化學(xué)與納米技術(shù)省公開課一等獎(jiǎng)全國示范課微課金獎(jiǎng)?wù)n件

化學(xué)與納米技術(shù)

背景介紹納米金表面水滴一滴水在用電鑄方法制備納米結(jié)構(gòu)金表面。這些顏色由白光在表面反射和那些表面等離子體激元產(chǎn)生。第1頁納米技術(shù)

概論1981年掃描隧道顯微鏡創(chuàng)造后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它最終目標(biāo)是直接以原子或分子來結(jié)構(gòu)含有特定功效產(chǎn)品。所以，納米技術(shù)其實(shí)就是一個(gè)用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)技術(shù)。

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)綜合學(xué)科，研究內(nèi)容包括當(dāng)代科技遼闊領(lǐng)域。納米科學(xué)與技術(shù)主要包含：納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等七個(gè)學(xué)科我們主要介紹一下納米技術(shù)在生物以及材料方面發(fā)揮推進(jìn)力量，以及化學(xué)在其中起到主要作用背景介紹~

納米棒棒糖

--這是一個(gè)側(cè)面圖，現(xiàn)實(shí)了搭在兩個(gè)鎳電極間一根硅納米線。在右邊那一頭，納米線連著一個(gè)小納米鎳金屬球，看起來就象是個(gè)棒棒糖。所以偶們叫它"納米棒棒糖"。此圖由日立S-4700場發(fā)射掃描電鏡拍攝。樣品法線跟電子束成85度角。第2頁納米材料繽紛世界背景介紹鎳色子邊長為200微米，是利用自組裝技術(shù)制造，圖中色子顏色是后期制作時(shí)用電腦軟件加上去。第3頁納米材料概述與分類概述--納米材料統(tǒng)指合成材料基本單元大小限制在1~100nm范圍材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起尺度。、分類--納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。下面我們來一一介紹它們特點(diǎn)及功效。

第4頁納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大線狀材料。可用于：微導(dǎo)線、微光纖（極有可能成為未來量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)主要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材料等。

納米纖維用于凈水納米纖維可將太陽能轉(zhuǎn)換成為燃料第5頁納米膜納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小間隙薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)薄膜?？捎糜冢簹怏w催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁統(tǒng)計(jì)材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。納米隔熱電鍍膜

用作防爆膜以及汽車防爆膜納米負(fù)離子遠(yuǎn)紅外電熱膜第6頁圖為納米鎳粉電鏡圖

可用作高效催化劑納米粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，普通指粒度在100納米以下粉末或顆粒，是一個(gè)介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却沤y(tǒng)計(jì)材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封裝材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂陶瓷，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等?？傊{米粉末應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛。能夠說是納米材料中最“能干”一類。

第7頁納米材料功效

家電--用納米材料制成納米材料多功效塑料，含有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里抗菌除味塑料。

電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)--能夠從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存放容量為當(dāng)前芯片上千倍納米材料級(jí)存放器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采取納米材料后，能夠縮小成為“掌上電腦”。環(huán)境保護(hù)--環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功效獨(dú)特納米膜。這種膜能夠探測到由化學(xué)和生物制劑造成污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。紡織工業(yè)--在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2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內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用具，可制得滿足國防工業(yè)要求抗紫外線輻射功效纖維。

第8頁納米材料制備方法物理法化學(xué)法粉碎法構(gòu)筑法沉淀法水熱法溶膠－凝膠法冷凍干燥法噴霧法干式粉碎濕式粉碎氣體冷凝法濺射法氫電弧等離子體法共沉淀法均相沉淀法水解沉淀法納米材料合成方法分類氣相反應(yīng)法液相反應(yīng)法氣相分解法氣相合成法氣－固反應(yīng)法第9頁可見在納米材料合成方法中,化學(xué)方法不但在使用而且可操作性很強(qiáng),其中，沉淀法、水熱法溶膠、凝膠法、冷凍干燥法、噴霧法都是制備納米材料有力方法。可見化學(xué)與納米材料息息相關(guān)。含有電子存放磁性硼鐵化鈷納米線材料陣列。直徑為100微米鎳－錳－鎵合金短纖維材料第10頁納米材料介紹之--碳納米管在1991年日本NEC企業(yè)基礎(chǔ)研究試驗(yàn)室電子顯微鏡教授飯島在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗(yàn)石墨電弧設(shè)備中產(chǎn)生球狀碳分子時(shí)，意外發(fā)覺了由管狀同軸納米管組成碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作“Carbonnanotube”，即碳納米管。碳納米管分類碳納米管按照石墨烯片層數(shù)分類可分為：單壁碳納米管和多壁碳納米管。多壁管管壁上通常充滿小洞樣缺點(diǎn)。與多壁管相比，單壁管是由單層圓柱型石墨層組成，其直徑大小分布范圍小，缺點(diǎn)少，含有更高均勻一致性。第11頁力學(xué)方面--因?yàn)樘技{米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成份比較大，使碳納米管含有高模量、高強(qiáng)度。碳納米管硬度與金剛石相當(dāng)，卻擁有良好柔韌性，能夠拉伸。當(dāng)前在工業(yè)上慣用增強(qiáng)型纖維中，決定強(qiáng)度一個(gè)關(guān)鍵原因是長徑比，即長度和直徑之比.

碳納米管性能制備導(dǎo)電方面--碳納米管上碳原子P電子形成大范圍離域π鍵，因?yàn)楣曹椥?yīng)顯著，碳納米管含有一些特殊電學(xué)性質(zhì)。

碳納米管含有良好導(dǎo)電性能，因?yàn)樘技{米管結(jié)構(gòu)與石墨片層結(jié)構(gòu)相同，所以含有很好電學(xué)性能。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁螺旋角。相關(guān)制備--當(dāng)前慣用碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學(xué)氣相沉積法。放大后碳納米管第12頁納米生物學(xué)發(fā)展

1981年掃描隧道顯微鏡創(chuàng)造后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它最終目標(biāo)是直接以原子或分子來結(jié)構(gòu)含有特定功效產(chǎn)品。它便是納米技術(shù)。所以，納米技術(shù)其實(shí)就是一個(gè)用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)技術(shù)。納米生物學(xué)和納米藥品學(xué)是納米技術(shù)在生物領(lǐng)域分支

掃描隧道顯微鏡第13頁納米生物學(xué)研究任務(wù)納米生物學(xué)研究任務(wù)是，在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)覺新現(xiàn)象，最終制成可編程分子機(jī)器。因?yàn)榧{米生物學(xué)發(fā)展才剛才起步，其廣泛應(yīng)用前景尚難全部預(yù)料到。當(dāng)前所能包括內(nèi)容大致為：①在納米尺度上了解生物大分子精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功效聯(lián)絡(luò)；②在納米尺度上獲取生命信息；③分子機(jī)器研制。

第14頁了解生物大分子精細(xì)結(jié)構(gòu)結(jié)果在納米生物學(xué)中，應(yīng)用掃描隧道顯微鏡STM研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是近年進(jìn)展。在觀察蛋自質(zhì)分子表面結(jié)構(gòu)形貌這方面，研究當(dāng)前還處于探索階段。中科院化學(xué)所STM小組，報(bào)道了相關(guān)胰島素研究工作。中科院上海原子核所和上海細(xì)胞生物學(xué)所合作，取得了人體β-珠蛋白質(zhì)基因某個(gè)調(diào)控過程中

DNA形成環(huán)結(jié)構(gòu)STM圖像。生物學(xué)家認(rèn)為，這種環(huán)結(jié)構(gòu)對(duì)了解基因調(diào)控機(jī)制有主要意義。英國《Nature》雜志有專文介紹，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)一小組觀察到了磷酸化激酶形貌。當(dāng)前，研究已包括到氨基酸、人工合成多肽、結(jié)構(gòu)蛋白和功效蛋白等主要領(lǐng)域。另外，應(yīng)用STM觀察蛋白質(zhì)與DNA復(fù)合物報(bào)道也不停傳出。

第15頁應(yīng)用掃描隧道顯微鏡STM研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面取得進(jìn)展讓我們對(duì)人體以及全部生命體細(xì)微組成物質(zhì)有了詳細(xì)了解。這無疑是為化學(xué)家以及生物學(xué)家研究怎樣更加好“管理”人體內(nèi)部組織，治愈疾病理論基礎(chǔ)?？茖W(xué)家測得蛋白質(zhì)空間模型第16頁制造分子機(jī)器

---納米科技最終目標(biāo)利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造類似生物大分子分子機(jī)器這便是納米科技最終目標(biāo)--制造分子機(jī)器，而分子機(jī)器啟發(fā)起源于生物體系中存在大量生物大分子，它們被理查德·菲利普·費(fèi)曼在《費(fèi)曼說納米》中說成是微小機(jī)器，被看作是自然界分子機(jī)器。從這個(gè)意義上說，納米生物學(xué)應(yīng)該是納米科技中一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。）第17頁美國著名物理學(xué)家

理查德·菲利普·費(fèi)曼利用DNA和一些特殊蛋白質(zhì)特殊性質(zhì)，有可能制造出分子器件。當(dāng)前研究熱點(diǎn)在分子馬達(dá)、硅－神經(jīng)細(xì)胞體系和DNA相關(guān)納米體系與器件。利用納米技術(shù)，人們已經(jīng)能夠操縱單個(gè)生物大分子。操縱生物大分子，被認(rèn)為是有可能引發(fā)第二次生物學(xué)革命主要技術(shù)之一。第18頁納米生物學(xué)在研究領(lǐng)域

最新進(jìn)展及介紹糖類包裹磁性納米顆?？捎糜谌コ【芯咳藛T將甘露糖與二氧化硅包覆磁性Fe3O4納米顆粒經(jīng)過三唑或氨類化合物共價(jià)連接，使糖類均勻分布在磁性納米顆粒表面組成磁性糖類-納米顆粒體系。磁性納米顆粒巨大比表面積、較小粒徑使其更輕易、更加快速地吸附在菌體細(xì)胞表面。這種體系只需5分鐘便能檢測到大腸桿菌存在，能夠依據(jù)響應(yīng)模式不一樣輕松分辨三種不一樣大腸桿菌并去除88%靶向細(xì)菌。

糖類包覆磁性納米顆粒是磁性納米顆粒首次被用來檢測、量化以及分辨菌體細(xì)胞，作為細(xì)菌快速檢測、去除方法在病菌去除以及診療中含有巨大應(yīng)用前景。

--摘自《美國化學(xué)會(huì)志》(JACS)

第19頁藥品

放入

磁性

納米

顆粒

內(nèi)

部研究人員將磁性納米載體與含有生物活性碳水化合物如甘露糖耦合，為檢測、去除大腸桿菌以及其它有害細(xì)菌提供了有效處理方法。

有效預(yù)防農(nóng)產(chǎn)品細(xì)菌污染事件發(fā)生以及生化恐怖攻擊威脅。（許多細(xì)菌利用哺乳動(dòng)物細(xì)胞表面碳水化合物作為附著工具從而會(huì)引發(fā)一系列農(nóng)產(chǎn)品細(xì)菌污染事件）

相關(guān)微生物另一項(xiàng)納米生物方面最新研究—美國加州大學(xué)兩名工程師發(fā)覺了活細(xì)菌體內(nèi)半導(dǎo)體納米管，他們發(fā)覺了細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生由硫化砷組成納米管。這種納米管與化工合成納米管相比，有著獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)。此項(xiàng)發(fā)覺將有利于開發(fā)出一套全新納米電子器件。

第20頁關(guān)于癌癥早期診療--美國加州大學(xué)洛杉磯分校癌癥研究中心說，他們在原子顯微鏡下用一個(gè)極小探針接觸到癌細(xì)胞，以此來確定其表面