纳米材料物理性能及科学应用

1、 纳米技术的相关概念纳米技术的相关概念 对人类文明的贡献 纳米科技可以与20世纪的抗生素、 集成电路、人造聚合物等的作用 之总和相媲美 人类探索世界的两个方向 原子结构 宇 宙 微观 宏观 纳米技术 微米技术 纳米（nanometer）? 纳米技术纳米技术是指在是指在0.l100nm（nanometer, 简称纳米简称纳米) 尺度上操纵和研究原子、分子，尺度上操纵和研究原子、分子， 对材料进行加工、制造具有特定功能的对材料进行加工、制造具有特定功能的 产品、或对物质进行研究、掌握其原子产品、或对物质进行研究、掌握其原子 和分子的运动规律和特征的高新技术。和分子的运动规律和特征的高新技术。 它是

2、基础科学（现代物理、化学、分子它是基础科学（现代物理、化学、分子 生物学）和先进工程技术（计算机、微生物学）和先进工程技术（计算机、微 电子等）相结合的产物。纳米原本是长电子等）相结合的产物。纳米原本是长 度单位，随着科学技术的发展却完全具度单位，随着科学技术的发展却完全具 有更深层次的涵义，它不仅意味着空间有更深层次的涵义，它不仅意味着空间 尺度，而且提供了崭新的思维方式：尺度，而且提供了崭新的思维方式： 即人类将利用越来越小、越来越精即人类将利用越来越小、越来越精 确的物质和越来越精细的技术生产确的物质和越来越精细的技术生产 成品来满足更高层次的要求。纳米成品来满足更高层次的要求。纳米 技

3、术将极大地改变人类的生产和生技术将极大地改变人类的生产和生 活模式。活模式。 纳米技术包括纳米电子学、纳米光学、纳米技术包括纳米电子学、纳米光学、 纳米生物学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米化学、纳米材料学、 纳米工程、纳米医学等技术。纳米工程、纳米医学等技术。 PVSPVS技术原理技术原理 PVSPVS（等离子气相合成）技术原理（等离子气相合成）技术原理 nano358+ SEM image of a Fe0.13Co50Ni500.87 powder (dm = 166 nm ; s = 13 nm). 化学沉淀：化学沉淀：Monodisperse Ferromagnetic Pa

4、rticles for Microwave Applications 纳米铁粉形貌纳米铁粉形貌 TEM micrograph of Si nanowires; S.T. Lee et al./Materials Science and Engineering A 286 (2000) 1623 甲烷甲烷- -空气扩散空气扩散 燃烧法制备碳燃烧法制备碳 纳米管纳米管 Methane -air diffusion flame nano449 Typical SEM image of bulk GaN nanowires. nano125 Schematic diagrams of the prep

5、aration of macroporous metals or semiconductor films by: a) electrodeposition, b) ionic spraying, c) laser spraying. nano3 6 Template（模板） 三维结构制备三维结构制备 Schematic outline of the experimental procedure. Aqueous dispersions of polystyrene beads are injected into the cell through the rubber tubeusing a s

6、yringe. The rate of packing of polymer beads increases as the pressure of nitrogen increases. nano357 SEMs of a crystalline assembly of 0.48 mm polystyrene beads that was formed in a 12 mm-thick cell nano357 Carbon nanotube arrays grown on n + -type porous silicon substrate. S. Fan et al. / Physica

7、E 8 (2000) 179183 纳米技术的核心是纳米材料技术纳米技术的核心是纳米材料技术 纳米材料的性能异乎宏观物质的变化是纳米材料的性能异乎宏观物质的变化是 其具备超常的应用价值的关键，其中物其具备超常的应用价值的关键，其中物 理性能很重要理性能很重要 电脑软盘电脑软盘 工作中的电脑工作中的电脑 Fe高性能磁记录材料高性能磁记录材料 轴承 附磁力线的轴承 Ni Co Fe 磁流体磁流体 纳米磁性载体纳米磁性载体 免疫磁珠分离骨髓中癌细胞的原理示意图 高性能纳米磁珠与细胞分离技术简介高性能纳米磁珠与细胞分离技术简介 磁性纳米磁珠是磁性纳米磁珠是具有高分子微球的一般具有高分子微球的一般 性质

8、性质，表面可以结合多种功能分子满足表面可以结合多种功能分子满足 不同要求不同要求，在磁场作用下可定向运动到在磁场作用下可定向运动到 特定部位特定部位，或迅速从周围介质中分离出或迅速从周围介质中分离出 来。这些性能使其在固定化酶、免疫测来。这些性能使其在固定化酶、免疫测 定、细胞的分离与分类和亲和色谱中显定、细胞的分离与分类和亲和色谱中显 示出巨大的应用前景。在肿瘤、癌症等示出巨大的应用前景。在肿瘤、癌症等 一些疾病的治疗中具有很高的应用价值。一些疾病的治疗中具有很高的应用价值。 肿瘤早期诊断试剂盒 纳米磁性微球与单抗结合的高灵敏度细 胞分离技术 高空飞行的高空飞行的F117F117 雷达雷达

9、检测系统检测系统 FeCo 吸波材料吸波材料 Ceramic Nanoparticles Net shape forming via consolidated nanoparticles (courtesy of Nanophase Technologies Corporation). CONSOLIDATED NANOSTRUCTURES Nanostructured Hard Materials Uses for consolidated nanostructured hard materials: nanocomposite microtwist drill bit (top) comp

10、ared to conventional product after wear for the same use time (courtesy Nanodyne Inc.). It has become possible during the past decade to create cemented carbide nanocomposites, such as WC/Co and TiC/Fe, that have considerably enhanced hardness, fracture toughness, and wear resistance compared to the

11、ir conventional grain size counterparts that are widely used in the manufacture of machine tools, drill bits, and wear parts. CONSOLIDATED NANOSTRUCTURES 绝缘散热材料：纳米氧化铝与高分子材料绝缘散热材料：纳米氧化铝与高分子材料 的复合，用于电子元器件的散热的复合，用于电子元器件的散热 超薄绝热涂层：纳米氧化锆，用于航超薄绝热涂层：纳米氧化锆，用于航 天、航空等天、航空等 手机手机 手机电池手机电池 Fe高性能电极材料高性能电极材料 电致流变电

12、致流变 航空航天、汽车的无摩擦、高响应离合航空航天、汽车的无摩擦、高响应离合 纳米碳包镍、纳米氧化物粉体纳米碳包镍、纳米氧化物粉体 敏感元件、阵列与元件封装敏感元件、阵列与元件封装 气敏元件的气敏元件的应用应用 环境保护（空气、土地、水污染的检测） 质量控制（饮料、食品、烟草质量监控） 消防（煤矿、油田、油库、建筑物报警） 航空航天（发动机控制、机舱环境监测） 汽车（发动机控制、排气质量监测） 安全（公安、海关检测） 临床诊断（人体呼吸及排泄物气味检测） 化工控制（药品、化肥、化工材料的生产） 等。 气体传感器类型的研究 传感器类型检测原理代表性材料 金属氧化物 半导体 (MOS) 电阻式 气

13、体吸附、电阻 变化 SnO2 、 ZnO 、 Fe2O3 、 WO3 非电阻式 二极管型、 MOSFET Pd、Pt栅极 有机半导体气敏传感器 电阻、介电常数 变化 酞氰类聚合物、聚 吡咯、聚苯胺 固体电解质离子传导ZrO2、Nafion 接触燃烧式燃烧/氧化燃烧Pt 光学式 光谱吸收、荧光、 光纤化学材料 石英谐振式（QCM)谐振频率 酞氰类聚合物、聚 乙烯亚胺 声表面波式（SAW) 声波传播速度和 频率 聚异丁烯、氟聚多 元醇 150200250300350400450500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 (a) Sensitivity Temperature(o

14、C) benzene acetone xylene toluene alcohol 200250300350400450500 2 4 6 8 10 12 14 16 (c) Sensitivity Temperature(oC) benzene acetone xylene toluene alcohol ZnOZnO粉末制备的厚膜对粉末制备的厚膜对 蒸气的敏感度与工作蒸气的敏感度与工作 温度的关系温度的关系 (a(a）针状纳米）针状纳米ZnOZnO； (c(c）市售）市售ZnOZnO 采用纳米材料与技术采用纳米材料与技术 大幅度提高敏感元件大幅度提高敏感元件 的敏感度、降低工作的敏感度、降

15、低工作 温度。温度。 太阳光紫外线分析图 紫外线屏蔽紫外线屏蔽 Two concepts for solar energy conversion: nanomaterials leading to direct conversion or chemical production: (a) light-emitting nanocrystal CdSe diode in a conducting organic matrix; (b) photochemical Gratzel cell of optically excited charged dyes. 纳米光催化技术纳米光催化技术 我们的技

16、术我们的技术 纳米光催化涂层技术（光触媒）纳米光催化涂层技术（光触媒） 纳米光催化空气净化机纳米光催化空气净化机 低成本：四氯化钛低温沉淀法低成本：四氯化钛低温沉淀法 高效率：纳米粒子平均粒度高效率：纳米粒子平均粒度2nm 液相捕集技术液相捕集技术 安安 全：中性、水基、纯无机组分全：中性、水基、纯无机组分 纳米光触媒微观照片纳米光触媒微观照片 液相捕集型纳米光催化消毒机液相捕集型纳米光催化消毒机 关于纳米产业关于纳米产业 纳米纳米产业发展的初级阶段出现的问题扰乱了政 府、科技界、投资界和公众对一个伟大的、足 以影响我们民族命运的技术产业作出正确的认 识和判断，神化论、怀疑论、未来时论以跳跃 的方式出现在我们眼前、影响我们的思维。其 实，纳米技术是一个庞大的、多层次的战略性 技术领域，绝不能简单的视作一项单一技术， 纳米产业也是如此，它是一个多层次的体系， 发展要有一个逐层推进的历程，我们应对此有 着科学、客观的认识。 学科层次产业层次跨度产业化时间与状况 任意形态纳米材料提升传统产业竞 争力和附加值 1部分技术已产业化，5年内的产业化 重点 特殊形态纳米材料同上2部分技术已产业化，5年内的产业化