第三讲 纳米材料(2)幻灯片.ppt

1、纳米材料与新材料 Nanometer-Materials and New Materials （3）,材料科学与工程学院,2,第三讲 纳米材料(2),3,纳米材料的制备方法,4,气相法制备纳米微粒 低压气体中蒸发法(气体冷凝法)； 活性氢熔融金属反应； 溅射法； 流动液面真空蒸镀法； 通电加热蒸发法； 混合等离子法 激光诱导化学气相沉积； 化学蒸发凝聚法； 爆炸丝法。,5,液相法制备纳米微粒 沉淀法； 喷雾法 水热法； 溶剂挥发分解法 溶胶一凝胶法(胶体化学法)； 超声电化学微乳液法。,6,纳米结构材料(纳米固体、块体、膜)的制备方法主要有以下几种： 惰性气体蒸发、原位加压制备法； 高能球磨法

2、； 非晶晶化法； 溅射法； 形变诱导纳米晶的生成。,7,惰性气体蒸发制备纳米材料(氢等离子体法),该法是利用快速凝固的原理制备纳米粉体。先使系统达到预定的高真空，然后充入低压(约2kPa)的惰性气体(含一定的活性气体H2)。将欲蒸发的金属置于坩埚内，通过等离子体将其蒸发，产生原物质烟雾，冷却后得到纳米金属粉末。,8,等离子体中心区温度可高达4000-6000，离开等离子焰后温度以巨大的温度梯度急剧下降，加上惰性气体的对流，这种特殊的温度场为金属颗粒表面的迅速熔化和快速冷却创造了良好的温度环境。,氢等离子法制备纳米粉体设备,9,蒸发中，由元物质的原子与惰性气体原子碰撞而迅速损失能量而形成冷却，这

3、种有效的冷却在元物质蒸气中造成很高的局域过饱和，导致均匀的成核过程。因此在接近冷却棒的过程中，元物质蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米微粒。 氢等离子体法制备的纳米金属粉体成品不含卤素、硫、氧、碳等杂质，纯度高、粒径均匀、松装密度小、表面活性高。,10,我院金属材料系纳米金属粉体课题组系统研究了氢等离子体制备纳米金属粉体。目前已能制备出的材料种类有：Ni、Fe、Cu、Zn、Ag、Al、Mo、Ti等纳米金属粉体。,氢等离子法制备纳米Ni粉和Fe粉,11,超声电化学微乳液法制备纳米粉体,该法是利用超声波的空化作用和电化学原理制备纳米金属粉体。其基本原理是在电解液和微乳液形成的混合液中导入大功率超

4、声波，产生的大量空化气泡。,12,气泡爆炸时释放出巨大能量，产生具有强烈冲击力的微射流，促使非均相界面间的扰动和相界面更新 在超声场中振动的空气泡收缩膨胀爆炸过程中，会造成其内部气体温度、压力骤然变化，产生局部高温高压环境，促进电解微乳液中的形核 微乳液易发生沉降、絮凝、聚结，在晶核表面形成不良导体包覆层，阻碍电化学反应的继续进行，有效阻止金属粉体因持续电解而发生的继续长大和团聚，同时对生成的粉体实现原位包覆。,13,通过相关工艺参数的调整可获得粒度可控的超细(纳米/微米)金属粉体，而且粉体可以进行原位包覆，既可防止粉末氧化，又便于粉末收集。该制备工艺成本低，粒径可控，产量高，易于实现技术放大

5、和产业化。目前已使用该方法制备出Fe、Cu、Zn、Ag、Sn等多种粉体材料。,电化学制备的Cu粉粒径分布,电化学制备的Cu粉粒TEM图,14,原位加压法制备纳米结构材料,原位加压法可以看成是惰性气体法的延续加工过程，可以将其制备的纳米粉末制成块体材料。具体过程是：由惰性气体蒸发制备的纳米金属或合金微粒，收集后经漏斗直接落入低压压实装置，物体在此装置中轻度压实后，由机械手将它们送至高压原位加压装置，压制成块状试祥，压力为1-5GPa，温度为300K-800K。,15,能获得相对密度高于90的块体，最高密度可达97，因此，此种制备方法的优点是：纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，块体纯度高

6、，相对密度也较高。,16,球磨法制备纳米材料,高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或两种以上金屑粉末同时投入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程(冷焊粉碎冷焊反复进行)，最后获得组织和成分均匀的台金粉末。,17,我院金属材料系的特种粉体课题组利用高能球磨法制备出了纳米Ti(C,N)材料的前驱体TiC，经过烧结后得到的Ti(C,N)粉体材料晶粒尺寸仅有几十纳米；贮氢材料课题组也利用高能球磨制备纳米粉体用于贮氢电池以及磁制冷工质的制备中。,纳米晶Ti(C,N）粉体的XR

7、D图谱,纳米晶Ti(C,N)粉末的形貌,18,非晶晶化法,非晶晶化法是将原料用电弧或者是感应圈将坩埚内的母合金加热熔化成熔体，然后将合金液从坩埚末端的狭缝中直接喷射到高速旋转的冷却辊轮上，冷却速度达到105-106/s，快淬得到非晶薄带。将非晶薄带破碎后放入真空晶化炉中进行热处理，得到具有纳米晶结构的材料。,快淬法制备非晶条带,19,我院金属材料系磁性材料课题组从事非晶晶化法制备纳米晶材料已经有十余年的历史，系统研究了合金成分、快速工艺、热处理工艺等对磁粉纳米晶结构的影响。,真空动态晶化炉,真空电弧快淬炉,20,制备出高性能的纳米晶NdFeB永磁粉末、PrFeB永磁粉末、SmFeN永磁粉末等，

8、其性能与国外同类产品相当，处于国际领先和国内一流的水平。课题组在这方面的研究成果显著，已荣获四川省科技进步一等奖和二等奖各一次，并且已经申报了国家科技进步奖。,纳米晶NdFeB粉末的微观形貌自由面AFM照片,21,溅射法,两块金属板分别作为阳极和阴圾，阴极为蒸发用的材料在两电极间充入Ar气，并施加电压。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在基材附着面上沉积下来。,22,目前，计算机的硬盘、存储光盘等都采用溅射法来制备纳米磁性薄膜。我院材料科学系的太阳能电池课题组、功能陶瓷课题组、无机材料系的金刚石薄膜课题组等都已

9、经开展了溅射法制备纳米薄膜的研究。,23,纳米材料和技术的应用,24,纳米材料和技术在工业上的应用,机械工业 纳米材料给传统机械工程材料的性能带来飞跃。 日本东北大学用非晶晶化法制备出了在非晶基体上分布纳米粒子的A1-Ce-过渡族金属合金复合材料，这类合金的强度达到1340-1560MPa。 中金属所用纳米铜粉制备的带材具有5000%的超塑性。,25,采用纳米技术对机械关键零部件进行金属表面纳米涂层处理，可提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。芬兰技术研究中心等用磁控溅射法成功地在碳钢上涂上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，涂层硬度达20.8GPa，比碳钢提高了几十倍。我国台肥工大研究纳米T

10、iN改性TiC基刀具材料，在金属陶瓷基体中加入纳米TiN、AlN以细化晶粒，大幅提高刀具材料的强度、硬度和断裂韧性。可部分取代YG8、YT15等硬质合金刀具，使用寿命提高2倍以上，生产成本与YG8刀具相当或略低。,AlN纳米耐磨涂层,26,纳米磁流体技术可以大幅减少机械运行中的磨损。将包裹表面活性剂的磁性微粒(通常为Fe3O4和铁氧体，直径约为10nm左右)弥散分布于特定基液中，得到的稳定复合体系便是纳米磁流体。在这样小的尺寸下，强磁性颗粒已失去了铁磁或亚铁磁性能，呈现超顺磁状态；在磁场作用下，磁性颗粒带动着包裹液体一起运动。,纳米Fe3O4磁流体,27,将磁流体分布在金属表面，其中的纳米粒子

11、能完充填到金属表面的微孔中，形成比较平滑的金属表面，有利于在表面形成烃类分子保护膜，最大限度地减少金属与金属间的摩擦，耗能大大减少，机械噪声降低，机械寿命成倍增长；并且，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位。我院纳米粉体课题组在纳米润滑方面取得了较大的成果，研制的纳米润滑油的润滑效果和美国乙基公司的产品相当，部分参数指标还大大超过乙基公司。,28,利用磁流体还可以加强机械结构件之间的密封。在旋转轴承密封部件产生一环状的磁场分布，将磁性液体约束在磁场之中，形成具有密封作用O形。这种密封圈自身没有磨损，可以实现长寿命的动态密封，而且对密封件还有润滑作用。目前，在计算机中已普遍采用磁

12、性液体的防尘密封；在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封、大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法。,29,利用纳米技术还可以直接制造超微型机械。科学家们已经成功地制造出了纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米传感器等纳米机械零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。美国波士顿大学制造出了世界上最小的仅由78个原子组成的分子马达。,纳米泵,纳米轴承,纳米齿轮,30,美国桑迪亚国家实验室研制出微型发动机，直径只有200m，主要部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮，速度达到每分钟30万转，一滴油就可以灌满约50个这样的发动机。,纳米碳管和苯分子构

13、成的齿轮,用光刻技术制造的齿轮 齿轮直径只有数微米,31,日本丰田公司用微型部件制造了一辆只有一粒米大的能开动的微型汽车。 这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础。,以原子为起点设计的精密运动控制器 这个控制器包含若干可以独立运动的齿轮和拔杆、共由2596个原子组成,32,催化工业 纳米微粒尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。 关于纳米微粒表面形态的研究指出随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面。 超微粒子催化剂在下个世纪将成为催化反应的主要角色。,33,半导体的

14、光催化效应是指在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的烃基电子夺过来，烃基变成自由基，作为强氧化剂引起的如下变化：酯醇一醛一酸CO，完成对有机物的降解。,半导体光催化示意图,34,纳米半导体比常规半导体光催化活性高得多 量子尺寸效应使导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，导带电位变得更负，价带电位变得更正，纳米半导体粒子具有更强的氧化和还原能力。 纳米半导体粒子粒径小，光生载流子比粗颗粒更容易通过扩散从粒子内迁移到表面，有利于得或失电子，促进氧化和还原反应。,纳米二氧化钛光催化机理,35,常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐钛型)、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnF

15、e2O4等。利用纳米TiO2丝的阵列提高光催化效率已获得成功。由于纳米丝表面积大，比同样平面面积的TiO2膜的接受光的面积增加几百倍，最大的光催化效率可以高300多倍。,36,纳米TiO2在可见光的照射下对碳氢化合物也有催化作用，在光的照射下，任何粘在表面的物质，包括油污、细菌，由于纳米TiO2的催化作用，这些碳氢化合物进一步氧化成气体或者很容易被擦掉的物质。利用这个效应可在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2薄层，使其具有自清洁作用。,37,能源工业 纳米能源技术的开发将在不同程度上缓解世界能源的短缺状况，提高现有能源的使用效率，为整个世界的发展提供新的动力。其中，纳米太阳能电池材料、

16、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向，将在解决21 世纪日益突出的能源危机问题上，发挥重要作用，并且具有巨大的市场容量。,38,太阳能是理想的清洁能源，研制高效太阳能转化电池是太阳能利用的一个重要方面。目前，国外用纳米材料制作太阳能电池, 光电转化效率大致在10% -15%范围。 我院材料科学系太阳能电池课题组也在从事太阳能薄膜电池的研究，先后研制出非晶Si、TeZn、CdS、TeCd等薄膜太阳电池，其中碲化镉太阳电池转换效率达到11.6%，这是我国各种薄膜太阳电池的最高效率，进入世界先进水平。,39,单壁碳纳米管是一种很有希望的储氢材料。碳纳米管比表面积大，

17、1g碳纳米管的比表面积竟达数百平方米，可大量地吸附气体，在室温下就可吸附氢气，只要稍微加温，这些氢气就可释放出来，有望推动和促进氢能利用。作为锂离子电池阴极材料，LiMn2O4纳米管电极的放电容量可以达到133.8mAh/g，而相同材料的薄膜电极只有52mAh/g，循环10次以后，碳纳米管电极的放电容量降低至125mAh/g，薄膜电极降低至41mAh/g。,40,纳米技术在能源方面的潜在突破还有许多： 用纳米机器人和智能系统进行环境和核废料的管理； 用纳米材料分离核燃料处理中的同位素； 用纳米流体提高核反应堆的冷却效率； 用纳米粉末消除能源污染； 用于清洁能源的人工光学合成系统； 用于新一代更

18、高效太阳能电池的分子晶体层。,41,涂料工业 纳米粒子的粒径远小于可见光的波长(400-760nm)，对紫外光具有很强的吸收和散射能力。某些粒径小于100nm 的纳米材料对射线、射线具有吸收和散射作用，可提高涂层防辐射的能力。 内外墙涂料中添加少量的纳米SiO2后，纳米SiO2具有极强的紫外线吸收、红外线反射特性，对400nm以内的紫外光的吸收率达到70%以上，明显提高涂料的抗老化性能。纳米TiO2有很强的散射和吸收紫外线的能力，用其改性后的涂料抗紫外线老化性能可由原来的250h提高到600h以上。,42,纳米材料的表面催化特性赋予了纳米SiO2、TiO2、ZnO等填充的涂料以消毒杀菌和自清洁

19、作用，用于涂料可提高其耐候性和抗污染能力。研究发现，纳米ZnO具有一般的ZnO无法比拟的新性能和新用途，能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒的作用，通常与其它的纳米材料配合使用于内外墙涂料中。,初始长满细菌实物照片,纳米复合改性内墙涂料抑菌效果,43,纳米材料具有高活性的大的表面积，这使其与成膜物和溶剂形成强大的相互作用力； 表面活性中心与成膜物质的官能团可发生次化学键结合，极大地增加了涂层的刚性和强度； 纳米级的颜料和填料可以极大地减少含量，大大提高填充比，改进涂层的机械强度； 如纳米SiO2表面分子状态呈三维网状结构，如果对SiO2表面进行改性处理，改善纳米SiO2粒子的润湿性。

20、涂料耐擦洗性由1000次提高到10000次以上,纳米涂层后涂膜表观形貌,44,我院金属材料系纳米抗菌涂料课题组长期从事纳米功能涂料的研究，制备出具有良好性能的纳米改性复合涂料，耐候性好，在紫外线较强的地区已成功应用，如阿坝州阿坝县县政府大楼等；结合性能好，内墙涂料耐洗刷性能达到10000次以上，外墙涂料耐洗刷性能达到20000次以上；具有抑菌功能，可以杀灭金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌，同时还可以降解甲醛，净化空气，,若尔盖红梅宾馆,阿坝县县政府办公楼,45,仪器仪表工业 传感器技术是现代仪器仪表与自动化控制系统的信息采集技术，它的研究和开发对仪器仪表和自动化控制系统的发展具有重要意义。 传感器

21、是纳米材料最有前途的应用领域之一。 纳米微粒(金属)是黑色，具有吸收红外线等特点；表面积巨大、表面活性高，对周围环境敏感(温、气氛、光、湿度等)很高。 用作气体传感器的微粒粒径越小，比表面积越大，表面与周围接触而发生相互作用越大，敏感度越高。,46,气体传感器有纳米SnO2膜制成的传感器，它可用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。它是利用纳米金属氧化物随周围气氛中气体组成的改变，电学性能(如电阻)所发生变化，从而对气体进行检测和定量测定。 用金超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器；,纳米Au颗粒膜制备的红外传感器,47,美国斯坦福大学的研究发现碳纳米管可以用来探测有毒的二氧化氮和氯气

22、； 英国利用纳米技术研制成功一种类似手表的哮喘警示器，它能同时检测出六种有害气体。 意大利研制出一种探测疾病的“电子鼻”，它可以嗅出人体各种疾病的气味。在 “电子鼻”中配有非常灵敏的极其微小的生物传感器，可将人体的各种气味转换成电信号，经过计算机处理后绘制成人体“气味图谱”，用于分析人体的健康状况。,48,航空航天工业 航空发动机叶片等构件表面作纳米涂层处理后大大提高其使用寿命。传统热处理工艺生产出的叶片的平均寿命约4-8年, 用纳米表面覆层技术处理的叶片的使用寿命可达20年左右。 要提高发动机的效率，需要提高燃气的温度，这需要能承受超高温的材料。增韧陶瓷在1000的高温下也不变形，可在发动机

23、中实现应用，发动机用增韧陶瓷后可在更高的温度下工作，彻底甩掉冷却系统，重量大大减轻，这对研制新一代高速发动机来说是一大福音。,49,纳米卫星重量不足10千克，各种部件全部由纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，质量好，可靠性强。若在地球同步轨道上等间隔地放置648颗功能不同的纳米卫星，就可保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视。 用一枚小型运载火箭就可以发射几百颗甚至上千颗纳米卫星，组成卫星网络。 我国清华大学宇航研究院已经制造出重量为几十公斤的微型卫星，并发射成功。,50,出汗是常见的生理现象，通过汗液的蒸发带人部分热量，从而调节体温，。 高速飞行的箭体与空气摩擦生成大量的

24、热，使壳体温度升高。为了及时散热，降低表面温度，人们把金属钨制成多孔的金属骨架首先保证壳体骨架的强度，以相对低熔点的铜或银等填充在孔隙或“汗孔”中，制成“发汗金属”。随温度升高，铜和银逐渐熔化、沸腾和蒸发，及时带走大量的热，保护了喷嘴骨架，保证了火箭的正常远行。,51,塑料工业 纳米材料可以大幅改善塑料的力学性能。 粒径为10nm的TiO2/PP(聚丙烯)复合体系薄膜的弯曲模量比纯PP提高20，冲击强度提高40。 当含5纳米TiO2时，纳米TiO2/EP(环氧树脂)复合材料，拉伸模量为纯EP的383，拉伸强度为纯EP的485，弯曲模量为纯EP的236，弯曲强度为纯EP的245，简支梁缺口冲击强

25、度为纯EP的878。,纳米TiO2/PP材料冲击断口,纳米TiO2/PS材料冲击断口,52,含10纳米SiO2时，纳米SiO2/聚酰亚胺(PI)复合材料的拉伸强度为PI的1.5倍，30时断裂伸长率为PI的3倍。 添加纳米SiO2的橡胶弹性、耐磨性明显优于常规白炭黑作填料的橡胶，轮胎侧面的抗折性能由10万次提高到50万次。 纳米Al2O3添加到PS(聚苯乙烯)中，体积含量15时，复合材料拉伸强度为纯PS的4倍，冲击强度为纯PS的3倍。,纳米SiO2/PI制成的保险杠,纳米改性PA制成的注塑件,53,纳米材料还可以改善塑料的其他性能。 纳米SiO2与纳米TiO2可大量吸收紫外线，将其加入环氧树脂可

26、延缓材料的老化。 添加0.1-0.5纳米TiO2制成的透明塑料包装袋，既可防止紫外线对食品的破坏，又具有杀菌作用，保持食品新鲜。,纳米TiO2改性PC阳光板,54,纳米材料和技术在信息产业上的应用 传统电子产业具有以下限制： 强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制， 以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制 制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制， 纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以上限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件。具有量子效应的纳米材料将提供不同于传统器件的全新功能，这对信息产业和其他相关产业产生深刻影响。,55,高存储量器件 IBM公司从1994年起利用巨磁阻效应制作出了硬

27、盘驱动器(HDD)读出磁头，HDD的面密度达到已达到5Gbit/in2。 1998年，美园明尼苏达大学和普林斯顿大学制备出量子磁盘，核心部分是长度为40纳米的Co棒按周期性排列成量子棒阵列，每平方英寸包含1011-1012根Co棒，存储密度达11Gbit/in2，现在正在向40-100Gbit/in2的目标推进。 美国还研制成功容量接近1000G的高密度磁盘。,56,英国成功地将有机分子形成的导线分别与纳米金颗粒和金电极相连，组装成能承载电流的纳米电路。 美国耶鲁大学宣布发明一种新型计算机存储器，它可以用单个的分子存储一个信息单位(一个bit)。这种存储器的外观和性能几乎完全和普通的计算机存储

28、器一样，但体积却小得多。 美国科学家已成功地用单电子移动单电子, 这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。 美国1BM研究室利用STM可按照需要排布单个原子的能力，构成高密度的数据储存器件，其密度比目前的磁盘高十亿倍。,57,微型集成电路 集成电路的集成度越高，要求图形的尺寸就越小，一般用最小线宽来表示。以硅集成电路而言, 普遍认为极限线宽是70nm左右。如果将硅器件做得更小, 电子会隧穿通过绝缘层, 造成电路短路。 日本NEC公司率先研发成功95nm的半导体技术。与采用130nm技术制造的产品比较，新产品的集成化程度提高19倍，节电30，能获得1干兆赫的运行速度。 In

29、tel公司研制出仅有20nm的晶体管，比当前最快晶体管体积小30，速度快25。这使Intel公司在2007年左右能制造出包含近10亿只晶体管的微处理器，远行速度接近20GHz，操作电压低于1V，,58,纳米材料和技术在环境保护上的应用废气的治理,工业中的汽油、柴油燃烧时会产生SO2气体。以纳米钛酸钴作为催化活体，催化效率高，催化后石油中硫含量小于0.01 工业中的煤燃烧也会产生SO2气体，加入一种纳米助烧催化剂不仅可以使煤充分燃烧，不产生CO气体，而且使硫转化成固体的硫化物，不产生SO2气体,工业废气处理装置,59,工业废水中含有是对人体极其有害的贵金属，它从污水中流失，也是资源的浪费，同时废

30、水中含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等，因此需要对污水进行处理。 传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。 纳米技术的发展很可能彻底解决这一难题。,废水的治理,60,新型的纳米级净水剂的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂的10-20倍。能将污水中的悬浮物完全吸附并沉淀下来。 纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置能有效除去水中铁锈、泥沙以及异味等污染物，同时将污水中的贵金属如金、钯、铂等提炼出来，变害为宝。 用由纳米孔径的特殊水处理膜和不同纳米孔径的陶瓷小球组成的装置再对水进行处理，可将水中的细菌、病毒百分之百去除，得到高质量的纯净水

31、。,61,纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上。一般常用的杀菌剂能使细胞失去活性但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。 在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。,废物的处理,62,纳米材料和技术在医学方面的应用,纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小, 这就为医学研究提供了新的契机。应用纳米材料和技术可以方便有效地进行细胞分离、细胞内部染色、病情诊断、靶向药物定向治疗等。,63,以往的细胞分离技术采用传

32、统离心法，时间长效果差。 在粒径在15-20nm的SiO2纳米微粒表面包覆单分子层，包覆层选择与所要分离的细胞有亲和作用的物质，得到的复合体尺寸约为30nm。细胞尺寸一般在微米级，在包覆层的作用下，纳米包覆体很容易依附在所需要的细胞上。通过离心技术，利用密度梯度原理，很快分离需要的细胞。,传统细胞离心分离机,细胞分离技术,64,细胞内部的染色在细胞生物学的研究中有极为重要的作用。这些复合体分别与体内各种器官和骨骼的细胞系统相结合，就相当于给各种组织贴上了标签。由于它们在光学显微镜和电子显微镜下衬度差别很大，这就很容易分辨各种组织。,细胞内部染色,肺部结核菌的染色,65,美国MIT研究了纳米磁性

33、材料为药物载体的靶向药物，称为“生物导弹”。在磁性纳米粒子表面涂覆高分子，外部与蛋白结合，这种载有高分子和蛋白的磁性纳米粒子作为药物载体，静脉注射到生物体内，在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。这种磁性靶向药物可用于癌症的诊断和治疗。,纳米药物,66,很多不溶于水的物质做成纳米微粒后可溶于水。我国中药之所以难以做成见效快的注射剂，是因为大部分中药的有效成分不溶于水，只能煎服。把中药的有效成分做成纳米微粒，就可溶于水中，这将有利于我国中药的发展。 人们吸收人参中有益成分都是喝人参浸泡的汤，再经过胃肠分解，有效成分损失较大。最好的方法是把人参的有效成分制成

34、纳米微粒，溶于水后以注射入人体，十分方便地就可将其全部吸收。,67,米微粒在医疗临床诊断上有重要应用，它可使临床诊断变得准确、快捷，有利于对疾病的及时发现和早期治疗。 纳米金颗粒通过弱相互作用与生物大分子结合，也可通过化学键与生物大分子偶联，不改变生物大分子的生物活性；而且金颗粒具有高电子密度、分辨率高、对结构遮盖少、定位精确等特点。用超微金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，可用于快速诊断。,纳米诊断技术,68,目前对艾滋病的检测主要采用酶联免疫染色法，但此法复杂，成本较高，只适于专门的检测机构采用。纳米金胶体与免疫球蛋白的结合制备的金探针可定性检测艾滋病病毒抗体。若

35、待测液中有HIV抗体，金颗粒被附在滤纸上，呈现出红色的斑点，即为抗体阳性；若没有，金颗粒将全部通过滤纸，不显红点，即为抗体阴性。该法可用裸眼观察，简单易行，不需特殊仪器；成本较低，可推广至普通基层医院或血站。,69,纳米微粒在核磁共振成像领域可以做为增强显示材料，不但使检测更为准确，而且成本大大降低。处于纳米尺度的氧化铁磁性消失；当遇到外界强磁场时，它又具有超强的磁性，这种性能意味在外部磁场作用下它能集中在某个区域。,外包层,纳米硅示踪颗粒,70,肝脏内的网状内皮细胞是由被枯否细胞的巨吞噬细胞构成，它可吞噬氧化铁颗粒，但恶性肿瘤细胞仅含极少量的枯否细胞，没有大量吸收氧化铁的功能。纳米氧化铁造影

36、剂就是利用正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的这种功能差别：正常组织吸收纳米氧化铁表现为黑的低信号，病灶不吸收纳米氧化铁表现为亮的高信号。 以前的造影剂制备工艺复杂，价格昂贵。纳米氧化铁造影剂成本低，操作简便，应用于临床可使肝肿瘤的早期诊断变得容易。,黑的低信号,亮的高信号,71,磁疗治癌是从人体外利用电磁场对肿瘤部位进行加热，当温度高于40时，杀死癌细胞，但是，这种磁疗方法也会同时损害肿瘤周围的健康组织，治癌同时又造成人体组织的伤害。 德国发明了治疗癌症的新方法，将一些纳米磁性材料氧化铁微粒注入患者肿瘤里，将患者置于可变磁场中。受磁场作用，肿瘤里的纳米氧化铁微粒可升温到45左右，足以烧毁癌细胞。肿瘤

37、附近的健康组织没有磁性微粒，温度不会升高，不会受到伤害。,纳米治疗技术,72,纳米机器人比人体红血球小，能周游于人体而不被免疫系统排斥，以光感应器作开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探示体内物体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织做整容手术，进行基因装配工作。从基围中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体恢复正常功能。,73,血管中纳米机器人工作示意图,74,纳米材料和技术在国防上的应用,

38、隐身材料 海湾战争中，美军第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标。在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损。,75,美国战机的机身表面包覆了红外与微波隐身材料具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视；而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。,76,纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，对雷达波的透过率比常规材料强得多，大大减少波的反射，使红外探测器和雷达接收的反射信号很弱； 纳

39、米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，电磁波吸收频带展宽； 纳米颗粒的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，这造成电磁波的多重散射； 纳米材料的量子尺寸效应使电子能级分裂, 分裂的能级间距正处于微波的能量范围, 为纳米材料创造了新的吸波通道； 纳米材料中的原子、电子十分活泼，在微波场的辐照下运动加剧，大量电磁能转化为热能，从而提高对电磁波的吸收性能。,77,纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中，不但具有上述优势，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，有效干扰迷惑雷达操纵员

40、，达到隐身目的。,美F117隐形战斗机,美B52隐形战略轰炸机,78,美国研制的纳米隐身涂料“超黑粉”对雷达波的吸收率达99，将其涂在战机、导弹等攻击性飞行器的表面，能有效地吸收敌方防空雷达的电磁波。 法国研制的CoNi纳米颗粒包覆绝缘层的纳米复合材料, 在2-7GHz范围内对电磁波有很好的吸收效果。 目前，国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。,79,利用纳米材料制造军舰、潜艇的蒙皮，可以灵敏地“感觉”到水中水流、水温、水压等极细微的变化，能随时测定潜艇的航速，及时反馈给中央计算机并使之进行操纵微调，从而将潜艇的信号特征减至最小，大幅度降低噪声，达到隐身目的

41、，并大大节约能源。此外，还可以根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷，使潜艇及时做规避功作。,采用隐身涂料的美国宙斯盾导弹驱逐舰,80,人体释放的红外线很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现。纳米Al2O3、TiO2、SiO2和Fe2O3的复合粉具有很强的吸收中红外频段的特性。这些纳米微粒很容易填充到纤维中，对人体释放的红外线有很好的屏蔽作用。 纳米颗粒对人体的红外线强吸收作用，可增加保暖作用，减轻衣服的重量。用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，重量可减轻30%。,纳米军服,81,利用纳米技术对传统的材料进行处理。产生出功能强大的新型军服面料。纳米军服可防油、防水、抗菌、杭污，清洁起来极其简

42、便；可抗紫外老化、热老化、弹性、强度、耐磨性和稳定性得到大幅提高；可保暖隔热，减轻军服重量；可防静电效应，吸收红外线等，增强隐蔽性。此类军用面料在理论上已经得到证实，现在正进行应用研究，在该领域我国现处在世界先进水平行列。,美陆军纳米男式常服,82,美国陆军实验室材料中心利用纳米技术正在研制一种重量轻、防护性能强的STF硅材料“液态盔甲”。材料中的纳米粒子在常态下像液体一样，遇到子弹或者弹片冲击时，它们立即形成格子结构的固体形态，彼此之间紧密地“锁”在一起，迅速变成一套坚硬无比的盔甲。,美陆军研制的液体盔甲,83,一件注入了STF的轻型防护马夹可以阻挡利刃、注射器针头、低速子弹的穿透，甚至还可

43、以阻挡爆炸的冲击波。在目前的研究阶段，它已可作为防暴警察和监狱看守的防护服。随着研究的完善，盔甲的防护力进一步提高，该新型防弹衣最终会取代目前美军穿戴的笨重防弹衣。,以利器对防弹衣进行实验,84,知己知彼，百战不殆。掌握敌方的举动对于在战争中取得胜利有决定作用。纳米材料和技术的出现使侦察设施具有了强大的功能，可以真正做到运筹于帷幄之中，决胜于千里之外。 纳米技术大大提高了传感器的性能，使得战场上的“干里眼”的目光更加锐利。这种新型传感器是以纳米微粒为原材料制成的。具有较强的吸收红外线的能力，而且表面积大，表面活性高对周围的温度变化、光、空气振动等环境条件十分敏感。,纳米侦察设施,85,如果将超

44、微型摄像机和传感器一起装备，制成类似于小草或沙粒的装置，隐蔽性很好。战争中可用飞机将无数小于1mm的纳米传感器散布在作战区域来及时探测敌方军情，也可以散布在天空中来捕捉敌方发射的导弹。纳米传感器的覆盖面积比现今远程探测系统还要大，而且能实施连续监视。,86,纳米侦察机是一种比苍蝇还要小的遥控飞行装置。它们可以携带各种探测仪器，不仅具有信息处理，导航和通讯能力，还可以有效避开敌方雷达的探测，潜伏到敌方附近。因此纳米侦察机可以昼夜拍摄红外线照片并及时将最新军事情报传回数百公里外的基地，也可以直接引导导弹攻击目标。同时，纳米侦察机也可以单兵配置，以便在小分队和单兵作战时探测周围丛林小丘和毁坏建筑物中

45、的军事情况，以防遭受敌方突然袭击。,87,美国军方正在研制纳米卫星，重量不到10公斤，所用元器件全部用纳米材料制造。纳米卫星由于性能好，可靠性强可用于各种不同的军事目的；纳米卫星由于重量轻，一枚小型火箭就可同时发射数百上千颗纳米卫星，可方便地在地球的同步轨道上构成网状布局；纳米卫星由于体积小，隐蔽性极好，可免受攻击，个别卫星损坏也不会对地面接受造成影响。因此，纳米卫星可对地球上任何地方进行连续的全方位和全天候监视。,88,纳米材料和技术使武器装备微型化。 用量子器件取代大规模的集成电路，可使武器控制系统的重量和功耗成千倍减小。 用量子器件取代半导体器件，可大大提高武器控制系统中的信息传输、存储

46、和处理能力。 由纳米技术制造的微型武器系统，几乎没有肉眼看得见的硬件连接，省去大量线路板和接头，体积小得多，运用十分方便。 纳米技术可以把现代作战飞机的全部电子系统集成在块芯片上，也能使目前需车载的电子系统缩小至可由单兵携带,纳米武器装备,89,纳米材料和技术使武器装备高速化。 武器都要求射程远、初速大，目前的技术只有增加装药量，这势必增加武器及弹药重量，与当前武器设计的发展趋势相悖。 将Cu、Fe、Al等金属制成纳米颗粒，一遇到空气就会猛烈爆炸，产生巨大的能量。 将发射药制成纳米级颗粒，质量轻，不但提高火箭、导弹、炮弹、子弹等飞行速度、穿透能力以及射程，还会减轻弹药的重量，便于携带和运输。

47、纳米发射药可从根本上改变武器发射机构。新的击发机构就是一个控制发射药与空气接触的机构。这使武器变得更小，更轻。,90,纳米材料和技术使武器装备新型化。 利用纳米技术制造的纳米导弹，俗称“蚊子导弹”，其隐蔽性、机动性和生存能力都发生了质的变化。纳米导弹可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，以足够的火力炸毁敌方的火炮、坦克、飞机和弹药库，甚至指挥部。 军用纳米机器人，俗称“蚂蚁士兵”，是一种比蚂蚁还要小的靠太阳能电池驱动的具有惊人破坏力的机器人。它们可以通过各种途径潜入敌方的军事要害内部进行破坏。也可以潜伏数十年之久，无声无息。战事一旦爆发，通过微型遥控装置可以诱发它们群起攻之，迅速破坏敌方作战系统。,

48、91,“空地英雄”是种黄蜂大小的攻击型微型飞行器在作战中这些“黄蜂”可装有少量高能炸药，对地面目标攻击时，可离地面10-15厘米进行超低空飞行。接近目标时迅速集结，象蜜蜂包围蜂窝一样能把武器装备团团围住，然后齐声爆炸摧毁或破坏武器装备及军事设施。此外。对空中的目标如作战飞机、直升机、导弹等都具有良好的拦截打击能力。,92,纳米材料和技术在日常生活中的应用,纳米材料和技术在食品中的应用,纳米技术会提高农作物、畜牧渔业产品的产量和质量，降低人口膨胀造成的农业负荷和生态负荷。 纳米农用陶瓷浸种器具有吸收远红外线的功能，可使大水分子团产生共振而分解成小水分子。小水分子带有大量动能，速度快，溶解力、渗透

49、力、代谢力比普通水强30以上，这使活性水进入生物体内，不断撞击生物体细胞，促进新陈代谢，提高免疫力，增强抗病性，达到增产目的。,93,纳米技术还可给人们带来健康食品。人体胆固醇含量过高会导致动脉硬化。在食品中加入更多的植物固醇，它们在大肠中被吸收，吸收的胆固醇量便会减少。但植物固醇无论在水中，还是在脂肪中部是难以溶解的，难以被吸收。研究人员用纳米技术将植物固醇制成微粒，在一定的温度下将微粒均匀地分散于植物脂肪中，同样也可以加入到酸奶、冰淇淋及色拉油等其他食品中，大大增强人体对植物固醇的吸收和利用。,94,纳米技术可以带来新食品。纳米技术还可将纤维素粉碎成单糖、葡萄糖和纤维二糖等，使地球上丰富的

50、有机物成为人、畜可利用的营养物质和化工原料。利用纳米技术，只要操纵DNA链上少数几种核苷酸甚至改变几个原子的排列，就可以培养出新品种甚至完全新的基因食品。,纳米破壁花粉,95,纳米材料促使抗菌服装出现。 服装会沾染很多汗液、皮脂及其他分泌物，同时也会被环境中的污物粘污。这些污物是各种微生物的营养源，病菌在服装上不断繁殖，使污物产生臭味，并导致皮炎及其他疾病。 把纳米材料加到色浆中，通过织物与染料的结合，使抗菌剂牢固附着在织物上，可得到抗菌服装。同样的方法可得到抗菌毛巾、棉被、枕巾等织物。,纳米材料和技术在服装中的应用,抗菌衬衣和领带,抗菌毛巾,96,在染料中加入纳米TiO2，光照射在它表面就会产生一种自由基，遇到细菌时破坏细菌中的蛋白质，使其失去活性，杀死细菌。 采用纳米层状银系无机抗菌材料制备的抗菌防霉织物，且有广谱抗菌功能，仅需添加0.5-1无机抗菌剂，抗菌效果显著且具有持久性，对皮肤也无刺激性。 日本帝人公司将纳米ZnO利纳米SiO2放入化纤中，使其具有除臭功能，这种化纤被广泛用于制造消臭敷料、绷带、手术服、护士服，还可用于内衣