第三节材料的开发和利用

1、第三节 材料的开发和利用1.1.知道材料对人类社会发展的促进作用。知道材料对人类社会发展的促进作用。2.2.知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道半导体二极管的单向导电性。知道半导体二极管的单向导电性。3.3.知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超导材料具有超导磁浮的特性。导材料具有超导磁浮的特性。4.4.了解纳米材料的有关知识。了解纳米材料的有关知识。我们周围的材料我们周围的材料材料与社会发展材料与社会发展人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和利用密切相关，人类发

2、展过程中先后经历了石利用密切相关，人类发展过程中先后经历了石器时代、青铜器时代和钢铁材料时代。器时代、青铜器时代和钢铁材料时代。实物图实物图材料材料灯的亮暗灯的亮暗结结论论塑塑 料料 铜铜 铁铁 竹条竹条 铅笔芯（石铅笔芯（石墨）墨）亮亮不亮不亮不亮不亮亮亮亮亮根据材料的导电性能：材料可分为根据材料的导电性能：材料可分为1.1.导体：容易导电的材料导体：容易导电的材料2.2.绝缘体：不容易导电的材料绝缘体：不容易导电的材料3.3.半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间 的材料的材料容易导电的材料是导体容易导电的材料是导体不容易导电的材料是绝缘体不容易导电的材料

3、是绝缘体半导体可以制成二极管、三极管等半导体元件半导体可以制成二极管、三极管等半导体元件和集成电路和集成电路半导体二极管有单向导电性，半导体三极管可以半导体二极管有单向导电性，半导体三极管可以用来放大电信号用来放大电信号半导体半导体 1.1.半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之半导体材料的导电性能介于导体与绝缘体之间，具有一些特殊的物理性质。间，具有一些特殊的物理性质。2.2.半导体材料有硅、锗和砷化镓等。半导体材料有硅、锗和砷化镓等。 实物图实物图 操作操作现象现象 结论结论发发光光二二极极管管A A接正接正B B接负接负 A A接负接负B B接正接正实验探究：发光二极管的独特功能实验探究

4、：发光二极管的独特功能二二极极管管发发光光二二极极管管不不发发光光发光发光二极二极管具管具有单有单向导向导电性电性其中有一种性能较好的材料叫超导材料其中有一种性能较好的材料叫超导材料 为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。19111911年，昂内斯在研究汞电年，昂内斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到阻随温度的变化时，观察到在测试温度降低到在测试温度降低到4.2K4.2K时，时，汞的电阻值突然降低到测量汞的电阻值突然降低到测量不到的微小值。从而发现超不到的微小值。从而发现超

5、导现象。导现象。一、超导材料一、超导材料探索新材料探索新材料超导体超导体1.1.超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫作可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫作超导超导现象现象，能够发生超导现象的物质称为，能够发生超导现象的物质称为超导体超导体。2.2.转变温度转变温度T TC C ：材料由正常状态转变为超导状态的：材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫作超导材料的转变温度。温度，叫作超导材料的转变温度。3.3.超导体的

6、两个基本特性：超导体的两个基本特性：零电阻性、抗磁性零电阻性、抗磁性超导材料出现以后，超导材料出现以后，人们首先想到的是利用超人们首先想到的是利用超导体的零电阻性实现远距导体的零电阻性实现远距离大功率输电。离大功率输电。很细的超导丝就很细的超导丝就可以输送强大的可以输送强大的电流电流超导材料不仅超导材料不仅电阻为零，而电阻为零，而且还有其他令且还有其他令人注目的特性。人注目的特性。超导磁浮现象使人们想到可超导磁浮现象使人们想到可以利用超导体来实现交通工具的以利用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具无摩擦运行，大大提高交通工具的安全性能和运行速度。的安全性能和运行速度。2.1nm2

7、.1nm小到什么程度？小到什么程度？(10(10个原子紧密排布的长个原子紧密排布的长度，大约是一根头发直径的度，大约是一根头发直径的1%)1%)3.3.纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的热、声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。性能。二、纳米材料二、纳米材料1.1.纳米是一个长度单位：纳米是一个长度单位：1nm=101nm=10-9-9m m4.4.纳米材料纳米材料纳米颗粒材料纳米颗粒材料碳纳米管碳纳米管纳米超晶格纳米超晶格想象中的纳米想象中的纳米“机器人机器人”计算机芯片中的纳米导线计算机芯片中

8、的纳米导线纳米机械零件纳米机械零件药物做成纳米颗粒药物做成纳米颗粒将来人们可以用纳米技术将来人们可以用纳米技术一个一个地将原子组装起一个一个地将原子组装起来制成各种纳米机器来制成各种纳米机器 纳纳米米镜镜面面 纳米衣服不用洗、纳米衣服不用洗、“纳米水纳米水”喝出健康喝出健康从从2020世纪世纪9090年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子被媒体推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究被媒体推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究竟是种什么竟是种什么“米米”？怎么？怎么“种种”出来的？对我们的生出来的？对我们的生活将产生怎样的影响？武汉活将产生怎样的影响

9、？武汉“种植纳米种植纳米”的水平如何？的水平如何？带着这些问题，本报记者探访了武汉的一些高校和科带着这些问题，本报记者探访了武汉的一些高校和科研机构，请科学家来揭开研机构，请科学家来揭开“纳米纳米”的面纱。的面纱。 纳米是种什么纳米是种什么“米米”？ 近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机程学院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机构传真的构传真的“纳米硫纳米硫”订单。去年，地大在世界上首订单。去年，地大在世界上首次研制出次研制出“纳米硫磺纳米硫磺”，在面膜、膏霜等化妆品中，在面膜、膏霜等化妆品中应用纳米

10、硫材料，对治疗脂溢性皮炎、螨虫、青春应用纳米硫材料，对治疗脂溢性皮炎、螨虫、青春痘等有奇效。痘等有奇效。 “ “纳米纳米”译自英文译自英文“nanometer”nanometer”，它并不是什，它并不是什么特殊的物质，而是一种度量单位。么特殊的物质，而是一种度量单位。1 1纳米等于十亿纳米等于十亿分之一米，相当于针尖大小的百万分之一，约相当于分之一米，相当于针尖大小的百万分之一，约相当于4545个原子串起来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸个原子串起来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。

11、当物质颗粒小到具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到100100纳米以纳米以下，这种物质就可被称为纳米材料。其物理性能与化下，这种物质就可被称为纳米材料。其物理性能与化学性质就会较原来有意想不到的巨变，这些学性质就会较原来有意想不到的巨变，这些“巨变巨变”正在生物学、材料学、信息技术等各个领域展开，它正在生物学、材料学、信息技术等各个领域展开，它们将对人类未来的生活产生重大影响。们将对人类未来的生活产生重大影响。 专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、蛋白质芯片组装成因芯片、蛋白质芯片组装成“纳米机器人纳米机器人”，通过血，通过血管送入人体去

12、侦察疾病；携带管送入人体去侦察疾病；携带DNADNA去更换或修复有缺陷去更换或修复有缺陷的基因片段。有可能用纳米药物来阻断血管饿死癌细的基因片段。有可能用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可从蛋白质胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可从蛋白质和和DNADNA上诊断出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭上诊断出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重量只有钢的六分之一的新建强度比钢高一百倍，但重量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。而用碳纳米材料替代型建筑，摩天大楼将修得更高。而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命硅芯片，将引发电

13、脑行业的革命 未来会出现很多自然界并不存在的强度高、对未来会出现很多自然界并不存在的强度高、对环境友好、节省能源和资源的新型材料，这一影响环境友好、节省能源和资源的新型材料，这一影响不会低于现在的计算机、微米技术给人类带来的影不会低于现在的计算机、微米技术给人类带来的影响。响。 纳米，有时也会带来伤害。纳米，有时也会带来伤害。 不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果术可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，应用不得当， 比如在一些药物中任意应用，也可能突比如在一些药物中任意应用，也可能突

14、破人体内的一些屏障，对人类的健康造成伤害。破人体内的一些屏障，对人类的健康造成伤害。 课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具但有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什么程度能有最好疗效？体微小到什么程度能有最好疗效？这些都值得商这些都值得商榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能出现的榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。 皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提皮教授的观点与近日英国

15、科学家针对纳米危害提出的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒出的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，给人类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。度。 目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积会给米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积会给人体健康和环境带来什么危害。他强调，目前国内对人体健康和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监控还是一片空白，对

16、于涉及普通市民安纳米产品的监控还是一片空白，对于涉及普通市民安全的纳米产品，人们对应当怎样防护考虑得还不够。全的纳米产品，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，但我们应该把未来的不确定性和纳米技术是美好的，但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样的情况下逐步发挥纳米技术风险性降到最低，在这样的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。的应用潜力，为人类造福。延展性延展性 硬度硬度 弹性弹性绝缘体绝缘体半导体半导体 导体导体三极管三极管二极管二极管材材 料料常见材料常见材料半导体材料半导体材料探索新材料探索新材料应用应用超超导导材材料料纳纳米米 材材料料2.19332.

17、1933年迈斯纳和奥森菲尔德在实验时发现了年迈斯纳和奥森菲尔德在实验时发现了 现象。现象。3.3.纳米材料统指制成材料的基本单元大小限制在纳米材料统指制成材料的基本单元大小限制在 范围的材料，这大约相当于范围的材料，这大约相当于101010001000个原子紧密排列在一起的尺度个原子紧密排列在一起的尺度1.1.超导材料是一种超导材料是一种 为零的材料。为零的材料。超导体的电阻变为零时的温度，叫作这种物质的超导体的电阻变为零时的温度，叫作这种物质的 _ _ 温度或温度或 _ _ _ 温度，用温度，用 _ 表示。表示。电阻电阻超导转变超导转变超导临界超导临界T TC C超导磁浮超导磁浮1 1100nm100nm4.4.超导输电线利用了超导体超导输电线利用了超导体 的的特点，其优点是输电线上无特点，其优点是输电线上无 损失。损失。5.5. 现象使人们想到可以用现象使人们想到可以用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，从超导体来实现交通工具的无摩擦运行，从而提高交通运输的速度和安全性能。而提高交通运输的速度和安全性能。电阻为零电阻为零电能电能超导磁浮超导磁浮6.6.波浪蕴含着巨大的能量，如果将波浪具有的能量波浪蕴含着巨大的能量，如果将波浪具有的能量充分利用，将会节省大量的煤炭、石油等资源。波充分利用，将会节省大量的煤炭、石油等资源。波浪具有能量，它属于浪