納米材料及納米技術的應用

關于納米材料及納米技術的應用納米技術的簡介“納米”是英文Nanometer的譯音，是一種計量單位（符號為nm）,1nm為106mm,約與相當于4~5個原子串起來那么長。納米科學是指人們研究納米尺度即0.1~100nm范圍之內(nèi)的物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科學。納米技術是指在此基礎上創(chuàng)造新材料，研究新工藝的方法和手段。納米技術包括納米材料、納米器件、納米生物醫(yī)學等三大塊。按目前的研究領域，大致可分為納米材料學、納米電子學、納米生物學、納米制造、納米光學等等。第2頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術的發(fā)展史1965年，諾貝爾物理學獎獲得者費曼（R.P.Feynman)首次提出“納米材料”的概念。1982年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，便誕生了一門以納米長度為研究的分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子創(chuàng)造物質(zhì)的技術。納米科學技術正式“開宗立派”是在1990年。第3頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米材料的簡介在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在廣義的納米材料是指在三維空間中到少有一堆處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。通俗的說，納米材料是指由納米的單元構成的任何類型的材料。如金屬、陶瓷、聚合物、半導體、玻璃和復合材料等。通過控制這些納米級結(jié)構單元的大小，控制內(nèi)部和表面的化學性質(zhì)，控制它們的組合，就能以前所未有的方法認為設計材料的特性和功能。第4頁,共48頁，2024年2月25日，星期天如果按維度，納米材料的基本單元可以分為三類：a.零維，指在空間三維尺寸均在納米尺度。如納米尺度顆粒、原子團族等；b.一維，指在空間有兩維處于納米尺度。如納米絲、納米棒、納米管等；c.二維，指在三維空間中有一維在納米尺度。如超薄膜、多薄膜、超晶格等。納米材料大部分都是人工制備的，屬于人工材料，但是自然界早就存在納米微粒和納米固體。例如，天體的隕石碎片，人體和獸類的牙齒都是由納米微粒構成的。第5頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米材料的基本性質(zhì)體積效應。是指納米微粒尺寸減少，體積縮小，粒子內(nèi)的原子數(shù)減少而造成的效應。它能使磁性、內(nèi)壓、光吸引、熱阻、化學活性、催化性及熔點等比普通粒子變大。表面與界面效應。納米微粒表面原子與總原子數(shù)之比，隨納米微粒尺寸的減少而大幅增加，粒子的表面能及表面張力也隨之增加，從而引起納米材料性質(zhì)的變化。例如，一些氧化物、氮化物和碳化物的納米微粒對紅外線有良好的吸收和發(fā)射作用，對紫外線有良好的屏蔽作用。第6頁,共48頁，2024年2月25日，星期天（3）量子尺寸效應（這一效應可使納米粒子具有高的光學非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等）（4）宏觀量子隧道效應（5）介電限域效應第7頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米材料的特殊性質(zhì)光學性質(zhì)：納米材料具有比普通晶體較強的吸收光和發(fā)散光的能力，其粒徑越小，吸光和發(fā)光的能力就越強，材料的色差就越大。催化性質(zhì)：納米材料有很大的活性中心數(shù)目，其分散性好，不會形成反應體系的局部過熱而導致催化劑失去活性。光催化性質(zhì)：納米材料吸收光能后原有的束縛電子向納米顆粒的表面擴散，納米顆粒愈小激發(fā)態(tài)電子、空穴擴散所需的時間久越短。第8頁,共48頁，2024年2月25日，星期天光學化學性質(zhì)：在光作用下的電化學工程，是分子、離子及固體收光使電子處于可激發(fā)態(tài)而產(chǎn)生的電荷傳遞過程。化學反應性質(zhì)：由于顆粒粒徑小，表面原子百分數(shù)多，吸附能力強，表面反應活性高，易被氧化，有些金屬納米材料甚至還會發(fā)光燃燒。力學性質(zhì)：納米材料的強度、硬度、韌性均有大幅度提高。熱學性質(zhì)：納米鉛材料比普通鉛的比熱增加20~50%，納米銅材料的熱膨脹系數(shù)比普通銅材成倍增大。導電性質(zhì)：某些納米合金材料的電阻率下降兩個數(shù)量級，此外，納米材料還具有永久磁化、抗燒結(jié)、超導等諸多特性。第9頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在陶瓷領域方面的應用陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。第10頁,共48頁，2024年2月25日，星期天是指顯微結(jié)構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。納米燈具陶瓷納米陶瓷第11頁,共48頁，2024年2月25日，星期天第12頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在微電子學上的應用納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。第13頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米單電子晶體管第14頁,共48頁，2024年2月25日，星期天可調(diào)諧納米發(fā)光二極管第15頁,共48頁，2024年2月25日，星期天超微磁場探測器第16頁,共48頁，2024年2月25日，星期天電光信息電子器第17頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米激光器在經(jīng)過多個科學家研究的發(fā)現(xiàn)，無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實現(xiàn)瞬時開關。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關，適合用于光纖通信。由于納米技術的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實現(xiàn)將指日可待。第18頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在化工領域的應用納米粒子作為光催化劑，有著許多優(yōu)點。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，電子、空穴能夠到達表面的數(shù)量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導體能級結(jié)構與表面態(tài)密度的影響。第19頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑第20頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在醫(yī)學上的應用隨著納米技術的發(fā)展，在醫(yī)學上該技術也開始嶄露頭角。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。第21頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米顆粒作為載體的病毒誘導物第22頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米分子機器人研究納米技術在生命醫(yī)學上的應用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結(jié)構及其與功能的關系，獲取生命信息?？茖W家們設想利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學研究發(fā)生一次革命。第23頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在紡織服裝中的應用抗靜電功能

應用領域抗菌，防臭功能

紅外線功能

防電磁輻射

防紫外線

拒水拒油

阻燃功能

第24頁,共48頁，2024年2月25日，星期天1.紅外功能人體釋放的紅外線大致在4～16um的中紅外頻段，某些納米微粒TiO2、SiO2、Al2O3和Fe2O3的復合粉體與高分子纖維結(jié)合，對中紅外波段有很強的吸收性能，對些波段的紅外探測器有很好的屏蔽作用。

第25頁,共48頁，2024年2月25日，星期天遠紅外保暖內(nèi)衣它是遠紅外光療、納米抗菌和功能面料制成的保健內(nèi)衣等保健紡織產(chǎn)品，能夠釋放負氧離子，還具有高效的遠紅外發(fā)射能力和抗菌消臭效果。能提高人體機能的自愈及恢復能力。第26頁,共48頁，2024年2月25日，星期天2.防紫外線太陽能對人體有傷害的紫外線主要在300—400nm波段，納米TiO2、ZnO、Fe2O3和納米云母等都有在這個波段吸收紫外線的特征，將少量納米微粒添加到化學纖維中，就會產(chǎn)生紫外線吸收現(xiàn)象，從而可以有效保護人體免受紫外線的損傷。第27頁,共48頁，2024年2月25日，星期天防紫外線傘本產(chǎn)品傘面經(jīng)防紫外線工藝技術處理，具備防紫外線性能。一甩干拒水傘面（不沾水）是在普通傘面上采用納米技術加工而成，具有強力拒水功能。

第28頁,共48頁，2024年2月25日，星期天3.抗靜電在化纖制品中加入少量納米微粒，如將納米TiO2、ZnO、Fe2O3和Cr2O3等具有半導體性質(zhì)的粉體摻入到樹脂中，或?qū)⑵浼尤氲秸韯┲袑w維或織物進行后整理，就會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能，大大降低靜電效應。第29頁,共48頁，2024年2月25日，星期天4.納米抗菌、防臭功能某些金屬粒子(如納米銀粒子、納米銅粒子)和納米TiO2、ZnO等具有一定的殺菌性能，其與化纖復合紡絲，制造出抗菌的功能纖維，比一般的抗菌織物具有更強的抗菌效果和更多的耐洗次數(shù)。第30頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米抗菌環(huán)保技術一件襯衫能抗輻射、抗紫外線、抗多種真菌感染，這是不是太神奇了？這幾天，在寧波的各大唐獅專賣店，一款休閑女格子襯衫以其特有的環(huán)保功能吸引了眾多消費者的眼球。這種特殊功能的“環(huán)保服裝”是由納米技術應用于紡織業(yè)創(chuàng)造的“神奇纖維”制成的。第31頁,共48頁，2024年2月25日，星期天波司登保暖內(nèi)衣江蘇康博集團推出“波司登”納米技術抗菌保健、超強透氣導濕、超保暖三功能的內(nèi)衣。其保暖內(nèi)衣層內(nèi)添加了從天然奇冰石中提取的納米級超細粉末，能有效地殺菌抑菌，消除異味。第32頁,共48頁，2024年2月25日，星期天5.拒水拒油在材料表面進行特殊加工在其宏觀界面建立一個二元協(xié)同納米界面結(jié)構，使材料不僅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用這種材料制成的衣物洗滌時可以僅用清水沖洗而不需使用傳統(tǒng)的洗滌劑。第33頁,共48頁，2024年2月25日，星期天荷葉效應—疏水自潔服裝根據(jù)荷葉自清潔能力，利用納米界面材料的疏水、疏油的特性，通過對紡織品的每根細小的纖維進行人工修飾，在織物表面形成一個微細的絨毛結(jié)構，它可吸收空氣分子并在表面形成一層氣墊，防止織物受油和水的沾染。來源：《納米科技產(chǎn)品及應用-納米產(chǎn)業(yè)揭秘》任紅軒黃進等著第34頁,共48頁，2024年2月25日，星期天6.防電磁輻射電子產(chǎn)品的普及使得電磁輻射對人體健康造成了巨大威脅，一些納米微粒如納米氧化鐵，納米氧化鎳等能強烈吸收電磁輻射從而對人體起到防護作用。第35頁,共48頁，2024年2月25日，星期天防輻射孕婦裝銀離子孕婦裝運用納米單質(zhì)銀與纖維聚合成一體，并使織物表面形成牢固的耐氧化膜層結(jié)構，將純銀和環(huán)保纖維進行有機整合，具有隔離電磁輻射功能，具有抗菌除臭、抗靜電、調(diào)控體溫，吸濕速干、透氣性好，輕薄柔軟，耐反復水洗，洗后不扎身，可貼身穿著，使用壽命長第36頁,共48頁，2024年2月25日，星期天纖維阻燃多數(shù)通過用添加型阻燃劑或反應型阻燃劑對原材料進行前處理，或者是對織物進行后整理等途徑實現(xiàn)。7.阻燃功能第37頁,共48頁，2024年2月25日，星期天防火防水勞保服裝備自主研發(fā)防火的“納米竹碳纖維布料多功能服”。據(jù)介紹，這種服裝的主要材料———納米竹碳纖維由竹碳研磨成納米級粉末后，經(jīng)特殊工藝合成。用該材料制成的衣服外觀和手感與普通衣服無異，主要用于制作勞保服和戶外運動裝備。第38頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術成就未來高科技軍服這種納米面料軍服具有子彈穿不透、遠紅外瞄不準、防化學武器能力，另外還安裝了微型計算機和高靈敏傳感器、凈化水裝置。第39頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米技術在其它方面的應用納米分子構成的纖維結(jié)構納米微型電子存儲器第40頁,共48頁，2024年2月25日，星期天運用納米技術改變分子間的結(jié)構第41頁,共48頁，2024年2月25日，星期天納米武器稱雄未來戰(zhàn)場

間諜草機器蒼蠅蚊子導彈螞蟻士兵麻雀衛(wèi)星第42頁,共48頁，2024年2月25日，星期天“間諜草”

這是一種看似小草的微型探測器，其內(nèi)裝有敏感的超微電子偵察儀器、照相機和感應器，可偵測出百米以外的坦克、車輛等出動時產(chǎn)生的震動和聲音，能自動定位、定向和進行移動，繞過各種障礙物。第43頁,共48頁，2024年2月25日，星期天“機器蒼蠅”

它既能被飛機、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敵軍信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)附近，大批“機器蒼蠅”可在某地區(qū)形成高效偵察監(jiān)視網(wǎng)，大