超順磁性納米材料（課堂PPT）

1、 在充滿生機的在充滿生機的2121世紀，信息、生物技術(shù)、能世紀，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然源、環(huán)境、先進制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽绺呒?、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫?；航空航天、新型軍事裝備及先進要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新產(chǎn)品的制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來創(chuàng)新是未來1010年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響

2、力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經(jīng)是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。正像美國科學家估計的部分。正像美國科學家估計的“這種人們?nèi)庋劭催@種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給予各個領域帶來一不見的極微小的物質(zhì)很可能給予各個領域帶來一場革命場革命”。1緒論緒

3、論一一. .納米材料的簡單介紹納米材料的簡單介紹二二. .超順磁性性納米材料的概念超順磁性性納米材料的概念三三. .超順磁性納米材料的應用原理超順磁性納米材料的應用原理四四. .超順磁性納米材料的制備超順磁性納米材料的制備五五. .超順磁性納米材料的應用超順磁性納米材料的應用六六. .納米材料的未來發(fā)展之路納米材料的未來發(fā)展之路2一一. .納米材料的簡單介紹納米材料的簡單介紹 納米材料（納米材料（Nano material)Nano material)又稱為超微顆又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（粒材料，由納米粒子（nanoparticlesnanoparticles，NPNP）組成，納米粒子也

4、稱超微顆粒，即納米球組成，納米粒子也稱超微顆粒，即納米球（nanospheresnanospheres）與納米囊（）與納米囊（nanocapsulesnanocapsules）的統(tǒng)稱，粒子尺寸范圍通常是在的統(tǒng)稱，粒子尺寸范圍通常是在1 1100nm100nm之間。之間。由于納米粒子的尺寸處于單個原子、分子與體由于納米粒子的尺寸處于單個原子、分子與體相材料之間，具有小尺寸效應、量子尺寸效應、相材料之間，具有小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效應、體積效應等，表面效應、宏觀量子隧道效應、體積效應等，使得其性質(zhì)與單個原子、分子及體相材料明顯使得其性質(zhì)與單個原子、分子及體相材料明顯不同，

5、而具有優(yōu)異的電學、光學極催化性能等。不同，而具有優(yōu)異的電學、光學極催化性能等。 3一些納米材料的照片一些納米材料的照片碳納米管碳納米管這種新型納米制造工藝被用在改進玻璃這種新型納米制造工藝被用在改進玻璃性能上性能上-晶盾玻璃透光隔熱系列產(chǎn)品晶盾玻璃透光隔熱系列產(chǎn)品在在“紅外線阻隔率紅外線阻隔率”、“降溫幅度降溫幅度”、“節(jié)能指數(shù)節(jié)能指數(shù)”、“紫外線阻隔率紫外線阻隔率”、“透光率透光率”、“空氣凈化功能空氣凈化功能”、“有有效去除甲醛等各種有害氣體效去除甲醛等各種有害氣體”、“防污、防污、清潔功能清潔功能”“”“創(chuàng)新智能清潔、防污創(chuàng)新智能清潔、防污”等等核心技術(shù)參數(shù)方面遠遠超越了傳統(tǒng)的保核心技術(shù)

6、參數(shù)方面遠遠超越了傳統(tǒng)的保溫材料和普通玻璃貼膜。從而在智能清溫材料和普通玻璃貼膜。從而在智能清潔、防霧、防滑、建筑節(jié)能、防紫外線潔、防霧、防滑、建筑節(jié)能、防紫外線等決定玻璃性能的核心方面，具有巨大等決定玻璃性能的核心方面，具有巨大的優(yōu)勢。的優(yōu)勢。4樹狀大分子樹狀大分子樹狀大分子，是一種高樹狀大分子，是一種高度支化、對稱、呈輻射度支化、對稱、呈輻射狀的新型功能高分子，狀的新型功能高分子，在主客體化學、催化劑、在主客體化學、催化劑、金屬納米材料、納米復金屬納米材料、納米復合材料、膜材料、表面合材料、膜材料、表面活性劑、醫(yī)學等研究領活性劑、醫(yī)學等研究領域都有廣泛的用途。域都有廣泛的用途。5納米氧化釔

7、納米氧化釔 ( (陶瓷專用陶瓷專用) )納米四氧化三鐵納米四氧化三鐵 有序排列的納米多孔材料有序排列的納米多孔材料 6二二. .超順磁性性納米材料的概念超順磁性性納米材料的概念 超順磁性納米顆粒是指具有磁響應性的納米級粒超順磁性納米顆粒是指具有磁響應性的納米級粒子，其直徑一般小于子，其直徑一般小于30nm,30nm,當磁性納米粒子的粒徑小當磁性納米粒子的粒徑小于其超順磁性臨界尺寸時，粒子進入超磁性狀態(tài)。于其超順磁性臨界尺寸時，粒子進入超磁性狀態(tài)。 由于磁性四氧化三鐵生物納米顆粒的制作簡單，由于磁性四氧化三鐵生物納米顆粒的制作簡單，直徑可直徑可達達10nm10nm以下，具有比表面積效應和磁效應，

8、以下，具有比表面積效應和磁效應，在外加磁場的作用下可具有靶向性，且四氧化三鐵在外加磁場的作用下可具有靶向性，且四氧化三鐵的晶體對細胞無毒。在磁性四氧化三鐵的晶體表面的晶體對細胞無毒。在磁性四氧化三鐵的晶體表面可很容易地包埋生物高分子，如多聚糖、蛋白質(zhì)等可很容易地包埋生物高分子，如多聚糖、蛋白質(zhì)等形成核殼式結(jié)構(gòu)，可使其達到生物相容性，使其有形成核殼式結(jié)構(gòu)，可使其達到生物相容性，使其有越來越多的應用研究領域。越來越多的應用研究領域。7三三. .超順磁性納米材料的應用原理超順磁性納米材料的應用原理 磁性復合納米粒通常具有兩種結(jié)構(gòu)磁性復合納米粒通常具有兩種結(jié)構(gòu), , 一種結(jié)一種結(jié)構(gòu)是以納米磁性粒子構(gòu)是

9、以納米磁性粒子(Magnetic Particles,MP)(Magnetic Particles,MP)作為內(nèi)核作為內(nèi)核, , 某一功能化材料為外殼；而另一種某一功能化材料為外殼；而另一種結(jié)構(gòu)則相反結(jié)構(gòu)則相反, , 其外殼為納米磁性粒子其外殼為納米磁性粒子, ,包括納包括納米磁性粒子作為外殼的中空亞微球等各種復合米磁性粒子作為外殼的中空亞微球等各種復合結(jié)構(gòu)物質(zhì)的磁性來源于物質(zhì)內(nèi)部電子和核的磁結(jié)構(gòu)物質(zhì)的磁性來源于物質(zhì)內(nèi)部電子和核的磁性質(zhì)。這樣的結(jié)構(gòu)使磁性納米復合材料具有納性質(zhì)。這樣的結(jié)構(gòu)使磁性納米復合材料具有納米材料的小尺寸效應，量子效應，強大的比表米材料的小尺寸效應，量子效應，強大的比表面積

10、，量子隧道等效應，以及其他復合材料的面積，量子隧道等效應，以及其他復合材料的相關(guān)特性。相關(guān)特性。8 任何帶電體的運動都必然在它周圍產(chǎn)生任何帶電體的運動都必然在它周圍產(chǎn)生磁場，而納米粒子表面的化學物質(zhì)會對粒子磁場，而納米粒子表面的化學物質(zhì)會對粒子的化學和物理性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。對于納米的化學和物理性質(zhì)產(chǎn)生很大影響。對于納米粒子而言，隨著顆粒的減小，表面原子所占粒子而言，隨著顆粒的減小，表面原子所占比例越來越大，導致表面效應也越來越顯著。比例越來越大，導致表面效應也越來越顯著。由于粒子不完全是球形，使表面的磁性金屬由于粒子不完全是球形，使表面的磁性金屬離子所處化學環(huán)境的對稱度降低，因此粒子離子所處化

11、學環(huán)境的對稱度降低，因此粒子表面層的磁結(jié)構(gòu)往往與內(nèi)部的很不相同。這表面層的磁結(jié)構(gòu)往往與內(nèi)部的很不相同。這些不同可能會導致粒子的磁性能發(fā)生變化。些不同可能會導致粒子的磁性能發(fā)生變化。 9 經(jīng)研究顯示，超順磁性納米顆粒在液體中經(jīng)研究顯示，超順磁性納米顆粒在液體中處于懸浮狀態(tài)，在外加梯度磁場的作用下可被處于懸浮狀態(tài)，在外加梯度磁場的作用下可被磁化而發(fā)生定向移動，在指定部位可以從介質(zhì)磁化而發(fā)生定向移動，在指定部位可以從介質(zhì)中分離出來；而當外加磁場去除后，其又可以中分離出來；而當外加磁場去除后，其又可以重新處于懸浮狀態(tài)，從而具有良好的分散性和重新處于懸浮狀態(tài)，從而具有良好的分散性和可操作性。而磁性分離技

12、術(shù)本身成本低，可操可操作性。而磁性分離技術(shù)本身成本低，可操作性強，因此超順磁性納米材料在機械、電子、作性強，因此超順磁性納米材料在機械、電子、光學、磁學光學、磁學 、化學和生物醫(yī)學等領域有著廣、化學和生物醫(yī)學等領域有著廣泛的應用前景。泛的應用前景。 10四四. .超順磁性納米材料的制備超順磁性納米材料的制備 共沉淀法：共沉淀法： Fe2+Fe2+與與Fe3+Fe3+的可溶性鹽在堿性條件下配成混合水溶的可溶性鹽在堿性條件下配成混合水溶液液, , 于室溫或者加熱條件下將于室溫或者加熱條件下將Fe2+Fe2+和和Fe3+Fe3+共同沉淀出來共同沉淀出來, , 從而制得從而制得FeFe3 3O O4

13、4 磁性納米粒子。常用的磁性納米粒子。常用的Fe3 + /Fe2 +Fe3 + /Fe2 +摩爾摩爾比為比為2, 2, 水解反應的水解反應的pHpH值控制在值控制在9 913 13 之間。其中鐵鹽的之間。其中鐵鹽的種類、種類、Fe2 + Fe2 + 和和Fe3 +Fe3 +的摩爾比、反應溫度、溶液的摩爾比、反應溫度、溶液pHpH值和值和離子濃度等都對磁性納米粒子的粒徑、形狀和成分有著離子濃度等都對磁性納米粒子的粒徑、形狀和成分有著十分明顯的影響。共沉淀法簡便易行十分明顯的影響。共沉淀法簡便易行, , 反應條件溫和反應條件溫和, , 所制備的粒子在水溶液中分散性好。但由于制備過程中所制備的粒子在

14、水溶液中分散性好。但由于制備過程中粒子的成核過程和生長過程受到復雜的水解平衡過程影粒子的成核過程和生長過程受到復雜的水解平衡過程影響響, , 粒子往往形狀不規(guī)則粒子往往形狀不規(guī)則, , 尺寸分布較寬尺寸分布較寬, , 且易發(fā)生團且易發(fā)生團聚聚, , 表面缺乏保護層表面缺乏保護層, , 極易被氧化。極易被氧化。11 高溫分解法：高溫分解法： 高溫分解法是通過在高沸點有機溶劑中熱高溫分解法是通過在高沸點有機溶劑中熱分解有機金屬化合物來制備磁性納米粒子。該分解有機金屬化合物來制備磁性納米粒子。該方法克服了共沉淀法制備磁性納米粒子的缺點方法克服了共沉淀法制備磁性納米粒子的缺點, , 能夠制備出形狀規(guī)則

15、、粒徑均一、單分散的磁能夠制備出形狀規(guī)則、粒徑均一、單分散的磁性納米粒子。有機金屬化合物通常選用乙酰丙性納米粒子。有機金屬化合物通常選用乙酰丙酮類金屬、金屬試劑鹽或羰基鐵化合物等，脂酮類金屬、金屬試劑鹽或羰基鐵化合物等，脂肪酸、油酸和油胺等是常用的表面活性劑。肪酸、油酸和油胺等是常用的表面活性劑。IBMIBM公司的科學家公司的科學家SunSun等使用晶種生長法等使用晶種生長法, , 將乙將乙酰丙酮類金屬在油酸、油胺、高級脂肪醇共存酰丙酮類金屬在油酸、油胺、高級脂肪醇共存的條件下的條件下, , 在高沸點溶劑中加熱回流在高沸點溶劑中加熱回流, , 合成出合成出粒徑粒徑4 420nm20nm、形狀規(guī)

16、則且飽和磁化強度較高、形狀規(guī)則且飽和磁化強度較高的磁性納米粒子的磁性納米粒子12 低溫雙相回流法：低溫雙相回流法： 在最近的研究中在最近的研究中, Gu, Gu等結(jié)合共沉淀等結(jié)合共沉淀法和高溫分解法的優(yōu)點法和高溫分解法的優(yōu)點, , 開發(fā)出低溫雙開發(fā)出低溫雙相回流法相回流法, , 即以即以FeClFeCl2 2 4H 4H2 2O,FeClO,FeCl3 3 6H 6H2 2O, CO, C1818H H3333O O2 2NaNa和和NaOHNaOH為原料為原料, , 在水、乙醇和甲苯的混在水、乙醇和甲苯的混合溶劑中合溶劑中, , 較低溫度下回流后制得較低溫度下回流后制得FeFe3 3O O4

17、 4 磁性納米粒子磁性納米粒子, , 其合成路線見圖。所制其合成路線見圖。所制備的超順磁性備的超順磁性FeFe3 3O O4 4 納米粒子大小均一、納米粒子大小均一、粒徑分布窄、單分散性好。粒徑分布窄、單分散性好。13低溫雙相法制備磁性納米粒子合成路線低溫雙相法制備磁性納米粒子合成路線14 超順磁性納米顆粒的生物合成：超順磁性納米顆粒的生物合成： 目前合成生物相容性磁性納米顆粒的方法目前合成生物相容性磁性納米顆粒的方法有很多，但最常用的合成生物相容有很多，但最常用的合成生物相容FeFe3 3O O4 4磁性磁性納米顆粒的方法為共沉淀法，即將鐵的鹽溶液納米顆粒的方法為共沉淀法，即將鐵的鹽溶液按按

18、1:2(1:2(或或2:3)2:3)的物質(zhì)的量比混合后，沉淀劑為的物質(zhì)的量比混合后，沉淀劑為過量的氨水或過量的氨水或NaOHNaOH等溶液，在恒定的溫度和等溶液，在恒定的溫度和pHpH下，高速攪拌后離心得到沉淀，再將沉淀洗滌、下，高速攪拌后離心得到沉淀，再將沉淀洗滌、干燥，即配制成超順干燥，即配制成超順FeFe3 3O O4 4磁性納米顆粒。共磁性納米顆粒。共沉淀法制備生物相容的納米顆粒，方法簡單，沉淀法制備生物相容的納米顆粒，方法簡單，操作方便。但須嚴格控制影響微粒粒徑和磁學操作方便。但須嚴格控制影響微粒粒徑和磁學性能的因素，提高微粒的磁性及穩(wěn)定性。性能的因素，提高微粒的磁性及穩(wěn)定性。15

19、除了以上幾種常用的制備方除了以上幾種常用的制備方法外法外, , 微乳液法、水熱合成法、微乳液法、水熱合成法、溶膠凝膠法等也是制備磁性納米溶膠凝膠法等也是制備磁性納米粒子的常用方法。粒子的常用方法。 16五五. .超順磁性納米材料的應用超順磁性納米材料的應用 （1 1）磁性密封：）磁性密封： 磁性液體又稱磁流體或鐵磁流體磁性液體又稱磁流體或鐵磁流體, , 具有可通過磁場控具有可通過磁場控制其物理性能的特點，具有液態(tài)載體的流動性、潤滑性以制其物理性能的特點，具有液態(tài)載體的流動性、潤滑性以及密封性。它是由納米級及密封性。它是由納米級(10nm(10nm以下以下) )的強磁性微粒高度彌的強磁性微粒高度

20、彌散于某種液體中所形成的穩(wěn)定的膠體體系?？捎米鳈C械密散于某種液體中所形成的穩(wěn)定的膠體體系?？捎米鳈C械密封的旋轉(zhuǎn)軸密封（動密封），利用磁性液體既是流體又是封的旋轉(zhuǎn)軸密封（動密封），利用磁性液體既是流體又是磁性材料的特點磁性材料的特點, ,可以把它吸附在永久磁鐵或電磁鐵的縫可以把它吸附在永久磁鐵或電磁鐵的縫隙中隙中, ,使兩個相對運動的物體得到密封。形成液體使兩個相對運動的物體得到密封。形成液體O O型環(huán)，型環(huán)，用于精密儀器、精密機械、氣體密封、真空密封、壓力密用于精密儀器、精密機械、氣體密封、真空密封、壓力密封等；動密封應用最廣，可實現(xiàn)零泄漏，具有密封液用量封等；動密封應用最廣，可實現(xiàn)零泄漏，具

21、有密封液用量少、防震、無機械磨損、小磨擦、低功耗、無老化、自潤少、防震、無機械磨損、小磨擦、低功耗、無老化、自潤滑、壽命長、轉(zhuǎn)速適應范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、對軸加工精度滑、壽命長、轉(zhuǎn)速適應范圍寬、結(jié)構(gòu)簡單、對軸加工精度及光潔度要求不高、密封可靠等優(yōu)點。及光潔度要求不高、密封可靠等優(yōu)點。 17 （2 2）磁保?。┐疟＝?： 眾所周知，人體具有生物磁場，人體的每一眾所周知，人體具有生物磁場，人體的每一個細胞都是一個磁微單元，因此外界磁場的變化個細胞都是一個磁微單元，因此外界磁場的變化都會影響人體的生理機能。據(jù)報道可知，磁場對都會影響人體的生理機能。據(jù)報道可知，磁場對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心臟功能、血液成份、血

22、管系人體的神經(jīng)系統(tǒng)、心臟功能、血液成份、血管系統(tǒng)、血脂、血液流變學、免疫功能、內(nèi)分泌功能統(tǒng)、血脂、血液流變學、免疫功能、內(nèi)分泌功能和等具有影響作用。因此，其對人體具有疾病治和等具有影響作用。因此，其對人體具有疾病治療和保健作用?；谶@種原理，我們發(fā)明了納米療和保健作用?；谶@種原理，我們發(fā)明了納米磁性粉體，使添加此種粉體的產(chǎn)品達到調(diào)整人體磁性粉體，使添加此種粉體的產(chǎn)品達到調(diào)整人體機能和提高抗病能力，起到醫(yī)療保健的作用。制機能和提高抗病能力，起到醫(yī)療保健的作用。制得的水基磁性液體穩(wěn)定性很好，放置幾個月仍能得的水基磁性液體穩(wěn)定性很好，放置幾個月仍能均勻分散。因此，可將水基磁性液體作為一種類均勻分散

23、。因此，可將水基磁性液體作為一種類似于磁性顏料易于添加到各種產(chǎn)品中，可廣泛用似于磁性顏料易于添加到各種產(chǎn)品中，可廣泛用于各類化纖、塑料、橡膠等，是保健產(chǎn)品、養(yǎng)生于各類化纖、塑料、橡膠等，是保健產(chǎn)品、養(yǎng)生產(chǎn)品的極佳添加材料。產(chǎn)品的極佳添加材料。 18 磁性納米藥物：磁性納米藥物： Bahadur Bahadur 等首先利用氨基硅烷對等首先利用氨基硅烷對FeFe3 3O O4 4納米顆粒進行包覆以實現(xiàn)其氨基納米顆粒進行包覆以實現(xiàn)其氨基官能化，然后通過官能化，然后通過MichaelMichael加成反應將加成反應將丙烯酸甲酯和精氨酸接枝于納米顆粒丙烯酸甲酯和精氨酸接枝于納米顆粒表面，形成平均粒徑在表

24、面，形成平均粒徑在10nm10nm左右的樹左右的樹枝狀磁性納米顆粒藥物載體。細胞生枝狀磁性納米顆粒藥物載體。細胞生物學測試結(jié)果表明，該樹枝狀磁性納物學測試結(jié)果表明，該樹枝狀磁性納米顆粒本身對細胞無細胞毒性，顯示米顆粒本身對細胞無細胞毒性，顯示出良好的生物相容性。出良好的生物相容性。19 通過靜電相互作用將抗癌藥物鏈霉菌成功結(jié)合通過靜電相互作用將抗癌藥物鏈霉菌成功結(jié)合于該磁性納米顆粒表面，測試結(jié)果表明，在最佳酸于該磁性納米顆粒表面，測試結(jié)果表明，在最佳酸度條件下，藥物分子可以有效得以釋放，且在外加度條件下，藥物分子可以有效得以釋放，且在外加磁場作用下，其藥物釋放效率可以得到極大提高。磁場作用下，其藥物釋放效率可以得到極大提高。20 除以上幾種應用外，利用納米除以上幾種應用外，利用納米FeFe3 3O O4 4粉體的粉體的磁性和深黑顏色，可制作磁記錄材料，高梯度磁性和深黑顏色，可制作磁記錄材料，高梯度磁分離器，微波吸收材料，特種涂料以及靜電磁分離器，微波吸收材料，特種涂料以及靜電復印顯影劑，尤其在醫(yī)藥學中有廣泛應用，如復印顯影劑，尤其在醫(yī)藥學中有廣泛應用，如增強磁共振成像增強磁共振成像(MRI)(MRI)等。等。21六六. .納米材料的未來發(fā)展之路納米材料的未來發(fā)展之路 在