纳米技术与应用00470

1、纳米技术与应用,化学化工学院 化学工程与环境工程系 应用化学专业 2004.3.4,多伦多大学化学工程与应用化学系,内容提要,纳米技术简介 纳米技术在世界各国 纳米技术与经济 纳米技术与当代中国 本研究小组的工作与展望,1.1 空间尺度的划分,宇观(Cosmoscopic) 遥观(Remote sensoscopic) 宏观(Macroscopic) 显微观(Optico-microscopic) 介观(Mesoscopic) 或纳米观(Nanoscopic): 1100nm,1.2 空间尺度的划分,微观(Microscopic) 皮米观(Picosopic) 飞米观(Fentoscopic)

2、 亚飞米观(Subfentoscopic),1.3 纳米？,1纳米(nm): 1毫米(mm)的百万分之一 头发的直径,1.4 纳米技术,在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术,1.5 纳米材料,纳米材料: 在纳米量级(1100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应 纳米材料特性取决于制备方法,1.6 进一步认识纳米,蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机

3、械”，细胞象一个“纳米工厂” 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 纳米结构是生命现象中基本的东西,1.7 媒体中的纳米怪象,纳米冰箱 纳米洗衣机,1.8 纳米技术前景展望,钱学森(1991)：“我认为，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将在21世纪又是一次产业革命。” 纳米技术将改变生产方式，导致生活方式变革，带领我们进入崭新的21世纪。,2.1 国外纳米技术进展,1990年，IBM公司用原子排出“IBM” 1991年，NEC实验室观察到碳纳米管 合成了其它纳米管材料,2.1 国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,2.1 国外纳米技术进展,朗讯公

4、司和牛津大学: 纳米镊子 碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量 称量单个原子重量的“纳米秤”,2.1 国外纳米技术进展,DNA开关,2.2 纳米技术在美国,2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就业机会 能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料 本世纪前10年几个关键领域之一 制定了“国家纳米技术倡议”(NNI): 纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学,2.2 纳米技术在美国,军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料 美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用

5、于促进纳米技术的研究开发,2.3 纳米技术在日本,1962年, 久保(Kubo): 久保理论 国会: 21世纪前20年的立国之本 著名大企业: 纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气,2.4 纳米技术在其它国家,韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术 印度：像抓软件产业那样抓纳米科技 德国：把发展纳米技术定位在新能源、新环境，全面带动纳米技术在各个领域的发展 法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金 世界都在迎接纳米时代的到来,2.5 纳米技术在中国,1993年，中科院操纵原子写字,2.5 中国纳米技术进展,中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列

6、;合成了当时最长的纤维级碳纳米管 中国科技大学:氮化镓粉体 清华大学:氮化镓纳米棒 中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”,2.5 中国纳米技术应用,中科院化冶所 “七五攻关”: 纳米碳化硅 “八五863”: 纳米阻燃剂 中科院化学所 纳米领带 超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管材 高强度、抑菌功能,2.5 纳米技术应用,全国范围 三百多家纳米企业 以“纳米”注册的企业近百家 数十条纳米材料生产线 资金约百亿元,3.1 纳米技术与经济,材料人类文明的四大技术支柱之一 材料是人类物质文明的基础 材料支撑着其它新技术的前进 纳米材料是纳米技术的基础

7、纳米材料是材料家族中的重要新成员,3.2 纳米技术与经济,科学 发现新材料、提出新方法 知识创新 将“钱”转化为“知识” 技术 工业化制备纳米材料 清洁生产工艺 商品化技术 将“知识”转化为“钱”,3.3 纳米材料制备综述,对纳米材料的要求 尺寸可控(小于 100 nm) 成分可控 形貌可控 晶型可控 表面物理和化学特性可控 (表面改性和表面包覆),3.4 纳米材料制备综述,化学法 物理法,3.4.1 化学方法制备纳米材料,气相法 气溶胶法 激光法 等离子法 裂解法 氧化法 水解法 燃烧法,3.4.1 化学方法制备纳米材料,液相法 化学沉淀法(均匀沉淀法, 共沉淀法) 水解法(醇盐,卤化物)

8、溶胶-凝胶法 水热法,3.4.2 物理方法制备纳米材料,气相法 惰性气体冷凝法 固相法 高能球磨法 搅拌磨法 震动磨法,3.5 某纳米颗粒的制备,3.6 纳米粉体表面改性,纳米材料实用化的关键 表面物理控制 化学特性控制 粉体松散、不团聚 表面改性和表面包覆 化学法为主,3.6.1 表面包覆,3.6.2 表面改性,3.6.3 表面改性,4 纳米科技与当代中国,近代中国的机遇与挑战 二百年回顾 蒸汽机技术、电气化技术、微电子技术的高潮都错过 IT产业、网络通讯与西方差距不大 纳米技术使大家都面临着重新变革，相当于5千米赛跑，都才跑出500米，我们落后得不是很多，有的还不落后,4.1 纳米技术对竞

9、争力的提升,能源领域 石油、煤等不可再生资源 环保领域 解决水污染的问题 解决空气污染的问题 微电子 纳米电子器件、纳米线、纳米传感器 信息领域 光纤、发光器件,4.2 纳米技术对竞争力的提升,功能性涂料、薄膜 防静电涂料 特殊视觉涂料 紫外线吸收涂层 耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层 机械 纳米结构单元和纳米机械 结构陶瓷 增强、增韧、助烧结,4.3 纳米技术对竞争力的提升,化学化工 催化剂、助催化剂、阻燃剂 镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率迅速增大 塑料和橡胶 制品成型剂、补强剂、抗老化剂 OA领域 复印机和激光打印机的墨粉 喷墨打印机墨水、高级墨水,4.4 纳米技术对竞争力的提升,纳米药物 磁性纳米粒子药物 卫生保健品 防晒霜 纺织品 反射红外线型化纤 杀菌灭菌除臭型化纤,4.5 提升国防科技,纳米探测系统 纳米材料提高武器打击 纳米材料提高防护能力 纳米机械系统制造的小型机器人 雷达隐身技术 美国:“超黑粉”,对雷达波的吸收率达99 法国:Co-Ni纳米颗粒包覆绝缘层,5.1 本研究小组的工作,研究方向 化学化工中与纳米相关的课题 研究目的 创新：论文发表 应用：经济效益 研究手段 实验研究 计算机模拟仿真,5