納米材料的發(fā)展歷史-現(xiàn)狀及省名師優(yōu)質(zhì)課賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

納米材料發(fā)展歷史及現(xiàn)實(shí)狀況化工09-5寧志龍第1頁(yè)納米材料發(fā)展歷史納米材料應(yīng)用其實(shí)很早就有了，只是沒(méi)有上升成納米材料概念。早在一千多年前，我國(guó)古代利用燃燒蠟燭搜集碳墨作為墨原料及染料。這是應(yīng)用最早納米材料。第2頁(yè)我國(guó)古代銅鏡表面長(zhǎng)久不發(fā)生銹鈍，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)覺(jué)其表面有一層納米氧化錫顆粒組成薄膜。以及十八世紀(jì)中葉，膠體化學(xué)建立，科學(xué)家們開(kāi)始研究直徑為1-100nm粒子系統(tǒng)。這種液態(tài)膠體體系就是現(xiàn)在所說(shuō)納米溶膠。硅溶膠為納米級(jí)二氧化硅顆粒

第3頁(yè)在以后催化劑研究中，人們制備了鉑黑，這大約是納米金屬粉體最早應(yīng)用。不過(guò)把納米材料正式作為材料科學(xué)一個(gè)新分支是1990年7月在美國(guó)巴爾摩召開(kāi)國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議上確定。所以將1990年七月以前作為納米材料發(fā)展第一階段，在這之前，從20世紀(jì)60年代末開(kāi)始，人們主要在試驗(yàn)室探索用各種伎倆制備不一樣材料納米粉末，合成塊體（包含薄膜），研究評(píng)定表征方法，探索納米材料不一樣于常規(guī)材料特殊性，但研究大部分局限在同一材料。第4頁(yè)在這一階段中最值得一提是1985年發(fā)覺(jué)碳納米原子團(tuán)簇-C60。這種材料研制成功使人們看到它含有普通尺寸碳材料不具備特殊性能。這種材料碳原子數(shù)目是穩(wěn)定。純C60固體是絕緣體，不過(guò)采取堿金屬摻雜后就成為導(dǎo)電性很好材料，能夠與金屬相比。甚至成為超導(dǎo)體。同時(shí)發(fā)覺(jué)C60在低溫下展現(xiàn)鐵磁性。第5頁(yè)1990年以后，納米材料得到了快速發(fā)展。在理論研究方面，納米科技誕生，給人們思維帶來(lái)了一次革命。它告訴我們，任何一個(gè)物質(zhì)在不一樣聚集狀態(tài)及環(huán)境條件下，本身物性規(guī)律和運(yùn)動(dòng)規(guī)律都將可能發(fā)生根本性改變。換言之，當(dāng)環(huán)境條件超出某一極限范圍后，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、性質(zhì)都會(huì)發(fā)生質(zhì)改變，其對(duì)應(yīng)理論也將發(fā)生改變，必須尋找新適應(yīng)該環(huán)境條件范圍內(nèi)理論與之相適應(yīng)。第6頁(yè)比如按相對(duì)論推理，當(dāng)物體速度超出光速后，時(shí)間就會(huì)成為負(fù)值，即出現(xiàn)時(shí)間倒轉(zhuǎn)，這是不可能，從環(huán)境條件觀點(diǎn)來(lái)看，這個(gè)理論適用范圍就是物體速度不超出光速。物體尺寸大小也一樣，當(dāng)物質(zhì)聚集形式到達(dá)納米尺度，物質(zhì)與常態(tài)下該物質(zhì)相比就會(huì)出現(xiàn)許多本質(zhì)不一樣，原來(lái)良導(dǎo)體可能變成絕緣體、惰性物質(zhì)可能變成活性物質(zhì)，而且這些現(xiàn)象也無(wú)法用原來(lái)理論加以解釋?zhuān)@就說(shuō)明原來(lái)理論已不再適應(yīng)于這種狀態(tài)，必須有新理論取而代之，如：第7頁(yè)量子尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)表面與界面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)介電限域效應(yīng)第8頁(yè)量子尺寸效應(yīng)（Thequantumsizeeffect）量子尺寸效應(yīng)--是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)或者能隙變寬現(xiàn)象。當(dāng)能級(jí)改變程度大于熱能、光能、電磁能改變時(shí)，造成了納米微粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特征與常規(guī)材料有顯著不一樣。第9頁(yè)早在20世紀(jì)60年代，久保（Kubo）采取一電子模型求得金屬納米晶粒能級(jí)間距δ為：δ=4Ef/3N

式中：Ef為費(fèi)米勢(shì)能，N為粒子中總電子數(shù)。第10頁(yè)小尺寸效應(yīng)（Smallsizeeffect）當(dāng)顆粒尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子顆粒表面層附近原子密度降低，造成聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特征展現(xiàn)新物理性質(zhì)改變稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。第11頁(yè)宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)是基本量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái)，人們發(fā)覺(jué)一些宏觀量，比如微顆粒磁化強(qiáng)度，量子相干器件中磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱(chēng)為宏觀量子隧道效應(yīng)。第12頁(yè)介電限域效應(yīng)介電限域是納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中因?yàn)榻缑嬉l(fā)體系介電增強(qiáng)現(xiàn)象，主要起源于微粒表面和內(nèi)部局域場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)。當(dāng)介質(zhì)折射率對(duì)比微粒折射率相差很大時(shí)，就產(chǎn)生了折射率邊界，這就造成微粒表面和內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)比入射場(chǎng)強(qiáng)顯著增加，這種局域場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)稱(chēng)為介電限域。普通來(lái)說(shuō)，過(guò)渡族金屬氧化物和半導(dǎo)體微粒都可能產(chǎn)生介電限域效應(yīng)，納米顆粒介電限域?qū)馕铡⒐饣瘜W(xué)、光學(xué)非線性等都會(huì)有主要影響。

第13頁(yè)制備技術(shù)方面物質(zhì)顆粒越小，其表面積越大。物質(zhì)體系表面能越高，同時(shí)物質(zhì)顆粒越小，其原子(分子)混亂度越大，體系熵值也越大，體系就越不穩(wěn)定。所以納米狀態(tài)實(shí)際上是一個(gè)不穩(wěn)定高能體系狀態(tài)。它會(huì)自發(fā)由小顆粒高能狀態(tài)向大顆粒低能狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這就是我們?cè)诩{米材料中常說(shuō)團(tuán)聚。所以納米材料在制備和應(yīng)用過(guò)程中一個(gè)較大困難就是要預(yù)防納米材料團(tuán)聚。納米顆粒一旦發(fā)生團(tuán)聚，材料在納米尺度范圍所表現(xiàn)出優(yōu)異性能就會(huì)喪失待盡。第14頁(yè)當(dāng)前經(jīng)過(guò)廣大科學(xué)家努力，在納米材料制備技術(shù)方面已取得了較大成功，迄今為止，絕大部分金屬、氧化物和碳等都能制備出來(lái)，許多金屬、SiO2、TiO2、CaCO3、石墨等納米級(jí)材料，已經(jīng)能夠規(guī)模生產(chǎn)。第15頁(yè)納米金屬材料納米二氧化鈦第16頁(yè)應(yīng)用研究方面一催化、降解材料領(lǐng)域納米顆粒因?yàn)槠浔砻嬖诱加畜w積比大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)不一樣，原子配位不全等，可使表面活性增加，含有優(yōu)異催化特征，所以，納米顆粒材料在催化劑材料中得到廣泛應(yīng)用。第17頁(yè)將納米Pt顆粒、Al2O3，、Fe2O3，等作為催化劑，已在高分子高聚物氧化、還原和合成反應(yīng)中得到應(yīng)用；納米高鉻酸銨是制造炸藥極佳催化材料；納米Ni粉可代替金屬Pt用于許多催化領(lǐng)域；納米Pt、WC還是氫化反應(yīng)高效催化劑；在火箭發(fā)射固體燃料推進(jìn)劑中添加質(zhì)量1％納米鋁粉和鎳粉，可使固體燃料燃燒增加一倍以上，納米鎳粉代鉑粉作為化學(xué)反應(yīng)催化劑價(jià)格比鉑粉低了3倍多，但催化效果卻大10倍。納米SiO2：，TiO2：在光催化作用下能夠快速降解有機(jī)高分子化合物，為垃圾處理帶來(lái)新無(wú)二次污染好方法。納米SiO2：，TiO2：在光催化降解反應(yīng)最有希望處理白色污染問(wèn)題。第18頁(yè)另外在納米催化材料中，納米TiO2光催化作用是十分值得注意，納米TiO2是一個(gè)經(jīng)典半導(dǎo)體光催化劑,當(dāng)前已知應(yīng)用有：催化馬來(lái)酸酐發(fā)生聚合反應(yīng)催化降解甲基橙催化降解十二烷基苯磺酸納催化降解水面石油光催化分解氯仿第19頁(yè)二環(huán)境保護(hù)與建筑材料業(yè)納米抗菌材料研究發(fā)覺(jué)：許多納米材料都含有抗菌作用，納米Ag、納米SiO2、納米TiO2、納米C等都可作為抗菌材料使用。將納米SiO2、納米TiO2、納米C溶膠浸入或微粒加入纖維等材料中，能夠使這些材料含有極好抗菌性。對(duì)傳統(tǒng)涂料用納米材料進(jìn)行改性后，可取得許多含有特殊功效涂料。比如：納米siO2添加到紫外光固化涂料中，可大幅度提升涂料硬度、耐磨性及耐刮檫性等。第20頁(yè)三電磁材料方面應(yīng)用納米微粒含有獨(dú)特電學(xué)性能，如納米金屬微粒都不導(dǎo)電，納米鈦酸鉛、鈦酸鋇、鈦酸鍶等微?？捎设F電體變?yōu)轫橂婓w。納米材料有些在顆粒狀態(tài)下不導(dǎo)電，但在溶膠狀態(tài)下卻含有良好導(dǎo)電性。納米材料含有高磁矯頑力、磁化強(qiáng)度和剩磁比，并含有巨磁阻現(xiàn)象，是良好磁頭、磁存放元體，能大幅度提升材料信息儲(chǔ)存量和統(tǒng)計(jì)速度。第21頁(yè)希捷利用特殊碳基納米材料作為硬盤(pán)

第22頁(yè)四生物醫(yī)用材料可用磁性納米微粒涂覆高分子材料，將其在體外與蛋白質(zhì)相結(jié)合，注入生物體內(nèi)，用作藥品載體，經(jīng)過(guò)外加磁場(chǎng)作用，納米顆粒磁性導(dǎo)航將藥品直接送達(dá)病灶，到達(dá)定向治療目標(biāo)，這么不但大大降低了藥品副作用，而且大大降低了藥品用量。這種納米顆粒磁性導(dǎo)航材料又被稱(chēng)為生物導(dǎo)彈。第23頁(yè)我國(guó)制成艾滋病等病毒高靈敏血液檢測(cè)用納米材料