纳米材料精品课件

1、纳米材料第1页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二主要内容一、纳 米 和 纳 米 科 技二、纳米材料的概念和分类三、纳米材料的性质及应用2第2页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米在哪里？ 早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。一、纳米和纳米科技3第3页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二1、什么是纳米？ 纳米不是“ 米”，是长度计量单位，一米的十亿分之一(10-9米) ，万分之一头发粗细（人的头发直径约为80-100微米 ），形象地讲，一纳米的物体

2、放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。纳米结构: 通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。 “纳”(nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。4第4页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 Human Hair一纳米有多小？5第5页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二病毒： 30-100nm纳米粒子与病毒大小相当红血球：200-300nm细菌： 200-600nm胃幽门螺杆菌 6第6页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二2、什么是纳米科技？ 1959年费曼在一次题为在底部还有很大空间（

3、“There is Plenty of Room at the Bottom. ”）著名的演讲中提出 “如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？”并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术的最早的动意/梦想。 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德费曼(Richard P Feynman)。7第7页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。1982

4、年，宾尼希(CBinnig)和罗雷尔(HRohrer)等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscopy，STM)。STM不仅以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。 8第8页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，完成对表面的

5、剥蚀、修饰以及直接书写等。 STM头部由STM头部、电子学处理系统，减震系统以及计算机系统组成。 扫描隧道显微镜9第9页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于1纳米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（10-9 A）的隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距的恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)移动扫描时，由于样品

6、表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定。扫描隧道显微镜的工作原理10第10页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二高序石墨原子 STM图象 用STM描绘样品表面三维的原子结构: 硅表面硅原子 STM图象 11第11页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登研究中心（AlmadenResearchCenter）的科学家展示了

7、一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。 12第12页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二1991年IBM公司的“拼字”科研小组利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距约0.5纳米的“分子人”，这个“分子人”从头到脚只有5纳米，堪称世界上最小的人形图案 。13第13页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 1993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原子写出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席

8、之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国”的图形。） 14第14页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二世界上最小的中国地图 中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。 15第15页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度（1100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体

9、现多学科交叉性质的前沿领域。 16第16页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。 17第17页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二传统的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大。纳米科技的

10、最终目的：是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。纳米科技研究的技术路线：可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下(top-down)” 是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化 (传统技术)；18第18页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二“自下而上(bottom-up)” 是指以原子、分子为基本单元，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是意愿进行利用化学和生物学技术 (纳米技术) 。注： 自下而上的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将愈来愈受到重视。纳米技术，就是要做到，从小到大，从

11、下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。19第19页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 纳米这项新技术的诞生,其用途之广,涉及领域之多,前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。 20第20页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米电子学 当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入

12、了微米和亚微米的量级, 电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。 21第21页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器

13、。开发单电子晶体管, 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的100010000分之一。 22第22页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。23第23页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以

14、来的全部知识！24第24页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。纳米材料学25第25页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。陶瓷材料在通常情况下呈脆性；由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与

15、延展性。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷26第26页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异.不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。碳纳米管27第27页，共81页，2022年，5月20日，17点

16、46分，星期二太空升降机 由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成“太空电梯”缆绳，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。28第28页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米壁挂电视 用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。 29第29页，共81页，2022年，5月20日，17点4

17、6分，星期二纳米固体燃料 实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。 30第30页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机31第31页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米机械学 车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构

18、造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。32第32页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二分子自组装 两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。 由碳纳米管制作的纳米齿轮模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。 纳米齿轮33第33页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生

19、物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。 ATP酶（分子马达）ATP酶（adenosinetriphosphatase）可催化ATP水解生成ADP及无机磷的反应，这一反应放出大量能量，以供生物体进行生命过程 34第34页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米直升机 美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机”。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈

20、，利用这个能量它们可以在人的细胞内“飞翔”和“着陆”。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。 35第35页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子，每条臂长只有7nm 。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”控制这种镊子反复开合。利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的DNA镊子 如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。36第3

21、6页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝； 只有蜜蜂大小且能升空的直升机，眼睛几乎看不见的发动机； 提供化工使用的火柴盒大小的反应器； 驰骋未来战场上的纳米武器，如麻雀卫星、蚂蚁士兵、蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草等。 纳米机械产品37第37页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二38第38页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二“麻雀卫星”质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署64

22、8颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。39第39页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米生物学 纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜 （SPM）的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。 40第40页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以

23、利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。41第41页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二右图为科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景。人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的蓝色小球（纳米人造细胞）称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无

24、用的二氧化碳带走。 42第42页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作 纳米生物机器人在疏通血管 43第43页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 用纳米材料制成的人工眼球，不仅可以象真的眼睛一样同步移动，也能通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩的世界。44第44页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二“纳米生物导弹”专门对付癌症，这一针对癌症的超细纳米

25、药物，能将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。Treating Disease: Nanoparticles would deliver treatments to specifically targeted sites, including places that standard drugs do not reach easily. For example, gold nanoparticles (spheres) that were targeted to tumors might, when hit by infrared light, heat up eno

26、ugh to destroy the growths. 45第45页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米细胞修复器用于修复细胞内的各种病变，如线粒体、细胞核的病变； 46第46页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类： (1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度， 如纳米尺度颗粒、原子团簇等； (2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如 纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米带等； (3) 二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。 二、纳米材料的概念和分类纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米

27、尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。47第47页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二示意图48第48页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二纳米材料大部分都是由人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。而浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所。由于这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。49第49页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二Ag nanosphere particles (10nm)零维C

28、dS nanocrystals (3.8nm)50第50页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二零维InSe nanocrystals (7.5nm)51第51页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二一维Diameter: 57nmLength: 400nmPbCrO4 nanorodsVO2 nanorodsDiameter: 40-60nmLength: 1-2um52第52页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二一维Ag2Se nanowiresDiameter: 30-40nm Length: 50um53第53页，共81页，202

29、2年，5月20日，17点46分，星期二一维ZnO nanotubesOuter diameter: 80nm Wall thickness: 20nm54第54页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二一维CdS nanobeltsWidth: several tens to several hundreds of nanometers Thickness: 60nmLength: several tens to several hundreds of micrometers; some of them even have lengths on the order of mil

30、limeter.55第55页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二二维Al2O3 porous filmPorous diameter :70nm56第56页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二二维 Co(OH)2 hexagonal nanoplatelets- Co(OH)2- Co(OH)2Width: several micrometers Thickness: 15nmNote: The insets show bottles of the suspensions obtained by dispersing the platelets in e

31、thanol.57第57页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二(a)(b)Cu3SnS4 nanoshell tubes由基本单元构成的纳米材料The individual nanoshell tube is made up of spherical nanoparticles with diameter of 20-50nm.58第58页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二- Fe2O3 urchin-like superstructure由基本单元构成的纳米材料These Fe2O3 nanorods attach together and asse

32、mble into 3D urchin-like superstructures with rod-like crystallites radiating from the center. The individual nanorods have a mean diameter of about 80nm.59第59页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二PbS 3D dendritic nanostructure由基本单元构成的纳米材料The length of the trunk and the diameter of the branches of the PbS de

33、ndrites is about 2-4um and 40-100nm, respectively.60第60页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二Porous CuInS2 microspheres由基本单元构成的纳米材料The microspheres are composed of nanosheets with average thickness of 30nm. These nanosheets interconnnect with each other to form an entangled network-like architecture with irr

34、egular-shaped pore.61第61页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二按化学组成可分为：纳米金属、纳米非金属、纳米塑料、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。按材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按应用可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。 62第62页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二三、纳米材料的性质及应用1、特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金

35、属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。铂黑能吸附大量的氢、氧等气体，在许多气体反应中可用作催化剂将铂黑镀在铂或金电极的表面上，常用作氢电极或其他气体电极 63第63页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。F117A型隐身战斗机1991年春的海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，

36、以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。64第64页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二2、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，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，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。65第65页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二金属纳米颗粒表

37、面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如, 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加 l 倍。66第66页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。3、特殊的磁学性质67第67页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 20纳

38、米的磁性氧化物颗粒。何为趋磁细菌？世纪年代，美国微生物学家勃列依克摩尔在大西洋底发现了一种奇异的细菌，它们总是沿着地磁场的磁力线运动。一起行动时，自动排成一条条“生物磁力线”，十分美观。它们决不会自乱阵脚，勃列依克摩尔就美其名曰“趋磁细菌”。68第68页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二a) 活的细菌体内完整的磁小体 它们为什么具有这种特殊的功能呢？经美、德、日等国科学家多年的研究，发现趋磁细菌的细胞中有一种“磁小体”。每个磁小体都是一个被磷脂膜包覆的高纯度、纳米级、有独特结构的单磁畴小晶体。这些磁小体沿细胞的长轴排列成链状，使每个细菌都成了一个小小“指南针”，彼此首尾相

39、吸沿着地磁场排列了起来。b) 获得的磁小体链 69第69页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸(如Fe3O430nm)后,在有外加磁场存在时,表现出较强的磁性.但当外磁场撤消时，无剩磁，不再表现出磁性。矫顽力是指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度（或抹去磁带上已记录的编码信息所需要的磁力）

40、.它是粒子形态和尺寸的函数。70第70页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。71第71页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二磁性液体（magnetic liquids）是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合

41、材料。 利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、磁性传感器、选矿等领域 。原理示意图磁性液体受磁场作用 72第72页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二4、特殊的力学性质 由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应，1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。73第73页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。74第74页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。75第75页，共81页，2022年，5月20日，17点46分，星期二研究表明纳米晶粒的金属要比传统的