纳米材料及纳米技术的应用

关于纳米材料及纳米技术的应用第1页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术的简介“纳米”是英文Nanometer的译音，是一种计量单位（符号为nm）,1nm为106mm,约与相当于4~5个原子串起来那么长。纳米科学是指人们研究纳米尺度即0.1~100nm范围之内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。纳米技术是指在此基础上创造新材料，研究新工艺的方法和手段。纳米技术包括纳米材料、纳米器件、纳米生物医学等三大块。按目前的研究领域，大致可分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米制造、纳米光学等等。第2页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术的发展史1965年，诺贝尔物理学奖获得者费曼（R.P.Feynman)首次提出“纳米材料”的概念。1982年扫描隧道显微镜发明后，便诞生了一门以纳米长度为研究的分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特殊功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子创造物质的技术。纳米科学技术正式“开宗立派”是在1990年。第3页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米材料的简介在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义的纳米材料是指在三维空间中到少有一堆处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。通俗的说，纳米材料是指由纳米的单元构成的任何类型的材料。如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等。通过控制这些纳米级结构单元的大小，控制内部和表面的化学性质，控制它们的组合，就能以前所未有的方法认为设计材料的特性和功能。第4页，共48页，2023年，2月20日，星期五如果按维度，纳米材料的基本单元可以分为三类：a.零维，指在空间三维尺寸均在纳米尺度。如纳米尺度颗粒、原子团族等；b.一维，指在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等；c.二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度。如超薄膜、多薄膜、超晶格等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料，但是自然界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。第5页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米材料的基本性质体积效应。是指纳米微粒尺寸减少，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应。它能使磁性、内压、光吸引、热阻、化学活性、催化性及熔点等比普通粒子变大。表面与界面效应。纳米微粒表面原子与总原子数之比，随纳米微粒尺寸的减少而大幅增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米材料性质的变化。例如，一些氧化物、氮化物和碳化物的纳米微粒对红外线有良好的吸收和发射作用，对紫外线有良好的屏蔽作用。第6页，共48页，2023年，2月20日，星期五（3）量子尺寸效应（这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等）（4）宏观量子隧道效应（5）介电限域效应第7页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米材料的特殊性质光学性质：纳米材料具有比普通晶体较强的吸收光和发散光的能力，其粒径越小，吸光和发光的能力就越强，材料的色差就越大。催化性质：纳米材料有很大的活性中心数目，其分散性好，不会形成反应体系的局部过热而导致催化剂失去活性。光催化性质：纳米材料吸收光能后原有的束缚电子向纳米颗粒的表面扩散，纳米颗粒愈小激发态电子、空穴扩散所需的时间久越短。第8页，共48页，2023年，2月20日，星期五光学化学性质：在光作用下的电化学工程，是分子、离子及固体收光使电子处于可激发态而产生的电荷传递过程。化学反应性质：由于颗粒粒径小，表面原子百分数多，吸附能力强，表面反应活性高，易被氧化，有些金属纳米材料甚至还会发光燃烧。力学性质：纳米材料的强度、硬度、韧性均有大幅度提高。热学性质：纳米铅材料比普通铅的比热增加20~50%，纳米铜材料的热膨胀系数比普通铜材成倍增大。导电性质：某些纳米合金材料的电阻率下降两个数量级，此外，纳米材料还具有永久磁化、抗烧结、超导等诸多特性。第9页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在陶瓷领域方面的应用陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。第10页，共48页，2023年，2月20日，星期五是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。纳米灯具陶瓷纳米陶瓷第11页，共48页，2023年，2月20日，星期五第12页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。第13页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米单电子晶体管第14页，共48页，2023年，2月20日，星期五可调谐纳米发光二极管第15页，共48页，2023年，2月20日，星期五超微磁场探测器第16页，共48页，2023年，2月20日，星期五电光信息电子器第17页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米激光器在经过多个科学家研究的发现，无能量阈纳米激光器的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。第18页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在化工领域的应用纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。首先是粒径小，比表面积大,光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。第19页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂第20页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在医学上的应用随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头角。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。第21页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米颗粒作为载体的病毒诱导物第22页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米分子机器人研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。第23页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在纺织服装中的应用抗静电功能

应用领域抗菌，防臭功能

红外线功能

防电磁辐射

防紫外线

拒水拒油

阻燃功能

第24页，共48页，2023年，2月20日，星期五1.红外功能人体释放的红外线大致在4～16um的中红外频段，某些纳米微粒TiO2、SiO2、Al2O3和Fe2O3的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能，对些波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。

第25页，共48页，2023年，2月20日，星期五远红外保暖内衣它是远红外光疗、纳米抗菌和功能面料制成的保健内衣等保健纺织产品，能够释放负氧离子，还具有高效的远红外发射能力和抗菌消臭效果。能提高人体机能的自愈及恢复能力。第26页，共48页，2023年，2月20日，星期五2.防紫外线太阳能对人体有伤害的紫外线主要在300—400nm波段，纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。第27页，共48页，2023年，2月20日，星期五防紫外线伞本产品伞面经防紫外线工艺技术处理，具备防紫外线性能。一甩干拒水伞面（不沾水）是在普通伞面上采用纳米技术加工而成，具有强力拒水功能。

第28页，共48页，2023年，2月20日，星期五3.抗静电在化纤制品中加入少量纳米微粒，如将纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和Cr2O3等具有半导体性质的粉体掺入到树脂中，或将其加入到整理剂中对纤维或织物进行后整理，就会产生良好的静电屏蔽性能，大大降低静电效应。第29页，共48页，2023年，2月20日，星期五4.纳米抗菌、防臭功能某些金属粒子(如纳米银粒子、纳米铜粒子)和纳米TiO2、ZnO等具有一定的杀菌性能，其与化纤复合纺丝，制造出抗菌的功能纤维，比一般的抗菌织物具有更强的抗菌效果和更多的耐洗次数。第30页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米抗菌环保技术一件衬衫能抗辐射、抗紫外线、抗多种真菌感染，这是不是太神奇了？这几天，在宁波的各大唐狮专卖店，一款休闲女格子衬衫以其特有的环保功能吸引了众多消费者的眼球。这种特殊功能的“环保服装”是由纳米技术应用于纺织业创造的“神奇纤维”制成的。第31页，共48页，2023年，2月20日，星期五波司登保暖内衣江苏康博集团推出“波司登”纳米技术抗菌保健、超强透气导湿、超保暖三功能的内衣。其保暖内衣层内添加了从天然奇冰石中提取的纳米级超细粉末，能有效地杀菌抑菌，消除异味。第32页，共48页，2023年，2月20日，星期五5.拒水拒油在材料表面进行特殊加工在其宏观界面建立一个二元协同纳米界面结构，使材料不仅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用这种材料制成的衣物洗涤时可以仅用清水冲洗而不需使用传统的洗涤剂。第33页，共48页，2023年，2月20日，星期五荷叶效应—疏水自洁服装根据荷叶自清洁能力，利用纳米界面材料的疏水、疏油的特性，通过对纺织品的每根细小的纤维进行人工修饰，在织物表面形成一个微细的绒毛结构，它可吸收空气分子并在表面形成一层气垫，防止织物受油和水的沾染。来源：《纳米科技产品及应用-纳米产业揭秘》任红轩黄进等著第34页，共48页，2023年，2月20日，星期五6.防电磁辐射电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁，纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。第35页，共48页，2023年，2月20日，星期五防辐射孕妇装银离子孕妇装运用纳米单质银与纤维聚合成一体，并使织物表面形成牢固的耐氧化膜层结构，将纯银和环保纤维进行有机整合，具有隔离电磁辐射功能，具有抗菌除臭、抗静电、调控体温，吸湿速干、透气性好，轻薄柔软，耐反复水洗，洗后不扎身，可贴身穿着，使用寿命长第36页，共48页，2023年，2月20日，星期五纤维阻燃多数通过用添加型阻燃剂或反应型阻燃剂对原材料进行前处理，或者是对织物进行后整理等途径实现。7.阻燃功能第37页，共48页，2023年，2月20日，星期五防火防水劳保服装备自主研发防火的“纳米竹碳纤维布料多功能服”。据介绍，这种服装的主要材料———纳米竹碳纤维由竹碳研磨成纳米级粉末后，经特殊工艺合成。用该材料制成的衣服外观和手感与普通衣服无异，主要用于制作劳保服和户外运动装备。第38页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术成就未来高科技军服这种纳米面料军服具有子弹穿不透、远红外瞄不准、防化学武器能力，另外还安装了微型计算机和高灵敏传感器、净化水装置。第39页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米技术在其它方面的应用纳米分子构成的纤维结构纳米微型电子存储器第40页，共48页，2023年，2月20日，星期五运用纳米技术改变分子间的结构第41页，共48页，2023年，2月20日，星期五纳米武器称雄未来战场

间谍草机器苍蝇蚊子导弹蚂蚁士兵麻雀卫星第42页，共48页，2023年，2月20日，星期五“间谍草”

这是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。第43页，共48页，2023年，2月20日，星期五“机器苍蝇”

它既能被飞机、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敌军信息系统和武器系统附近，大批“机器苍蝇”可在某地区形成高效侦