21世纪新材料—纳米材料材料专业海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。目录概念11纳米材料的发展历史22纳米材料的分类33实现“在原子和分子水平上制造材料和器件”的梦想77纳米产业发展趋势88纳米材料的应用66纳米材料的合成与制备55纳米材料的结构特征4421世纪新材料—纳米材料计算机磁盘应用纳米技术制成的服装利用纳米技术将氙原子排成IBM纳米陶瓷1.概念:相组分或晶粒控制在100nm以下长度尺寸的材对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，人的头发丝的直径一般为7000—8000nm，人体红细胞的直径一般为3000—5000nm，病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。2.纳米材料的发展历史1984年，德国萨尔布吕克大学格兰特教授首次用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的黑色纳米金属粉末粒子；组成材料的物质颗粒变小了，“小不点”会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的科学思路。1987年，，美国Argonne国家实验室西格尔等采用同样的方法——气相冷凝法制备了陶瓷纳米TiO21990年七月，美国巴尔的摩正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支，这标志着纳米材料学作为作为一个相对比较独立学科的诞生。纳米二氧化钛——中国陶瓷3.纳米材料的分类纳米微粒（量子点）晶粒度处在1~100nm之间的粒子聚集体；纳米纤维（量子线）在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管）材料，通常是直径或管径或厚度为纳米尺度，而长度则较长；纳米薄膜（量子面）由尺寸在纳米级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜；纳米块体材料将纳米粉末高压高压成型或烧结或控制金属体结晶而得到的纳米材料；纳米组装体系以纳米颗粒以及纳米丝、纳米管为基体单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。4.纳米材料的结构特征纳米材料的断裂应力比一把铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍纳米相的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米相材料的颜色和其他特性随它们的组成颗粒的尺寸而异纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性1、纳米材料的特殊结构在纳米材料中，界面原子占极大的比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不相同的一种新的结构状态。纳米材料二维结构模型纳米晶Fe78B13Si晶粒大小与平均正电子寿命的关系2、纳米材料的基本效应表（界）面效应体积（尺寸）效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应5.纳米材料的合成与制备1.高能球魔法利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。2.惰性气体蒸发、原位加压制备法在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒（1~1000nm）或纳米微粒优点：块体纯度高，相对密度高3.溶胶—凝胶法金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经过处理而成氧化物或其他化合物固体的方法优点：高纯度、化学均匀性好、颗粒细、可容纳不溶性的组分或不沉淀组分、掺杂分布均匀、合成温度低、成分容易控制、粉末活性高、工艺设备简单缺点：原材料价格昂贵、体材料烧结性不好、干燥时收缩大5.溶剂热法（高温高压）高温高压下载溶胶（水、苯等）中进行有关化学反应的总称6.聚合物化学和高温材料加工法•等离子体强化化学气相沉积系统•4.化学气相反应法11.纳米材料在环保、卫生行业领域中的应用10.纳米材料在纺织工业中的应用9.纳米改性建材8.用纳米材料改造传统产业7.以生物医学为特征的应用6.以电学性能为特征的应用5.以热学性能为特征的应用4.以磁学性能为特征的应用3.以光学性能为特征的应用2.以表面活性为特征的应用1.以力学性能为特征的应用6.纳米材料的应用以力学性能为特征的应用、纳米陶瓷增韧纳米陶瓷现在已经显示的确定效果是：(a)烧结温度可以大大降低；(b)在高温下(1000以上)具有超塑性，因此便于制造复杂形状的部件：(c)强度和韧性有所提、碳纳米管碳纳米管的强度是钢的百倍，而重量仅是钢的1/6，这是目前发现的最高强度或比强度的材料，这方面的研究还在继续，其应用前景十分诱人。、用无机纳米超微粉添加到高分子材料中去、纳米润滑材料例如用纳米金属铜粉加入到润滑剂中，可制得所谓具有自修复作用的润滑油，不仅使润滑性能大幅度提高，而且纳米金属可使已有的蚀坑“修复”。从而使零件的使用寿命大为提高。例如橡胶、塑料、胶黏剂中，可以起到增强、增塑、抗冲击、耐磨、阻燃、抗老化及增加黏性等作用，这是当前纳米材料应用比较活跃的领域。以表面活性为特征的应用.纳米超微颗粒可以直接以粉末形态作为催化剂应用；纳米催化剂具有高比表面积和表面能，活性点多，因而其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。如用Rh纳米粒子作光解水催化剂，产率比常规催化剂提高23个数量级；粒径为3Onm的镍可使加氢和脱氢反应速度提高15倍；在火箭发射用的固体燃料推进剂中，添加1%纳米Ni粉，燃烧热可增加1倍；纳米TiO2在汽车尾气中的去S能力比常规TiO2大5.纳米材料表面的吸附特性也有重要的用途；例如清除空气中的有害气体、清除海上油污等.某些纳米材料（如纳米TiO2颗粒）的光催化特被用于制造自洁功能涂料及具有杀菌能力的瓷砖等。以光学性能为特征的应用某些纳米材料（如纳米金属微粒）具有特强的光吸收特性和电磁波吸收特性在军事上用于设计制造隐身材料，隐形飞机、米乐 m6中国官方网站隐形坦克等，在民用上用于减小电磁波的污染等某些纳米材料具有特别强的紫外线等）可广泛用于提高高分子材料的抗老化性能、改进外墙涂料的耐候性，也可用于制做防晒用具、服装和护肤霜等利用纳米材料对红外线的吸收和转换能力可用于红外吸收与探测，也可用于保温或保暖以及保健品利用纳米材料的尺寸效应可实现光过滤器的波段调整；纳米阵列体系是很有前途的新型光过滤器利用稀土纳米材料的荧光特性已发展出新的荧光和发光材料利用纳米材料的光吸收特性可制作高效光热和光电转换材料，有可能在太阳能的利用方面取得更大的进展以磁学性能为特征的应用纳米微晶软磁材料纳米微晶永磁材料纳米微晶石 纳米磁记录材料磁流体 用纳米级的磁粉如Fe3O4，表面经 油酸涂覆，加入到某种液相载体中， 得到稳定的高度分散的磁性胶体， 它不仅具有高的磁化强度而且可以 任意改变形状，特别适用于对高速 旋转轴的密封，即在旋转轴的部位 加一个环形磁场，在转动轴与套体 间隙中加入磁流体，从而把转动轴 密封起来且不增加转动阻力，可以 实行气封、油封、水封，并可承受 一定的压力和温度。 新的磁疗治病方法 磁制冷是一种新的无污染的 制冷方法 某些纳米厚度的多层薄膜系统， 当在其横向加一个磁场时，其 电阻值产生显著改变，如同一 个磁性开关。利用这一性质做 成的存储元件(磁头)，可将磁 盘的记录密度提高一个数量级， 从而在与光盘的竞争 新处于有利的地位。巨巨磁电阻材料 以热学性能为特征的应用 纳米结构的材料的比热容比常规材料大得多，因 此可以做为更好的热交换材料应用。 由于特别高的表面能，纳米材料可在低得多的温 度烧结，对于粉未冶金和陶瓷的制备具有重要的 应用价值。 低温焊料，把钎焊用的焊料细化到纳米尺度，这 时可以在更低的温度下熔化并焊接，一旦熔化及 再凝固后，其晶粒长大，熔点又恢复到较高的温 度，这在某些特殊要求的场合是很有用的。 用纳米超细原料，在较低的温度快速熔合，可制 成在常规条件下得不到的非平衡合金，为新型合 金的研制开辟了新的途径。 以电学性能为特征的应用 、纳米电子浆料、导电液、导磁胶 导电胶 基于碳纳米管点电极的柱状 纳米晶体管结构示意图 包覆金属同轴纳米电缆 、高性能电极材料 、同轴纳米电缆 、各种纳米敏感材料 、单电子晶体管 、量子器件 .多孔结构的单晶ZnO纳米片 .实用新型单电子晶体管的结构示意 .量子器件以生物医学为特征的应用 用纳米材料做成的骨水泥和牙填充材料 优点： 色泽逼真：恢复牙齿自然那外姓，色 泽尤其逼真、有质感。 持久性佳：3M独有的纳米技术复合2 树脂，将牙齿的抛光性和持久性 完美结合，抛光和使用的持久性 都非常好。 超强强度：表面受到摩擦时，牙齿只 是磨损到一个纳米级的颗粒， 而不会像传统混合微填料那样 丢失一个较大的颗粒。 适用广泛：既可以修复部分缺损，也 可用于补牙等治疗。 美国3M纳米填充 纳米抗菌材料 纳米抗菌口罩 用纳米材料制成独特的功能膜 “导弹药物”和癌症的早期诊仪 纳米搜寻肿瘤细胞 纳米药物 用纳米材料改造传统产业 纳米改性塑料纳米改性建材 •纳米改性建材 ——防水涂料 由于纳米材料特殊的表面结构，纳米改性具有荷叶般的双 疏性，不沾水、不沾油； 由于纳米粒子的粒径小，表面分率高，比可见光的波长还 要小，对紫外线有较强的屏蔽作用，使具备无忧的抗老化性 除此以外，纳米改性涂料独有的空气自洁功能和抗菌性也是传统涂料无法比拟的。其产品本身不仅自身是绿色环保产 品，还由于纳米材料具有特殊性能，对氮氧化物、甲醛、米乐 m6中国官方网站油 脂等物质具有明显的光催化降解作用，可净化空气、释放负 离子活性氧…… 纳米材料在纺织工业中的应用 纳米材料在袜子中的应用 纳米材料在环保、卫生行业领域中的应用 2010年上海国际印刷周期间 展出的绿色制版商业机 纳米磁疗枕 7.实现“在原子和分子水平上 制造材料和器件”的梦想 扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。 它作为一种扫描探针显微术 工具，扫描隧道显微镜可以让 科学家观察和定位单个原子， 它具有比它的同类原子力显微 镜更加高的分辨率。此外，扫 描隧道显微镜在低温下（4K） 可以利用探针尖端精确操纵原 子，因此它在纳米科技既是重 要的测量工具又是加工工具。 一个小小的电荷被放置在探针上， 一股电流从探针流出，通过整个材 料，到底层表面。当探针通过单个 的原子，流过探针的电流量便有所 不同，这些变化被记录下来。电流 在流过一个原子的时候有涨有落， 如此便极其细致地探出它的轮廓。 在许多的流通后，通过绘出电流量 的波动，人们可以得到组成一个网 格结构的单个原子的美丽图片。 STM工作原理 扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同 一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分 析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。 STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面 的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、 材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛 的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科 技成就之一 扫描出的纳米级图像 “扫描隧道显微镜”下拍摄的“血细胞” 8.纳米产业发展趋势 （1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外， 在我国也占有举足轻重的地位。纳米技术在信息产业中 应用主要表现在3个方面：网络通讯、宽频带的网络 通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示 技术。 光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件， 这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市 场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这 些方面进行研究。网络通讯的关键纳米器件，如网络 通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。 压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改 （2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化 环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对