§19-3 探索新材料 AA

1、第十九章 材料的世界第三节 探索新材料学习目标（1）知道“电阻为零”是超导材料的特性外，超导磁悬浮现象是它的另一个重要特性之一。（2）初步了解纳米材料的有关知识；能收据有关超导材料、纳米材料的一些资料，并进行交流。释疑解难1、磁悬浮列车是怎样运行的呢?我国在上海建成世界上第一条商用磁悬浮列车线(2001年3月1日开工)，列车时速可超过300km。上海磁悬浮列车在2003年元旦前一天运行成功，这标志着我国在这个领域已达到了世界先进水平，倍受世人瞩目。那么，磁悬浮列车到底是怎样运行的呢?我们知道磁极间的相互作用原理是：“同名磁极相互排斥，异名磁极相互吸引”。磁悬浮列车就是利用了这一原理的高科技交通

2、工具，即排斥力使列车悬浮起来，吸引力让列车开动。磁悬浮列车车箱上装有超导磁铁，铁路底部安装线圈。通电后地面线圈产生的强磁的极性与车箱的电磁铁的极性总保持相同，两者“同名磁极相互排斥”，排斥力使列车悬浮起来。与常规的动力来自于机车头的火车不同，磁悬浮列车的动力来自于轨道。轨道两侧装有线圈，交变电流使线圈变为电磁铁，它与列车上的磁铁相互作用。列车行驶时，车头的磁铁(n极)被轨道上靠前一点的电磁铁(s极)所吸引，同时被轨道上稍后一点的电磁铁(n极)所排斥。这一结果就造成对列车前面“拉”，后面“推”的局面，使列车前进。当列车到达目标位置时，线圈中的电流就反转过来了，即原来的s极线圈，现在变成n极线圈了

3、；反之亦然。这样，列车由于电磁极性的转换而得以持续向前高速奔驰。 高速奔驰的磁悬浮列车在运行中若高度发生了偏差，岂不十分危险吗?磁悬浮列车是怎样调节控制的? 磁悬浮列车运行时，车与轨道始终保持10cm的间隙。磁悬浮列车发生的任何偏差，都由磁场来解决。由于在轨道底端的磁体与车厢的磁体是同一极性，它们之间总有排斥力。若由于某种事故使得列车悬浮高于10cm，它得到的悬浮力减少，这样列车又回落到10cm的高度。相反，如果车厢大靠近轨道，将得到较大的排斥力，这就使列车又能与轨道保持正常距离。这样就没有必要去监控悬浮的高度了。 2、有趣的低温和超导现象。0k到120k为低温物理学研究的温度范围，在这个温度

4、范围里，物质会表现出许多奇特的现象。例如，鲜嫩的花瓣变得像玻璃一样脆，弹性很好的橡胶制品会一敲就碎，铅皮制作的小铃能发出清脆的响声，等等。除此之外，在极低温度下，物质还能呈现出更奇特的性质。 超流动性 液体流动时，由于液体各部分之间以及液体跟器壁之间有摩擦力，通常液体很难通过很长的毛细管。例如，在4k时，把液氦盛放在中间用很细的管子连接的左侧容器中，液氦不能流过毛细管，如图甲所示；但当温度降到2.172k时，液氦竟可以从连通器的左侧通过毛细管射向右侧的容器中，如图乙所示。科学家们还发现，这个温度下的液氦可以流过直径为0.00001cm(头发丝直径的1/10)的小孔。可以说，在2k的温度时，液氮

5、没有过不去的孔。液体在极低温度下的这种性质，叫做超流动性。 超导电性 金属的电阻随着温度的降低会减小，在温度接近绝对零度时，电阻会怎么样呢?1911年昂尼斯在测量低温下汞的电阻时发现：在42k时汞的电阻突然完全消失。这时汞中的电流，不需要外电压来维持，长期保持着，永不衰减。像低温下汞那样，电阻完全消失的导体，叫超导体。现在已经知道，元素周期表中约占半数的金属元素以及相当多的化合物和合金，都能在一定的温度下转变成超导体。 超导体具有的超导电性，对科学技术的发展有很大的意义。产生强磁场的电磁铁工作时，需要很大的电流，由于线圈电阻的作用，使得通电导线产热，把电能消耗掉。较大的电磁铁工作时，消耗的功率

6、达几千瓦甚至更多。但是，如果用超导线圈，只需要一个40kw左右的电源，就可以发挥同样的作用，大大地节省了电能。目前，这种超导磁铁已应用在科学研究上。在输电线路上使用超导材料，大约可以节约1/4以上的电能。超导磁铁和磁铁之间能产生强大的磁力，使磁体上浮，就像两个磁体的同名磁极相对一样，如图甲所示；有电流的超导铅环能够托起超导铅球，如图乙所示。这表明超导体被磁化后，变成磁性相反的物质，这种性质叫做抗磁性。人们利用超导体的抗磁性设计了磁悬浮列车，这种列车能悬浮在铁轨上空几厘米处，行车阻力小，无噪声、无污染、速度大，很受人们的赏识，目前超导磁悬浮列车的研究已处于实用性研究阶段。电流的超导区超导体的超导

7、电性还可用在提高计算机的功能和速度上。如果将超导材料用在计算机上，可使计算机动作更快，比现在的速度快10100倍呢! 3、一个震惊科学界的新观念纳米科学技术的灵感被科学界公认为纳米科学技术的思想来源，即纳米科学技术的灵感，来自于已故诺贝尔物理学奖获得者、量子物理学家费米于1959年所作的一次演讲，人类从石器时代的磨尖箭头到现代的光刻芯片，所有技术都与一次性削去或者融合数以亿计的原子，以便把物质做成有用的形态有关。他当时间道：“为什么我们不可以从另一个角度出发，从单个分子甚至单个原子开始组装，以达到我们的要求呢?至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子、一个原子地制造物品的可能性。”这是一个震惊

8、科学界的新观念，也就是被公认为纳米科学技术的思想来源。纳米是一个十分微小的长度单位，一根头发丝大约有7万到8万nm。物质达到纳米颗粒时，它的理化性质都有所变化，具有一些奇异和反常的性质。如块状金的熔点是1 064，而制成纳米的超细颗粒后，熔点只有330；铜到了纳米级就不导电；而绝缘的二氧化硅在20nm时却开始导电；通过纳米技术，陶瓷可以变得有韧性；通常在高温下才能烧结的材料，通过纳米技术在低温下就能烧结，而且能将不易互熔的金属冶炼成新的合金。纳米颗粒具有优异的光、力、电、热、磁性质，应用前景极为广泛。预计纳米技术将超过计算机工业，成为未来信息技术时代的核心。到那时，纳米电子学将用量子元件代替微

9、电子器件，巨型计算机可以装入口袋里；通过纳米技术，现在几吨重的卫星将可被制成仅有几克；微型机器人可进入人体血管进行工作。纳米技术将使人类进一步掌握物质的规律，掌握改造微观世界的武器。2000年l0月29日，中国科学院纳米技术科学研究中心成立，进行纳米基础理论与应用开发的研究。自我检测1、如果以下电器选用超导材料制作，不能正常工作的是 ( ) a 微波炉 b电饭锅 c电动机 d发电机2、有一种碳纳米管的直径只有1.4nm，5万个这种碳管并排起来只有一根头发丝那么粗，则这种碳纳米管的直径约等于 m，根头发丝的直径等于 nm，合 m。3、科学家们在研究导体的电阻与温度的关系时，观察到部分导体的电阻随

10、温度升高而增大然后猜想：导体的电阻随温度降低会不会减小呢?并且通过实验证实了自己的猜想这里运用了 思维运用这种思维研究的成果还有 (举一例)。4、目前已知超导材料的两个典型特性(1) (2) 。它们的应用分别举一例 、 。5、科普展览会上有一种神奇的金属花，它的花瓣是用一种特殊的金属片记忆合金制成的(如图)。它具有记忆能力，灯光一照它会 ，如 图(填“左”或“右”)，关上灯又会 ，如 图(填“左”或“右”)。6、如图是导体的电阻随温度变化的图像，请你分析图像，可得出哪些结论？参考答案：1、b 2、1.4×10-9 7×104 70 3、逆向 电能产生磁，磁能否产生电呢？4、

11、（1）电阻为零（2）超导磁悬浮 输电线路 磁悬浮列车 5、开放 左 闭合 右 6、（1）导体电阻虽温度升高而增大（2）导体电阻虽温度降低而减小（3）当温度降到4.2k时，电阻为零 交流园地课外空间1、21世纪是智能材料的时代如果说20世纪人类社会文明的标志是合成材料，那么21世纪将会是智能材料的时代智能材料就是那些能感知外部刺激，并作出判断和适当处理，并且可以自己去执行的材料，这种全新材料的作用和功能可随外界条件的变化而有意识地调节、修饰和修复智能材料的概念是日本高木俊宜教授在1989年提出来的，此后，成为未来材料的重点研究方向智能材料包括压电材料、电致伸缩材料、磁致伸缩材料、形态记忆合金和智

12、能凝胶等材料广义上的智能材料也包括生伞材料请回答：(1)智能材料包括哪几个方面? (2)结合实际生活中遇到的问题，想像你应选择什么材料进行研究?2、纳米材料的奇异特性 纳米材料具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，在这里只介绍小尺寸效应(另两种效应比较深奥)。纳米材料随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化，称为小尺寸效应。对超微颗粒(纳米级)而言，尺寸变小，同时其表面积与体积的比值亦显著增加，从而产生如下的一些奇异的特性。 (1)特殊的光学性质。 当黄金被细分到小于光波波长(10m)的尺寸时，即失去原有的富贵光泽而呈黑色，尺寸越小

13、，颜色越黑。银白色的铂(白金)变成铂黑，金属铬变成铬黑。可见金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料(吸收光的本领强)，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外，还可以应用于红外敏感元件、红外隐身技术等(2)特殊的热学性质。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤其显著。例如，金的常规熔点是1 064，而当颗粒尺寸减小到10nm时，则熔点降低27；减小到2nm时，则熔点仅为327左右。银的常规熔点是670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银

14、粉制造的导体浆可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料，这为电子元件的加工带来方便。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5质量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3 000降低到1 2001 300， 以至可在较低的温度下制成大功率半导体管的基片。(3)特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当棍乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很强的韧性与一定的延展性；也因为晶体细化，材料中的气孔和其他缺陷因尺寸减小可

15、获得小缺陷甚至无缺陷的陶瓷，使陶瓷材料具有新奇的力学性质，成为打不破的陶瓷。纳米技术的应用前景(1)在陶瓷领域的应用。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，它在1 600'c高温下能像橡皮泥那样柔软，在室温下也能自由弯曲。因而克服了陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔软性和可加工性。“纳米塑料”是中国科学院实行产业化的第一批产品，据中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室教授介绍，历经8年研究和摸索，他们终于掌握了陶土合成纳米塑料的新技术。这种陶土学名叫做蒙脱土，是我国丰产的一种制陶原料。科学家将它制成纳米尺度后掺到聚合物中，就成了神奇的纳米塑料。纳米塑料的特点是耐高温、耐磨

16、，而且像金属一样坚硬。它具备了金属、塑料和陶瓷的共同优点，用它做的酒瓶比玻璃瓶轻一半以上，而且烧不坏(可耐150高温)，也摔不碎。(2)用纳米技术可以实现天梯。2002年3月中央电视台新闻联播曾做过报道：科学家能够造出天梯，地点选在太平洋上。用来做天梯的材料就是碳纳米管。这种材料从1991年被发现以来，就一直被誉为未来的材料。碳纳米管在强度上大约比钢强100倍，其传热性能优于所有已知的其他材料。它有良好的导电性，在常温下导电时，几乎不产生电阻，科学家合成的碳纳米材料在室温下能储存和凝聚大量的氢气，用于燃料电池以驱动汽车等。它为“清洁能源”氢能的开发、利用提供了良好条件。(3)在医学上的应用。用

17、数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可立即搜索并攻击癌细胞或修补受伤组织；在人体器官表面涂上某些纳米粒子可防止器官移植后的排异反应。在生物医学方面，纳米科技更是潜力巨大。纳米技术可以在微小尺度里重新排列遗传密码，基因生物制作技术就是典型的纳米和基因生物学结合的产物。人类可以利用基因芯片迅速查出自己基因密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使人类可以消灭各种遗传缺陷的理想得以真正实现。仿生学将是纳米技术大展宏图的领域，人类可以制造出在细胞内工作的机器人，并将其放入人体内，它可以在血液和细胞中工作，帮助我们清除垃圾和病灶，还我们一个健康的身体。(4)在化工领域的应用。把纳米技术运用到涂料中，使

18、外墙涂料的洗刷性由原来的1 000多次提高到10 000多次，老化时间也延长了两倍多。轮胎通常是“一统天下”的黑色，原因是生产橡胶过程中需要加入碳黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但运用纳米材料生产的轮胎不仅色彩鲜艳，性能也大大提高，轮胎侧面胶的抗折性能由10万次提高到50万次。纳米级的氧化锌用于橡胶制品，可防止老化，提高耐磨性、抗摩擦起火，用于高级轿车轮胎、飞机轮胎上可提高安全系数。添加了纳米氧化锌的陶瓷釉面，具有不擦洗而自清洁的特性，在高层建筑和公路隧道中不便清洗的地方，这种自洁功能格外受欢迎。有些纳米材料制成纤维布料，具有杀菌、防臭，也可摆脱在脱衣服时因摩擦而引起烦人的静电现象。(5)在军事上的应用。纳米材料的小尺寸效应具有良好的吸波性和较高的电磁波吸收系数。的涂料涂在飞机上，可使飞机具有超凡的隐身能力。总之，一个崭新的0.1100nm的世界提供给人类的将是不同于以往任何经验的东西，它不仅会给人类生活带来一场革命，还会使我们再一次地感受到：科学与技术正以日新月异的速度向前飞行发展。3、纳米技术发展大事记1974年，世界上开始使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，向我们揭示原子、分子世界，对纳米科学