技制造了纳纳米齿轮米齿轮、纳米电池纳米电池、纳米探针纳米探针、分子泵分子泵、分子开关分子开关和和分子马达分子马达等。等。分子自组装分子自组装 纳米齿轮纳米齿轮 纳米机械产品纳米机械产品 用极微小部件组装一辆用极微小部件组装一辆比米粒还小比米粒还小,能够运转的能够运转的汽车汽车、微型车床微型车床,可望可望钻进核电站管钻进核电站管道系统检查裂缝道系统检查裂缝;只有蜜蜂只有蜜蜂大小且能升空的大小且能升空的直升机直升机;眼眼睛几乎看不见

12、的睛几乎看不见的发动机发动机;提提供化工使用的火柴盒大小的供化工使用的火柴盒大小的反应器反应器。 纳纳米米算算盘盘 Rice 大学的专家研发出了一辆 Nanocar ，四纳米长三纳米宽，啊？没错吧？是的，你没看错， 纳米管轴承纳米管轴承分子剪刀分子剪刀可见光照射打开剪刀可见光照射打开剪刀 紫外线照射关闭剪刀紫外线照射关闭剪刀 生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操对分子的操纵和改性纵和改性为目标的。为目标的。 生物学家在纳米生物学领域提出了许多

13、富有挑战性的生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如新观念，如生物器件生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具。它的特点是象遗传基因分子那样具有有自我复制自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件生命零件，利，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物生物计算机计算机；具有特定功能的；具有特定功能的纳米生物机器人纳米生物机器人；生物零件与无；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成机材料或晶体材

14、料结合可以制成具有生命功能具有生命功能的的纳米电路纳米电路等。等。八、纳米在生物中的应用（252页）纳米机器人在疏通血管纳米机器人在疏通血管 纳米机器人纳米机器人 机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康进行全身健康检查检查,疏通脑血管中的血栓疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪清除心脏动脉脂肪沉积物沉积物,吞噬病毒吞噬病毒,杀杀死癌细胞死癌细胞。 纳米机器人将包含有纳米机器人将包含有纳米计算机纳米计算机和可以进行和可以进行人机对话人机对话的装置的装置。纳米在生物中的应用 Tuan和其同事研制的纳米探针，探测单个活细胞的纳米传感器,当它插入

15、活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA的损伤。 直径50纳米，外面包银的光纤，尖部贴有可识别和结合BPT的单克隆抗体 微小探针技术细胞浸入含有苯并吡(BaP)的液体中苯并吡(BaP)与细胞DNA的代谢生成BPT激发抗体和BPT生荧光光探测器接收探测早期DNA的损伤Kasili PM, Vo-Dinh T. J Nanosci Nanotechnol. 5,12(2005): 2057-62 纳米技术在肿瘤早期诊断中的应用纳米技术在肿瘤早期诊断中的应用 纳米人造细胞纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机纳

16、米计算机、纳米泵纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。 科学家正在为糖尿病人研制超小型的模仿健康人体内的葡萄糖水平监控系统，它能够被植入皮下，监测血糖水平，在必要的时候释放出胰岛素，使病人体内的血糖和胰岛素含量总是处于正常状态。纳米止血绷带纳米止血绷带 有的人鼻孔流血将长达数小时，但是目前一种纳米绷带可向鼻孔灌输铝矽酸盐纳米微粒，能够立即止住鼻孔流血。提供中药材纳米加工提供中药材纳米加工 纳米中药纳米中药纳米载药微粒纳米载药微粒 尺度：尺度：直径10500 nm的固态胶体粒子构造构造：药物通过溶解、包裹作用位于粒子内部, 或通过吸附、耦合作

17、用位于粒子表面特点：特点：长循环、缓释、靶向纳米微粒 长循环 靶向、缓释物理化学导向生物导向 利用药物载体的磁性特点，在外加磁场的作用下，磁性纳米载体将富集在病变部位，进行靶向给药。纳米载药微粒：纳米载药微粒：物理化学导向物理化学导向PEG-FA包裹的磁性纳米材料及其与BT-20细胞的结合能力Y Zhang, J Zhang. J Colloid Interf Sci, 283 (2005): 352357 修饰后的纳米磁性材料匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子 如果有一种超如果有一种超微型镊子微型镊子，能够，能够钳起分子或原子并对它们随意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组

18、合，制造纳米机械就容易多了。科学家用了。科学家用DNADNA（脱氧核糖（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的核酸）制造出了一种纳米级的镊子。镊子。分子马达l利用人体内源性ATP作为能量来源的分子马达l体外实验证明可以捕捉病毒，并可以使病毒在入侵细胞前失活分子马达分子马达脑功能的加强脑功能的加强納米科技 機械牙醫清潔牙齒及口腔（去除口氣）修補牙齒、牙肉蛀牙和牙週病從此消失納米科技 病毒殺手探測並毀滅人探測並毀滅人體內的病毒體內的病毒傷風感冒傷風感冒愛滋病毒愛滋病毒沙士沙士 1.反射红外线型化纤远红外纤维远红外纤维是将能是将能吸收和发射吸收和发射远红外线的物质微粒添加到纤远红外线的物质微粒添加到纤维

19、材料中经共混纺丝而成。维材料中经共混纺丝而成。常用的纳米材料有常用的纳米材料有：ZrO2、Al2O3/SiC、TiO2/SiC 远红外纺织品应用主要集中在远红外纺织品应用主要集中在保暖纺织品保暖纺织品、保健纺织品保健纺织品。红外磁疗热能护膝红外磁疗热能护膝 远红外功能纤维远红外功能纤维制作而成的护腰制作而成的护腰 纺织品中的应用反射红外线型化纤远红外拉舍尔远红外拉舍尔八美缎保暖被八美缎保暖被远红外保暖衣服红外保暖衣服 2.抗菌防臭除臭纤维抗菌防臭、除臭纤维是指在纤维制造或后处理过程中，加入具有抗菌防臭、除臭纤维是指在纤维制造或后处理过程中，加入具有抗菌防抗菌防臭、除臭性能的物质臭、除臭性能的物

20、质，旨在防止有害生物对纤维和附着色素的破坏，保，旨在防止有害生物对纤维和附着色素的破坏，保护纤维以及防止因使用纤维制品而产生微生物病害，保护使用者的一类护纤维以及防止因使用纤维制品而产生微生物病害，保护使用者的一类功能纤维。功能纤维。 2.抗菌防臭除臭纤维银纤维抗菌袜子银纤维抗菌袜子 抗菌毛巾抗菌毛巾抗菌防臭运动服抗菌防臭运动服l卫生保健品防晒霜十、纳米技术在军事上的应用l纳米探测系统l纳米材料提高武器打击l纳米材料提高防护能力l纳米机械系统制造的小型机器人l雷达隐身技术美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层1. 微微/飞行器与传感器飞行器与传感器 纳型飞行

21、器主要是指在地面上飞行的微纳型飞行器，其主要目的是用于侦察，有效载荷大多是传感器。 纳型飞行器“黑寡妇”微型飞机微型飞机1. 微微/飞行器与传感器飞行器与传感器纳米昆虫武器纳米昆虫武器“尺寸不均衡的战斗” 士兵通过昆虫上携带士兵通过昆虫上携带的摄像设备进行操纵。的摄像设备进行操纵。 1. 微微/飞行器与传感器飞行器与传感器美军士兵准备在巷战中使用微型昆虫。美军士兵准备在巷战中使用微型昆虫。美国乔治亚技术研究所的纳米武器专家贾森纳德勒 1. 微微/飞行器与传感器飞行器与传感器微型昆虫飞向目标楼房微型昆虫飞向目标楼房 通过昆虫的定位，地面火通过昆虫的定位，地面火力准确命中目标。力准确命中目标。10

22、年后建成年后建成“纳米军团纳米军团” 1. 微微/飞行器与传感器飞行器与传感器西游记西游记引发微型武器潮引发微型武器潮 美国纳米武器专家美国纳米武器专家贾森贾森纳德勒纳德勒称称中国神话小说中国神话小说西游记西游记中的孙悟空给了他灵感中的孙悟空给了他灵感宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一-磁性液体 宇航头盔 TiOTiO2 2陶瓷陶瓷 可用于军用涡轮发动机高温件，坦克、装甲车的防弹装甲。美国军方日前公布了取名为美国军方日前公布了取名为“毫毫微科技战士微科技战士”研发计划，希望十研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子游戏年内打造出目前只能在电子游戏中才能看到的刀枪不入的中才能看到的

23、刀枪不入的“超级超级战士战士”。美国未来。美国未来“超级战士超级战士”可能配备的装备有：可能配备的装备有：埋有传感器埋有传感器的头盔的头盔，使士兵多只后眼不至于，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；被打闷棍；藏有微处理器和药包藏有微处理器和药包的军服的军服，自动感知士兵身体情况，自动感知士兵身体情况并敷药；有并敷药；有微涂层的军服可以抵微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击抗生化武器袭击；由；由“铰合分子铰合分子”制造的比人体肌肉强壮制造的比人体肌肉强壮1010倍的倍的“肌肉肌肉”，这种，这种人造肌肉人造肌肉一旦装一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。墙不在话下。“纳米

24、科技战士纳米科技战士”“纳米科技战士纳米科技战士”这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作为“辅助肌肉”增强士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战场急救。 “纳米科技战士纳米科技战士”用纳米技术制造的用纳米技术制造的防水布料防水布料。用这种超薄布料制成的作战服用这种超薄布料制成的作战服几乎感觉不到重量，而现在一几乎感觉不到重量，而现在一名全副武装的美军士兵负重介名全副武装的美军士兵负重介于于9090到到120120磅之间。另外根据磅之间。另外根据磁场变化的原理磁场变化的原理，科学家们正，科学家们正在研制通常状态下柔软舒适，在研制通常状态下柔软舒适，一旦侦测到弹道威胁时立刻强一旦侦

25、测到弹道威胁时立刻强化僵硬的装甲系统。化僵硬的装甲系统。“纳米科技战士纳米科技战士”未来的美军作战服可能就是这个样子 预计于2011年投入使用的美军作战服 “纳米科技战士纳米科技战士”机器人战争时代即将到来 对战争态势有巨大冲击 参加韩美联合军演的美军士兵和军用机器人 智慧机器人公司生产的军用拆弹机器人在战场上应用的效果图 考试题型考试题型一、填空题（一、填空题（15分）分）二、名词解释二、名词解释 （20分）分）三、简答题三、简答题 （24分）分）四、论述题四、论述题 （24分）分）五、综合题五、综合题 （17分）分）第一讲第一讲 纳米科学技术简介纳米科学技术简介教学目的教学目的：了解纳米科

26、技的基本内涵、发展历了解纳米科技的基本内涵、发展历史、进展和趋势。史、进展和趋势。 重点内容重点内容：1 1、掌握基本概念、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、莲花效介观领域、纳米科学技术、纳米材料、莲花效应、自上而下、自下而上应、自上而下、自下而上 。2 2、自然界的纳米技术。、自然界的纳米技术。3 3、纳米科技的分类。、纳米科技的分类。4 4、纳米科技的前沿动态。、纳米科技的前沿动态。l教学目的教学目的：讲授纳米微粒的物理化学特性及碳纳米管l重点内容重点内容：l纳米材料的分类l纳米材料与传统材料的主要差别：l物理特性：热学性能，磁学性能，光学性能，电学性能，表面活性及敏感特性，光

27、催化性能光催化性能，力学性能l富勒烯、碳纳米管的发现，性质及应用l难点内容难点内容：物理特性第二章 纳米微粒的物理化学特性 第三章 纳米材料的制备方法 l教学目的教学目的：讲授纳米微粒的制备方法及其原理l重点内容重点内容：l气相法制备纳米微粒（气体冷凝法、化学气相沉积法）l液相法制备纳米微粒（沉淀法，水热法，溶胶凝胶法）l难点内容难点内容：溶胶凝胶法第四章第四章 纳米材料的检测分析技术纳米材料的检测分析技术l教学目的教学目的：讲授纳米微粒的检测分析技术。l重点内容重点内容：l透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜 。l难点内容难点内容：l透射电子显微镜、扫描电子显微镜