第八講新材料中的化學(xué)

1、材料：是具備有用性能、可用來制造物質(zhì)產(chǎn)品材料：是具備有用性能、可用來制造物質(zhì)產(chǎn)品的物質(zhì)。的物質(zhì)。材料是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。材料與社會文明程度的關(guān)系材料與社會文明程度的關(guān)系一、傳統(tǒng)材料的新開發(fā)一、傳統(tǒng)材料的新開發(fā)1.1.金屬材料金屬材料黑色金屬：鐵、鉻、錳等幾種黑色金屬：鐵、鉻、錳等幾種有色金屬是指除鐵、鉻、錳等幾種黑色金屬之外的有色金屬是指除鐵、鉻、錳等幾種黑色金屬之外的多種金屬的統(tǒng)稱。在自然界元素中，有色金屬占多種金屬的統(tǒng)稱。在自然界元素中，有色金屬占6464種，是元素周期表中最龐大的種，是元素周期表中最龐大的“家族家族”。重金屬與輕金屬

2、重金屬與輕金屬貴金屬與稀有金屬貴金屬與稀有金屬鈦及其合金鈦及其合金在地殼中約占總重量的0.42%,在金屬世界里排行第七,含鈦的礦物多達(dá)70多種、在海水中含量是1ug/L，在海底結(jié)核中也含有大量的鈦。鈦的抗腐蝕能力，比常用的不銹鋼強(qiáng)15倍,使用壽命比不銹鋼長10倍以上。鈦是鈦是“親生物金屬親生物金屬”。應(yīng)。應(yīng)用于膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肋用于膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肋關(guān)節(jié)、頭蓋骨、主動心瓣、關(guān)節(jié)、頭蓋骨、主動心瓣、骨骼固定夾等方面。骨骼固定夾等方面。二氧比鈦是一種寶貴的白二氧比鈦是一種寶貴的白色顏料，叫鈦白。鈦白兼色顏料，叫鈦白。鈦白兼有鉛白的掩蓋性能和鋅白有鉛白的掩蓋性能和鋅白的持久性能，它是世界上的持久性能

3、，它是世界上最白的物質(zhì)之一，最白的物質(zhì)之一，1克鈦克鈦白可以把白可以把450多平方厘米多平方厘米的面積涂得雪白。特別可的面積涂得雪白。特別可貴的是鈦白無毒。貴的是鈦白無毒?！扳侊w機(jī)鈦飛機(jī)”可以減輕機(jī)體可以減輕機(jī)體重量重量5噸，多載乘客噸，多載乘客100多名。在新型噴氣多名。在新型噴氣發(fā)動機(jī)中，鈦合金已占發(fā)動機(jī)中，鈦合金已占整個(gè)發(fā)動機(jī)重量的整個(gè)發(fā)動機(jī)重量的1825；在最新出現(xiàn)的超；在最新出現(xiàn)的超音速飛機(jī)上，鈦的使用音速飛機(jī)上，鈦的使用量幾乎占到整個(gè)機(jī)體結(jié)量幾乎占到整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)總重量的構(gòu)總重量的95鈦潛艇可以下潛到鈦潛艇可以下潛到4500米以下，用米以下，用鈦制造軍艦、輪船，鈦制造軍艦、輪船，不用

4、涂漆，在海水不用涂漆，在海水中航行幾年也不會中航行幾年也不會生銹。由于鈦不是生銹。由于鈦不是鐵磁體物質(zhì)，不會鐵磁體物質(zhì)，不會被磁水雷發(fā)現(xiàn)。被磁水雷發(fā)現(xiàn)。2.2.無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料陶瓷是人類最早利用的材料，由陶瓷是人類最早利用的材料，由粘土、石英、長石等礦物原料配制而成。從粘土、石英、長石等礦物原料配制而成。從陶器發(fā)展到瓷器是第一次飛躍，從傳統(tǒng)陶瓷陶器發(fā)展到瓷器是第一次飛躍，從傳統(tǒng)陶瓷到先進(jìn)陶瓷是第二次飛躍。從先進(jìn)陶瓷到納到先進(jìn)陶瓷是第二次飛躍。從先進(jìn)陶瓷到納米陶瓷是第三次飛躍。陶瓷材料優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度米陶瓷是第三次飛躍。陶瓷材料優(yōu)點(diǎn)是強(qiáng)度高，收縮小，機(jī)械性能好；耐各種酸堿腐蝕，高，收縮小，

5、機(jī)械性能好；耐各種酸堿腐蝕，耐高溫，耐輻射，抗氧化。致命缺點(diǎn)是易脆耐高溫，耐輻射，抗氧化。致命缺點(diǎn)是易脆性。性。 陶瓷防彈板 以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物為以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物為主要原料，改進(jìn)和發(fā)展傳統(tǒng)陶瓷工藝而獲得主要原料，改進(jìn)和發(fā)展傳統(tǒng)陶瓷工藝而獲得的新型陶瓷材料。由于特種陶瓷的強(qiáng)度和韌的新型陶瓷材料。由于特種陶瓷的強(qiáng)度和韌性都有大幅度提高，克服了傳統(tǒng)陶瓷性脆易性都有大幅度提高，克服了傳統(tǒng)陶瓷性脆易碎的弱點(diǎn)，已成為受到普遍重視的一種重要碎的弱點(diǎn)，已成為受到普遍重視的一種重要的新型工程材料。的新型工程材料。 這種陶瓷在國外又稱工這種陶瓷在國外又稱工程陶瓷、精密陶瓷或結(jié)

6、構(gòu)陶瓷。按應(yīng)用和發(fā)程陶瓷、精密陶瓷或結(jié)構(gòu)陶瓷。按應(yīng)用和發(fā)展大致可分為高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電工電子展大致可分為高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、電工電子特種功能陶瓷兩大類。特種功能陶瓷兩大類。 一種長度單位，一納米一種長度單位，一納米等于十億分之一米，千分等于十億分之一米，千分之一微米。大約是三、四之一微米。大約是三、四個(gè)原子的寬度。個(gè)原子的寬度。 1. 1.納米（納米（nanometernanometer，nmnm）納米材料納米材料2.納米科學(xué)技術(shù)（納米科學(xué)技術(shù)（nanotechnology） n是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。 n納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)

7、為納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物。術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物。n納米科學(xué)技術(shù)將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，納米科學(xué)技術(shù)將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等。例如納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等。 n3.納米技術(shù)發(fā)展歷程納米技術(shù)發(fā)展歷程 n著名的諾貝爾獎獲得者著名的諾貝爾獎獲得者Feyneman在

8、在60年代年代就預(yù)言，如果對物體微小規(guī)模上的排列加以就預(yù)言，如果對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量的異乎尋某種控制的話，物體就能得到大量的異乎尋常的特性。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材常的特性。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。料。n1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工 n1982年，科學(xué)家葛年，科學(xué)家葛.賓尼和海賓尼和海.羅雷爾發(fā)明研羅雷爾發(fā)明研究納米的重要工具究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡（簡稱掃描隧道顯微鏡（簡稱為為STM），為我們揭示一個(gè)可見的原子、分），為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界

9、，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用作用n1990年年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生的正式誕生 n19911991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的1010倍，成為倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也

10、將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等以及納米級電子線路等 n19931993年，繼年，繼19891989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、下斯坦福大學(xué)英文名字、19901990年美國國年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用際商用機(jī)器公司在鎳表面用3636個(gè)氙原子排出個(gè)氙原子排出“IBM”IBM”之后，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室之后，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出自如地操縱原子成功寫出“中國中國”二字，標(biāo)志二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地著我國開始在國際納米科技

11、領(lǐng)域占有一席之地 1990年，年，IBM公公司的科學(xué)家在金屬司的科學(xué)家在金屬鎳表面用鎳表面用35個(gè)惰個(gè)惰性氣體氙原子組成性氣體氙原子組成“IBM”三個(gè)英文三個(gè)英文字母。意味著人類字母。意味著人類從此可以對原子進(jìn)從此可以對原子進(jìn)行操縱！行操縱！這是中國科學(xué)這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科院化學(xué)所的科技人員利用納技人員利用納米加工技術(shù)在米加工技術(shù)在石墨表面通過石墨表面通過搬遷碳原子而搬遷碳原子而繪制出的世界繪制出的世界上最小的中國上最小的中國地圖。地圖。n1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術(shù)可望在移動單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研年后研制成

12、功速度和存儲容量比現(xiàn)在提高成千上萬制成功速度和存儲容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)；倍的量子計(jì)算機(jī)；n1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行碳納米年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行碳納米管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤秤”，它能，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的能稱量單個(gè)原子重量的“秤秤”，打破了美國，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。 納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)，為克納米材料從根本上改變了材料的結(jié)

13、構(gòu)，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題開辟了新途徑。其性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)開辟了新途徑。其性質(zhì)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：方面：一、表面效應(yīng)一、表面效應(yīng) 二、小尺寸效應(yīng)二、小尺寸效應(yīng) 三、宏觀量子隧道效應(yīng)三、宏觀量子隧道效應(yīng) 4.納米材料的性質(zhì)納米材料的性質(zhì)對直徑大于對直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于略不計(jì)，當(dāng)尺寸小于 0.1微米時(shí)，其表面微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚至原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚至1克超微顆?？顺㈩w粒表面積的總和可高達(dá)表面積的總和可高達(dá)100m2，這時(shí)的表面，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。

14、效應(yīng)將不容忽略。 一、表面效應(yīng)一、表面效應(yīng)超微顆粒的表面具有很高的活性，在超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望化。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。及低熔點(diǎn)材料。 二、小尺寸效應(yīng)二、小尺寸效應(yīng)n由于顆粒尺寸變小所引起的宏

15、觀物理由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。性質(zhì)。 n（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì) n所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。由所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等利用這個(gè)特性可以作為

16、高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅電能。此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。外隱身技術(shù)等。 （2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì)n固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于于10納米量級時(shí)尤為顯著。納米量級時(shí)尤為顯著。n金的常規(guī)熔點(diǎn)為金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小，當(dāng)顆粒尺寸減小2納米納米尺寸時(shí)，熔點(diǎn)僅為尺寸時(shí)，熔點(diǎn)僅為327左右；銀的

17、常規(guī)熔點(diǎn)為左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。 n超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至?xí)r元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力例下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力例如，在鎢顆粒中附加如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微重量比的超微鎳顆粒后

18、，可使燒結(jié)溫度從鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。大功率半導(dǎo)體管的基片。 （3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì)特殊的磁學(xué)性質(zhì) n小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。已將磁

19、性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。n（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)）特殊的力學(xué)性質(zhì)n納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性 n超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。5.納米材料的應(yīng)用納米材料的應(yīng)用 n在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用 n納米陶瓷能克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金納米陶瓷能克服陶瓷

20、材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專家認(rèn)為，如能屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、術(shù)問題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。易加工等優(yōu)點(diǎn)。 n例如納米例如納米ZnO可不經(jīng)磨碎直接用于陶瓷行業(yè)，可不經(jīng)磨碎直接用于陶瓷行業(yè)，并使陶瓷制品的燒結(jié)溫度降低并使陶瓷制品的燒結(jié)溫度降低400600，燒，燒成品光亮如鏡，減少了生產(chǎn)工序，降低了能耗。成品光亮如鏡，減少了生產(chǎn)工序，降低了能耗。加有納米加有納米ZnO的陶瓷制品具有抗菌

21、除臭和分解的陶瓷制品具有抗菌除臭和分解有機(jī)物的自潔作用，任何粘污在表面上的物質(zhì)，有機(jī)物的自潔作用，任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細(xì)菌在光的照射下，由納米的催化包括油污、細(xì)菌在光的照射下，由納米的催化作用，可以變成氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)，作用，可以變成氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)，大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。大大提高了產(chǎn)品質(zhì)量。在電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)中的應(yīng)用在電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)中的應(yīng)用 n在信息技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)在普遍使用的數(shù)據(jù)處理和在信息技術(shù)領(lǐng)域，現(xiàn)在普遍使用的數(shù)據(jù)處理和存儲技術(shù)即將達(dá)到最終極限。為獲得更強(qiáng)大的存儲技術(shù)即將達(dá)到最終極限。為獲得更強(qiáng)大的信息處理能力，人們正在開發(fā)信息處理能力，人們正在開發(fā)D

22、NA計(jì)算機(jī)和量計(jì)算機(jī)和量子計(jì)算機(jī)，而制造這兩種計(jì)算機(jī)都需要有控制子計(jì)算機(jī)，而制造這兩種計(jì)算機(jī)都需要有控制單個(gè)分子和原子的技術(shù)能力。單個(gè)分子和原子的技術(shù)能力。n納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實(shí)并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學(xué)將成為子學(xué)將成為21世紀(jì)信息時(shí)代的核心。世紀(jì)信息時(shí)代的核心。在紡織工業(yè)中的應(yīng)用在紡織工業(yè)中的應(yīng)用 在合成纖維樹脂中添加

23、納米在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米、納米ZnO、納米、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。采用納米抗紫外線輻射的功能纖維。采用納米ZnO和和SiO2混混合消臭劑的除臭纖維，能吸收臭味凈化空氣，可用合消臭劑的除臭纖維，能吸收臭味凈化空氣，可用于制造長期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、尿于制造長期臥床病人和醫(yī)院的消臭敷料、繃帶、尿布、睡衣

24、、窗簾及廁所用紡織品等。布、睡衣、窗簾及廁所用紡織品等。n將將ZnO微粉摻入異形截面的聚酯纖維或長絲中，微粉摻入異形截面的聚酯纖維或長絲中，可制成防紫外線纖維，除具有屏蔽紫外線的功可制成防紫外線纖維，除具有屏蔽紫外線的功能外，還有抗菌、消毒、除臭的奇異功能。除能外，還有抗菌、消毒、除臭的奇異功能。除用于制造手術(shù)服、護(hù)士服外，還可制造內(nèi)衣、用于制造手術(shù)服、護(hù)士服外，還可制造內(nèi)衣、外裝、鞋、帽、襪、浴巾、帳蓬、日光傘、夏外裝、鞋、帽、襪、浴巾、帳蓬、日光傘、夏日裝、農(nóng)用工作服、運(yùn)動服等。日裝、農(nóng)用工作服、運(yùn)動服等。n在化妝品中的應(yīng)用在化妝品中的應(yīng)用 n納米納米ZnO在陽光，尤其在紫外線照射下，能把

25、大多在陽光，尤其在紫外線照射下，能把大多數(shù)病菌和病毒殺死。據(jù)有關(guān)單位對納米數(shù)病菌和病毒殺死。據(jù)有關(guān)單位對納米ZnO的定量的定量殺菌試驗(yàn)，在殺菌試驗(yàn)，在5min內(nèi)納米內(nèi)納米ZnO的濃度為的濃度為1%時(shí)，時(shí)，金黃色葡萄球菌的殺菌率為金黃色葡萄球菌的殺菌率為98.86%，大腸桿菌的，大腸桿菌的殺菌率為殺菌率為99.93%。所以在化妝品中添加納米。所以在化妝品中添加納米ZnO，既能屏蔽紫外線防曬，又能抗菌除臭。既能屏蔽紫外線防曬，又能抗菌除臭。 n近年來諸如納米近年來諸如納米ZnO、TiO2和氧化鐵紅等一批和氧化鐵紅等一批無機(jī)粉體的防曬劑倍受青睞，因?yàn)樗鼈儫o毒、無機(jī)粉體的防曬劑倍受青睞，因?yàn)樗鼈儫o毒、

26、無味、對皮膚無刺激性，不分解、不變質(zhì)、熱無味、對皮膚無刺激性，不分解、不變質(zhì)、熱穩(wěn)定性好，且納米穩(wěn)定性好，且納米ZnO本身為白色，可以簡單本身為白色，可以簡單地加以著色，價(jià)格便宜，吸收紫外線能力強(qiáng)，地加以著色，價(jià)格便宜，吸收紫外線能力強(qiáng)，對對UVA（長波（長波320400nm）和）和UVB（中波（中波280320nm）均有屏蔽作用，因而得到廣泛）均有屏蔽作用，因而得到廣泛使用。使用。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 n用納米技術(shù)制造的微型機(jī)器人，可讓它安全地進(jìn)用納米技術(shù)制造的微型機(jī)器人，可讓它安全地進(jìn)入人體內(nèi)對健康狀況進(jìn)行檢測，必要時(shí)還可用它入人體內(nèi)對健康狀況進(jìn)行檢測，必要時(shí)還可用它直接進(jìn)行治療；

27、用納米技術(shù)制造的直接進(jìn)行治療；用納米技術(shù)制造的“芯片實(shí)驗(yàn)室芯片實(shí)驗(yàn)室”可對血液和病毒進(jìn)行檢測，幾分鐘即可獲得檢測可對血液和病毒進(jìn)行檢測，幾分鐘即可獲得檢測結(jié)果；結(jié)果；n科學(xué)家還可以用納米材料開發(fā)出一種新型藥物科學(xué)家還可以用納米材料開發(fā)出一種新型藥物輸送系統(tǒng)，這種輸送系統(tǒng)是由一種內(nèi)含藥物的輸送系統(tǒng)，這種輸送系統(tǒng)是由一種內(nèi)含藥物的納米球組成的，這種納米球外面有一種保護(hù)性納米球組成的，這種納米球外面有一種保護(hù)性涂層，可在血液中循環(huán)而不會受到人體免疫系涂層，可在血液中循環(huán)而不會受到人體免疫系統(tǒng)的攻擊，如果使其具備識別癌細(xì)胞的能力，統(tǒng)的攻擊，如果使其具備識別癌細(xì)胞的能力，它就可直接將藥物送到癌變部位，而

28、不會對健它就可直接將藥物送到癌變部位，而不會對健康組織造成損害?？到M織造成損害。 n科研人員已經(jīng)成功利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分科研人員已經(jīng)成功利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。少副作用等。n另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，現(xiàn)在已用于臨床動物實(shí)經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，現(xiàn)在已用于臨床動物實(shí)驗(yàn)，估計(jì)不久的將來即可服務(wù)于人類。驗(yàn)，估計(jì)不久的將來即可服務(wù)于人類。 研究納研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生

29、物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療。各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療。 n科學(xué)家幻想的人體中的血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一科學(xué)家幻想的人體中的血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一起的情景。我們知道人體中紅血球的重要功能之起的情景。我們知道人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個(gè)部分輸送氧分子，因?yàn)槿绻硪皇窍蛏眢w的各個(gè)部分輸送氧分子，因?yàn)槿绻眢w的某些部分缺氧，那部分就會感到疲勞

30、。畫中體的某些部分缺氧，那部分就會感到疲勞。畫中的藍(lán)色小球稱為呼吸者，它們不僅具有比紅血球的藍(lán)色小球稱為呼吸者，它們不僅具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，而且本身裝有納米攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，而且本身裝有納米計(jì)算機(jī)、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時(shí)計(jì)算機(jī)、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時(shí)將無用的二氧化碳帶走。將無用的二氧化碳帶走。n畫家筆下的一種納米仿生術(shù)機(jī)器人。這種稱為游畫家筆下的一種納米仿生術(shù)機(jī)器人。這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)等工作。胞修復(fù)等工作。 n描述的是一個(gè)納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積描述的是一

31、個(gè)納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的物。由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，它們可以游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。開胸手術(shù)。 在軍事中的應(yīng)用在軍事中的應(yīng)用 n雷達(dá)波吸收材料（簡稱吸波材料）系指能有效地吸雷達(dá)波吸收材料（簡稱吸波材料）系指能有效地吸收入射雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能材料。吸收入射雷達(dá)波并使其散射衰減的一類功能材料。吸波材料的研究在國防上具有重大的意義，這種波材料的研究在國防上具有重大的意

32、義，這種“隱隱身材料身材料”的發(fā)展和應(yīng)用，是提高武器系統(tǒng)生存和突的發(fā)展和應(yīng)用，是提高武器系統(tǒng)生存和突防能力的有效手段。納米微粉是一種非常有發(fā)展前防能力的有效手段。納米微粉是一種非常有發(fā)展前途的新型軍用雷達(dá)波吸收劑。途的新型軍用雷達(dá)波吸收劑。n納米金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏納米金屬氧化物由于質(zhì)量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而成為吸波材色淺、吸波能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而成為吸波材料研究的熱點(diǎn)之一。將納米涂料涂在飛機(jī)料研究的熱點(diǎn)之一。將納米涂料涂在飛機(jī)上就可以制造出隱形飛機(jī)。上就可以制造出隱形飛機(jī)。 在家電中的應(yīng)用在家電中的應(yīng)用 n用納米材料制成的納米多功能塑料，具有抗用納米材料制成的納米多

33、功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，用作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。用作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。例如江西恒大高新技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司和有關(guān)例如江西恒大高新技術(shù)實(shí)業(yè)有限公司和有關(guān)科研單位合作開發(fā)成功并投產(chǎn)一種只有一張科研單位合作開發(fā)成功并投產(chǎn)一種只有一張IC卡大小并且具有抗菌、除臭、保鮮功能的卡大小并且具有抗菌、除臭、保鮮功能的星河納米電冰箱衛(wèi)生卡。星河納米電冰箱衛(wèi)生卡。n據(jù)介紹，這一新品內(nèi)含金屬和非金屬納米據(jù)介紹，這一新品內(nèi)含金屬和非金屬納米材料，采用廣譜長效的無機(jī)物殺菌原理，材料，采用廣譜長效的無機(jī)物殺菌原理，可殺死電冰

34、箱內(nèi)的多數(shù)細(xì)菌，且對人體無可殺死電冰箱內(nèi)的多數(shù)細(xì)菌，且對人體無害。它以極大的表面積大量吸附有機(jī)分子，害。它以極大的表面積大量吸附有機(jī)分子，使這些分子迅速在表面催化分解，產(chǎn)生長使這些分子迅速在表面催化分解，產(chǎn)生長效除去電冰箱的異味。效除去電冰箱的異味。 n將一定量的超細(xì)將一定量的超細(xì)ZnO、Ca(OH)2、AgNO3等加入磷酸鹽溶液中，經(jīng)混合、干燥、粉等加入磷酸鹽溶液中，經(jīng)混合、干燥、粉碎等再制成涂層涂于電話機(jī)、微機(jī)上，有碎等再制成涂層涂于電話機(jī)、微機(jī)上，有很好的抗菌性能。很好的抗菌性能。 n彩電等家電一般都是黑色，被稱為黑色家彩電等家電一般都是黑色，被稱為黑色家電，這是因材料中需加入炭黑進(jìn)行靜

35、電屏電，這是因材料中需加入炭黑進(jìn)行靜電屏蔽。而利用納米技術(shù)，已研制出可靜電屏蔽。而利用納米技術(shù)，已研制出可靜電屏蔽的納米涂料，通過控制納米微粒的種類，蔽的納米涂料，通過控制納米微粒的種類，人們可進(jìn)而控制涂料顏色，黑色家電將變?nèi)藗兛蛇M(jìn)而控制涂料顏色，黑色家電將變成彩色家電。成彩色家電。 在玻璃等建筑材料中的應(yīng)用在玻璃等建筑材料中的應(yīng)用 n添加納米添加納米ZnO的玻璃可抗紫外線、耐磨、的玻璃可抗紫外線、耐磨、抗菌和除臭，可用作汽車玻璃和建筑用?？咕统?，可用作汽車玻璃和建筑用玻璃。璃。 n在玻璃表面涂一層滲有納米在玻璃表面涂一層滲有納米TiO2的涂料，的涂料，普通玻璃馬上變成具有自己清潔功能的普

36、通玻璃馬上變成具有自己清潔功能的“自潔玻璃自潔玻璃”，無需人工擦洗。，無需人工擦洗。n例如由長春新世紀(jì)納米技術(shù)研究所研制成例如由長春新世紀(jì)納米技術(shù)研究所研制成功的功的“納米自潔凈玻璃納米自潔凈玻璃”是應(yīng)用高科技納是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價(jià)格比預(yù)計(jì)為通玻璃的價(jià)格比預(yù)計(jì)為1.5：1。 國家大劇院采用自清潔玻璃國家大劇

37、院采用自清潔玻璃 n在石膏中摻入納米在石膏中摻入納米ZnO及金屬過氧化物粒及金屬過氧化物粒子后，可制得色彩鮮艷、不易褪色的石膏子后，可制得色彩鮮艷、不易褪色的石膏產(chǎn)品，具有優(yōu)異的抗菌性能，適用于建筑產(chǎn)品，具有優(yōu)異的抗菌性能，適用于建筑材料和裝飾材料。材料和裝飾材料。 描述的是兩描述的是兩種不同的分種不同的分子在分子間子在分子間作用力的作作用力的作用下在溶液用下在溶液中自組裝的中自組裝的情形。由于情形。由于納米機(jī)械尺納米機(jī)械尺寸非常小，寸非常小，必須具有自必須具有自組裝、自我組裝、自我復(fù)制等功能。復(fù)制等功能。 6. 碳納米管碳納米管 n碳納米管是由碳碳納米管是由碳60分子經(jīng)加工形成的一種分子經(jīng)加

38、工形成的一種直徑只有幾納米的微型管，是納米材料研究的直徑只有幾納米的微型管，是納米材料研究的重點(diǎn)之一。重點(diǎn)之一。n與其它材料相比，碳納米管具有特殊的機(jī)械、與其它材料相比，碳納米管具有特殊的機(jī)械、電子和化學(xué)性能：它的強(qiáng)度比鋼高電子和化學(xué)性能：它的強(qiáng)度比鋼高100倍，但倍，但是重量只有鋼的六分之一；它的導(dǎo)電性十分怪是重量只有鋼的六分之一；它的導(dǎo)電性十分怪異，不同結(jié)構(gòu)碳納米管的導(dǎo)電性可能呈現(xiàn)良導(dǎo)異，不同結(jié)構(gòu)碳納米管的導(dǎo)電性可能呈現(xiàn)良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、甚至絕緣體。體、半導(dǎo)體、甚至絕緣體。n因此碳納米管可制成具有導(dǎo)體、半導(dǎo)體或因此碳納米管可制成具有導(dǎo)體、半導(dǎo)體或絕緣體特性的高強(qiáng)度纖維，在傳感器、鋰絕緣體特性

39、的高強(qiáng)度纖維，在傳感器、鋰離子電池、場發(fā)射顯示、增強(qiáng)復(fù)合材料等離子電池、場發(fā)射顯示、增強(qiáng)復(fù)合材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，也可能成為納米級領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景，也可能成為納米級印刷電路的材料，因而受到工業(yè)界的普遍印刷電路的材料，因而受到工業(yè)界的普遍重視。目前，碳納米管雖仍處于研究階段，重視。目前，碳納米管雖仍處于研究階段，但許多研究成果已顯示出良好的應(yīng)用前景。但許多研究成果已顯示出良好的應(yīng)用前景。 n在在 1985 年，克羅托年，克羅托 (Kroto) 說服一位美國說服一位美國同事里克同事里克斯莫爾斯莫爾 (Rick Smalley) 合作研究了合作研究了一個(gè)項(xiàng)目，目的是在試驗(yàn)室條件下對紅巨星的一個(gè)

40、項(xiàng)目，目的是在試驗(yàn)室條件下對紅巨星的狀況進(jìn)狀況進(jìn) 行模擬。但在實(shí)驗(yàn)中意外的發(fā)現(xiàn)了行模擬。但在實(shí)驗(yàn)中意外的發(fā)現(xiàn)了C-60存在存在 。nC-60因其結(jié)構(gòu)上的對稱性，在當(dāng)時(shí)，這種對因其結(jié)構(gòu)上的對稱性，在當(dāng)時(shí)，這種對稱性在建筑師布克敏斯特稱性在建筑師布克敏斯特富勒富勒 (Buckminster Fuller) 的某些建筑物中體現(xiàn)得十分明顯。的某些建筑物中體現(xiàn)得十分明顯。n因此，科學(xué)家將此分子命名為布克敏斯因此，科學(xué)家將此分子命名為布克敏斯特特富勒分子。布克敏斯特富勒分子。布克敏斯特富勒分子常富勒分子常被簡化為富勒分子或布基球。研究小組將被簡化為富勒分子或布基球。研究小組將結(jié)論發(fā)表在著名的刊物結(jié)論發(fā)表在

41、著名的刊物自然自然（Nature）雜志上。該分子的對稱性結(jié)構(gòu)只是一種假雜志上。該分子的對稱性結(jié)構(gòu)只是一種假設(shè)，人們有必要搜集直接的幾何學(xué)證據(jù)來設(shè)，人們有必要搜集直接的幾何學(xué)證據(jù)來證實(shí)此結(jié)論是完全正確的。證實(shí)此結(jié)論是完全正確的。 n克羅托克羅托 (Kroto)回到英國后嘗試通過某種方回到英國后嘗試通過某種方法來制備足夠量的法來制備足夠量的 C-60，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。，以進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。但是，還沒等但是，還沒等Kroto將其新的研究發(fā)現(xiàn)詳細(xì)記將其新的研究發(fā)現(xiàn)詳細(xì)記錄下來，錄下來，Kroto就收到一份傳真，請他為就收到一份傳真，請他為（Nature）雜志審核一篇由一德）雜志審核一篇由一德/美研究小組美

42、研究小組撰寫的論文。該小組的沃爾夫?qū)珜懙恼撐?。該小組的沃爾夫?qū)迫鹚鼓獱柨迫鹚鼓獱?和唐和唐霍夫曼霍夫曼 已成功地用碳弧法產(chǎn)生已成功地用碳弧法產(chǎn)生 C-60，并將并將 C-60晶體化通過晶體化通過 X 射線確定了它的結(jié)構(gòu)。射線確定了它的結(jié)構(gòu)。令令 Kroto 感到沮喪的是，這篇論文恰好包含感到沮喪的是，這篇論文恰好包含了他希望親自發(fā)現(xiàn)的結(jié)論！了他希望親自發(fā)現(xiàn)的結(jié)論！n當(dāng)把碳弧的電源由交流電改為直流電時(shí)，當(dāng)把碳弧的電源由交流電改為直流電時(shí)，在其中一種電極沉積物中發(fā)現(xiàn)了奇特的管在其中一種電極沉積物中發(fā)現(xiàn)了奇特的管狀結(jié)構(gòu)。這些管狀分子完全由碳構(gòu)成，因狀結(jié)構(gòu)。這些管狀分子完全由碳構(gòu)成，因?yàn)楣軓街挥袔?/p>

43、毫微米長，因此，它們被命為管徑只有幾毫微米長，因此，它們被命名為納米管。它們是由一位日本科學(xué)家飯名為納米管。它們是由一位日本科學(xué)家飯島澄男（島澄男（Sumio Iijima）在）在 1991 年首年首次發(fā)現(xiàn)并公布的。次發(fā)現(xiàn)并公布的。 通過電子顯微鏡觀察到的納米管 電子顯微鏡下的納米碳管(左)與納米碳管墻 n碳納米管制作的納米齒輪模型。納米齒輪碳納米管制作的納米齒輪模型。納米齒輪上的原子清晰可見上的原子清晰可見 n1991年被人類發(fā)現(xiàn)的碳納米管，是由石墨碳原子層年被人類發(fā)現(xiàn)的碳納米管，是由石墨碳原子層卷曲而成的碳管，管直徑一般為幾個(gè)納米到幾十個(gè)卷曲而成的碳管，管直徑一般為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，管

44、壁厚度僅為幾個(gè)納米，像鐵絲網(wǎng)卷成的一納米，管壁厚度僅為幾個(gè)納米，像鐵絲網(wǎng)卷成的一個(gè)空心圓柱狀個(gè)空心圓柱狀“籠形管籠形管”。它非常微小，。它非常微小，5萬個(gè)并萬個(gè)并排起來才有人的一根頭發(fā)絲寬，實(shí)際上是長度和直排起來才有人的一根頭發(fā)絲寬，實(shí)際上是長度和直徑之比很高的纖維。因此碳納米管徑之比很高的纖維。因此碳納米管實(shí)際上和金剛石、實(shí)際上和金剛石、石墨同屬于一個(gè)家族。石墨同屬于一個(gè)家族。 碳星（紅巨星）碳星（紅巨星） n1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性；導(dǎo)電性；1995年，科學(xué)家研

45、究并證實(shí)了其年，科學(xué)家研究并證實(shí)了其優(yōu)良的場發(fā)射性能；優(yōu)良的場發(fā)射性能；1996年，我國科學(xué)家年，我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長；實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長；1998年，年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；1998年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體管；作的場效應(yīng)晶體管；1999年，韓國一個(gè)研年，韓國一個(gè)研究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；n2000年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳納年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳納米管場發(fā)射顯示器樣管。米管場發(fā)射顯示器樣管。 n近年來，我國科

46、學(xué)家不僅在世界上合成出近年來，我國科學(xué)家不僅在世界上合成出最長的碳納米管，而且加緊了碳納米管的最長的碳納米管，而且加緊了碳納米管的應(yīng)用研究，研制出具備良好儲氫性能的碳應(yīng)用研究，研制出具備良好儲氫性能的碳納米管和具備初步顯示功能的碳納米管顯納米管和具備初步顯示功能的碳納米管顯示器，并在利用其電子發(fā)射性能研制發(fā)光示器，并在利用其電子發(fā)射性能研制發(fā)光器件。器件。 目前，國際上出現(xiàn)了目前，國際上出現(xiàn)了“納米熱納米熱”，美、日、歐，美、日、歐各國都在爭奪納米科技制高點(diǎn)。美國制定了納各國都在爭奪納米科技制高點(diǎn)。美國制定了納米技術(shù)戰(zhàn)略。它與米技術(shù)戰(zhàn)略。它與21世紀(jì)信息技術(shù)戰(zhàn)略并列世紀(jì)信息技術(shù)戰(zhàn)略并列為最優(yōu)先

47、研究開發(fā)的重點(diǎn)。日本政府在其為最優(yōu)先研究開發(fā)的重點(diǎn)。日本政府在其“2001年度科學(xué)技術(shù)振興重點(diǎn)指針年度科學(xué)技術(shù)振興重點(diǎn)指針”中，把中，把納米技術(shù)列為重點(diǎn)，并成立了專門機(jī)構(gòu)。納米技術(shù)列為重點(diǎn)，并成立了專門機(jī)構(gòu)。超導(dǎo)體超導(dǎo)體(Superconductor)是一種導(dǎo)電性較是一種導(dǎo)電性較一般導(dǎo)體更佳的一般導(dǎo)體更佳的”超級導(dǎo)體超級導(dǎo)體”。當(dāng)溫度低于。當(dāng)溫度低于其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度其超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度(或稱臨界溫度或稱臨界溫度)Critical Temperature ,Tc時(shí)，它具有以下兩種特時(shí)，它具有以下兩種特性性 零電阻以及反磁性。零電阻以及反磁性。超導(dǎo)體超導(dǎo)體超導(dǎo)體的導(dǎo)電現(xiàn)象則與一般導(dǎo)體不同。當(dāng)溫度超導(dǎo)體的導(dǎo)

48、電現(xiàn)象則與一般導(dǎo)體不同。當(dāng)溫度高于其高于其TcTc時(shí)，超導(dǎo)體表現(xiàn)出一般導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，超導(dǎo)體表現(xiàn)出一般導(dǎo)體或半導(dǎo)體之特性，此時(shí)仍有電阻產(chǎn)生；但溫度降至之特性，此時(shí)仍有電阻產(chǎn)生；但溫度降至T Tc c以以下時(shí)，電子在結(jié)構(gòu)中運(yùn)動完全不會受到晶格之下時(shí)，電子在結(jié)構(gòu)中運(yùn)動完全不會受到晶格之影響，亦即電阻完全消失，此種現(xiàn)象即稱為零影響，亦即電阻完全消失，此種現(xiàn)象即稱為零電阻。將超導(dǎo)體冷卻到某一電阻。將超導(dǎo)體冷卻到某一臨界溫度（臨界溫度（TcTc）以以下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的下時(shí)電阻突然降為零的現(xiàn)象稱為超導(dǎo)體的零電零電阻現(xiàn)象阻現(xiàn)象。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。不同超導(dǎo)體的臨界溫度各不相同。

49、反磁性反磁性（邁斯納效應(yīng)）（邁斯納效應(yīng)） n超導(dǎo)體在溫度高于其超導(dǎo)體在溫度高于其T Tc c時(shí)，其外加磁場可自由穿時(shí)，其外加磁場可自由穿過其內(nèi)部，亦即超導(dǎo)體內(nèi)過其內(nèi)部，亦即超導(dǎo)體內(nèi)部可有磁場存在；但溫度部可有磁場存在；但溫度低于低于T Tc c時(shí)，則超導(dǎo)體內(nèi)之時(shí)，則超導(dǎo)體內(nèi)之磁場便全被排出其內(nèi)部，磁場便全被排出其內(nèi)部，成為一零磁場狀態(tài)，即為成為一零磁場狀態(tài)，即為反磁性反磁性。MeissnerMeissner于于19331933年發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，故稱為年發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，故稱為MeissnerMeissner效應(yīng)效應(yīng) 即當(dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌串?dāng)超導(dǎo)體冷卻到臨界溫度以下而轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)后，只要

50、周圍的外加磁場沒有強(qiáng)到破壞導(dǎo)態(tài)后，只要周圍的外加磁場沒有強(qiáng)到破壞超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的超導(dǎo)性的程度，超導(dǎo)體就會把穿透到體內(nèi)的磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保磁力線完全排斥出體外，在超導(dǎo)體內(nèi)永遠(yuǎn)保持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。該效應(yīng)可用一個(gè)試驗(yàn)來持磁感應(yīng)強(qiáng)度為零。該效應(yīng)可用一個(gè)試驗(yàn)來演示：一塊永磁體可以使浸泡在液氮中的超演示：一塊永磁體可以使浸泡在液氮中的超導(dǎo)體懸浮起來。只有當(dāng)磁場較小時(shí)才會出現(xiàn)導(dǎo)體懸浮起來。只有當(dāng)磁場較小時(shí)才會出現(xiàn)麥斯納效應(yīng)，如果磁場過大，磁場將穿透金麥斯納效應(yīng)，如果磁場過大，磁場將穿透金屬內(nèi)部，從而金屬失去超導(dǎo)性。屬內(nèi)部，從而金屬失去超導(dǎo)性。 超導(dǎo)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷程超導(dǎo)

51、現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)歷程 n18941894年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林年荷蘭萊頓大學(xué)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)教授卡麥林昂昂內(nèi)斯（內(nèi)斯（Heike Kamerlingh-OnnesHeike Kamerlingh-Onnes，荷蘭人，荷蘭人，1853-1853-19261926，19131913年諾貝爾獎得主）建立了著名的低溫試年諾貝爾獎得主）建立了著名的低溫試驗(yàn)室。驗(yàn)室。19081908年年7 7月昂內(nèi)斯使用月昂內(nèi)斯使用2020升的液化氫，將氦升的液化氫，將氦液化（生產(chǎn)了液化（生產(chǎn)了6060立方分米的液態(tài)氦），成功地液化立方分米的液態(tài)氦），成功地液化了地球上最后一種了地球上最后一種“永久氣體永久氣體”氦氣，并

52、且氦氣，并且獲得了接近絕對零度（攝氏零下獲得了接近絕對零度（攝氏零下273.15273.15度，標(biāo)為度，標(biāo)為OKOK）的低溫：的低溫：4.25K1.15K 4.25K1.15K （相當(dāng)于攝氏零下（相當(dāng)于攝氏零下272.05268.95272.05268.95度）度）, ,開啟了低溫物理的研究領(lǐng)域。開啟了低溫物理的研究領(lǐng)域。 1911年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在年昂內(nèi)斯發(fā)現(xiàn)：汞的電阻在4.2K左右的左右的低溫度時(shí)急劇下降，以致完全消失（即零電低溫度時(shí)急劇下降，以致完全消失（即零電阻）。他觀察到汞（阻）。他觀察到汞（Hg）在）在4.2 K以下，直流以下，直流電阻降為電阻降為0（電阻迅速消失的溫度范圍為

53、（電阻迅速消失的溫度范圍為0.02度，電阻變化值超過度，電阻變化值超過104倍）。他稱這個(gè)奇特倍）。他稱這個(gè)奇特的物理性質(zhì)為超導(dǎo)性的物理性質(zhì)為超導(dǎo)性(superconductivity)，而直流電阻開始降為而直流電阻開始降為0時(shí)的溫度，則稱為超導(dǎo)時(shí)的溫度，則稱為超導(dǎo)轉(zhuǎn)變的臨界溫度轉(zhuǎn)變的臨界溫度Tc ( Superconducting transition temperature)。 1914年昂內(nèi)斯用延長觀察時(shí)間的方法，確年昂內(nèi)斯用延長觀察時(shí)間的方法，確定了超導(dǎo)金屬鉛電阻率的上限為定了超導(dǎo)金屬鉛電阻率的上限為10-16 cm。1913年他在一篇論文中首次以年他在一篇論文中首次以“超導(dǎo)電性超導(dǎo)電

54、性”一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象。由于一詞來表達(dá)這一現(xiàn)象。由于“對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化對低溫下物質(zhì)性質(zhì)的研究，并使氦氣液化”方面的成就，昂內(nèi)斯獲方面的成就，昂內(nèi)斯獲1913年諾貝爾物理學(xué)年諾貝爾物理學(xué)獎。獎。 超超導(dǎo)導(dǎo)溫溫度度的的演演進(jìn)進(jìn) 高溫超導(dǎo)體的研究與開發(fā)高溫超導(dǎo)體的研究與開發(fā)n1986年，瑞士科學(xué)家年，瑞士科學(xué)家Mller與與Bednorz在幾在幾乎不可能成為良好導(dǎo)體的陶瓷氧化物乎不可能成為良好導(dǎo)體的陶瓷氧化物L(fēng)a2BaCuO4中發(fā)現(xiàn)了極佳超導(dǎo)性，設(shè)在瑞士蘇中發(fā)現(xiàn)了極佳超導(dǎo)性，設(shè)在瑞士蘇黎士的美國黎士的美國IBM公司的研究中心報(bào)道了這種氧公司的研究中心報(bào)道了這種氧化物（鑭鋇銅氧）具

55、有化物（鑭鋇銅氧）具有35K的高溫超導(dǎo)的高溫超導(dǎo)性，打破了傳統(tǒng)性，打破了傳統(tǒng)“氧化物陶瓷是絕緣體氧化物陶瓷是絕緣體”的觀的觀念，引起世界科學(xué)界的轟動。念，引起世界科學(xué)界的轟動。n 1986年底，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超年底，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研究的氧化物超導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到導(dǎo)材料，其臨界超導(dǎo)溫度達(dá)到40K，液氫的，液氫的“溫度壁壘溫度壁壘”（40K）被跨越。）被跨越。n1987年年2月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國月，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料科學(xué)家趙忠賢相繼在釔鋇銅氧系材料上把臨界超導(dǎo)溫度提高到上把臨界超導(dǎo)溫度提高到90K以上，液氮的以上，液氮的禁區(qū)（禁

56、區(qū)（77K）也奇跡般地被突破了。）也奇跡般地被突破了。n1987年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又年底，鉈鋇鈣銅氧系材料又把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到把臨界超導(dǎo)溫度的記錄提高到125K。從。從19861987年的短短一年多的時(shí)間里，臨年的短短一年多的時(shí)間里，臨界超導(dǎo)溫度竟然提高了界超導(dǎo)溫度竟然提高了100K以上。以上。其后，在其后，在19881988年年1 1月，日本科學(xué)家月，日本科學(xué)家Hirashi MaedaHirashi Maeda報(bào)導(dǎo)報(bào)導(dǎo)研制出臨界溫度為研制出臨界溫度為106K106K的的Bi-Sr-Ca-Cu_OBi-Sr-Ca-Cu_O系新型高溫系新型高溫超導(dǎo)體。同年超導(dǎo)體。同年2 2月，美國

57、阿肯薩斯大學(xué)的月，美國阿肯薩斯大學(xué)的Allen Allen HermannHermann和和Z.ZZ.ZShengSheng等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為等發(fā)現(xiàn)了臨界溫度為106K106K的的Tl-Ba-Ca-Cu-OTl-Ba-Ca-Cu-O系超導(dǎo)體。一個(gè)月后，系超導(dǎo)體。一個(gè)月后，IBMIBM的的AlmadenAlmaden又將這種體系超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了又將這種體系超導(dǎo)體的臨界溫度提高到了125K125K。19891989年年5 5月，中國科技大學(xué)的劉宏寶等通過用月，中國科技大學(xué)的劉宏寶等通過用PbPb和和SbSb對對BiBi的部分取代，使的部分取代，使Bi-Sr-Ca-Cu-OBi-Sr-Ca-

58、Cu-O系超導(dǎo)材系超導(dǎo)材料的臨界溫度提高到了料的臨界溫度提高到了130K130K。這是迄今所報(bào)導(dǎo)的最。這是迄今所報(bào)導(dǎo)的最高的臨界溫度。高的臨界溫度。超導(dǎo)體的用途超導(dǎo)體的用途 n磁浮與磁浮列車磁浮與磁浮列車 n 超導(dǎo)體的反磁性超導(dǎo)體的反磁性類似磁鐵的相斥性，類似磁鐵的相斥性，但其發(fā)出的磁力更但其發(fā)出的磁力更強(qiáng)，故可應(yīng)用于需強(qiáng)，故可應(yīng)用于需產(chǎn)生大磁場的裝置。產(chǎn)生大磁場的裝置。如果將其置于火車如果將其置于火車車體內(nèi)，而在軌道車體內(nèi)，而在軌道上布置電磁鐵，則上布置電磁鐵，則便成為磁浮列車。便成為磁浮列車。 n優(yōu)點(diǎn)：克服了傳統(tǒng)列車對速度的限制；非接觸的運(yùn)優(yōu)點(diǎn)：克服了傳統(tǒng)列車對速度的限制；非接觸的運(yùn)行克服

59、了惡劣氣候的障礙；采用非接觸運(yùn)行，沒有行克服了惡劣氣候的障礙；采用非接觸運(yùn)行，沒有機(jī)械磨損，減少了維修成本；由于沒有運(yùn)動部件，機(jī)械磨損，減少了維修成本；由于沒有運(yùn)動部件，大大提高了系統(tǒng)的可靠性；可節(jié)省能源。大大提高了系統(tǒng)的可靠性；可節(jié)省能源。 1 1人公里消人公里消耗能源只是飛機(jī)或汽車的耗能源只是飛機(jī)或汽車的 1/41/4；速度極大提高，增加；速度極大提高，增加了運(yùn)送旅客的能力，具有很大的潛在市場；大幅度了運(yùn)送旅客的能力，具有很大的潛在市場；大幅度地降低了噪聲和振動，有利于保護(hù)環(huán)境。地降低了噪聲和振動，有利于保護(hù)環(huán)境。 超導(dǎo)導(dǎo)線(含2120根微米直徑之鈮鈦合金纖維) 超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，擁有兩萬千瓦的

60、功率超導(dǎo)電磁動力船超導(dǎo)電磁動力船 n利用磁體動力學(xué)，通過電解海水產(chǎn)生的電流，與利用磁體動力學(xué)，通過電解海水產(chǎn)生的電流，與船體下方垂直于電流方向的磁場作用，可對海水產(chǎn)船體下方垂直于電流方向的磁場作用，可對海水產(chǎn)生水平推進(jìn)的電磁力，推動海水而使船身前進(jìn)。生水平推進(jìn)的電磁力，推動海水而使船身前進(jìn)。 26 米長米長, 10 米寬，米寬， 250 噸重噸重使用超導(dǎo)磁體的磁共振成像比使用常規(guī)磁體的磁共使用超導(dǎo)磁體的磁共振成像比使用常規(guī)磁體的磁共振成像有如下優(yōu)點(diǎn)：重量輕，磁場穩(wěn)定性好；磁場振成像有如下優(yōu)點(diǎn)：重量輕，磁場穩(wěn)定性好；磁場強(qiáng)度大，如中心磁場，前者約為后者的強(qiáng)度大，如中心磁場，前者約為后者的 6倍；