纳米材料与生物技术-ppt课件.ppt

1、第一节 概 述一、纳米科技的诞生二、纳米技术的概念三、纳米技术在世界各国四、纳米材料的特性五、几种典型的纳米材料 1959 1959年，著名的诺贝尔奖得主查理德费曼年，著名的诺贝尔奖得主查理德费曼（Richard FeynmanRichard Feynman）就设想：）就设想：“如果有一天人们如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什么样的奇迹！么样的奇迹！” ” ，“毫无疑问，如果我们对细微毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的话，将大大扩充我们可以获尺度的事物加以控制的话，将大大扩充我们可以获得物性的范围得物性的范围”，他首

2、次提出了，他首次提出了 “ “纳米纳米” ” 材料的材料的概念。今天，纳米科技的发展使费曼的预言已逐步概念。今天，纳米科技的发展使费曼的预言已逐步成为现实。纳米材料的奇特物性正对人们的生活和成为现实。纳米材料的奇特物性正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响。社会的发展产生重要的影响。( (查理德查理德曼曼教授于教授于19881988年去世年去世) ) 1962年，久保提出超微颗粒的量子限域理论，年，久保提出超微颗粒的量子限域理论，推动了实验物理学家对纳米微粒进行探索。推动了实验物理学家对纳米微粒进行探索。 1984年德国的年德国的Gleiter教授等合成了纳米晶体教授等合成了纳米晶体Pd,

3、FePd, Fe等。等。 1987年美国阿贡国立实验室年美国阿贡国立实验室Siegel博士制备出博士制备出纳米纳米TiO2多晶陶瓷，呈现良好的韧性，在多晶陶瓷，呈现良好的韧性，在100100多度多度高温弯曲仍不裂。这一突破性进展造成第一次世高温弯曲仍不裂。这一突破性进展造成第一次世界性纳米热潮，使其成为材料科学的一个分支。界性纳米热潮，使其成为材料科学的一个分支。 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。描述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常

4、温下看见原子，描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。发展产生了积极促进作用。 1990年年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1m10-2010-1510-1010-5101510510101025 1020W+粒子粒子微观微观介观介观宏观宏观宇观宇观山山太阳系太阳系地球地球星系团星系团星系星系原子原子原子核原子核DNA人人中国古代的纳米：早

5、在中国古代，安徽出的墨，其中国古代的纳米：早在中国古代，安徽出的墨，其颗粒就可以是纳米级的，非常非常细，从烟道里扫颗粒就可以是纳米级的，非常非常细，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常均匀、饱满，出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。写字非常好，这实际就是纳米颗粒。蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G G代表磁性颗粒。代表磁性颗粒。 层状骨结构图层状骨结构图 IBMIBM公司的科学家公司的科学家STMSTM移动氙原子，最后把一个个原子排列成移动氙原子，最后把一个个原子排列成IBMIBM商商标。后来，他们又进一步把一排铁原子拼成汉字标

6、。后来，他们又进一步把一排铁原子拼成汉字“原子原子”。STM针尖科学家使用STM观测物质的纳米结构所谓纳米冰箱，只不过是添加了氧化所谓纳米冰箱，只不过是添加了氧化钛的纳米无机物，产生了一定的抗菌性能；钛的纳米无机物，产生了一定的抗菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，而对于应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，而对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。的解决办法。纳米技术在生活中的应用： 纳米材料用于纺织品，经过独特的工

7、艺处理，将纳米材料用于纺织品，经过独特的工艺处理，将紫外线隔离因子引入纤维中，能起到防紫外线、阻隔紫外线隔离因子引入纤维中，能起到防紫外线、阻隔电磁波，具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损电磁波，具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损等影响的作用，可以有效保护人体皮肤不受辐射伤害。等影响的作用，可以有效保护人体皮肤不受辐射伤害。 如果在分散的纳米分子材料上经过特殊处理，再如果在分散的纳米分子材料上经过特殊处理，再运用到纤维物体上，那么衣服就可以不粘油、不粘运用到纤维物体上，那么衣服就可以不粘油、不粘水，由于纳米分子非常非常小，它不会影响纤维物水，由于纳米分子非常非常小，它不会影响纤维物体的透

8、气性和清洗效果。体的透气性和清洗效果。 纳米技术在医学中的应用：纳米技术在医学中的应用：纳米技术在医学中的应用：纳米机器人纳米机器人 纳米技术在医学中的应用：纳米技术在医学中的应用：纳米技术在军事中的应用：纳米技术在军事中的应用：纳米技术在军事中的应用：美国F117隐形轰炸机机纳米技术在军事中的应用：美国B2隐形轰炸机纳米技术在化妆品中的应用：纳米技术可能带来的危害： 纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直接对人体产生威胁。一般的物品拿在手也可能直接对人体产生威胁。一般的物品拿在手上，由于构成的微粒大小是微米或以上量级的尺上，由于构成的微粒

9、大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细胞内，以致进入血液。寸，不会渗透到人的皮肤细胞内，以致进入血液。但是纳米技术生产的产品，由于构成微粒在纳米但是纳米技术生产的产品，由于构成微粒在纳米量级，完全有可能通过皮肤接触进入人体。如果量级，完全有可能通过皮肤接触进入人体。如果这种物质有毒的话，人体与之接触将是十分危险这种物质有毒的话，人体与之接触将是十分危险的，所以，生产和处理这种纳米产品，其生产厂的，所以，生产和处理这种纳米产品，其生产厂房、放置措施都将有极其严格的规定。房、放置措施都将有极其严格的规定。 纳米科技的研究领域纳米科技的研究领域纳米科技就是与纳米微粒纳米科技就是与纳米微粒，

10、团簇，甚至分子原，团簇，甚至分子原子打交道子打交道-纳米材料学纳米材料学纳米生物学纳米生物学纳米化学纳米化学纳米机械纳米机械纳米加工等等纳米加工等等 碳60球和碳纳米管的发现触发了纳米科学的大发展! 碳元素是自然界最普遍的元素碳元素是自然界最普遍的元素之一，其特有的成键轨道可形成之一，其特有的成键轨道可形成丰富的碳家族。人们以为自然界丰富的碳家族。人们以为自然界只有三种碳的同素异形体：金刚只有三种碳的同素异形体：金刚石，石墨，无定形碳。石，石墨，无定形碳。 1985年，年，Kroto等人发现幻数为等人发现幻数为60的笼状的笼状C60分子，其分子，其60个碳原子个碳原子分别位于由分别位于由20个

11、六边形环和个六边形环和15个个五边形环组成的足球状多面体的五边形环组成的足球状多面体的顶点上。顶点上。 Kratschmer W.用石墨电极电弧用石墨电极电弧放电首次宏观量的合成了放电首次宏观量的合成了C60。引引发又一次纳米研究热。发又一次纳米研究热。 其后，又发现一大家族球形和其后，又发现一大家族球形和椭球形的碳的同素异形体。椭球形的碳的同素异形体。 1991年，日本年，日本NEC公司公司Iijima教授在教授在Ar气氛气氛直流电弧放电后的阴极棒沉积碳黑中，通过透直流电弧放电后的阴极棒沉积碳黑中，通过透射电镜发现一种直径在纳米或几十纳米，长度射电镜发现一种直径在纳米或几十纳米，长度在几十纳

12、米到在几十纳米到1毫米的中空管。几十个管子同轴毫米的中空管。几十个管子同轴构在一起，相邻管的径向间距约构在一起，相邻管的径向间距约 0.34纳米，即纳米，即石墨的（石墨的（002）面间距。这就是现统称的碳纳米）面间距。这就是现统称的碳纳米管。其独特的一维管状分子结构开辟了一维纳管。其独特的一维管状分子结构开辟了一维纳米材料研究的新领域。又一次形成纳米研究的米材料研究的新领域。又一次形成纳米研究的高潮。高潮。把碳纳米管用作转子的纳米马达图像 存储密度可达每平方厘米10万亿字节 如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子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

13、。科并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家在英国学家在英国自然自然杂志上报告说，他们用杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为为“燃料燃料” 控制这种镊子反复开合。控制这种镊子反复开合。判断一种材料是否是纳米材料？判断一种材料是否是纳米材料？微粒尺寸和晶粒尺寸是否小于微粒尺寸和晶粒尺寸是否小于100nm是否具有不同于常规材料的性能是否具有不同于常规材料的性能两个条件缺一不可！两个条件缺一不可！ 性能性能用途用途力学性能力学性能超硬、高

14、强、高韧、超塑性材料、特别是陶瓷增韧和高韧高超硬、高强、高韧、超塑性材料、特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层硬涂层光学性能光学性能光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料传感器、光折变材料磁性磁性磁流体、磁记录、永磁材料、磁存贮器、磁光元件、磁探测磁流体、磁记录、永磁材料、磁存贮器、磁光元件、磁探测器、磁致冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物器、磁致冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物电学性能电学性能导电浆料、电极、

15、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽阻、静电屏蔽催化性能催化性能催化剂催化剂热学性能热学性能耐热材料、热交换材料、低温烧结材料耐热材料、热交换材料、低温烧结材料敏感性能敏感性能湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料其他其他医学（细胞分离、细胞染色、医疗诊断、消毒杀菌、药物载医学（细胞分离、细胞染色、医疗诊断、消毒杀菌、药物载体）能源（电池材料、贮氢材料）、环保（污水处理、废物体）能源（电池材料、贮氢材料）、环保（污水处理、废物料处理、空气消毒）、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、料处理、空气消毒）

16、、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂润滑剂 纳米材料的分类纳米材料的分类 纳米颗粒（超微颗粒）纳米颗粒（超微颗粒）L 1 m 微粉微粉 1100 nm 纳米颗粒纳米颗粒 1nm 团簇团簇高温分解法制备的磁性纳米粒子的TEM 照片10 nm高温分解法制备的水溶性Fe3O4米粒子的TEM 图量子椭球的量子椭球的TEMTEM像。椭像。椭球直径为球直径为4.2nm4.2nm，A-CA-C样样品的长度分别为品的长度分别为1111，2020和和40nm40nm。D-ED-E分别为分别为3 3个个样品的吸收和荧光谱。样品的吸收和荧光谱。 二维：二维： 纳米膜纳米膜纳米陶瓷纳米陶瓷 普通陶瓷普通陶瓷 硬

17、、脆、易碎硬、脆、易碎 纳米陶瓷纳米陶瓷 坚韧、塑性、弯曲、耐磨坚韧、塑性、弯曲、耐磨 汽车、高速列车汽车、高速列车HAP纳米羟基磷灰石纳米羟基磷灰石/碳纳米管复合陶瓷材料碳纳米管复合陶瓷材料的制备与研究的制备与研究 近年来,人们逐渐认识到许多材料细化到纳米量级性能可能发生突变,包括某些机械性能。HAP颗粒越小,骨植入体的扭转模量、拉伸模量和拉伸强度就越高,疲劳抗力也相应提高。因此,合成纳米级HAP将有利于改善骨植入体的力学性能。此外,HAP纳米粉体对不同癌细胞尚有一定的抑制作用;并有望提高骨缺陷填充的愈合速度。纳米羟基磷灰石纳米羟基磷灰石/碳纳米管复合陶瓷材料碳纳米管复合陶瓷材料的制备与研究

18、的制备与研究必须提高羟基磷灰石陶瓷力学性能必须提高羟基磷灰石陶瓷力学性能人工合成的羟基磷灰石粉末具有优良人工合成的羟基磷灰石粉末具有优良的生物相容性和生物活性的生物相容性和生物活性,可用来制备各种可用来制备各种硬组织植入材料。然而硬组织植入材料。然而,目前这类骨植入材料因强度目前这类骨植入材料因强度偏低偏低,尤其是脆性太大尚难应用于人体承载部位。尤其是脆性太大尚难应用于人体承载部位。提高羟基磷灰石陶瓷力学性能的途径提高羟基磷灰石陶瓷力学性能的途径晶须增韧羟基磷灰石基复相陶瓷晶须增韧羟基磷灰石基复相陶瓷使用高强的第二相进行增韧使用高强的第二相进行增韧预烧增韧预烧增韧加入烧结助剂促进烧结加入烧结助

19、剂促进烧结稀土增韧稀土增韧炭在生物化学方面，属惰性材料。在生物力学炭在生物化学方面，属惰性材料。在生物力学上，它能适应许多具体使用的要求，承受一定上，它能适应许多具体使用的要求，承受一定载荷。它与其它的生物材料相比，特别应当提载荷。它与其它的生物材料相比，特别应当提出的是炭材料的弹性模量与骨匹配良好，对疲出的是炭材料的弹性模量与骨匹配良好，对疲劳加载不很敏感。劳加载不很敏感。由于炭质轻，在人体中具有较优良的生理相由于炭质轻，在人体中具有较优良的生理相容性，表面状态和材料结构的可设计性，一容性，表面状态和材料结构的可设计性，一定程度上能自润滑，因而是人类器官代用品定程度上能自润滑，因而是人类器官

20、代用品良好材料之一。良好材料之一。 炭材料在生物方面的应用炭材料在生物方面的应用德国马克斯德国马克斯-普朗克协会下属固体研究所与美普朗克协会下属固体研究所与美国、澳大利亚和意大利同行合作研究出人造国、澳大利亚和意大利同行合作研究出人造肌肉纤维，它以近年来倍受人们注目的纳米肌肉纤维，它以近年来倍受人们注目的纳米碳管为成份，其伸缩性和灵敏度超过迄今的碳管为成份，其伸缩性和灵敏度超过迄今的任何人造材料，这种人造肌肉纤维不仅适用任何人造材料，这种人造肌肉纤维不仅适用于人体的移植和修复手术，还可作为未来机于人体的移植和修复手术，还可作为未来机器人的运动构件，被誉为器人的运动构件，被誉为21世纪医学材料。

21、世纪医学材料。炭材料和微生物关系的研究，实验证明，炭纤炭材料和微生物关系的研究，实验证明，炭纤维固定微生物的能力比其他材料维固定微生物的能力比其他材料(尼龙、聚乙尼龙、聚乙烯等烯等)高得多。高得多。CNTs碳纳米管掺杂到羟基磷灰石中后，分散良好，羟基磷灰碳纳米管掺杂到羟基磷灰石中后，分散良好，羟基磷灰石也很好得复合到了碳纳米管上，且掺杂后的复合材料石也很好得复合到了碳纳米管上，且掺杂后的复合材料的机械性能比起纯的羟基磷灰石有很大提高。实验结果的机械性能比起纯的羟基磷灰石有很大提高。实验结果给出，当给出，当CNTs%为为3.0%时，硬度和抗压强度均达到最时，硬度和抗压强度均达到最大值，即大值，即

22、CNTs%=3.0%为最佳掺杂量。为最佳掺杂量。 通过在羟基磷灰石中掺杂碳纳米管，集中了通过在羟基磷灰石中掺杂碳纳米管，集中了HAPHAP和和CNTsCNTs各自的性能优点，使材料具备综合性能优势，从而更好各自的性能优点，使材料具备综合性能优势，从而更好地实现其在人体内的辅助治疗功能，在一定程度上拓宽地实现其在人体内的辅助治疗功能，在一定程度上拓宽了人工骨材料的应用范围。了人工骨材料的应用范围。 纳米材料如此神奇，怎样才能获得纳米材料呢?纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。 与常规材料相比, 纳米材料表现出一些物理效应和奇特的物理

23、特性。制备技术是纳米科技的关键。影响纳米材料的微观结构和宏观性能。通过不同的制备技术,可以得到纳米颗粒材料、纳米膜材料、纳米固体材料等等。 很久以前, 我国人们用石蜡做成蜡烛，用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾，经冷凝后变成很细的碳粉，实际上就是纳米粉体，但在当时的条件下他们并不知道纳米材料的概念，也没有任何手段来分析这些纳米小颗粒然而他们知道用这种方法获得的超细碳粉所做成的墨具有良好的性能，应该说这种方法是制备纳米材料的最简单方法。 在科学技术高度发展的今天人工制备纳米材料的方法得到了很大的发展。通常采用两个不同的途径得到纳米材料：纳米材料制备途径从小到大: 原子团簇纳米颗粒从大到小: 固

24、体微米颗粒纳米颗粒目前纳米材料制备常采用的方法:(按物态分类)气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相反应法溶胶-凝胶法沉淀法喷雾法非晶晶化法机械粉碎(高能球磨)法固态反应法各种方法有各自的特点和适用范围目前纳米材料制备常采用的方法:(按物态分类)气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相反应法溶胶-凝胶法沉淀法喷雾法非晶晶化法机械粉碎(高能球磨)法固态反应法各种方法有各自的特点和适用范围化学沉淀法ZrOCl2.8H2OYCl3洗涤、脱水、防团聚ZrOCl2.8H2O+YCl3NH4OHZrOCl2 + 2NH4OH + H2 Zr(OH)4 + 2NH4ClYCl3 + 3NH4OH Y(OH)3

25、 + 2NH4ClZr(OH)4 + n Y(OH)3 按比例混合Zr1-xYxO2 煅烧1. 原料混合2. 加沉淀剂3. 沉淀反应控PH、浓度搅拌、促进形核、控生长4. 洗涤、脱水、防团聚5. 煅烧稳定氧化锆陶瓷的化学沉淀法制备微乳液法微乳液法微乳液法就是采用微乳液来制备纳米材料的方法。微乳液法就是采用微乳液来制备纳米材料的方法。微乳液为两种互不相溶的液相，一相以微液滴形式（直径约为微乳液为两种互不相溶的液相，一相以微液滴形式（直径约为1-100 nm 1-100 nm ）分散在另一相中所形成的分散体系）分散在另一相中所形成的分散体系。微乳液微乳液 表面活性剂表面活性剂 水水 油油常用的油常

26、用的油- -水体系有水体系有: :柴油柴油/ /水、煤油水、煤油/ /水、汽油水、汽油/ /水、甲苯的醇溶水、甲苯的醇溶液液/ /水等等。水等等。常用的表面活性剂有常用的表面活性剂有: :琥铂酸二异辛脂磺酸钠琥铂酸二异辛脂磺酸钠(AOT) (AOT) 、十二烷基、十二烷基硫酸钠硫酸钠(SDS)(SDS)等等等等。特点：特点：微乳液法具有原料便宜、实验装置简单、操作容易、反微乳液法具有原料便宜、实验装置简单、操作容易、反应条件温和、粒子尺寸可控。而广泛用于纳米材料的制备。应条件温和、粒子尺寸可控。而广泛用于纳米材料的制备。微乳液法微乳液法微乳液是由两种互不相溶液体在表面活性剂的作用下形成的热力学

27、稳定的、各向同性、外观透明或半透明的液体分散体系，分散相直径约为1-100nm。O/WW/O亲水端亲油端SurfactantComposite MicelleMicellar Rod Hexagonal ArrayPrecursorCatalystPolymerizationPrecipitationExtractionNanoporous Material二十一世纪以来二十一世纪以来利用模板生长利用模板生长一维磁性纳米丝一维磁性纳米丝的研究很活跃的研究很活跃 材料包括单一金属，合金，化合物，多层材料，复合材料等等，应用目标也从存储介质到细胞分离多种多样。1987年 Martin等人 电化学和

28、模板合成方法结合以聚碳酸脂滤膜为模板成功的制备了Pt纳米线阵列 CHARLES R. MARTINUNIVERSITY OF FLORIDA Penner R M, Martin C R. Anal. Chem. , 1987, 59, 2625纳米孔道模板材料镀Au或Ag膜作阴极固定于导电基底上暴露于电解液恒电压恒电流电沉积溶解模板，得到纳米管或纳米线一般过程Field emission scanning electron micrographs (FESEM) of home-made alumina template (60-nm diameter); Top-viewed image

29、(left) and cross-sectionalviewed image (right).Template synthesis of multifunctional nanotubes for controlled release Schematic illustration of template synthesis液相中固体颗粒的形成（LaMer Model）加入的种子体积预计生成的颗粒大小实际产生的颗粒大小不影响颗粒的自成核全部忽略颗粒的自成核0.1 ml28.24 nm29.29 nm0.3 ml20.12 nm20.37 nm0.5 ml17.11 nm17.24 nm1.0 m

30、l13.74 nm13.79 nmseeds/Ti0(molar ratio)Yield of TiO2(mol%)Particle size (nm) 1)ProductExpected2)06730.4-0.01010021.222.20.01710019.019.90.02010016.618.10.05010014.715.00.10010011.612.30204060801000122436486072 Second Aging Time (h)Yield of TiO2 (%)a: 0b: 0.010c: 0.025d: 0.100abcdseeds/TIPO002468101200.10.20.30.40.5Equilibrium Concentration (mol dm-3)Adsorption (m o l m-2)EllipsoidCube TEOA对不同形状TiO2纳米颗粒的吸附等温线04812162000.010.020.030.04Equilibrium Concentration (mol dm-3)Adsorption (m o l m-2)CubeEllipsoid油酸钠对不同形状TiO2纳米粒子的吸附等温线