第七章_纳米科技现状及展望

1、纳米世界的科学与艺术（纳米世界的科学与艺术（II）材料科学与工程学院材料科学与工程学院吴俊书吴俊书2第七章第七章 纳米科技现状与展望纳米科技现状与展望33D打印机（3D Printers）简称（3DP）是一位名为恩里科迪尼（Enrico Dini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。新技术之一：新技术之一：3D打印打印新技术之一：新技术之一：3D打印打印53D打印机：打印一切打印机：打印一切 ?房子、器官、汽车、衣服、机器人你能想象这些东西都可以打印出来吗？3D打印的概念起源于19世纪末的美国， “上上个世纪的

2、思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。而3D打印机的出现，将颠覆这一生产思路，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。7超强3D打印陶瓷可耐1700度高温l陶瓷拥有很多有用特性，如高强度、高硬度以及耐腐蚀、耐磨损等，但也有一个“阿喀琉斯之踵”无法轻易制成复杂形状。l3D打印技术能使陶瓷拥有复杂的形状，但陶瓷极高的熔点又限制了这一方法的使用l由硅、氮和氧组成的树脂配方，在一台3D打印机内用一束紫外线照射这种树脂，会使其变硬。这种被称为陶瓷前体的树脂能被3D打印成各种形状和大小的零件，打印出来的材料过火后会转化为一种高强度、完全致密的陶瓷。8l美国波特兰州立大学Mark Weislogel

3、教授及其团队利用3D打印设计出一种杯子，依据液体毛细流动原理，不需要重力。宇航员在太空也可以端起杯子喝饮料，告别塑料袋。l “润湿条件以及这个杯子特殊的几何设计产生了一个毛细管压力梯度，可以驱使液体流向口中。l 这些杯子形状复杂并且证明在低重力环境下可以保持对液体的特殊控制，运用了毛细管界面结构、稳定性、流速、瞬态等流体学原理93D打印技术 让碳纤维变得便宜10l碳纤维让所有的汽车更轻能效更高。不过，目前它们的价格还是太贵，只能应用于高端汽车和航空上,3D打印让碳纤维部件变得更便宜应用更广l在电脑里设计好部件，点击按钮，几个小时后就部件就出来l新工艺避免打印碳纤维，而从碳纤维布开始。在碳纤维布

4、的上方，打印机根据数字指令精准地喷涂清洗液，然后根据设计加入树脂；将碳纤维布堆积并加热，使树脂融化，与碳纤维结合；最后，将未能与树脂结合的碳纤维去除113D打印技术：看上去是美还是不美？实现工业化生产应用必须克服以下几个难题：一是成本问题，低成本是实现市场规模化生产的前提，3D打印设备自身所需要的昂贵费用，3D打印材料种类丰富，但是每一种材料的售价一直居高不下。二是环保与安全问题，市场上流行的3D打印产品多聚集在PLA和ABS材质，这些不可降解的材料不但加重了对地球的危害。三是版权问题。随着3D打印技术的流行，相关专利的申请也越来越多，版权纠纷案件的发生也越发的明显。12新技术之二：材料轻量化

5、新技术之二：材料轻量化致敬军人的守护层坦克装甲材料1915年世界上第一辆坦克诞生，坦克装甲作为各国机密中的机密，也走过了一百个年头，从最初10mm厚的锅炉钢装甲，发展到如今等效厚度相当于1000mm轧制均质钢装甲，整整提高了100倍！13装甲装甲1.0时代时代低碳钢低碳钢低碳钢的硬度和强度不足以抵挡反坦克武器的攻击，专门研制的综合性能更好的坦克合金钢投入使用，钢装甲的全盛时代由此开启。14第二次世界大战期间，坦克被誉为“陆战之王”，同前一时期发生了很大变化：装甲厚度达到45-100mm，装甲材料以优质轧制钢装甲和合金钢装甲为主，同时抛弃了原先的铆接装甲，转而采用焊接和整体铸造成型的结构。此外，

6、钢铁冶炼技术也有提升，装甲材料中杂质成分降低，防御力量大大提升。15装甲装甲1.5时代时代铝合金、钛合金铝合金、钛合金铝合金比钢铁轻，铝的比重为2.7g/cm3，钢7.9g/cm3，也具有一定的机械强度，其中典型的两种合金为5083铝镁合金和5039铝锌合金。铝合金刚度较高，可省去一些结构部件，防破弹能力好；但熔点低，高温易软化，防穿弹能力稍差，铝颗粒容易燃烧16钛合金也曾涉足坦克装甲领域，一度被称为“理想的装甲材料”，结构强度和钢差不多，韧性优于铝合金，可以说兼具了钢和铝的优势。但是有一点不容忽视：在某些荷载条件下，不导热剪切过程中，钛合金容易失效。弹丸只需消耗极少的能量便能导致剪切失效裂纹

7、形成致命的底结。再者钛合金装甲成本高于同等防护性能的钢装甲的10-20倍，因此钛合金装甲最终也是不了了之，反而这种“贵金属”在天上达到了广泛应用，比如F22的机身和航空发动机。17装甲装甲2.0时代时代复合装甲复合装甲复合装甲一般包含两层以上的不同性能的防护材料，例如金属、塑料、陶瓷，甚至空气，其“软硬兼施”，以“钢铁三明治”结构著称，达到了1+l+l 3的效果，即一层钢装甲加上一层陶瓷装甲再加上一层钢装甲的抗弹能力，远远大于三层等重钢装甲的抗弹能力。一些著名的装甲均是采用复合式结构，例如英国“乔巴姆”装甲、美国以铀合金为主体的贫铀复合装甲、“豹”2坦克的间隔式装甲、以及M系、“挑战者”坦克装

8、甲等。18中国新的主战坦克车体和炮塔均采用焊接结构，可以更换新型复合装甲，其中正面重要部位采用叠型陶瓷复合装甲加强；中国新型主战坦克的车体首上装甲板为多层复合装甲，具体结构为钢-玻璃纤维板-超硬钢-玻璃纤维板-钢1920“新材料之王”碳纤维Prodrive公司在2013年4月公布的彩色碳纤维阿斯顿马丁(Aston Martin)特性的钴蓝色碳纤维碳纤维通常是黑色，那么彩色碳纤维究竟是怎么得来的呢？碳纤维织物采用其他种类纤维来实现染色功能：银纤维是一种金属涂层玻璃纤维织物，喷涂大约200埃厚度的铝涂层纤维织物。苹果公司2007年申请的专利使用了一层额外的“scrim”层来使碳纤维表层上色。21宝

9、马宝马碳纤维汽车生产的推动者碳纤维汽车生产的推动者l 碳纤维材料还是太昂贵，对于较小的零部件和较小的车型，它可能不具备较强的竞争力l 未来的碳纤维制造汽车将会更加廉价。它将使汽车比以往任何时候都更轻、更高效、更快、强度更高，甚至更安全。 它可再生性更高，可以更容易地由可回收材料制成，甚至更容易进行回收再利用纳米科技的战略地位纳米科技的战略地位 21世纪前世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，术已经成为全世

10、界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。未来经济竞争的格局中占据主动。纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升v 能源领域能源领域：石油、煤等不可再生资源。石油、煤等不可再生资源。v 环保领域：环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问解决水污染的问题、解决空气污染的问题。题。v 微电子微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米电子器件、纳米线

11、、纳米传感器。纳米传感器。v 信息领域信息领域：光纤、发光器件。光纤、发光器件。纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升v 功能性涂料功能性涂料、薄膜：、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨、紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。刷涂层。v 机械：机械：纳米结构单元和纳米机械纳米结构单元和纳米机械v 结构陶瓷：结构陶瓷：增强、增韧、助烧结增强、增韧、助烧结美国F22猛禽战机中国歼20隐形战机 纳米机器人纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升v 化学化工：化学化工：催化剂、助催化剂、阻燃剂等。催化剂、助催化剂、阻燃剂

12、等。v 塑料和橡胶塑料和橡胶：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。v 办公领域办公领域：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。印机墨水、高级墨水。国际纳米技术发展的态势国际纳米技术发展的态势美国启动纳米技术促进计划 克林顿克林顿说：说：“我正在支持一我正在支持一项对美国未来经项对美国未来经济和发展将产生济和发展将产生深远影响的纳米深远影响的纳米技术，它是技术，它是2121世世纪最重要、应该纪最重要、应该优先发展的计划优先发展的计划”。科学技术主席助理科学技术主席助理（19841984年年4 4月）月）Neal LaneN

13、eal Lane说：说：“如果人们问我哪个如果人们问我哪个科学和工程领域最科学和工程领域最有可能在未来产生有可能在未来产生突破性成就，我认突破性成就，我认为会是纳米科学和为会是纳米科学和工程。工程。”威廉姆斯说：威廉姆斯说：“纳米技术纳米技术对经济社会的影对经济社会的影响将超过计算机响将超过计算机”全球纳米技术产业的年产值已经全球纳米技术产业的年产值已经接近接近1000亿美元亿美元，据估计，据估计，到，到2010年美国要培养年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到）的贡献要达到1万亿美元，万亿美

14、元，并提供并提供200万个就业机会。万个就业机会。科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的产生和发展，一场新的工业革命即将发生。产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色 。“纳米经济纳米经济”“”“钱钱”途广途广纳米科技对经济发展的影响纳米科技对经济发展的影响纳米技术在美国纳米技术在美国v 2010年年: 80万纳米科技人才万纳米科技人才,

15、GDP1万亿美元万亿美元, 200万个就万个就业机会业机会v 能源部的能源部的8项优先研究中，项优先研究中，6项有关纳米材料项有关纳米材料v 本世纪前本世纪前10年几个关键领域之一，制定了年几个关键领域之一，制定了“国家纳米国家纳米技术倡议技术倡议”: 纳米材料纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学纳米医学和生物学 军工军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料日本和德国出台了相应的研究计划日本和德国出台了相应的研究计划日本日本政府和国会政府和国会作出决定：要向作出决定：要向抓微电子那样抓抓微电子那样抓纳米技术纳米技术

16、，把发展纳米技术把发展纳米技术作为作为2121世纪前世纪前2020年立国之本。年立国之本。德国德国：纳米技术：纳米技术是是2121世纪高科技世纪高科技的制高点。的制高点。20002000年布署了跨年布署了跨部门的六大中心部门的六大中心, ,发展纳米技术发展纳米技术. .纳米技术在日本纳米技术在日本v国会国会: 21世纪前世纪前20年的立国之本，年的立国之本，日本政府日本政府总总共投共投资资了了38亿亿多美元多美元v著名大企业著名大企业: 纳米实用化技术的计划纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了三菱化工建立了(富勒烯富勒烯)纳米碳管生产线纳米碳管生产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气自洁净玻璃、

17、光催化净化水或空气3233其他其他国家国家的纳的纳米科米科技发技发展概展概况况 印度印度：要向抓软件产业那样：要向抓软件产业那样，快速发展纳米技术。，快速发展纳米技术。 韩国和瑞典：韩国和瑞典：2001年年以来对纳米科技投入增以来对纳米科技投入增长最快的国家。长最快的国家。纳米技术纳米技术医疗药物医疗药物环境能源环境能源宇航交通宇航交通生物农业生物农业电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全新材料制新材料制 造造传统产业传统产业 推动推动GDP快速增长快速增长对关键问题的影响力对关键问题的影响力节约资源、节约能源、净化环境是下一次节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下

18、一次工业革命工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。命当中将发挥重要的作用。从纳米产业未来的市场发展从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场占纳米产业这个巨大的市场。纳米技术与当代中国纳米技术与当代中国v 1993年，中科院操纵原子写字年，中科院操纵原子写字v 国家纳米科技发展纲要国家纳米科技发展纲要200

19、1-2010和和国家纳米科技发展国家纳米科技发展指南框架指南框架 罗雷尔罗雷尔-诺贝尔物理奖获得者诺贝尔物理奖获得者 七十年度重视微米技术的国家都已成为发达七十年度重视微米技术的国家都已成为发达国家国家,现在重视纳米技术的国家有可能成为下一现在重视纳米技术的国家有可能成为下一世纪的先进国家世纪的先进国家 中国在中国在21世纪魔术般的成为超级先进国家世纪魔术般的成为超级先进国家，纳米技术是可选择的重要途径。，纳米技术是可选择的重要途径。 乔纳森乔纳森. .斯彭斯斯彭斯-美国耶鲁大学中国现代史教授美国耶鲁大学中国现代史教授名人预测名人预测“纳米和纳米以下的纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技结构是下

20、一阶段科技发展的一个重点，会发展的一个重点，会是一次技术革命，从是一次技术革命，从而将是而将是2l2l世纪的又一世纪的又一次产业革命。次产业革命。” -钱学森钱学森 41存在的问题三个不够三个不够 科学内涵宣传的不够科学内涵宣传的不够 全面宣传纳米科技领域不够全面宣传纳米科技领域不够 创新难度宣传的不够创新难度宣传的不够我国重点发展的关键纳米材料和技术 特种纳米材料规模生产技术特种纳米材料规模生产技术 纳米技术对传统材料的改性纳米技术对传统材料的改性 信息产业中的关健纳米材料信息产业中的关健纳米材料 合理利用能源和开发新能源合理利用能源和开发新能源 中的关键纳米材料和技术中的关键纳米材料和技术

21、 优化资源环境中的关键纳米优化资源环境中的关键纳米 材料和技术材料和技术 纳米材料在医药生物中应用纳米材料在医药生物中应用44美国汤森路透集团（美国汤森路透集团（Thomson ReutersThomson Reuters）公布了全球）公布了全球20162016高被引科学家名单高被引科学家名单“Highly Cited Researchers 2016”Highly Cited Researchers 2016”。入选。入选“高被引科学家高被引科学家”名单，意味名单，意味着该学者在其所研究领域具有世界级影响力，其科研成果为该领域的发展着该学者在其所研究领域具有世界级影响力，其科研成果为该领域的

22、发展作出了较大贡献。作出了较大贡献。纳米科技的潜在风险释义纳米科技的潜在风险释义：1、纳米微粒的内部危害辩识、纳米微粒的内部危害辩识机体机体（1）通过吸入纳米颗粒造成肺部或其他组织的伤害（2）纳米微粒透过皮肤吸收进入人体2、纳米科技的外部危机释义、纳米科技的外部危机释义环境环境（1）纳米微粒可能被释放于水里或空气中，从而毒化土壤及地下水（2）进入食物链，初期仅对动物、植物造成损害，长久以往将对人体健康产生危害454647【北京雾霾北京雾霾】PM2.5PM2.5颗粒放大颗粒放大10001000倍后倍后48纳米颗粒物对生物的毒性主要有包括以下纳米颗粒物对生物的毒性主要有包括以下 4 个方面：个方面：具有纳米尺度的纳米颗粒物容易穿过细胞膜进入到细胞( 神经细胞，肝细胞等) 内，损伤细胞膜及干扰细胞内的生理活性；(2) 纳米颗粒物具有高活性，所产生的活性氧易损伤细胞膜，破坏细胞的通透性，阻碍细胞和外界的物质交换，造成蛋白质变性；纳