纳米材料的发展历史-现状及省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件

纳米材料发展历史及现实状况化工09-5宁志龙第1页纳米材料发展历史纳米材料应用其实很早就有了，只是没有上升成纳米材料概念。早在一千多年前，我国古代利用燃烧蜡烛搜集碳墨作为墨原料及染料。这是应用最早纳米材料。第2页我国古代铜镜表面长久不发生锈钝，经检验发觉其表面有一层纳米氧化锡颗粒组成薄膜。以及十八世纪中叶，胶体化学建立，科学家们开始研究直径为1-100nm粒子系统。这种液态胶体体系就是现在所说纳米溶胶。硅溶胶为纳米级二氧化硅颗粒

第3页在以后催化剂研究中，人们制备了铂黑，这大约是纳米金属粉体最早应用。不过把纳米材料正式作为材料科学一个新分支是1990年7月在美国巴尔摩召开国际第一届纳米科学技术学术会议上确定。所以将1990年七月以前作为纳米材料发展第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在试验室探索用各种伎俩制备不一样材料纳米粉末，合成块体（包含薄膜），研究评定表征方法，探索纳米材料不一样于常规材料特殊性，但研究大部分局限在同一材料。第4页在这一阶段中最值得一提是1985年发觉碳纳米原子团簇-C60。这种材料研制成功使人们看到它含有普通尺寸碳材料不具备特殊性能。这种材料碳原子数目是稳定。纯C60固体是绝缘体，不过采取碱金属掺杂后就成为导电性很好材料，能够与金属相比。甚至成为超导体。同时发觉C60在低温下展现铁磁性。第5页1990年以后，纳米材料得到了快速发展。在理论研究方面，纳米科技诞生，给人们思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一个物质在不一样聚集状态及环境条件下，本身物性规律和运动规律都将可能发生根本性改变。换言之，当环境条件超出某一极限范围后，物质运动规律、性质都会发生质改变，其对应理论也将发生改变，必须寻找新适应该环境条件范围内理论与之相适应。第6页比如按相对论推理，当物体速度超出光速后，时间就会成为负值，即出现时间倒转，这是不可能，从环境条件观点来看，这个理论适用范围就是物体速度不超出光速。物体尺寸大小也一样，当物质聚集形式到达纳米尺度，物质与常态下该物质相比就会出现许多本质不一样，原来良导体可能变成绝缘体、惰性物质可能变成活性物质，而且这些现象也无法用原来理论加以解释，这就说明原来理论已不再适应于这种状态，必须有新理论取而代之，如：第7页量子尺寸效应小尺寸效应表面与界面效应宏观量子隧道效应介电限域效应第8页量子尺寸效应（Thequantumsizeeffect）量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽现象。当能级改变程度大于热能、光能、电磁能改变时，造成了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特征与常规材料有显著不一样。第9页早在20世纪60年代，久保（Kubo）采取一电子模型求得金属纳米晶粒能级间距δ为：δ=4Ef/3N

式中：Ef为费米势能，N为粒子中总电子数。第10页小尺寸效应（Smallsizeeffect）当颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子颗粒表面层附近原子密度降低，造成声、光、电、磁、热、力学等特征展现新物理性质改变称为小尺寸效应。第11页宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应是基本量子现象之一，即当微观粒子总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发觉一些宏观量，比如微颗粒磁化强度，量子相干器件中磁通量等亦有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。第12页介电限域效应介电限域是纳米微粒分散在异质介质中因为界面引发体系介电增强现象，主要起源于微粒表面和内部局域场强增强。当介质折射率对比微粒折射率相差很大时，就产生了折射率边界，这就造成微粒表面和内部场强比入射场强显著增加，这种局域场强增强称为介电限域。普通来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应，纳米颗粒介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等都会有主要影响。

第13页制备技术方面物质颗粒越小，其表面积越大。物质体系表面能越高，同时物质颗粒越小，其原子(分子)混乱度越大，体系熵值也越大，体系就越不稳定。所以纳米状态实际上是一个不稳定高能体系状态。它会自发由小颗粒高能状态向大颗粒低能状态转变，这就是我们在纳米材料中常说团聚。所以纳米材料在制备和应用过程中一个较大困难就是要预防纳米材料团聚。纳米颗粒一旦发生团聚，材料在纳米尺度范围所表现出优异性能就会丧失待尽。第14页当前经过广大科学家努力，在纳米材料制备技术方面已取得了较大成功，迄今为止，绝大部分金属、氧化物和碳等都能制备出来，许多金属、SiO2、TiO2、CaCO3、石墨等纳米级材料，已经能够规模生产。第15页纳米金属材料纳米二氧化钛第16页应用研究方面一催化、降解材料领域纳米颗粒因为其表面原子占有体积比大，表面键态和电子态不一样，原子配位不全等，可使表面活性增加，含有优异催化特征，所以，纳米颗粒材料在催化剂材料中得到广泛应用。第17页将纳米Pt颗粒、Al2O3，、Fe2O3，等作为催化剂，已在高分子高聚物氧化、还原和合成反应中得到应用；纳米高铬酸铵是制造炸药极佳催化材料；纳米Ni粉可代替金属Pt用于许多催化领域；纳米Pt、WC还是氢化反应高效催化剂；在火箭发射固体燃料推进剂中添加质量1％纳米铝粉和镍粉，可使固体燃料燃烧增加一倍以上，纳米镍粉代铂粉作为化学反应催化剂价格比铂粉低了3倍多，但催化效果却大10倍。纳米SiO2：，TiO2：在光催化作用下能够快速降解有机高分子化合物，为垃圾处理带来新无二次污染好方法。纳米SiO2：，TiO2：在光催化降解反应最有希望处理白色污染问题。第18页另外在纳米催化材料中，纳米TiO2光催化作用是十分值得注意，纳米TiO2是一个经典半导体光催化剂,当前已知应用有：催化马来酸酐发生聚合反应催化降解甲基橙催化降解十二烷基苯磺酸纳催化降解水面石油光催化分解氯仿第19页二环境保护与建筑材料业纳米抗菌材料研究发觉：许多纳米材料都含有抗菌作用，纳米Ag、纳米SiO2、纳米TiO2、纳米C等都可作为抗菌材料使用。将纳米SiO2、纳米TiO2、纳米C溶胶浸入或微粒加入纤维等材料中，能够使这些材料含有极好抗菌性。对传统涂料用纳米材料进行改性后，可取得许多含有特殊功效涂料。比如：纳米siO2添加到紫外光固化涂料中，可大幅度提升涂料硬度、耐磨性及耐刮檫性等。第20页三电磁材料方面应用纳米微粒含有独特电学性能，如纳米金属微粒都不导电，纳米钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶等微粒可由铁电体变为顺电体。纳米材料有些在颗粒状态下不导电，但在溶胶状态下却含有良好导电性。纳米材料含有高磁矫顽力、磁化强度和剩磁比，并含有巨磁阻现象，是良好磁头、磁存放元体，能大幅度提升材料信息储存量和统计速度。第21页希捷利用特殊碳基纳米材料作为硬盘

第22页四生物医用材料可用磁性纳米微粒涂覆高分子材料，将其在体外与蛋白质相结合，注入生物体内，用作药品载体，经过外加磁场作用，纳米颗粒磁性导航将药品直接送达病灶，到达定向治疗目标，这么不但大大降低了药品副作用，而且大大降低了药品用量。这种纳米颗粒磁性导航材料又被称为生物导弹。第23页我国制成艾滋病等病毒高灵敏血液检测用纳米材料