纳米材料与纳米技术的发展需要化学课件.ppt

1、1一、一、20世纪的化学取得了空前辉煌的成世纪的化学取得了空前辉煌的成就，期望得到社会应有的认同。就，期望得到社会应有的认同。二、二、21世纪的化学科学面临的挑战。世纪的化学科学面临的挑战。21、社会以及青年学生对化学的质疑罪魁祸首好事不出门，恶事传千里！ 随着环境污染随着环境污染问题日趋恶化，一问题日趋恶化，一些人对化学产生了些人对化学产生了一种恐惧感，认为一种恐惧感，认为化学是环境污染的化学是环境污染的罪魁祸首，化学几罪魁祸首，化学几乎成了乎成了“有毒有毒”、“有害有害”的代名词。的代名词。谈化色变3 其实，造成环境污染的不仅仅是化学，更重要的是森林破坏，水土流失。中国的土地还有多少绿色？

2、4 森林破坏导致的恶果是非常严重的。以黑龙江省为例：气候恶化，平均大风日数增加了22天。十年九旱。有沙地面积1200万亩。1980年5月27日的一场大风，70%的耕地受灾，24 万亩毁种。全省的耕地土壤肥力下降。超过全省耕地面积的一半以上水土流失。每年流失土量2.5亿立方米。导致了严重的水灾。5还有汽车尾气排放，煤燃烧！6沙尘如雪盖京华 满城尽带黄金甲 以及沙漠化和沙尘暴7 还有微电子工业，中国正成为世界上最主要的电子垃圾场。电子垃圾主要由废弃的家用电器、通信工具、电池类产品等组成。 8 事实上，化学污染严格地说并非化学本身之过，而是人没有从自然社会科学技术这个大系统的观点看问题，片面追求科学

3、技术的发展和应用造成的。事实上，一旦我们把自己的科学技术和生产活动纳入上述的大系统来认识，并以这个大系统所要求的原则来规范我们的科学技术实践过程时，“污染”是能够作为一种物质“涨落”在达到其危险的临界值以前被整个系统“敛平”的。化学污染的真正源头是化学的实际应用即化学工艺过程中存在的种种问题，由此造成对人类生存环境乃至整个生态系统的破坏。由此说明了现代系统思想和系统方法在人与自然的关系变得日渐复杂时是何等重要。9 而问题的另一方面，我们已无法摆脱造就我们当前物质文明的化学工业和化工产品，化学和化学家面临着前所未有的挑战。化学家已提出绿色化学的奋斗目标。绿色化学即是用化学的技术和方法减少或消除那

4、些对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、产物、副产物等的使用与产生。绿色化学的理想是不再使用有毒、有害的物质，不再产生废物，把污染治理转变为污染预防。从绿色化学研究的指导思想、基本原理和方法上看，它的诞生无疑是化学自身发展中的一场革命。 从事分析、监测、治理环境污染的正是化学家，化学家不但要认识世界、改造世界，还要保护世界。102、化学已有200余年的历史，是一门成熟的老科学，现在发展的前途不大了，没有什么可搞了。物理进化，化学进化，天体演化，地质演变，生物进化，社会进化，人工自然进化，物质产生精神、精神反作用于物质“数理化天地生”这六门所谓“老科学”，是青春常驻的。只要地球

5、存在，人类不灭亡，她们也永远不会消亡的。 数学则是研究八个层次中抽象出来“数、形和系统”的最普遍的规律，逻辑最严格、应用最广泛的科学 。宇宙进化的八个层次11当前化学的几大难题需要去解决 建立精确有效而又普遍适用的化学反应的含时的量子理论和统计理论。质量作用定律 经验的、宏观的定律 反应速度理论 半经验理论 反应途径的理论 不彻底的半经验理论 含时密度泛函理论 描述复杂化学体系比较困难 12对于这一难题，应予首先研究的课题有：（1）充分了解若干个重要的典型的化学反应的机理，以便设计最好的催化剂，实现在最温和的条件下进行反应，控制反应的方向和手性，发现新的反应类型，新的反应试剂。（2）在搞清楚光

6、合作用和生物固氮机理的基础上，设计催化剂和反应途径，以便打断CO2 , N2等稳定分子中的惰性化学键。（3）研究其它各种酶催化反应的机理。酶对化学反应的加速可达100亿倍，专一性达100%。如何模拟天然酶，制造人工催化剂，是化学家面临的重大难题。（4）充分了解分子的电子、振动、转动能级，用特定频率的光脉冲来打断选定的化学键选键化学的理论和实验技术。 13结构和性能的定量关系 孔恩从理论上证明一个分子的电子云密度可以决定它的所有性质，但实际计算困难很多，现在对结构和性能的定量关系的了解，还远远不够。 要优先研究的课题有：（1）分子和分子间的非共价键的相互作用的本质和规律。（2）超分子结构的类型，

7、生成和调控的规律。（3）给体-受体作用原理。（4）进一步完善原子价和化学键理论，特别是无机化学中的共价键问题。14（5）生物大分子的一级结构如何决定高级结构？高级结构又如何决定生物和生理活性？（6）分子自由基的稳定性和结构的关系。（7）掺杂晶体的结构和性能的关系 。（8）各种维数的空腔结构和复杂分子体系的构筑原理和规律。（9）如何设计合成具有人们期望的某种性能的材料？（10）如何使宏观材料达到微观化学键的强度？ 15生命现象的化学机理 充分认识和彻底了解人类和生物的生命运动的化学机理，无疑是21世纪化学亟待解决的重大难题之一。例如：（1）研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设

8、计的基础。（2）化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学（与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同）奠定基础。16（3）搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。（4）人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学

9、、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。（5）了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。17（6）了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。（7）如何实现从生物分子biomolecules到分子生命molecular life的飞跃？如何制造活的分子(Make life)，跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。（8）研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状态，分形现象等非线形科学问题。 18纳米尺度的基本规律 现在中美日等国都把纳米科学技术定为优先发展的国家目标。 钱学森先生说：继信息科学之后，纳米科学技术可能引起新一轮的产业革命。在复杂性科学和物质多样性研究中，尺度效应至

10、关重要。尺度的不同，常常引起主要相互作用力的不同，导致物质性能及其运动规律和原理的质的区别。 纳米尺度体系的热力学性质，包括相变和“集体现象（collective phenomena）”如铁磁性，铁电性，超导性和熔点等与粒子尺度有重要的关系。当尺度在十分之几到10纳米的量级，正处于量子尺度和经典尺度的模糊边界fuzzy boundary中，此时热运动的涨落和布朗运动将起重要的作用。例如金的熔点为1063度，纳米金(5-10nm)的融化温度却降至330度。银的熔点为960.3度，而纳米银(5-10nm)为100度。19 当代信息技术的发展，推动了纳米尺度磁性nanoscale magnetism

11、的研究。由几十个到几百个原子组成的分子磁体表示出许多特性，如量子隧穿效应，量子相干效应等。纳米粒子的比表面很大，由此引起性质的不同。例如纳米铂黑催化剂可使乙烯催化反应的温度从600度 降至室温。 又如电子或声子的特征散射长度，即平均自由程 在纳米量级。当纳米微粒的尺度小于此平均自由途径时，电流或热的传递方式就发生质的改变。所以纳米分子和材料的结构与性能关系的基本规律是21世纪的化学和物理需要解决的重大难题之一。 20关于纳米技术与纳米材料目前，社会对纳米出现了怀疑：纳米技术将会发展到何种程度？纳米技术是否能变得经济实用？ 纳米技术如何让世界变得更加美好？纳米 = 花瓶21纳米高科技个别不法商家

12、，打着纳米高科技的旗号在骗人！技术转让纳米技术水 油技术转让费：1万元22纳米材料的制造技术纳米材料的分析技术纳米生物技术纳米器件制造技术234.电子元器件的制造技术5.超微磁存储元件，机械元件，光学元件 的制造技术6.微机电制造技术24300nm 美国科学家用碳纳米管造出了世界上最小的电动机，它的尺寸比头发丝的粗细还要小倍，能够在电压驱动下转动。这种分子电动机是美国加利福尼亚大学伯克利分校的科学家设计的。研究人员在Nature杂志上报告说，电动机的旋转叶片是一片金叶，其长度为纳米；叶片安装在一根由多层碳纳米管做成的转轴上。25利用纳米技术跟踪生物体内活动。比如纳米颗粒比人体细胞颗粒要小得多，

13、而且具有发光功能，把这种纳米颗粒送进人的肉体、器官内，然后从人体外部向内照射近红外线，纳米颗粒在体内也会发光，这样就可以跟踪了解人体细胞的变化情况，从而达到追踪病毒等效果。26我们国家的纳米技术 我国的纳米科技队伍，他们主要集中于中科院和国内一批知名高校。我国的研究力量主要是纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及极少数纳米技术的应用等方面。由于科研条件的限制，我国的研究工作只能集中在一些硬件条件要求不太高的领域，属世界首创的、具有独立知识产权的成果还很少。27纳米材料的制造技术纳米材料的分析技术我们国家在纳米方面的研究还仅仅停留在材料的制造和分析的层次上。 我国在纳米科技领域的总

14、体上与发达国家仍然存在很大差距尤其是在纳米器件研制方面，这将对我国未来纳米产业参与世界竞争极为不利。抓住机遇，迎头赶上，才能使我国在国际纳米科技领域的竞争中占有一席之地。纳米生物技术纳米器件制造技术28 目前的研究开发方向主要是将纳米粉末掺到某种传统材料中去，或者将纳米粉末制成纳米团体，看看是否具有不同于常规材料的性能，然后将这种新材料推出去寻找应用领域。但是，目前的大多数科研成果从实验到产业化还不完全成熟，主要障碍是批量生产能力和产品成本等问题。纳米冰箱纳米洗衣机纳米领带纳米袜子在其中的某个部件（例如陶瓷部件）掺杂了一些纳米材料，起到杀菌、耐脏的目的。29我是灰我是灰尘尘！一般材料一般材料颗

15、颗粒粒我也是！我也是！我也要！我也要！耐脏30我是灰我是灰尘尘！一般材料一般材料颗颗粒粒纳纳米米颗颗粒粒我我挂挂了！了！31自清洁作用纳米材料非纳米材料32 时间表耐腐蚀涂层：515年；既硬又韧的切削工具：5 15年；塑料电子学平面显示器：510年；有100 nm特性的芯片：7年；长寿命的生物、植物：515年；纳米电子器件：1020年；高密度记忆能力超快速计算机处理器：1020年；在人体血液中清除脂肪堆积的纳米机器：至少25年。 具有科学技术含量高的纳米材料与产品走入市场还需要一段时间。3334 北京四中的一位中学生向诺贝尔化学奖获得者克罗托教授提问：“人们都说21世纪是生命科学和信息科学的世

16、纪，您能否告诉我化学有什么用，我们为什么要学习化学呢？” 克罗托回答说：“正是因为21世纪是生命科学和信息科学的世纪，所以化学才更为重要”。克罗托的回答是非常简洁和巧妙的，但似乎没有解决这位中学生提出的实质问题：为什么在生命科学和信息科学的世纪，化学更为重要呢？社会上在谈论21世纪是信息科学和生命科学大发展的时候，很少提到化学在其中的重要作用。 3、 化学有什么用？3520世纪发明了七大技术：1. 包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、 通讯和网络等的信息技术2. 基因重组、克隆和生物芯片等生物技术 3. 核科学和核武器技术 4. 航空航天和导弹技术 5. 激光技术6. 纳米技术 7.化

17、学合成和分离技术 36 其余的六大技术如果缺少一二个，人类照样生存。 但如没有发明合成氨、合成尿素和第一、第二、第三代新农药的技术，世界粮食产量至少要减半，60亿人口有30亿要饿死。 哈勃（Haber）在1909年发明的以锇为催化剂的合成氨技术，哈勃因此获得1918年诺贝尔奖， C.施博改进了高压合成氨的催化方法，又于1931年获诺贝尔奖。 国外传媒因而把Haber Process 评为20世纪最重大的发明。37 没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，没有发明合成各种抗生素和大量新药物的技术，人类平均寿命要缩短人类平均寿命要缩短2525年。年。 没有发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技没有

18、发明合成纤维、合成橡胶、合成塑料的技术，人类生活要受到很大影响。术，人类生活要受到很大影响。 信息技术：集成电路的硅芯片，存储材料，高分信息技术：集成电路的硅芯片，存储材料，高分子材料。子材料。 核电站：核燃料铀、钚、废水处理等都是化学工核电站：核燃料铀、钚、废水处理等都是化学工业。业。 激光、航空、航天、导弹和纳米等技术无不需要激光、航空、航天、导弹和纳米等技术无不需要化学合成的、品种繁多的高新材料化学合成的、品种繁多的高新材料3820世纪七大技术的排序世纪七大技术的排序第一是信息科学技术，第一是信息科学技术，2009年中国信息产业（包括计算年中国信息产业（包括计算机和芯片制造、电信服务和软

19、件工业）的增加值已占全机和芯片制造、电信服务和软件工业）的增加值已占全年年GDP的的6。第二是与化学化工密切相关的化学过程工业（第二是与化学化工密切相关的化学过程工业（Chemical Process Industry）包括石油炼制、化工、精细化工和药）包括石油炼制、化工、精细化工和药物工业、合成纤维、合成塑料、合成橡胶、冶金、环境物工业、合成纤维、合成塑料、合成橡胶、冶金、环境治理等治理等第三是飞机、航天、人造卫星及导弹产业。第三是飞机、航天、人造卫星及导弹产业。第四是核电站和核工业，其中核燃料和重水工业实际是第四是核电站和核工业，其中核燃料和重水工业实际是化工工业。化工工业。第五是生物技术

20、和生物产业，占第五是生物技术和生物产业，占GDP不到不到1。第六纳米技术产业，其中纳米材料合成也是化工产业。第六纳米技术产业，其中纳米材料合成也是化工产业。第七激光技术产业如光纤等。第七激光技术产业如光纤等。394、化学很少在媒体上以正面形象露面40世纪之交的伟大的科学工程速度速度上个世纪末上个世纪末“人类基因测序人类基因测序”被认为是一项像人类登月一被认为是一项像人类登月一样的伟大工程，在该工程面样的伟大工程，在该工程面临进展缓慢的困难时，是由临进展缓慢的困难时，是由于分析化学提供了于分析化学提供了多通多通道毛细管电泳的分道毛细管电泳的分离技术，和激光诱离技术，和激光诱导荧光监测方法，导荧光

21、监测方法，使这项伟大的工程得以提使这项伟大的工程得以提前完成，从而揭开了后基前完成，从而揭开了后基因时代的序幕。因时代的序幕。 DNA测测序实际上是序实际上是分析化学分析化学和分离化学和分离化学的问题，的问题，但社会上只知道基因学，但社会上只知道基因学，看不到化学家在其中有什看不到化学家在其中有什么作用。么作用。按照此速度，需要200多年。41The Nobel Prize in Chemistry 1993Kary B. Mullis Michael Smith PCR技术 古老的DNA可以在试管中复制的PCR技术，在考古学、刑事侦查学、身份鉴定等方面是一个重大的技术。大多数的人认为这是生物

22、技术，实际上确是1993年的诺贝尔化学奖的化学技术。42化学家非常谦虚，在交叉学科中放弃了冠名权 例如：生物化学被称为：分子生物学生物大分子的结构化学被称为：结构生物学生物大分子的物理化学被称为：生物物理学固体化学被称为：凝聚态物理学溶液理论、胶体化学被称为：软物质物理学量子化学被称为：原子分子物理学 43 分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始探索而且正在研究的，但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词，而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景，并称之为分子电子学。 化学家合成了巴基球碳60，于1996年被授予诺贝尔化学奖，后来化学家又做了大量研

23、究工作，合成了碳纳米管。但是许多由这一发明所带来的研究被人们当作应用物理学或纳米科学的贡献。44（1）化学是一门承上启下的中心科学。（2）化学又是一门社会迫切需要的中心科学，化学与人们的生活有非常紧密的联系。（3）化学是与信息、生命、材料、环境、能源、地球、空间和核科学等八大朝阳科学（Sun-rise Science）都有紧密的联系、交叉和渗透的中心科学。45 化学与生命、材料等八大朝阳科学交叉产生了许多重要的交叉学科，但化学作为中心学科的形象反而被其交叉学科的巨大成就所埋没，反而被社会看作是伴娘科学（Bridesmaid Science）而不受重视，有人称呼化学为科学中的农民。世界著名的自然

24、杂志也为化学家鸣不平，发表了社论。但化学家仍然很谦虚，居然不喊不叫也不抱怨。化学家的谦虚本是美德，但因此吸引不到优秀的年轻学生，这个问题就大了。46 从上面的讨论可以看出，20世纪的化学取得了辉煌成就，21世纪的化学发展前程远大，期待社会对化学的重要性给予应有的认同。 47一、一、20世纪的化学取得了空前辉煌的成世纪的化学取得了空前辉煌的成就，期望得到社会应有的认同。就，期望得到社会应有的认同。二、二、21世纪的化学科学面临的挑战。世纪的化学科学面临的挑战。481.资源与能源（危机）2.环境与生态（污染与治理）3.生命与健康4.国家安全5. 在时间尺度与分子尺度上认识并控制分子 如何反应6.

25、将自组装发展成为合成与制造复杂体系及材料的有用手段。7.49中国主要资源占世界总数比: 人口 21 % 劳动力 26 % 国土 7.1 % 耕地 7.1 % 水资源 7 % 天然气 1.2 % 煤 10.97 % 石油 2.34 % 按照目前的消耗速度石油：50年天然气：100年煤：数百年世界自然科学基金会和联合国环境规划署联合发表2000年地球生态报告称，地球的资源会在2075年耗尽。 1.资源与能源（危机）50 我们最终必须要学会如何在一个不燃烧化石、燃料来提供能源的世界上使我们的生正常运转，目还没有明确的解决方法，但是一系列的方案也有所帮助。 太阳能 利用生物来转化太阳能 设计出能更有效

26、的把太阳能转化为生物能的专门的草或者其他植物，然后把生物能转化为电能。51太阳能发电 在大面积的干旱地区或者屋顶覆盖光伏电池。目前的电池的转换效率可以达到30%。瑞士洛桑联邦技术学院的米夏埃尔格雷策尔认为，如果美国得克萨斯州的地面布满太阳能电池，便足以满足世界对能源的基本需求。存在的问题： 发展价格低、寿命长、光电转换效率高的光电池仍然是技术上的挑战。52 估计3050年的时间太阳能汽车会进入家庭。目前的太阳能汽车主要问题是光电转换效率低、价格昂贵。最便宜的：10万美元左右53核能 核能目前正在成为提供电能的主要渠道。但是其中重要的问题是核安全问题：u核废料如何处理。u如果操作不慎将导致危险。

27、u被用来制作核武器，或者被恐怖袭击。 如上述问题解决，核能的益处很多，核燃料价格低廉，不会产生室温效应和酸雨。水和风能源的转化、存储、输送等问题。超导体的使用将使高效的能源传输成为可能。542.环境与生态（污染与治理） 化学工业为推进世界的文明化程度做出了巨大的贡献，但是它却对环境存在潜在的污染性。阐明大气、土壤、湖泊、溪流和海洋我们赖以生存的既复杂又相互作用的化学世界，为保护生态环境政策的建立提供科学依据。确保化学制造过程和化学产品与环境友好，生物优良、无毒无害。55研究如何使产品在其使用期间稳定，废弃后可降解，不滞留在环境中或处于活动状态。开发绝对无毒并可降解的农药。开发选择性好的催化剂，

28、使产品的制造过程无废物排放、无额外能耗需求。开发能量产生及分配工艺，做到温室气体或有毒物质的零排放。563.生命与健康 理解蛋白质、核酸以及微小生物体如何聚集装配成显示化学特征的功能性复合物，真正认识活性细胞的不同组分之间的复杂的化学反应，根据化学诠释生命过程仍然是未来我们面临的一大挑战。 开发出能够快速、可靠的检测疾病、危险的疾病生物体的测量装置。 开发出能够治愈目前尚属不治之症的医药产品和治疗方法。57 例如在磁性纳米颗粒的表面包覆叶酸，血液中的肿瘤细胞能够将这些包覆叶酸的磁性纳米颗粒吃掉，然后利用磁场将它们分离，利用这个方法，可以检测出血液中极少量的肿瘤细胞，实现肿瘤的早期诊断。肿瘤细胞

29、Folic Acid四氧化三铁四氧化三铁肿瘤细胞NS58针对SARS病毒的检测方法以及治疗方法？针对禽流感病毒的检测方法以及治疗方法？禽流感病毒H5N1在入侵红细胞59 尽管医学化学在过去已经为战胜疾病做出了很大的贡献，但是：我们仍然没有普遍的药物来治疗流感、埃博拉病毒、艾滋病。我们需要更好的药物来治疗癌症、心脏病、阿尔茨海默病。我们需要更好的药物来治疗肥胖症、糖尿病、关节炎以及精神障碍疾病。细菌的抗药性问题。604. 国家安全军事很重要，落后就要挨打！ 化学在核武器的发展中起到了很大的作用，使化学分离和同位素分离分离手段成为可能，从而使武器级的核燃料能够从非常复杂的混合物中分离出来，是一个了

30、不起的成就。原子弹 中子弹61 军事上应用的新型的炸药、导弹推进剂，坦克反应性装甲、隐形材料等等需要化学家以及其它领域的专家携手去解决！美国的F117隐形战斗机美国的B2隐形轰炸机62此外还有：l化学家需要开发轻质坚固的材料，代替沉重的金属装甲。l更好的电池作为便携的能源。l军用服装需要防护化学和生物试剂的能力。l更长保质期的血液代替品。l战斗机器人需要先进的材料。l一些新的药物。l63 经过50100年的努力，如果解决了化学中的一些大难题，我们不难设想我们美好的远景：（1）充分了解光合作用、固氮作用机理和催化理论的基础上，我们可以期望实现农业的工业化，在工厂中生产粮食和蛋白质，大大缩减宝贵的

31、耕地面积，使地球能养活人口的数目成倍增加。（2）我们可以期望得到比现在性能最好的合金钢材强度大十倍，但重量轻几倍的合成材料，使城市建筑和桥梁建设的面貌完全更新。64（3）在充分了解结构与性能关系的基础上，我们能合成出高效、稳定、廉价的太阳能光电转化材料，组装成器件。太阳投射到地球上的能量，是当前全世界能耗的一万培。如果光电转化效率为10，我们只要利用0. 1的太阳能，就能满足当前全世界能源的需要。（4）未来的化工企业将是绿色的，零排放的，原子经济的，物质在内部循环的企业。（5）在合成了廉价的可再生的储氢材料和能转换材料的基础上，街上行走的汽车将全部是零排放的电动汽车。我们穿的将是空调衣服。（6）海水淡化将成为重要工业，从而解决人类的水资源紧缺问题。 65 从上面的讨论可以看出，20世纪的化学取得了辉煌成就，21世纪的化学发展前程远大。结论结论在今后相当长的时间内，对科学以及技术的主要贡献离不开化学家。化学事业的健康和顺利直接影响我们国家及其经济的健康和顺利。化学家需要跟其它领域的专家的合作。要向社会宣传化学对社会的贡献。希望有更多的优秀年轻学生选择化学专业，共同迎接化学的黄金时代，实现我们人类美好的远景。66