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纳米材料的应用,主讲人：顾怀章,第8章 纳米材料与纳米技术的应用,（一）教学基本要求了解纳米技术在陶瓷领域、陶瓷工业环保领域、化工生产中、微电子学、生物工程及医学、军事领域、其他领域方面的应用（二）教学重点难点重点：纳米材料与纳米技术的应用难点：纳米材料与纳米技术的应用,材料与社会的发展,材料是人类社会进化和人类文明的里程碑，是人类赖以生产和生活的物质基础，是社会进步的物质基础和先导。因为对材料的认识和利用能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以，历史学家往往用制造工具的原材料作为历史分期的标志。,化学与材料,化学：化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、件能、反应和应用的学科。材料 ： 材料是人们利用化合物的某些功能来制作物品、器件、构件、机器或其他产品时用的化学物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。化学与材料的关系： 化学是材料发展的源泉，而材料又为化学发展开辟了新的空间。化学与材料保持着相互依存、相互促进的关系。,材料的分类,世界各国对材料的分类不尽相同，若按照材料的使用性能来看，可以分为结构材料和功能材料，从材料的应用对象来看有可以分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多种类别，但就大的类别可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。,无机非金属材料,无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然矿物材料等。,传统无机非金属材料,水泥 水泥呈粉末状，当它与水混合后成为可塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体。水泥浆体不仅能在空气中硬化，还能在水中硬化、保持并继续增长其强度，故水泥属于水硬性胶凝材料。,玻璃 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体。其内能和构形熵高于相应的晶体。其结构为短程有序，长程无序。从熔融态转变为固体时有一转变温度Tg。广义的玻璃包括无机玻璃、有机玻璃、金属玻璃等；狭义上仅指无机玻璃，最常见的是硅酸盐玻璃。这里主要谈无机玻璃。,玻璃制品的分类 无机玻璃的化学组成包括有众多元素的氧化物或非氧化物。（1）普通玻璃 普通玻璃是以硅酸盐系统为主要基础的传统玻璃。包括有平板玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、点光源玻璃、玻璃纤维等。（2）特种玻璃 随着社会和科学的发展，在玻璃材料科学领域中，由于某些新品种是根据特殊用途专门研制的，其成分、性能、制造工艺均与一般工业和日用玻璃有所差别，它们往往被归入专门的一类，叫做特种玻璃。这些特种玻璃逐渐脱离了传统玻璃的基础系统范围。常见的特种玻璃有光子学玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶胶凝胶玻璃等。,中空玻璃结构示意图,图6中空玻璃结构示意图,空心玻璃砖用于建筑隔断,热反射玻璃在建筑物上大量使用,陶瓷 陶瓷是指以天然或人工合成的无机非金属物质为原料，经过成形和高温烧结而制成的固体材料和制品。,陶鹰鼎仰韶文化庙底沟类型 高36cm,三彩我国古代陶器中一颗璀灿的明珠,日用陶瓷盘子,建筑陶瓷墙面砖,化工陶瓷,结构陶瓷陶瓷刀,功能陶瓷电子陶瓷,饰面瓦鱼鳞瓦,图6-电瓷绝缘子,氧化锌避雷器,新型无机非金属材料,传统的无机非金属材料具有抗腐蚀、耐高温等许多优点，但也有质脆、经不起热冲击等弱点。新型无机非金属材料继承了传统材料的许多优点，并克服某些弱点，使材料具有更加优异的特性，用途更加广泛。新型无机非金属材料的特性有：1能承受高温，强度高。2具有电学特性。3具有光学特性。4具有生物功能。,氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。,纺织瓷件,氧化铝陶瓷电阻,氧化铝髋关节,高纯氧化铝透明陶瓷管,高压钠灯,氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能：作为一种理想的高温结构材料，最主要的应具备如下性能：（1）强度好、韧性好；（2）抗氧化性好；（3）抗热震性好；（4）抗蠕变性好；（5）结构稳定性好；（6）抗机械振动。 氮化硅除抗机械振动性能和韧性相对比较差外，其余几种性能都优于一般陶瓷，曾被誉为“像钢一样强，像金钢石一样硬，像铝一样轻”。由于制备工艺不同和所获得显微结构的差别，Si3N4陶瓷的综合性能有很大的变化。各中资料所提供的数据繁多，下面仅介绍一般参考值。,光导纤维 光导纤维是现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。不过，这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤 。,光纤通信的特点（1）传输频带极宽，通信容量很大。（2）传输衰减小，可用于远距离无中断传输。（3）信号串扰少，传输质量高。（4）抗电磁干扰，保密性好。（5）光纤尺寸小，质量轻，便于运输和铺设。（6）耐化学侵蚀，适用于特殊环境。（7）原料资源丰富。（8）节约有色金属。,光纤导管胃镜,利用光纤作手术,光纤式传感器,光纤式传感器,金属材料,金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性的并具有光泽的物质，如铜、锌和铁等。而金属材料则是指由金属元素或以金属元素为主组成的具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金两类。,纳米材料的概念,从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。,第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。,第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 所谓纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。,纳米材料的性质和应用,力学性质：纳米结构的材料强度与粒径成反比。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。,磁学性质 ：利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。 热学性质：纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。,光学性质 ：由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。 生物医药材料应用 ：纳米粒子比红血细胞（69nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗， 疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能 的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。,第8章 纳米材料与纳米技术的应用举例1、纳米啤酒瓶纳米复合材料米勒醇酒公司采用黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材料用于食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一样对人体无害。,2 纳米防弹衣及其他服装,因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。,二个月不用洗信不信由你,纳米服装,3、纳米电池日常充电电池中，锂离子从钴酸锂正极快速地穿过隔膜抵达碳负极，这种传统充电电池功率较低，很快就会耗完电，使用时还很容易着火或爆炸。美国MIT的常业明教授采用新型纳米材料磷酸铁锂代替正极，可以大幅改善充电电池的性能。目前，一些公司现已开始使用这种纳米电池应用于高功率电器和仪器，这种电池安装在雪佛莱电动汽车，该款汽车于2010年上市。,4、金纳米微粒用于遗传基因测试Verigene医疗系统采用金纳米微粒涂层对DNA分子鉴别关键性的蛋白质和重要基因，仅仅按一下按钮便能进行复杂的血液测试，完成医学诊断。,5、纳米等级汽车光泽剂如果汽车使用普通光泽剂，涂上之后会出现漩涡状痕迹，或者出现难看的光泽或雾状结构。汽车美容公司“神鹰1号”称，使用纳米等级巴西棕榈蜡将永远保持清洁。由于棕榈蜡微粒非常小，它们呈现出透明状。它们的分子尺寸大小能够填充细微的瑕疵。目前，防晒霜制造商在生产防晒霜时也采用了纳米等级的氧化锌。,6、纳米太阳能电池板太阳能电池的价格非常昂贵，其原因是它们很难制造。多数太阳能电池是在真空室制造的。目前，纳米太阳能技术可将太阳能电池技术实现得更加便捷，该技术可以在廉价金属薄片上打印纳米微粒，制造出可打印的太阳能电池板。,目前的太阳能电池受到多方面限制，比如相对较低的产电效率（15%左右）和较高的制造成本。在传统太阳能电池中，一个光子只能精确释放出一个电子。一种可能的改进就是，利用半导体纳米晶体来制造新型太阳能电池。在一些半导体纳米晶体材料中，一个光子可以释放出两到三个电子，这也就是所谓的“雪崩效应”。在这种情况下，太阳能电池理论上的最大效率可以达到44%。此外，它们的造价更便宜。2008年5月，荷兰Laurens Siebbeles教授证实，硒化铅(PbSe)纳米晶体中确实会发生雪崩效应。 Nano Lett., 2008, 8 (6), pp 17131718。,7、金纳米微粒女性验孕纸 女性验孕纸测试条码上覆盖抗体的一些金纳米微粒可以快速锁定绒毛膜促性腺激素,从而使验孕测试更加快速有效。,8、纳米网球威尔逊体育用品公司采用由纳米科技公司InMat研制的纳米技术制造出高端双核网球，这种黏性纳米微粒技术将使网球更加坚硬、使用时间更长。但是美国网球爱好者们并不想购买价格昂贵的网球，威尔逊公司不得不停止这种纳米网球的制造生产。,9、纳米止血绷带美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家莎拉贝克 等意识到铝矽酸盐纳米微粒可影响人体自然的凝血进程，并已经使用铝矽酸盐纳米微粒测试了患者的凝血功能。这种纳米绷带已申请了专利权，预计在战场上可以止住严重的伤口流血，能够有效地挽救战场上的受伤士兵。,*,8 纳米材料的具体应用,纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。,8.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用8.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用 纳米Ti02陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180经受弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点,8.1.1 纳米技术在普通陶瓷中的应用 纳米陶瓷粉的尺寸在1100nm之间，因此晶粒间滑移容易，因而能改善陶瓷坯体的脆性，增加其塑性，同时，也能提高材料致密性，降低烧结温度。8.1.2纳米技术在特种陶瓷中的应用特种陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。功能陶瓷包括热学功能陶瓷、生物功能陶瓷、化学功能陶瓷、电功能陶瓷、光功能陶瓷、涂层薄膜等。随着纳米技术在特种陶瓷领域研究的不断深入和拓展，特种陶瓷表现出了许多奇异的性能，其应用范围也以前所未有的速度延展。,8.1.2.1 结构陶瓷中的应用使用纳米材料制备的陶瓷刀具与传统的陶瓷刀具相比显示出更优异的性能，它扩大了现有陶瓷刀具的加工范围，能够提高刀具的力学性能、切削速度、增加切削可靠性和刀具的寿命，同时大大提高生产率。目前使用纳米技术制备的陶瓷刀具材料主要有两种：纳米复合陶瓷刀具材料和纳米涂层陶瓷刀具材料。,8.1.2.2 功能陶瓷中的应用 (l)在生物功能陶瓷方面 在人工器官制造、临床应用等方面，纳米陶瓷将比传统陶瓷有更广泛的应用和极大发展前景。李玉宝等用硝酸钙、磷酸铵为原料，二甲基甲酰胺为分散剂，在常压下制备出晶体结构类似于人骨组织的纳米级羟基磷灰石针状晶体，可用做人骨组织修复材料；JH. Luo等用正硅酸乙酯在氢氟酸催化下，经溶胶一凝胶法制得纳米孔结构的Si02，再用聚四乙二醇一二甲基乙酰胺经光引发原位聚合制得Si02PTEGDMA纳米复合材料，其比传统的牙科用复合材料具有更优异的耐磨性及韧性。,(2)在光功能陶瓷方面,目前正在研制的纳米吸波陶瓷材料不仅具有良好的吸波性能，而且还有功能丰 富、频带宽、省材、轻便等特点。纳米陶瓷吸波材料主要有SiC、Si3N4及复合物Si/C/N、 Si/C/N/O筹，其主要成分为碳化硅、氮化硅和无定形碳，具有耐高温、质量轻、强度大吸波性能好等优点。(3)在电功能陶瓷方面 利用纳米技术制备的纳米陶瓷在电学方面具有优异的性能，可以利用其制作导电材料、绝缘材料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料、压敏和非线性电阻以及热电和介电材料等。,(4)在涂层薄膜方面 热喷涂纳米涂层的纳米颗粒由于比表面积大、活性高而极易被加热熔融。在热喷涂过程中，纳米颗粒将均匀地熔融。由于熔融程度好，纳米颗粒在碰到基材后变形剧烈，平铺性明显优于微米级颗粒。热喷涂纳米结构涂层熔滴接触面更多，涂层孔隙率低，表现在性能上就是纳米结构涂层的结合强度大、硬度高、断裂强度好和耐腐蚀好。,8.1.3 纳米技术在陶瓷应用中的问题 (l)纳米材料与基体的相容性 对于纳米添加材料，除了要考虑是否适于与工件材料的黏结等问题外，最为关键的问题是纳米材料与基体材料之间界面的相互作用，即分散介质与基体材料的相容性（一般被分散介质最好不要集中（团聚）在基体的一个地方，亲和性强）。,(2)添加纳米材料的分散性 纳米材料具有极微小粒度、高比表面积、高表面延伸。随着纳米粉体颗粒尺寸的减小，其比表面积和表面能增大。在制备和应用的过程中，由于颗粒间普遍存在的范德华力和库仑力，纳米颗粒极易凝聚并团聚形成二次颗粒，即所谓的软团聚，使粒子粒径增大。如果不加以分散而直接混料，大团聚颗粒的存在会使制备的材料在最终使用时失去纳米材料所具备的特性。因此，纳米材料在添加之前能否均匀、稳定地分散是其应用所要解决的首要问题。,(3)纳米技术在陶瓷中的工业化 例如，纳米技术应用于特种陶瓷中制成的烧结体可作为储气材料、热交换器、微孔过滤器以及检测温度气体的多功能传感器。它的发展使陶瓷材料跨入了一个新的历史时期。,8.2 纳米技术在工业环保领域的应用8.2.1 纳米材料对大气污染的治理 陶瓷工业对大气的污染，主要有三个方面：一是燃料燃烧产生的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氢化合物等有毒气体；二是陶瓷窑炉高温熔制时产生的毒性烟尘，主要有镉、铅的化合物；三是原料加工、配料制备以及熔制、燃烧过程产生的粉尘。由于燃料燃烧和陶瓷坯釉料发生氧化分解反应时所释放出的二氧化碳(CO2)，其大部分升入高空并造成对臭氧层的破坏，从而引起温室效应；燃烧产物二氧化硫(SO2)和三氧化硫(S03)遇到水汽后可转化成酸雾，会对人体健康和动植物生长造成严重危害，甚至还会腐蚀暴露在大气中的金属材料；未燃尽的碳素和燃烧产生的灰尘不仅会使烟气的林格曼黑度居高不下，而且还会对人体的呼吸系统造成较大危害。,(l)空气中硫氧化物的净化 二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体，如果在燃料燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂不仅可以使煤充分燃烧，不产生一氧化硫气体，提高能源利用率，而且会使硫转化成固体的硫化物，不产生二氧化硫气体，从而杜绝有害气体的产生。 如用纳米Fe203作为催化剂，经纳米材料催化的燃料中硫的含量小于0.01%，不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也减少了因为能源消耗所带来的环境污染问题，而且使废气等有害物质再利用成为可能。,(2)空气中氮氧化物的净化。 氮氧化物是大气中主要的气态污染物之一，它的主要来源是矿物燃料的燃烧。燃烧过程中，在高温情况下空气中的氮与氧化合而生成氮氧化物，其中主要是一氧化氮。一氧化氮还可以进一步被氧化成二氧化氮、三氧化氮和五氧化二氮等，它们溶于水后可生成亚硝酸和硝酸，通过氧化反应也可以在大气中生成气态HNO3，与水形成酸雨和酸雾后，会对地表水、土壤、森林、植物等造成严重的危害。另外，氮氧化物与其他污染物共存时，在阳光照射下可产生强氧化性的光化学烟雾，造成橡胶开裂，刺激人的眼睛，伤害植物的叶子，并使大气能见度降低。利用Ti02光催化剂和空气中的氧可直接实现NOx的光催化氧化，反应式为： 2N0+022N02 4N02 +02 +2H204HN03,8.2.2纳米材料对废水的治理 陶瓷工业废水主要来自于原料加工和坯釉料制备，陶瓷工业对水造成污染的物质主要有重金属铅、镉、钡和锌等金属的化合物，污水中通常含有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。污水中的重金属是对人体极其有害的物质，重金属从污水中流失，也是资源的浪费。,(l)纳米材料可以对污水中有害物质的吸附 纳米材料拥有庞大的比表面积，出现了许多活性中心，使其具有极强的吸附能力，这使得纳米粒子对无论是促使腐败的氧原子或氧自由基，还是对产生其他异味的烷烃类分子等，均具有极强的抓俘能力，能迅速清除废水中的杂质和异味，使废水中的杂质和异味很快被吸附消除。 一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂（三氯化铝）的1020倍。因此，它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，先使水中不含悬浮物，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。,(2)纳米材料可以对污水中重金属离子的转化 陶瓷工业常采用铬的化合物作为着色剂等，在洗涤时会产生铬废水，其中Cr6+及其盐类的毒性最大，均是致癌物质，对农作物、其他生物及人体都有很大的危害作用，目前一般工业排放量限制在0.5mg/L，但目前仍有些陶瓷企业的含铬废水排放量超过此标准，给环境带来了危害，因此对Cr6+的转化研究显得特别重要。 利用TiO2薄膜在光催化下使Cr6+转化成Cr3+上，然后直接加碱生成Cr(OH)3沉淀，与传统的化学还原法使Cr6+转化成Cr3+相比，减少了酸性物质对容器的腐蚀等中间过程，降低了处理Cr6+的成本，有效地抑制了Cr6+的污染。,8.3 纳米技术在微电子学上的应用与前景8.3.1 纳米技术在微电子学上的应用 利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。清华大学范守善教授纳米碳管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。他们将Si- SiO2混合粉体置于石英管中的坩埚底部，加热并通入N2。SiO2气体与Nz在纳米碳管中反应生长出Si3N4纳米线，其径向尺寸为440nm。另外，在1997年，他们还制备出了GaN纳米线。,1998年该科研组与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上纳米碳管阵列的自组织生长，它将大大推进纳米碳管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使纳米碳管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。早在1989年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。日本的Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。,另外，日本的NEC砑究所已经拥有制作l00nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。目前，美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连接起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。,8.3.2 纳米技术在微电子学上的应用前景 微米尺度的加工和结构材料是当代微电子工业的支柱，而纳米技术（包括制备和加工等）和纳米材料将成为下一代微电子学器件的基础。在纳米科技发展中，纳米材料是它的前导。纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一，会产生全新的物理化学现象。,(l) 纳米单电子元器件（单电子芯片） 把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金屑线内，线的宽度只有几个纳米，就会发生十分奇妙的事情。 由于颗粒内的电子运动受到限制，原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态，变成只能具有某一动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。 自由电子能量量子化的最直接结果表现为，在金属颗粒的两端加上电压，当电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时，金属颗粒不导电。这样一来，原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不再成立了。,还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，这就切断了电流的连续性，这使人们联想到是否可以发明用一个电子来控制的电子器件，即所谓的单电子器件。 单电子器件的尺寸很小，一旦实现，把它们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。,(2)纳米激光器和高密度信息存储器 实际上，被囚禁的电子并不那么“老实”。按照量子力学的规律，有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来，这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联，因而需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路；另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底，在这一情况下电子应被看成是“波”，而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现，但是真要用在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是会使材料发出很强的光。,“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小，但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光，用来读写光盘可使光盘的存储密度提高好几倍。 如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储度可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为信息时代的核心。,8.4 纳米材料在化工生产中的应用 8.4.1 纳米材料在催化方面的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10-15倍。,纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子一空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。,知识补充光催化剂,利用光催化的方法氧化降解环境中有害污染物是近年来日益受到重视的一项污染治理新技术。美国环保局公布了九大类114种有机物被证实可以通过光催化氧化处理。该方法尤其适合于无法或难以生物降解的有毒有机物质的处理。,什么是光催化,光催化剂受光照射，吸收光能，发生电子跃迁，生成电子-空穴对，通过把光能转化为化学能而促进化合物的合成或使化合物（有机物或无机物）降解的过程称之为光催化。,半导体光催化原理,OH活性基反应能与污染物键能的对比,几种常用的光触媒（光催化剂）,纳米光触媒： TiO2、 CdS 、 WO3 、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等TiO2的优点： 催化活性高、化学性质稳定、成本低、无毒因此被广泛应用,主要有机物光催化降解反应,例如纳米SiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已右文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的Ti02/ SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu-Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。,8.4.2 纳米材料在涂料（涂层）方面的应用 纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。 涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层所没有的功能。 纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。,结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。 在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。,在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。 这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电羼蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。,纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角度变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。,8.4.3 纳米材料在其他精细化工方面的应用 精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特魅力。 在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米A12O3和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。,塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2作为添加荆加入到密封胶和黏合剂中，使其密封性和黏合性都大为提高。 此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。,一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。 超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。 纳米TiO2能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高、无二次污染、适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。,在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。8.5 纳米技术在生物工程及医学上的应用 20世纪80年代开始的纳米技术在90年代获得了突破性进展，其与医学的结合形成了新兴边缘学科纳米医学，即在分子水平上利用分子工具和人体的知识，从事疾病的诊断、医疗、预防、保健和改善健康状况等。,在认识生命的分子基础上，人们可以设计制造大量的具有奇特功效的纳米装置，他们能够发挥类似于组织和器官的功能；他们可以在人体的各处畅游甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成畸变的基因修复、扼杀刚刚萌芽的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒、探测机体内化学或生物化学成分的变化、适时地释放药物和人体所需的微量物质、及时改善人的健康状况等特殊使命。纳米技术在医学领域中的普遍应用将使21世纪的医学产生一个质的飞跃。,8.5.1 纳米材料在生物学领域的应用 纳米生物学研究在纳米尺度上的生物过程，包括修复、复制和调控机理，并根据生物学原理发展分子应用工程，包括纳米信息处理系统和纳米机器人的原理。 科学家们发现，一种蛋白质分子是选作生物芯片的理想材料。目前利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器、检测器以及蛋白质集成电路等。 在纳米尺度上利用扫描隧道显微镜(STM)获取细胞膜和细胞器表面的结构信息，众多的生物生理过程都是在细胞内进行的。,利用极细微的纳米传感器则有可能在不干扰细胞正常生理过程的状况下，获取活细胞内的各种生化反应和化学信息及电化学信息，从而了解机体的状态，深化对生理或病理过程的理解。纳米机器人(nanorobot)是纳米生物学中最具诱惑力的内容。目前已知世界上最小的马达是一种生物马达鞭毛马达。它是细菌的运动器官，能像螺旋桨那样旋转驱动使鞭毛旋转。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达，由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。 它的直径只有30nm，转速可以高达15000r/min，可在lm内进行右转或左转的相互切换。这种鞭毛马达将为科学家研制纳米机器人提供极有意义的参考。,8.5.1 纳米材料在生物学领域的应用,例如：第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，成为血管中运作的分子机器人。 这些分子机器人从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探示它们碰到的任何物体。分子机器人可以进行全身健康检查、疏通脑血管中的血栓、清除心脏动脉脂肪沉积物、吞噬病菌、杀死癌细胞、监视体内的病变等。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1s完成数十亿次操作，人类的劳动方式将产生彻底的变革。,8.5.1 纳米材料在生物学领域的应用,另外，还有一种“微型药丸”，其包含传感器、储药囊和微型压力泵，“微型药丸”可在压力泵作用下被精确地送到人体内部指定部位释放药物，比传统的打针吃药更有效。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，即从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体正常运行或使引起癌症的DNA突变发生逆转而延长人的寿命或使人返老还童。,8.5.1 纳米材料在生物学领域的应用,8.5.2 纳米生物医学材料的应用 由于纳米材料结构上的特殊性，赋予纳米材料独特的小尺寸效应和表面界面效应，使其在性能上与微米材料具有显著性差异，表现出诸多优异的性能和全新的功能。 在医学领域中，纳米材料最引人注目的成功应用是作为药物载体和制作人体材料。如人工肾脏、人工关节等。生物兼容物质的开发是纳米材料在医学领域的重要应用方面，树型聚合物就是提供此类功能的良好材料。 目前，纳米生物医学材料的探索应用如下：,(l)纳米人工红细胞 我们知道，脑细胞缺氧6l0min即出现坏死，内脏器官缺氧后也会呈现衰竭。纳米人工红细胞的原理是用一个可以双向旋转涡轴的选通栅门来控制氧气从小球中释放，通过调节涡轴旋转的速度和方向，使小球内的氧气根据人体需氧的多少以一定的速率释放到外部血液中，同时使供氧装置在富氧的地方具有吸收和需氧的地方具有释放氧气的功能；同理，它还必须能在适当的地方吸收和释放二氧化碳。 Robert Freitas初步设计的人工微米红细胞是一个金刚石的氧气容器，内部有1000个大气压，泵动力来自血清葡萄糖，它输送氧的能力是同等体积天然红细胞的233倍，并具有生物炭活性。它可以应用于贫血症的局部治疗、人工呼叹、肺功能丧失和体育运动需要的额外耗氧等。,8.5.2 纳米生物医学材料的应用,(2)纳米人工线粒体 当细胞中的线粒体部分失去功能的时候，再来增加氧供给水平，并不一定能使组织有效地恢复，这时就需要直接释放ATP同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物，后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置，如同前面的供氧装置一样，只不过在这里释放的是ATP而不是氧。(3)纳米人工眼球 我国四川大学研制的纳米人工眼球可以像真眼睛一样同步移动，通过电脉冲刺激大脑神经，“看”到精彩世界。纳米眼球外壳主要是由纳米晶体制成的活性复合材料制作，里面放置微型摄像机与集成电脑芯片，通过这两个部件将影像信号转化成电脉冲来刺激大脑的枕叶神经，实现可视功能。,8.5.2 纳米生物医学材料的应用,(4)纳米人工鼻 纳米人工鼻实际上是一种气体探测器，与燃气监视器道理相同，可同时监测多种气体。英国伯明翰大学正在研制“纳米鼻”来预报致哮喘病发作的环境因素，一旦空气中含有易引发哮喘病的气体如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物时，其显示器就发出信号。(5)其他纳米生物医学材料 模拟骨骼结构的纳米物质，主要成分为与聚乙烯混合压缩后的羟基磷灰石网，物理特性符合理想的骨骼替截物。通过优化纳米管制备制动器，将使人工肌肉得到实现。,8.5.2 纳米生物医学材料的