納米材料的應用目前最全詳細講解

納米材料的應用目前最全詳細講解第一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五第8章納米材料與納米技術的應用（一）教學基本要求

了解納米技術在陶瓷領域、陶瓷工業(yè)環(huán)保領域、化工生產中、微電子學、生物工程及醫(yī)學、軍事領域、其他領域方面的應用

（二）教學重點難點

重點：納米材料與納米技術的應用

難點：納米材料與納米技術的應用第二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

材料與社會的發(fā)展

材料是人類社會進化和人類文明的里程碑，是人類賴以生產和生活的物質基礎，是社會進步的物質基礎和先導。因為對材料的認識和利用能力，決定著社會的形態(tài)和人類生活的質量，所以，歷史學家往往用制造工具的原材料作為歷史分期的標志。第三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五化學與材料化學：化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、件能、反應和應用的學科。材料：材料是人們利用化合物的某些功能來制作物品、器件、構件、機器或其他產品時用的化學物質，但不是所有物質都可以稱為材料。如燃料和化學原料、工業(yè)化學品、食物和藥物，一般都不算是材料。化學與材料的關系：化學是材料發(fā)展的源泉，而材料又為化學發(fā)展開辟了新的空間?；瘜W與材料保持著相互依存、相互促進的關系。

第四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五材料的分類

世界各國對材料的分類不盡相同，若按照材料的使用性能來看，可以分為結構材料和功能材料，從材料的應用對象來看有可以分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多種類別，但就大的類別可以分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類。第五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五無機非金屬材料

無機非金屬材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然礦物材料等。第六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五傳統(tǒng)無機非金屬材料

水泥水泥呈粉末狀，當它與水混合后成為可塑性漿體，經(jīng)一系列物理化學作用凝結硬化變成堅硬石狀體，并能將散粒狀材料膠結成為整體。水泥漿體不僅能在空氣中硬化，還能在水中硬化、保持并繼續(xù)增長其強度，故水泥屬于水硬性膠凝材料。第七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五玻璃

玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態(tài)固體。其內能和構形熵高于相應的晶體。其結構為短程有序，長程無序。從熔融態(tài)轉變?yōu)楣腆w時有一轉變溫度Tg。廣義的玻璃包括無機玻璃、有機玻璃、金屬玻璃等；狹義上僅指無機玻璃，最常見的是硅酸鹽玻璃。這里主要談無機玻璃。第八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五玻璃制品的分類無機玻璃的化學組成包括有眾多元素的氧化物或非氧化物。（1）普通玻璃普通玻璃是以硅酸鹽系統(tǒng)為主要基礎的傳統(tǒng)玻璃。包括有平板玻璃、日用玻璃、光學玻璃、電真空玻璃、點光源玻璃、玻璃纖維等。（2）特種玻璃隨著社會和科學的發(fā)展，在玻璃材料科學領域中，由于某些新品種是根據(jù)特殊用途專門研制的，其成分、性能、制造工藝均與一般工業(yè)和日用玻璃有所差別，它們往往被歸入專門的一類，叫做特種玻璃。這些特種玻璃逐漸脫離了傳統(tǒng)玻璃的基礎系統(tǒng)范圍。常見的特種玻璃有光子學玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶膠－凝膠玻璃等。第九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五中空玻璃結構示意圖圖6－中空玻璃結構示意圖第十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

第十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五空心玻璃磚用于建筑隔斷第十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五熱反射玻璃在建筑物上大量使用第十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五陶瓷

陶瓷是指以天然或人工合成的無機非金屬物質為原料，經(jīng)過成形和高溫燒結而制成的固體材料和制品。第十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五陶鷹鼎——仰韶文化廟底溝類型高36cm三彩——我國古代陶器中一顆璀燦的明珠第十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五日用陶瓷－盤子建筑陶瓷－墻面磚化工陶瓷結構陶瓷－陶瓷刀功能陶瓷－電子陶瓷第十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五飾面瓦－魚鱗瓦圖6-電瓷絕緣子氧化鋅避雷器第十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五新型無機非金屬材料

傳統(tǒng)的無機非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優(yōu)點，但也有質脆、經(jīng)不起熱沖擊等弱點。新型無機非金屬材料繼承了傳統(tǒng)材料的許多優(yōu)點，并克服某些弱點，使材料具有更加優(yōu)異的特性，用途更加廣泛。新型無機非金屬材料的特性有：1．能承受高溫，強度高。2．具有電學特性。3．具有光學特性。4．具有生物功能。第十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

氧化鋁陶瓷具有機械強度高、硬度大、高頻介電損耗小、高溫絕緣電阻高、耐化學腐蝕性和導熱性良好等優(yōu)良綜合技術性能，以及原料來源廣、價格相對便宜、加工制造技術較為成熟等優(yōu)勢，已被廣泛應用于電子、電器、機械、化工、紡織、汽車、冶金和航空航天等行業(yè)，成為目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。第十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五紡織瓷件氧化鋁陶瓷電阻第二十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五氧化鋁髖關節(jié)第二十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五高純氧化鋁透明陶瓷管高壓鈉燈第二十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷的性能：作為一種理想的高溫結構材料，最主要的應具備如下性能：（1）強度好、韌性好；（2）抗氧化性好；（3）抗熱震性好；（4）抗蠕變性好；（5）結構穩(wěn)定性好；（6）抗機械振動。

氮化硅除抗機械振動性能和韌性相對比較差外，其余幾種性能都優(yōu)于一般陶瓷，曾被譽為“像鋼一樣強，像金鋼石一樣硬，像鋁一樣輕”。由于制備工藝不同和所獲得顯微結構的差別，Si3N4陶瓷的綜合性能有很大的變化。各中資料所提供的數(shù)據(jù)繁多，下面僅介紹一般參考值。

第二十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五光導纖維光導纖維是現(xiàn)代科學創(chuàng)造的奇跡之一，是使光像電流一樣沿著導線傳輸。不過，這種導線不是一般的金屬導線，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱它為光導纖維，又叫光學纖維，簡稱光纖。第二十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五光纖通信的特點（1）傳輸頻帶極寬，通信容量很大。（2）傳輸衰減小，可用于遠距離無中斷傳輸。（3）信號串擾少，傳輸質量高。（4）抗電磁干擾，保密性好。（5）光纖尺寸小，質量輕，便于運輸和鋪設。（6）耐化學侵蝕，適用于特殊環(huán)境。（7）原料資源豐富。（8）節(jié)約有色金屬。第二十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五光纖導管胃鏡利用光纖作手術第二十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五光纖式傳感器光纖式傳感器第二十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五金屬材料

金屬是指具有良好的導電性和導熱性，有一定的強度和塑性的并具有光澤的物質，如銅、鋅和鐵等。而金屬材料則是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的具有金屬特性的工程材料，它包括純金屬和合金兩類。第二十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

納米材料的概念

從迄今為止的研究狀況看，關于納米技術分為三種概念。第一種，是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機器》一書中提出的分子納米技術。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機器實用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結構。這種概念的納米技術未取得重大進展。第二十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

第二種概念把納米技術定位為微加工技術的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術，也使半導體微型化即將達到極限?，F(xiàn)有技術即便發(fā)展下去，從理論上講終將會達到限度。這是因為，如果把電路的線幅變小，將使構成電路的絕緣膜的為得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術。第三十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來，生物在細胞和生物膜內就存在納米級的結構。

所謂納米技術，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內的運動規(guī)律和特性的一項嶄新技術。科學家們在研究物質構成的過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數(shù)原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設備的技術，就稱為納米技術。第三十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五納米材料的性質和應用

力學性質：納米結構的材料強度與粒徑成反比。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據(jù)了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。第三十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

磁學性質：利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導體器件。

熱學性質：納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。

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光學性質：由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現(xiàn)象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。

生物醫(yī)藥材料應用：納米粒子比紅血細胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細胞。在醫(yī)藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內的輸運更加方便。

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第8章納米材料與納米技術的應用舉例1、納米啤酒瓶—納米復合材料米勒醇酒公司采用黏土納米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不讓氧氣輕易進入，避免啤酒變質，而且不易碎裂。但一些消費者關注納米材料用于食物包裝是否安全，是否它們會像灰塵一樣對人體無害。第三十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五2納米防彈衣及其他服裝因納米碳管既輕又強度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強大的子彈的沖擊力。第三十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五二個月不用洗——信不信由你納米服裝第三十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五3、納米電池日常充電電池中，鋰離子從鈷酸鋰正極快速地穿過隔膜抵達碳負極，這種傳統(tǒng)充電電池功率較低，很快就會耗完電，使用時還很容易著火或爆炸。美國MIT的常業(yè)明教授采用新型納米材料—磷酸鐵鋰代替正極，可以大幅改善充電電池的性能。目前，一些公司現(xiàn)已開始使用這種納米電池應用于高功率電器和儀器，這種電池安裝在雪佛萊電動汽車，該款汽車于2010年上市。第三十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五4、金納米微粒用于遺傳基因測試Verigene醫(yī)療系統(tǒng)采用金納米微粒涂層對DNA分子鑒別關鍵性的蛋白質和重要基因，僅僅按一下按鈕便能進行復雜的血液測試，完成醫(yī)學診斷。第三十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五5、納米等級汽車光澤劑如果汽車使用普通光澤劑，涂上之后會出現(xiàn)漩渦狀痕跡，或者出現(xiàn)難看的光澤或霧狀結構。汽車美容公司“神鷹1號”稱，使用納米等級巴西棕櫚蠟將永遠保持清潔。由于棕櫚蠟微粒非常小，它們呈現(xiàn)出透明狀。它們的分子尺寸大小能夠填充細微的瑕疵。目前，防曬霜制造商在生產防曬霜時也采用了納米等級的氧化鋅。第四十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五6、納米太陽能電池板太陽能電池的價格非常昂貴，其原因是它們很難制造。多數(shù)太陽能電池是在真空室制造的。目前，納米太陽能技術可將太陽能電池技術實現(xiàn)得更加便捷，該技術可以在廉價金屬薄片上打印納米微粒，制造出可打印的太陽能電池板。第四十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五目前的太陽能電池受到多方面限制，比如相對較低的產電效率（15%左右）和較高的制造成本。在傳統(tǒng)太陽能電池中，一個光子只能精確釋放出一個電子。一種可能的改進就是，利用半導體納米晶體來制造新型太陽能電池。在一些半導體納米晶體材料中，一個光子可以釋放出兩到三個電子，這也就是所謂的“雪崩效應”。在這種情況下，太陽能電池理論上的最大效率可以達到44%。此外，它們的造價更便宜。2008年5月，荷蘭LaurensSiebbeles教授證實，硒化鉛(PbSe)納米晶體中確實會發(fā)生雪崩效應。NanoLett.,2008,8(6),pp1713–1718。第四十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五7、金納米微粒女性驗孕紙女性驗孕紙測試條碼上覆蓋抗體的一些金納米微?？梢钥焖冁i定絨毛膜促性腺激素,從而使驗孕測試更加快速有效。第四十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8、納米網(wǎng)球威爾遜體育用品公司采用由納米科技公司InMat研制的納米技術制造出高端雙核網(wǎng)球，這種黏性納米微粒技術將使網(wǎng)球更加堅硬、使用時間更長。但是美國網(wǎng)球愛好者們并不想購買價格昂貴的網(wǎng)球，威爾遜公司不得不停止這種納米網(wǎng)球的制造生產。

第四十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五9、納米止血繃帶美國加州大學圣塔芭芭拉分校化學家莎拉－貝克等意識到鋁矽酸鹽納米微?？捎绊懭梭w自然的凝血進程，并已經(jīng)使用鋁矽酸鹽納米微粒測試了患者的凝血功能。這種納米繃帶已申請了專利權，預計在戰(zhàn)場上可以止住嚴重的傷口流血，能夠有效地挽救戰(zhàn)場上的受傷士兵。***第四十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

8納米材料的具體應用

納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。

納米科技現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學、納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米化學等學科。從包括微電子等在內的微米科技到納米科技，人類正越來越向微觀世界深入，人們認識、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。第四十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.1納米技術在陶瓷領域方面的應用8.1納米技術在陶瓷領域方面的應用

納米Ti02陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點

第四十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.1.1納米技術在普通陶瓷中的應用納米陶瓷粉的尺寸在1～100nm之間，因此晶粒間滑移容易，因而能改善陶瓷坯體的脆性，增加其塑性，同時，也能提高材料致密性，降低燒結溫度。8.1.2納米技術在特種陶瓷中的應用特種陶瓷分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。功能陶瓷包括熱學功能陶瓷、生物功能陶瓷、化學功能陶瓷、電功能陶瓷、光功能陶瓷、涂層／薄膜等。隨著納米技術在特種陶瓷領域研究的不斷深入和拓展，特種陶瓷表現(xiàn)出了許多奇異的性能，其應用范圍也以前所未有的速度延展。

第四十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.1.2.1結構陶瓷中的應用使用納米材料制備的陶瓷刀具與傳統(tǒng)的陶瓷刀具相比顯示出更優(yōu)異的性能，它擴大了現(xiàn)有陶瓷刀具的加工范圍，能夠提高刀具的力學性能、切削速度、增加切削可靠性和刀具的壽命，同時大大提高生產率。目前使用納米技術制備的陶瓷刀具材料主要有兩種：納米復合陶瓷刀具材料和納米涂層陶瓷刀具材料。第四十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

8.1.2.2功能陶瓷中的應用

(l)在生物功能陶瓷方面在人工器官制造、臨床應用等方面，納米陶瓷將比傳統(tǒng)陶瓷有更廣泛的應用和極大發(fā)展前景。李玉寶等用硝酸鈣、磷酸銨為原料，二甲基甲酰胺為分散劑，在常壓下制備出晶體結構類似于人骨組織的納米級羥基磷灰石針狀晶體，可用做人骨組織修復材料；J．H.Luo等用正硅酸乙酯在氫氟酸催化下，經(jīng)溶膠一凝膠法制得納米孔結構的Si02，再用聚四乙二醇一二甲基乙酰胺經(jīng)光引發(fā)原位聚合制得Si02／PTEGDMA納米復合材料，其比傳統(tǒng)的牙科用復合材料具有更優(yōu)異的耐磨性及韌性。第五十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)在光功能陶瓷方面目前正在研制的納米吸波陶瓷材料不僅具有良好的吸波性能，而且還有功能豐富、頻帶寬、省材、輕便等特點。納米陶瓷吸波材料主要有SiC、Si3N4及復合物Si/C/N、Si/C/N/O籌，其主要成分為碳化硅、氮化硅和無定形碳，具有耐高溫、質量輕、強度大吸波性能好等優(yōu)點。(3)在電功能陶瓷方面利用納米技術制備的納米陶瓷在電學方面具有優(yōu)異的性能，可以利用其制作導電材料、絕緣材料、電極、超導體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和非線性電阻以及熱電和介電材料等。第五十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(4)在涂層／薄膜方面

熱噴涂納米涂層的納米顆粒由于比表面積大、活性高而極易被加熱熔融。在熱噴涂過程中，納米顆粒將均勻地熔融。由于熔融程度好，納米顆粒在碰到基材后變形劇烈，平鋪性明顯優(yōu)于微米級顆粒。熱噴涂納米結構涂層熔滴接觸面更多，涂層孔隙率低，表現(xiàn)在性能上就是納米結構涂層的結合強度大、硬度高、斷裂強度好和耐腐蝕好。

第五十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.1.3納米技術在陶瓷應用中的問題

(l)納米材料與基體的相容性對于納米添加材料，除了要考慮是否適于與工件材料的黏結等問題外，最為關鍵的問題是納米材料與基體材料之間界面的相互作用，即分散介質與基體材料的相容性（一般被分散介質最好不要集中（團聚）在基體的一個地方，親和性強）。第五十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)添加納米材料的分散性納米材料具有極微小粒度、高比表面積、高表面延伸。隨著納米粉體顆粒尺寸的減小，其比表面積和表面能增大。在制備和應用的過程中，由于顆粒間普遍存在的范德華力和庫侖力，納米顆粒極易凝聚并團聚形成二次顆粒，即所謂的軟團聚，使粒子粒徑增大。如果不加以分散而直接混料，大團聚顆粒的存在會使制備的材料在最終使用時失去納米材料所具備的特性。因此，納米材料在添加之前能否均勻、穩(wěn)定地分散是其應用所要解決的首要問題。第五十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(3)納米技術在陶瓷中的工業(yè)化例如，納米技術應用于特種陶瓷中制成的燒結體可作為儲氣材料、熱交換器、微孔過濾器以及檢測溫度氣體的多功能傳感器。它的發(fā)展使陶瓷材料跨入了一個新的歷史時期。第五十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.2納米技術在工業(yè)環(huán)保領域的應用8.2.1納米材料對大氣污染的治理陶瓷工業(yè)對大氣的污染，主要有三個方面：一是燃料燃燒產生的硫氧化物(SOx)、氮氧化物(NOx)、一氧化碳(CO)、碳氫化合物等有毒氣體；二是陶瓷窯爐高溫熔制時產生的毒性煙塵，主要有鎘、鉛的化合物；三是原料加工、配料制備以及熔制、燃燒過程產生的粉塵。由于燃料燃燒和陶瓷坯釉料發(fā)生氧化分解反應時所釋放出的二氧化碳(CO2)，其大部分升入高空并造成對臭氧層的破壞，從而引起溫室效應；燃燒產物二氧化硫(SO2)和三氧化硫(S03)遇到水汽后可轉化成酸霧，會對人體健康和動植物生長造成嚴重危害，甚至還會腐蝕暴露在大氣中的金屬材料；未燃盡的碳素和燃燒產生的灰塵不僅會使煙氣的林格曼黑度居高不下，而且還會對人體的呼吸系統(tǒng)造成較大危害。第五十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(l)空氣中硫氧化物的凈化二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影響人類健康的有害氣體，如果在燃料燃燒的同時加入一種納米級助燒催化劑不僅可以使煤充分燃燒，不產生一氧化硫氣體，提高能源利用率，而且會使硫轉化成固體的硫化物，不產生二氧化硫氣體，從而杜絕有害氣體的產生。如用納米Fe203作為催化劑，經(jīng)納米材料催化的燃料中硫的含量小于0.01%，不僅節(jié)約了能源，提高能源的綜合利用率，也減少了因為能源消耗所帶來的環(huán)境污染問題，而且使廢氣等有害物質再利用成為可能。第五十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)空氣中氮氧化物的凈化。

氮氧化物是大氣中主要的氣態(tài)污染物之一，它的主要來源是礦物燃料的燃燒。燃燒過程中，在高溫情況下空氣中的氮與氧化合而生成氮氧化物，其中主要是一氧化氮。一氧化氮還可以進一步被氧化成二氧化氮、三氧化氮和五氧化二氮等，它們溶于水后可生成亞硝酸和硝酸，通過氧化反應也可以在大氣中生成氣態(tài)HNO3，與水形成酸雨和酸霧后，會對地表水、土壤、森林、植物等造成嚴重的危害。另外，氮氧化物與其他污染物共存時，在陽光照射下可產生強氧化性的光化學煙霧，造成橡膠開裂，刺激人的眼睛，傷害植物的葉子，并使大氣能見度降低。利用Ti02光催化劑和空氣中的氧可直接實現(xiàn)NOx的光催化氧化，反應式為：

2N0+02——2N024N02+02+2H20——4HN03

第五十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.2.2．納米材料對廢水的治理陶瓷工業(yè)廢水主要來自于原料加工和坯釉料制備，陶瓷工業(yè)對水造成污染的物質主要有重金屬鉛、鎘、鋇和鋅等金屬的化合物，污水中通常含有毒有害物質、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細菌病毒等。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問題，污水治理一直得不到很好解決。污水中的重金屬是對人體極其有害的物質，重金屬從污水中流失，也是資源的浪費。第五十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(l)納米材料可以對污水中有害物質的吸附

納米材料擁有龐大的比表面積，出現(xiàn)了許多活性中心，使其具有極強的吸附能力，這使得納米粒子對無論是促使腐敗的氧原子或氧自由基，還是對產生其他異味的烷烴類分子等，均具有極強的抓俘能力，能迅速清除廢水中的雜質和異味，使廢水中的雜質和異味很快被吸附消除。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑（三氯化鋁）的10～20倍。因此，它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來，先使水中不含懸浮物，然后采用納米磁性物質、纖維和活性炭的凈化裝置，能有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及異味等污染物。

第六十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)納米材料可以對污水中重金屬離子的轉化

陶瓷工業(yè)常采用鉻的化合物作為著色劑等，在洗滌時會產生鉻廢水，其中Cr6+及其鹽類的毒性最大，均是致癌物質，對農作物、其他生物及人體都有很大的危害作用，目前一般工業(yè)排放量限制在0.5mg/L，但目前仍有些陶瓷企業(yè)的含鉻廢水排放量超過此標準，給環(huán)境帶來了危害，因此對Cr6+的轉化研究顯得特別重要。利用TiO2薄膜在光催化下使Cr6+轉化成Cr3+上，然后直接加堿生成Cr(OH)3沉淀，與傳統(tǒng)的化學還原法使Cr6+轉化成Cr3+相比，減少了酸性物質對容器的腐蝕等中間過程，降低了處理Cr6+的成本，有效地抑制了Cr6+的污染。第六十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.3納米技術在微電子學上的應用與前景8.3.1納米技術在微電子學上的應用利用納米電子學已經(jīng)研制成功各種納米器件。清華大學范守善教授納米碳管，將氣相反應限制在納米管內進行，從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與Nz在納米碳管中反應生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4～40nm。另外，在1997年，他們還制備出了GaN納米線。第六十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五1998年該科研組與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上納米碳管陣列的自組織生長，它將大大推進納米碳管在場發(fā)射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使納米碳管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領域。早在1989年，IBM公司的科學家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。第六十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五另外，日本的NEC砑究所已經(jīng)擁有制作l00nm以下的精細量子線結構技術，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，由激光驅動，并且開、關速度很快。美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。此外，若能將幾十億個量子點連接起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。第六十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.3.2納米技術在微電子學上的應用前景微米尺度的加工和結構材料是當代微電子工業(yè)的支柱，而納米技術（包括制備和加工等）和納米材料將成為下一代微電子學器件的基礎。在納米科技發(fā)展中，納米材料是它的前導。納米材料集中體現(xiàn)了小尺寸、復雜構型、高集成度和強相互作用以及高比表面積等現(xiàn)代科學技術發(fā)展的特點，其中最應該指出的是納米材料是將量子力學效應工程化或技術化的最好場合之一，會產生全新的物理化學現(xiàn)象。第六十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(l)納米單電子元器件（單電子芯片）把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內，或者在一根非常細的短金屑線內，線的寬度只有幾個納米，就會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續(xù)具有任意動量的電子狀態(tài)，變成只能具有某一動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接結果表現(xiàn)為，在金屬顆粒的兩端加上電壓，當電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在宏觀世界內奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界就不再成立了。

第六十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

還有一種奇怪的現(xiàn)象，當金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內，這就切斷了電流的連續(xù)性，這使人們聯(lián)想到是否可以發(fā)明用一個電子來控制的電子器件，即所謂的單電子器件。單電子器件的尺寸很小，一旦實現(xiàn)，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計算速度將提高上百萬倍。第六十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(2)納米激光器和高密度信息存儲器

實際上，被囚禁的電子并不那么“老實”。按照量子力學的規(guī)律，有時它可以穿過“監(jiān)獄”的“墻壁”逃逸出來，這種現(xiàn)象一方面預示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關聯(lián)，因而需要新的設計才能使單電子器件變成集成電路；另一方面也會使芯片的動作不可控制。歸根結底，在這一情況下電子應被看成是“波”，而不是一個粒子。所以盡管電子器件已經(jīng)在實驗室里得以實現(xiàn)，但是真要用在工業(yè)上還需要時間。被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻，是會使材料發(fā)出很強的光。

第六十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五“量子點列激光器”或“級聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強度很高，用很低的電壓就可以驅動它們發(fā)出藍光或綠光，用來讀寫光盤可使光盤的存儲密度提高好幾倍。

如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存儲數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存儲度可提高成千上萬倍，會給信息存儲技術帶來一場革命。納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為信息時代的核心。

第六十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.4納米材料在化工生產中的應用8.4.1納米材料在催化方面的應用催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗進行，不僅造成生產原料的巨大浪費，使經(jīng)濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10-15倍。第七十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

納米微粒作為催化劑應用較多的是半導體光催化劑，特別是在有機物制備方面。分散在溶液中的每一個半導體顆粒，可近似地看成是一個短路的微型電池，用能量大于半導體能隙的光照射半導體分散系時，半導體納米粒子吸收光產生電子一空穴對。在電場作用下，電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進行氧化和還原反應。光催化反應涉及許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。

第七十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五知識補充—光催化劑利用光催化的方法氧化降解環(huán)境中有害污染物是近年來日益受到重視的一項污染治理新技術。美國環(huán)保局公布了九大類114種有機物被證實可以通過光催化氧化處理。該方法尤其適合于無法或難以生物降解的有毒有機物質的處理。什么是光催化光催化劑受光照射，吸收光能，發(fā)生電子躍遷，生成電子-空穴對，通過把光能轉化為化學能而促進化合物的合成或使化合物（有機物或無機物）降解的過程稱之為光催化。第七十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五半導體光催化原理·OH活性基反應能與污染物鍵能的對比第七十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五幾種常用的光觸媒（光催化劑）納米光觸媒：

TiO2、CdS、WO3、ZnO、ZnS、Fe2O3、SnO2等TiO2的優(yōu)點：

催化活性高、化學性質穩(wěn)定、成本低、無毒因此被廣泛應用第七十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五主要有機物光催化降解反應第七十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五例如納米SiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已右文章報道，選用硅膠為基質，制得了催化活性較高的Ti02/SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu-Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。第七十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.4.2納米材料在涂料（涂層）方面的應用納米材料由于其表面和結構的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層所沒有的功能。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。第七十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五結構涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。

在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。第七十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

在建材產品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電羼蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。第七十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角度變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。第八十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.4.3納米材料在其他精細化工方面的應用精細化工是一個巨大的工業(yè)領域，，產品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特魅力。

在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米A12O3和SiO2，加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。第八十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。國外已將納米SiO2作為添加荊加入到密封膠和黏合劑中，使其密封性和黏合性都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機玻璃制造方面也都有很好的應用。在有機玻璃中加入經(jīng)過表面修飾處理SiO2，可使有機玻璃抗紫外線輻射而達到抗老化的目的；而加入A12O3，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。第八十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線屏蔽性能，而且質地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。超細TiO2的應用還可擴展到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開發(fā)了用于食品包裝的TiO2及高檔汽車面漆用的珠光鈦白。納米TiO2能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機污染物，具有除凈度高、無二次污染、適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。第八十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五在環(huán)境科學領域，除了利用納米材料作為催化劑來處理工業(yè)生產過程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。8.5納米技術在生物工程及醫(yī)學上的應用

20世紀80年代開始的納米技術在90年代獲得了突破性進展，其與醫(yī)學的結合形成了新興邊緣學科—納米醫(yī)學，即在分子水平上利用分子工具和人體的知識，從事疾病的診斷、醫(yī)療、預防、保健和改善健康狀況等。第八十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五在認識生命的分子基礎上，人們可以設計制造大量的具有奇特功效的納米裝置，他們能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能；他們可以在人體的各處暢游甚至出入細胞，在人體的微觀世界里完成畸變的基因修復、扼殺剛剛萌芽的癌細胞、捕捉侵入人體的細菌和病毒、探測機體內化學或生物化學成分的變化、適時地釋放藥物和人體所需的微量物質、及時改善人的健康狀況等特殊使命。納米技術在醫(yī)學領域中的普遍應用將使21世紀的醫(yī)學產生一個質的飛躍。第八十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.5.1納米材料在生物學領域的應用納米生物學研究在納米尺度上的生物過程，包括修復、復制和調控機理，并根據(jù)生物學原理發(fā)展分子應用工程，包括納米信息處理系統(tǒng)和納米機器人的原理。科學家們發(fā)現(xiàn)，一種蛋白質分子是選作生物芯片的理想材料。目前利用蛋白質可制成各種生物分子器件，如開關器件、邏輯電路、存儲器、傳感器、檢測器以及蛋白質集成電路等。在納米尺度上利用掃描隧道顯微鏡(STM)獲取細胞膜和細胞器表面的結構信息，眾多的生物生理過程都是在細胞內進行的。第八十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

利用極細微的納米傳感器則有可能在不干擾細胞正常生理過程的狀況下，獲取活細胞內的各種生化反應和化學信息及電化學信息，從而了解機體的狀態(tài)，深化對生理或病理過程的理解。納米機器人(nanorobot)是納米生物學中最具誘惑力的內容。目前已知世界上最小的馬達是一種生物馬達——鞭毛馬達。它是細菌的運動器官，能像螺旋槳那樣旋轉驅動使鞭毛旋轉。該馬達通常由10種以上的蛋白質群體組成，其構造如同人工馬達，由相當?shù)亩ㄗ?、轉子、軸承、萬向接頭等組成。它的直徑只有30nm，轉速可以高達15000r/min，可在lμm內進行右轉或左轉的相互切換。這種鞭毛馬達將為科學家研制納米機器人提供極有意義的參考。8.5.1納米材料在生物學領域的應用第八十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五例如：第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，如酶和納米齒輪的結合體。這種納米機器人可注入人體血管內，成為血管中運作的分子機器人。這些分子機器人從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得能量，并按編制好的程序探示它們碰到的任何物體。分子機器人可以進行全身健康檢查、疏通腦血管中的血栓、清除心臟動脈脂肪沉積物、吞噬病菌、殺死癌細胞、監(jiān)視體內的病變等。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人將包含有納米計算機，這是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦研制成功，有可能在1s完成數(shù)十億次操作，人類的勞動方式將產生徹底的變革。8.5.1納米材料在生物學領域的應用第八十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五另外，還有一種“微型藥丸”，其包含傳感器、儲藥囊和微型壓力泵，“微型藥丸”可在壓力泵作用下被精確地送到人體內部指定部位釋放藥物，比傳統(tǒng)的打針吃藥更有效。納米機器人還可以用來進行人體器官修復工作，如修復損壞的器官和組織，做整容手術，進行基因裝配工作，即從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機體正常運行或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉而延長人的壽命或使人返老還童。8.5.1納米材料在生物學領域的應用第八十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.5.2納米生物醫(yī)學材料的應用由于納米材料結構上的特殊性，賦予納米材料獨特的小尺寸效應和表面／界面效應，使其在性能上與微米材料具有顯著性差異，表現(xiàn)出諸多優(yōu)異的性能和全新的功能。在醫(yī)學領域中，納米材料最引人注目的成功應用是作為藥物載體和制作人體材料。如人工腎臟、人工關節(jié)等。生物兼容物質的開發(fā)是納米材料在醫(yī)學領域的重要應用方面，樹型聚合物就是提供此類功能的良好材料。目前，納米生物醫(yī)學材料的探索應用如下：第九十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(l)納米人工紅細胞

我們知道，腦細胞缺氧6～l0min即出現(xiàn)壞死，內臟器官缺氧后也會呈現(xiàn)衰竭。納米人工紅細胞的原理是用一個可以雙向旋轉渦軸的選通柵門來控制氧氣從小球中釋放，通過調節(jié)渦軸旋轉的速度和方向，使小球內的氧氣根據(jù)人體需氧的多少以一定的速率釋放到外部血液中，同時使供氧裝置在富氧的地方具有吸收和需氧的地方具有釋放氧氣的功能；同理，它還必須能在適當?shù)牡胤轿蘸歪尫哦趸肌?/p>

RobertFreitas初步設計的人工微米紅細胞是一個金剛石的氧氣容器，內部有1000個大氣壓，泵動力來自血清葡萄糖，它輸送氧的能力是同等體積天然紅細胞的233倍，并具有生物炭活性。它可以應用于貧血癥的局部治療、人工呼嘆、肺功能喪失和體育運動需要的額外耗氧等。8.5.2納米生物醫(yī)學材料的應用第九十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(2)納米人工線粒體當細胞中的線粒體部分失去功能的時候，再來增加氧供給水平，并不一定能使組織有效地恢復，這時就需要直接釋放ATP同時伴隨著有選擇地釋放和吸收其他的一些代謝產物，后者是迅速恢復組織功能的有效手段。人工線粒體裝置，如同前面的供氧裝置一樣，只不過在這里釋放的是ATP而不是氧。(3)納米人工眼球我國四川大學研制的納米人工眼球可以像真眼睛一樣同步移動，通過電脈沖刺激大腦神經(jīng)，“看”到精彩世界。納米眼球外殼主要是由納米晶體制成的活性復合材料制作，里面放置微型攝像機與集成電腦芯片，通過這兩個部件將影像信號轉化成電脈沖來刺激大腦的枕葉神經(jīng)，實現(xiàn)可視功能。

8.5.2納米生物醫(yī)學材料的應用第九十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(4)納米人工鼻納米人工鼻實際上是一種氣體探測器，與燃氣監(jiān)視器道理相同，可同時監(jiān)測多種氣體。英國伯明翰大學正在研制“納米鼻”來預報致哮喘病發(fā)作的環(huán)境因素，一旦空氣中含有易引發(fā)哮喘病的氣體如臭氧、一氧化碳及氮的氧化物時，其顯示器就發(fā)出信號。(5)其他納米生物醫(yī)學材料

模擬骨骼結構的納米物質，主要成分為與聚乙烯混合壓縮后的羥基磷灰石網(wǎng)，物理特性符合理想的骨骼替截物。通過優(yōu)化納米管制備制動器，將使人工肌肉得到實現(xiàn)。8.5.2納米生物醫(yī)學材料的應用第九十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

有報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂，金屬陶瓷等復合納米材料則能更大地改變材料的力學性質，在醫(yī)學上可能用來制造人工器官。納米碳管比鉆石還耐用，其彈性如同人發(fā)，在1cm2上可植100億根，且敏感度很強，大大超過人們的耳蝸纖毛；高敏感度的碳納米材料人工耳蝸，可用于監(jiān)聽水中游動的微生物節(jié)奏，監(jiān)測水質。在血液循環(huán)中流動的納米聽診器，可監(jiān)測特殊細胞功能失調，使癌癥等疾病得到早期診斷。8.5.2納米生物醫(yī)學材料的應用第九十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.5.3納米技術在臨床診斷與檢測中的應用(1)光學相干層析技術和CT和MRI相比，OCT能以2000次／秒完成生物體內活細胞的動態(tài)成像，動態(tài)觀察體內單個活細胞的病理變化，而不會像X線、CT和MRI那樣殺死活細胞。該技術的出現(xiàn)將使疾病被扼殺于萌芽狀態(tài)。(2)納米激光單原子分子探測技術該技術具有高超的靈敏性，它可在含有1019個原子／分子的lcm3氣態(tài)物質中，在單個原子／分子層次上準確獲取其中1個。據(jù)此，醫(yī)生可以通過檢測人的唾液、血液、糞便和呼出氣體，及時發(fā)現(xiàn)人體中只有億萬分之一的各種疾病或帶病游離分子，并用于腫瘤細胞的診斷與洽療。

第九十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

(3)微小探針技術（納米探針）根據(jù)不同的診斷和檢測目的，將之植入并定位于體內不同的部位，或隨血液在體內運行，隨時將體內的各種生物信息反饋于體外記錄裝置。此技術有望成為21世紀醫(yī)學界最常用的手段。(4)納米細胞檢疫器（納米秤）能稱量10-9g的物體，即相當于1個病毒的質量。利用其可發(fā)現(xiàn)新病毒，也可定點用于口腔、咽喉、食管、氣管等開放部位的檢疫。

8.5.3納米技術在臨床診斷與檢測中的應用第九十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(5)納米傳感器

利用其小的尖端插入活細胞內而又不干擾細胞的正常生理過程，以獲取活細胞內多種反應的動態(tài)化學信息、電化學信息及反映整體的功能狀態(tài)，以期深化對機體生理及病理過程的理解。8.5.3納米技術在臨床診斷與檢測中的應用第九十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(6)識別血液異常的生物芯片

它可以在血流中巡航探測，及時地發(fā)現(xiàn)諸如病毒和細菌的入侵者并予以殲滅，從而消除傳染性疾病。MichealWisz做了一個雛形裝置，發(fā)揮芯片實驗室的功能，它可以沿血流流動并跟蹤像鐮狀細胞血癥和感染了艾滋病的細胞。目前，電場作用下自動尋址的細胞芯片也研究成功，既可用于基因功能研究與蛋白質亞細胞定位，又可用于監(jiān)測基因與蛋白質的瞬間表達。8.5.3納米技術在臨床診斷與檢測中的應用第九十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(7)原子力顯微鏡可以從納米水平揭示腫瘤細胞的形態(tài)學變化。(8)利用納米技術的其他診斷和檢測中國醫(yī)科大學研制成功了超順磁性氧化鐵超微顆粒脂質體，可以診斷3mm以下的肝臟腫瘤；利用類似光介導的手段測量體溫和血壓；利用對單個細胞電流學或電流動力學的分析，分離不同類型的細胞；在一個硅片上刻制寬度僅能容納一條DNA分子的芯片溝槽，計算機裝上這種芯片，就可以完全“讀懂”DNA序列或可以在幾分鐘內查明突然發(fā)生的傳染病的病因。8.5.3納米技術在臨床診斷與檢測中的應用第九十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.5.4納米技術在臨床治療中的應用(1)藥物治療納米技術在藥物方面的應用涉及以下幾點：①提高藥物的吸收利用度

納米粒徑的藥物由于大的比表面積，增加了其暴露于介質中的表面積，促進了藥物的溶解，因而可以提高藥物的吸收度，同時納米粒徑的藥物更容易穿透組織間隙，分布極廣，也可以大大提高其生物利用度。②控制釋放系統(tǒng)該系統(tǒng)包括納米粒子和納米膠囊，其藥物釋放機理為藥物通過囊壁瀝濾、滲透和擴散出來，也可以通過基質本身的溶蝕釋放其中的藥物。該系統(tǒng)可延長藥物作用的時間，并在保證藥物作用的前提下減少給藥劑量，以減輕或避免毒副作用，另外可提高藥物的穩(wěn)定性以便于儲存。第一百頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五③提高藥物作用的靶向性

藥物作用靶向性可以通過納米載體完成。以納米粒子作為載體，與藥物形成復舍物后，根據(jù)不同的治療目的，選用不同的方式進入體內的目標部位，達到治療的目的。有研究發(fā)現(xiàn)納米粒子的大小、形態(tài)及復合物的制造是實現(xiàn)納米粒子靶向性的關鍵。④建立新的給藥途徑

多肽類藥物在臨床上顯示了良好的治療效果，但是多肽類藥物口服易被蛋白水解酶降解。利用納米技術的到來給解決這些問題帶來了希望。關于以納米粒子作為口服蛋白、多肽、基因等藥物載體的研究也有文獻報道。8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五⑤促進藥物通過生物屏障納米給藥系統(tǒng)通過適當?shù)男揎椇螅€可以通過血腦屏障等生物屏障。

⑥其他方面納米技術在藥物學領域還有其他的應用，包括獲取病原微生物的結構信息，從而有目的的設計藥物；利用納米反應器控制藥物的反應取向和速度等。8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(2)基因治療納米技術應用于基因治療是納米生物技術最令人振奮的領域，主要包括基因改性和基于DNA分子的有序組裝與生物有序結構模擬的仿生兩方面。在基因改性治療技術方面，可以應用隧道掃描顯微鏡STM和AFM獲得蛋白質、核酸分子的圖像，在微小空間將DNA分子變構、重新排列堿基序列等；在DNA納米仿生制造方面，是利用DNA復制過程中堿基互補法則的專一性、堿基的單純性、遺傳信息的多樣性及雙螺旋結構的拓撲靶向性，結合納米技術，操縱單個原子、分子，制出與生命過程中每一個環(huán)節(jié)相類似的各種功能的納米有機一無機復合機器。

8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五采用納米材料作為基因傳遞系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢，目前有以下三種納米載體：殼聚糖、乳酸脫氫酶和樹枝狀樹形合成分子。有報道說，利用納米技術可使DNA通過主動靶向作用定位于細胞，將質粒DNA濃縮至50～200nm大小且?guī)县撾姾?，促進其對細胞核的有效進入，質粒DNA插入細胞核DNA的準確位點則取決于納米粒子的大小和結構，但其理化特性尚待確實。(3)納米機器人經(jīng)血管注入人體后，它以溶解在血液中的葡萄糖和氧氣為能量，按醫(yī)生編制好的程序進行健康檢查，清除動脈脂類沉積物并疏通血管，吞噬病菌，殺死癌細胞，監(jiān)視體內的病變等。8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

納米機器人還可以用來進行人體器官修復工作；進行基因裝配工作，即從基因申除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，或使引起癌癥的DNA突變發(fā)生逆轉；燒傷和創(chuàng)傷、肺臟等處的焦油、寄生蟲的清除等。紐約大學最近研制的納米機器人，有兩個用DNA制作的手臂，能在固定的位置間旋轉。(4)腫瘤治療

利用納米技術設計出識別和殺死癌細胞的小設備，這種設備帶有一個小的計算機和幾個附著點，可以判別特定分子的濃度，一旦發(fā)現(xiàn)癌細胞，便能及時放出攜帶的殺癌細胞藥物。8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五目前主要用于腫瘤治療的是納米控釋系統(tǒng)。某些納米材料可直接殺死癌細胞，李教授報道羧基磷灰石的納米材料是殺死癌細胞的有效武器，可以殺死人的肺癌、肝癌、食管癌等多種癌細胞，且不傷害正常的細胞。(5)捕獲病毒的納米陷阱

DonaldTomalia等用樹形聚合物制作了能夠捕獲病毒的納米陷阱，把能夠與病毒結合的硅鋁酸位點覆蓋在陷阱細胞表面，當病毒結合到陷阱細胞表面后就無法再感染人體細胞了。8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五陷阱細胞有外殼、內腔和核三部分組成，內腔可充填藥物分子或化療藥物；陷阱細胞能夠繁殖，生成不同的后代，個子較大的后代可能攜帶更多的藥物。體外實驗表明，納米陷阱能夠在流感病毒感染細胞之前就捕獲它們，同樣的方法期望用于捕獲類似癌癥／艾滋病病毒等更復雜的細脆／病毒。(6)器官移植

隨著人工器官技術的發(fā)展，修復外科將被替代外科取代。在器官移植領域，只要在人工器官外面涂上納米粒子，就可預防人工器官移植的排異反應。(7)手術治療

從細胞的角度看，即使是現(xiàn)在最好的手術刀，與其說是在治療疾病，不如說是在撕裂細胞。納米手術刀只有一根頭發(fā)絲的百分之一大小，可以不用開胸剖腹就能完成手術，使手術治療由有創(chuàng)變?yōu)槲?chuàng)，由微創(chuàng)變?yōu)闊o創(chuàng)。

8.5.4納米技術在臨床治療中的應用第一百零七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.5.5納米技術在基礎醫(yī)學中的應用(1)應用納米技術分離細胞

納米SiO2微粒細胞分離技術是將表面包覆單分子層的直徑30nmSiO2粒子均勻分散到含有多種細胞的聚乙烯吡咯烷酮膠體溶液中，通過離心使所需要的細胞分離。比利時的德梅博士等制備出多種對各種細胞器敏感程度和親和力差異很大“的金納米粒子一抗體復合體，與細胞器結合后在光鏡和電鏡下襯度差別很大，很容易分辨各種細胞內結構。第一百零八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(2)STM和AFM的應用STM和AFM具有0.01～0.1nm的分辨率，可以直接觀測到原子水平，還可以對原子、分子進行直接操縱，在自然的大氣或液體條件下成像，是研究生物大分子表面拓撲結構、特別是局域結構的理想方法。（3）熒光測量技術的應用利用納米技術可探測到單個生物大分子的熒光，反映一個細胞的能量狀態(tài)及周圍化學環(huán)境的變化，甚至可測量一個酶分子的活性。8.5.5納米技術在基礎醫(yī)學中的應用第一百零九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五（4）量子點標記物的應用清華大學將量子斑點納米粒子標記法用于芯片DNA的光致發(fā)光檢測，具有超高靈敏度。（5）納米磁性微粒在酶聯(lián)免疫吸附試驗中的應用

納米級磁性微粒具有表面標記蛋白質的特性，還具有納米微粒表面積大的敏感性和磁性分享的方便性，有很大的醫(yī)學應用前途（6）納米生物計算機

以生物工程技術產生的蛋白質分子為主要材料，并以其作為生物芯片。由于蛋白質分子能夠通過組合，再生新的微型電路，使得納米計算機具有生物體的一些特性，因此通過動態(tài)檢測可發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使疾病的早期診斷與治療成為可能。8.5.5納米技術在基礎醫(yī)學中的應用第一百一十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.6納米技術在軍事領域上的應用8.6.1納米電子技術在軍事領域上的應用8.6.1.1納米計算機系統(tǒng)計算機是信息系統(tǒng)的核心，而且現(xiàn)代戰(zhàn)爭系統(tǒng)離不開計算機。采用納米技術制造的微型晶體管和存儲器芯片將使存儲密度、計算速度和效率提高數(shù)百萬倍，大大縮小計算機的體積和重量，而能耗卻可降低到今天的幾十萬分之一。一旦這種具有原子精密度的新型計算機取代現(xiàn)有的計算設備用于軍事作戰(zhàn)，必將實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，從而提高C4I系統(tǒng)（指揮、控制、通信、計算機四個詞的英文開頭字母均為“c”，所以稱“C4”；“I”代表4情報。第一百一十一頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五

8.6.1.2納米航天及航空技術(l)納米衛(wèi)星

1993年，美國Aerospace公司就在奧地利召開的第44屆國際宇航大會上提出了納米衛(wèi)星（質量約0.1—l0kg）的概念。這種衛(wèi)星比麻雀略大，質量不足l0kg,各種部件全部用納米材料制造，采用最先進的微機電一體化集成技術整合，體積小、質量輕、生存能力強，即使遭受攻擊也不會喪失全部功能；研制費用低，不需大型實驗設拖和跨度大的廠房；易發(fā)射，不需大型運載工具發(fā)射，一枚小型運載火箭即可發(fā)射千百顆，若在太陽同步軌道上等間隔布置648顆功能不同的納米衛(wèi)星，就可以保證在任何時刻對地球上任何一點進行連續(xù)監(jiān)視，即使少數(shù)衛(wèi)星失靈，整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的工作也不會受影響。第一百一十二頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(2)太空升降機太空戰(zhàn)將成為未來戰(zhàn)爭的熱點，由于現(xiàn)用航天飛機和宇宙飛機運載能力較低，發(fā)射次數(shù)有限，安全性也較差，前一階段美國科學家甚至為此呼吁暫停使用現(xiàn)有的航天飛機。

另一方面，一些發(fā)達國家正在加緊研制能夠滿足太空作戰(zhàn)需要的新式太空運載工具。巴基球是由60個碳原子聚集在一起形成的足球狀結構，在此基礎上研制出納米碳管，其強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6,5萬個納米碳管并排在一起只相當于一根頭發(fā)絲的直徑。這種納米碳管或類似結構的材料被設想用于制造“太空升降機”，在未來的太空軍事化應用中將發(fā)揮重要作用。8.6.1.2納米航天及航空技術第一百一十三頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(3)納米飛機偵察和干擾系統(tǒng)

應用了納米技術的各種微型飛行器可攜帶各種探測設備，具有信息處理、導航（帶有小型GPS接收機）和通信能力。美國黑寡婦超微型飛行器長度不超過15cm，成本不超過1000美元，重50g，裝備有GPS、微攝像機和傳感器等精良設備。德國美因茲微技術研究所科學家研制成功微型直升機，長24mm、高8mm、質量為400mg，小到可以停放在一顆花生上。這些納米飛機的主要功能是秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內部或附近，監(jiān)視敵方情況，同時也可對敵方雷達、通信等電子設備實施有效干擾。它們可以懸停、飛行，且很難被敵方常規(guī)雷達發(fā)現(xiàn)。據(jù)說它還適應全天候作戰(zhàn)，可以從數(shù)百公里外將其獲得的信息傳回己方導彈發(fā)射基地，直接引導導彈攻擊目標。8.6.1.2納米航天及航空技術第一百一十四頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.6.1.3微機電系統(tǒng)、納米武器和納米軍隊

微機電系統(tǒng)可以說是納米技術的核心技術，也是目前納米電子技術最尖端的應用。所謂微機電系統(tǒng)是指外形輪廓尺寸在毫米級、構成元件尺寸在微米至納米級的可控制、可運動的微型機械電子裝置。納米技術的發(fā)展正在使微機電系統(tǒng)走向現(xiàn)實而以后者為基礎的神奇“精靈”，不僅將改變我們的生活現(xiàn)狀，更將主宰未來戰(zhàn)爭的舞臺。第一百一十五頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(1)微型導彈

由于納米器件比半導體器件工作速度快得多，制造出的智能化微機電導航系統(tǒng)，可以使制導、導航、推進、姿態(tài)控制、能源和控制等方面發(fā)生質的變化，從而使微型導彈更趨小型化、遠程化、精確化。這種只有蚊子大小的微型導彈直接受電波遙控，可以悄然潛入目標內部，其威力足以炸毀敵方火炮、坦克、飛機、指揮部和彈藥庫，起到神奇的戰(zhàn)斗效能。目前，美國、日本、德國正在研制一種細如發(fā)絲的傳感制動器，為成功研制微型導彈開拓了技術發(fā)展空間。

8.6.1.3微機電系統(tǒng)、納米武器和納米軍隊第一百一十六頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(2)納米微型軍

這是一類能像士兵那樣執(zhí)行各種軍事任務的超微型智能武器裝備，目前正在研制的主要是執(zhí)行偵察監(jiān)視任務、破壞敵方電腦網(wǎng)絡、信息系統(tǒng)、武器火控和制導系統(tǒng)的“間諜草”、“機器蟲”、袖珍遙控飛行器、“螞蟻雄兵”和微型攻擊機器人等。例如“螞蟻雄兵”，這是一種通過聲波或其他萬式控制的微型機器人，比螞蟻還要小，但具有驚人的破壞力。它們可以通過各種途徑鉆進敵方武器裝備中，長期潛伏下來，一旦啟用便各顯神通，有的專門破壞敵方電子設備，使其短路、毀壞；有的充當爆破手，用特種炸藥引爆目標；

8.6.1.3微機電系統(tǒng)、納米武器和納米軍隊第一百一十七頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五有的釋放各種化學制劑，使敵方金屬變脆、油料凝結或使敵方人員神經(jīng)麻痹、失去戰(zhàn)斗力。若“螞蟻雄兵”與微型地雷配合使用，還能實施戰(zhàn)略打擊。據(jù)美國國防部專家透露，美國研制的“微型軍”有望在10年內大規(guī)模部署(3)納米機器人納米機器人是納米科技最具誘惑力的重要內容。納米機器人將包含有納米計算機，這種可以進行人機對話的裝置一旦研制成功，可在1s內完成數(shù)十億次操作。這將改變人們對戰(zhàn)爭力量對比的看法，使未來戰(zhàn)場模式與格局產生根本性變革。8.6.1.3微機電系統(tǒng)、納米武器和納米軍隊第一百一十八頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五(4)高集成度的單兵系統(tǒng)由于納米住處系統(tǒng)具有超微型化、高智能化等特點，目前車載、機載的電子戰(zhàn)系統(tǒng)甚至武器系統(tǒng)都可濃縮至單兵攜帶，其隱蔽性更好、攻擊性更強，同時系統(tǒng)獲取信息速度加快，偵察監(jiān)視精度提高而系統(tǒng)的重量卻大大減輕。應用納米技術的單兵能明顯提高士兵的態(tài)勢和感知能力、通信能力和殺傷力。8.6.1.3微機電系統(tǒng)、納米武器和納米軍隊第一百一十九頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五8.6.2納米技術將改變戰(zhàn)爭形態(tài)具體表現(xiàn)在以下幾個方面.1.未來作戰(zhàn)模式將發(fā)生根本改變

未來戰(zhàn)場極可能將由數(shù)不清的各種納米微型兵器擔任主演。2.未來戰(zhàn)場將更加透明

可以想象，從太空到空中、地面，面對層層高效的納米級偵察監(jiān)視網(wǎng)，會使人難以察覺、防不勝防。這將使得技術相對落后的國家軍隊有密難保，戰(zhàn)場對強敵將徹底透明，必將使戰(zhàn)爭更具突發(fā)性。第一百二十頁，共一百四十一頁，編輯于2023年，星期五3戰(zhàn)爭突發(fā)性概率將急劇