第五章 化學(xué)與材料

1、Chem第五章第五章 化學(xué)與材料化學(xué)與材料主講：化學(xué)工程學(xué)院主講：化學(xué)工程學(xué)院2015年年5月月l 納米(nm)：長度單位，1m=109 nm, 人 頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬納米(0.06mm)。l 納米技術(shù)：在納米尺度上，通過直接操縱原子、分子來組裝和創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)。l 納米材料：當(dāng)物質(zhì)顆粒小到納米量級(100nm)后，這種物質(zhì)就可被稱為納米材料。l 納米效應(yīng)：同一種物質(zhì)，因為構(gòu)造上以納米為單位的變化，其物理性能與化學(xué)性質(zhì)便會產(chǎn)生意想不到的巨變。l 如果一個納米的粒子放在乒乓球上，相當(dāng)于把一個乒乓球放在地球上。l 掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microsco

2、pe，STM）。STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。l 其他：高分辨透射電鏡（High Resolution Transmission Electron Microscope，HRTEM），分辨率1nm。 外膜蛋白病毒基因反轉(zhuǎn)錄酶核核心蛋白組織核心蛋白移動原子世界上最小的廣告l1990年，IBM公司展示了一項令世人瞠目結(jié)舌的成果，在金屬鎳表面用35個惰性氣體氙原子組成“IBM”三個英文字母。l試驗中發(fā)現(xiàn)STM的探針不僅能得到原子圖象，而且可以將原子在一個位置吸住， 再搬運到另一個地方放下。 這可真是個了不起的發(fā)現(xiàn)，因為這意味著人類從此可以進(jìn)行“原子

3、剪裁”了。lSTM探針不僅可以將原子、分子吸住，也可以將它們象算盤珠子一樣撥來撥去。l科學(xué)家把C60分子每10個1組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺階排列的?l這項試驗的真正意義在于未來人們能夠通過操縱原子、 分子來隨心所欲地構(gòu)造新的物質(zhì)。l這是中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子而 繪制出的世界上最小的中國地圖。 lThe Nobel Prize in Chemistry 1996 for discovery of fullerenes（C60). l碳原子組成的小單元看起來和足球一樣。碳原子的

4、活性差，導(dǎo)電，非常穩(wěn)定。絕佳的材料和電性能l碳原子組成的圓柱體管狀結(jié)構(gòu)物質(zhì)。l長度和直徑之比很高的纖維，韌性極高，兼具金屬性和半導(dǎo)體性，強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的16。l世界上最小的碳管單壁碳納米管，直徑僅為0.4nm。 l氫氣的儲存：氣態(tài)，所占空間太大。液化，壓力太大，費用太高。l碳納米管儲氫：強吸附氫，儲氫密度相當(dāng)于液體氫，壓力僅有100atm。l原理：碳納米管的直徑和氫原子的直徑相似。在這種情況下，氫氣的儲存濃度可以達(dá)到近似液體的水平。納米管存儲器-2005年4月科學(xué)美國人l存儲量大l低成本和閃存的非揮發(fā)性完美的結(jié)合l耗電量低l較好地抵抗可能出現(xiàn)的高溫、低溫或磁 性損壞l可以將存

5、儲器的存儲能力提高1000倍，到那時巨型計算機小到可以放進(jìn)口袋里，國家圖書館的全部資料的信息可以存儲在一塊水果糖大小的存儲器中。l以硅為材料的微米級集成電路技術(shù)將走到盡頭，納米材料將成為替代硅和其它半導(dǎo)體材料的最佳候選者。從技術(shù)上講，碳納米管很有可能成為硅的換代品，成為電子產(chǎn)品的主要材料。l科學(xué)家分別研究了金屬性的碳納米管和半導(dǎo)體性的碳納米管，認(rèn)為金屬性碳納米管可以用作電路中的連接件，而半導(dǎo)體性碳納米管可以用作電路開關(guān)。碳納米管有可能同時取代硅和銅。計算機和存儲器的微型化。l科學(xué)家將可能是來自石器時代的紡毛線機變小，用它來紡碳納米管纖維，紡出的納米管纖的強度足以用于制造防彈衣。lMei Zha

6、ng等用多壁碳納米管，紡出了高強度、柔軟、高導(dǎo)電性的扭卷纖維。和通常的纖維不同，這些纖維的端部被釋放后，它們的股不散開，而且纖維打結(jié)后其強度也不降低。這些纖維也許能取代電子紡織物中的金屬絲，從而提供新的功能，比如啟激人工肌肉，或用于超級纖維電容來儲存能量。l2004年11月19日美國科學(xué)周刊306卷l導(dǎo)體變絕緣體，絕緣體變導(dǎo)體 導(dǎo)體銅等，納米銅（幾個納米），絕緣體。 絕緣體二氧化硅等，納米二氧化硅，導(dǎo)電。l脆性變韌性 陶瓷脆性材料； 納米陶瓷韌性材料，在常溫下能彎曲，不怕摔，堅固無比。納米效應(yīng)！l納米孔膜用于海水淡化、污水處理，提高效率、降低成本。海水淡化成本3元/噸，納米技術(shù)成本降低1倍。l

7、納米涂層自潔玻璃和自潔瓷磚。任何粘在表面上的臟物，包括油污、細(xì)菌，在光的照射下，由于納米材料的催化作用，都可以變成氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)。l納米涂料催化脫除空氣中的有害物質(zhì)，比如一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化物、三氧化硫等污染物。l納米纖維將納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不沾水又防污。l納米冰箱在冰箱中添加納米微粒，可以除味殺菌，聰明的廠家已利用這一技術(shù)生產(chǎn)出可以抗菌的冰箱和洗衣機。l納米陶瓷粉體作為涂料的添加劑也得到廣泛的應(yīng)用，這些特種涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防塵和耐磨的性能。April 28, 2005，The National Science FoundationCompo

8、sed of magnesium（Mg), titanium (Ti) and oxygen, the toxic-chemical cleaner known as FAST-ACT is unremarkable at first glance.l納米機器人納米生物學(xué)中最具誘惑力 的新領(lǐng)域。l納米機器人可注入人體血管內(nèi)，可以進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。l納米機器人在清理血管中的有害堆積物。l納米機器人可以在人的血管中自由的游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險的開顱、開胸手術(shù)。l中藥有效成分一般都

9、是油性的（溶于油，難溶于水）。如果在水相當(dāng)中納米化，注射到患者血液當(dāng)中，中藥的治療效果就會大大提高。l納米包覆技術(shù)用特定性質(zhì)的納米界面材料去包覆中藥的有效成分，到了血液環(huán)境里因親和而溶解，釋放出治療成分，這樣治療成分就帶有很強的靶向性，進(jìn)一步提高療效。l靶向藥物或治療技術(shù)。l英國劍橋大學(xué)科學(xué)家阿蘭溫德爾所領(lǐng)導(dǎo)的一個研究小組最近宣布，他們成功地用納米碳管組成的纖維織成“納米繩”。 l“納米繩”直徑只有10幾個納米，但其剛度是鋼材的10倍，其硬度是金剛石的2倍。 l可以將這種“納米繩”應(yīng)用到大跨度橋梁的懸索上，甚至有朝一日，可以用這種“納米繩”將位于宇宙空間的一個發(fā)射平臺與地面固定起來，形成一個“

10、人造天梯”。l在這個發(fā)射平臺上發(fā)射衛(wèi)星可以大大降低發(fā)射成本。半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料 高分子材料塑料橡膠纖維膠粘劑金屬材料 復(fù)合材料硅酸鹽材料玻璃水泥材料功能材料1952年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到記憶效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。SMA: Shape Memory Alloysuperconductor 外膜蛋白病毒基因反轉(zhuǎn)錄酶高分子材料 物質(zhì)的形態(tài)與分子量和鍵能的關(guān)系平均分子量鍵能形態(tài)塑料纖維合成 橡膠高分子的合成均聚：單一單體的加成聚合共聚物：兩種或以上不同的單體進(jìn)行聚合無規(guī)共

11、聚交替共聚接枝共聚高分子的立體結(jié)構(gòu)高分子的立體結(jié)構(gòu)全同立構(gòu)無規(guī)立構(gòu)間同立構(gòu)枝鏈高分子交叉連接高分子高分子的收縮非晶區(qū)晶區(qū) 塑料（1）酚醛樹脂: 苯酚和甲醛共聚物（2）聚烯烴：聚乙烯、PVC、聚苯乙烯（3）有機玻璃：聚甲基丙烯酸甲酯。（4）ABS塑料： 用苯乙烯-丙烯腈共聚物與丁二烯-丙烯腈共聚物共混制得。也可用苯乙烯、丙烯氰、丁二烯共聚制得。（5）含氟塑料：聚四氟乙烯、聚三氟氯乙烯和聚全氟丙烯。不粘鍋的表面鍍層就是聚四氟乙烯。（6）工程塑料乙烯-分子量28四氟乙烯（4個H換為F）H2C=CH2F2C=CF2聚乙烯大棚聚乙烯-分子量從2,000（72個乙烯分子） 到40,000（1429個乙烯分

12、子）H2C=CHCl管料線聚氯乙烯（PVC）聚丙烯地毯聚丙烯生產(chǎn)廠丙烯CH3CH2苯乙烯CH2聚苯乙烯燈罩有機玻璃-聚甲基丙稀酸甲酯H3C O H2C OCH3 塑料瓶底代碼所表示的意思塑料瓶底代碼所表示的意思“1號”PET：聚對苯二甲酸乙二醇脂用途：礦泉水瓶、碳酸飲料瓶等 使用：耐熱至70，只適合裝暖飲或凍飲，裝高溫液體、或加熱則易變形，有對人體有害的物質(zhì)融出。并且，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，1號塑料品用了10個月后，可能釋放出致癌物DEHP。 “2號”HDPE：高密度聚乙烯用途：清潔用品、沐浴產(chǎn)品 使用：可在小心清潔后重復(fù)使用，但這些容器通常不好清洗，殘留原有的清潔用品，變成細(xì)菌的溫床，你最好不要循環(huán)使

13、用。 塑料瓶底代碼所表示的意思“3號”PVC：聚氯乙烯用途：目前很少用于食品包裝 使用：這種材質(zhì)高溫時容易有害物質(zhì)產(chǎn)生，甚至連制造的過程中它都會釋放，有毒物隨食物進(jìn)入人體后，可能引起乳癌、新生兒先天缺陷等疾病。 “4號”LDPE：低密度聚乙烯用途：保鮮膜、塑料膜等 使用：耐熱性不強，通常，合格的PE保鮮膜在遇溫度超過110時會出現(xiàn)熱熔現(xiàn)象，會留下一些人體無法分解的塑料制劑。塑料瓶底代碼所表示的意思“5號”PP：聚丙烯用途：微波爐餐盒 使用：唯一可以放進(jìn)微波爐的塑料盒，可在小心清潔后重復(fù)使用。需要特別注意，一些微波爐餐盒，盒體的確以5號PP制造，但盒蓋卻以1號PE制造，由于PE不能抵受高溫，故不

14、能與盒體一并放進(jìn)微波爐。為保險起見，容器放入微波爐前，先把蓋子取下。 塑料瓶底代碼所表示的意思“6號”PS：聚苯乙烯用途：碗裝泡面盒、快餐盒 使用：又耐熱又抗寒，但不能放進(jìn)微波爐中，以免因溫度過高而釋出化學(xué)物。并且不能用于乘裝強酸（如柳橙汁）、強堿性物質(zhì)，因為會分解出對人體不好的聚苯乙烯，容易致癌。因此，您要盡量避免用快餐盒打包滾燙的食物。 “7號”PC其它類用途：水壺、水杯、奶瓶使用：很容易釋放出有毒的物質(zhì)使用：很容易釋放出有毒的物質(zhì)雙酚雙酚A A，對人體有害。，對人體有害。使用時不要加熱，不要在陽光下直曬。使用時不要加熱，不要在陽光下直曬。 橡膠l指具有顯著高彈性的一類高分子化合物。l分天

15、然橡膠和合成橡膠。l未經(jīng)硫化的橡膠分子是線型或少數(shù)短支鏈的高分子。硫化后的大分子之間通過硫橋進(jìn)行交聯(lián)，成為網(wǎng)狀或體型結(jié)構(gòu)。 天然橡膠的采集和加工H2C N 丙烯腈 CH2H2C丁腈橡膠： 丁二烯與丙烯腈的共聚物丁二稀 為了為了使共軛高分子導(dǎo)電，必須要使共軛高分子導(dǎo)電，必須要做摻雜做摻雜。這和半導(dǎo)體。這和半導(dǎo)體經(jīng)經(jīng)過過摻摻雜雜后可以經(jīng)由荷電載子提高后可以經(jīng)由荷電載子提高導(dǎo)電度導(dǎo)電度類似類似。 發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電高分子的故事是蠻具戲劇性的。在七零年代初，導(dǎo)電高分子的故事是蠻具戲劇性的。在七零年代初，日本日本化學(xué)家白川找到化學(xué)家白川找到一個合成聚乙炔的新方法。有一次由于一個合成聚乙炔的新方法。有一次由于疏

16、忽，多加了一千倍的催化劑，令他驚訝的是，這因此形成疏忽，多加了一千倍的催化劑，令他驚訝的是，這因此形成一個漂亮的銀色薄膜。這薄膜是純度很高的順式聚乙炔一個漂亮的銀色薄膜。這薄膜是純度很高的順式聚乙炔。 ( (A.G.McDiarmidA.G.McDiarmid) )和物理學(xué)家希格和物理學(xué)家希格( (A.HeegerA.Heeger) )正在研究有正在研究有金屬光澤的無機高分子硫化氮金屬光澤的無機高分子硫化氮(SN)x(SN)x。笛米德在笛米德在一次東京的一次東京的研討會里提到這項研究，后來白川和笛米德有機會碰面討論，研討會里提到這項研究，后來白川和笛米德有機會碰面討論，當(dāng)?shù)衙椎侣牭桨状òl(fā)現(xiàn)了具

17、銀色光澤的有機高分子，就邀請當(dāng)?shù)衙椎侣牭桨状òl(fā)現(xiàn)了具銀色光澤的有機高分子，就邀請他到賓大訪問。白川以及來自臺灣的博士后研究員姜傳康藉他到賓大訪問。白川以及來自臺灣的博士后研究員姜傳康藉著加著加碘蒸氣碘蒸氣改變聚乙炔的性質(zhì)，令他們驚訝的是，順式聚乙改變聚乙炔的性質(zhì)，令他們驚訝的是，順式聚乙炔的導(dǎo)電度因此增加了一百萬倍。第一個導(dǎo)電高分子就此誕炔的導(dǎo)電度因此增加了一百萬倍。第一個導(dǎo)電高分子就此誕生生! !他們將他們將發(fā)現(xiàn)發(fā)表在化學(xué)協(xié)會期刊的化學(xué)通訊，這是讓他發(fā)現(xiàn)發(fā)表在化學(xué)協(xié)會期刊的化學(xué)通訊，這是讓他們贏得們贏得20002000年諾貝爾獎的年諾貝爾獎的論文。論文。聚苯胺聚苯 聚吡咯 聚噻吩 丁苯橡膠合成橡膠的最大品種，是丁二烯與苯乙烯聚合成。氯丁橡膠（萬能橡膠）氯乙烯與丁二烯的共聚物。丁腈橡膠丁二烯與丙烯腈的共聚物。丁基橡膠丁二烯聚合物。塑料成型 吹塑擠出注塑碾壓熱塑進(jìn)料口 擠出機 旋進(jìn)管 加熱部件 高分子材料成型 熔融高 分子管 注塑 高分子材料成型 吹塑碾壓注塑 膠粘劑 環(huán)氧樹脂膠粘劑的交聯(lián)固化 環(huán)氧樹脂 有機胺固化劑 復(fù)合材料復(fù)合