[文庫]化學與納米技術(shù).ppt

1、化學與納米技術(shù),背景介紹 納米金表面的水滴 一滴水在用電鑄方法制備的納米結(jié)構(gòu)的金的表面。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。,納米技術(shù) 概論,1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。納米科學與技術(shù)主要包括：納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 七個學科 我們主要介紹一下納米技術(shù)在生物以及材料方面發(fā)揮的推動力量，以及化學在其中起到的重要

2、作用,背景介紹 納米棒棒糖 -這是一個側(cè)面圖，現(xiàn)實了搭在兩個鎳電極間的一根硅納米線。在右邊的那一頭，納米線連著一個小的納米鎳金屬球，看起來就象是個棒棒糖。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。,納米材料的繽紛世界,背景介紹 鎳色子 邊長為200微米，是利用自組裝技術(shù)制造的，圖中色子的顏色是后期制作時用電腦軟件加上去的。,納米材料的概述與分類,概述-納米材料統(tǒng)指合成材料的基本單元大小限制在1100nm范圍的材料，這大約相當于10100個原子緊密排列在一起的尺度。、 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

3、們來一一介紹它們的特點及功能。,納米纖維 指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。可用于：微導線、微光纖（極有可能成為未來量子計算機與光子計算機的重要元件）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,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，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于：氣體催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導材料等。,納米隔熱電鍍膜用作防爆膜以及汽車防爆膜,納米負離子遠紅外電熱膜,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

4、微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧希淮帕黧w材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學器件拋光材料；微芯片導熱基片與布線材料；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（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動機等）；人體修復材料；抗癌制劑等。 總之，納米粉末的應用領域十分廣泛。可以說是納米材料中最“能干”的一類。,納米材料的功能,家電-用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。,電子計算機和電

5、子工業(yè)-可以從閱讀硬盤上讀卡機以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計算機在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。,環(huán)境保護-環(huán)境科學領域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨特的納米膜。這種膜能夠探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進行過濾，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的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。,納 米 材 料 制 備 方 法,物理法,化學法,粉碎法 構(gòu)筑法,沉淀法 水熱法 溶膠凝膠法 冷凍

6、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,氣相反應法 液相反應法,氣相分解法 氣相合成法 氣固反應法,可見在納米材料合成方法中,化學方法不僅在使用而且可操作性很強,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的有力方法?？梢娀瘜W與納米材料的息息相關。,具有電子存儲磁性的硼鐵化鈷納米線材料陣列。,直徑為100微米的鎳錳鎵合金短纖維材料,納米材料簡介之-碳納米管,在1991年日本NEC公司基礎研究實驗室的電子顯微鏡專家飯島在高分辨透射電子顯微鏡下檢驗石墨電弧設備中產(chǎn)生的球狀碳分子

7、時，意外發(fā)現(xiàn)了由管狀的同軸納米管組成的碳分子,這就是現(xiàn)在被稱作的“Carbon nanotube”，即碳納米管。,碳納米管的分類 碳納米管按照石墨烯片的層數(shù)分類可分為：單壁碳納米管和多壁碳納米管。多壁管的管壁上通常布滿小洞樣的缺陷。與多壁管相比，單壁管是由單層圓柱型石墨層構(gòu)成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。,力學方面-由于碳納米管中碳原子采取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使碳納米管具有高模量、高強度。碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業(yè)上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比.,碳

8、納米管的性能制備,導電方面-碳納米管上碳原子的P電子形成大范圍的離域鍵，由于共軛效應顯著，碳納米管具有一些特殊的電學性質(zhì)。碳納米管具有良好的導電性能，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學性能。理論預測其導電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。,有關制備-目前常用的碳納米管制備方法主要有：電弧放電法、激光燒蝕法、化學氣相沉積法。,放大后的碳納米管,納米生物學的發(fā)展,1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。它便是納米技術(shù)。因此，納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。 納

9、米生物學和納米藥物學是納米技術(shù)在生物領域的分支,掃描隧道顯微鏡,納米生物學研究的任務,納米生物學研究的任務是，在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，最終制成可編程的分子機器。由于納米生物學的發(fā)展才剛剛起步，其廣泛的應用前景尚難全部預料到。 目前所能涉及的內(nèi)容大體為： 在納米尺度上了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系； 在納米尺度上獲取生命信息； 分子機器的研制。,了解生物大分子的精細結(jié)構(gòu)的成果,在納米生物學中，應用掃描隧道顯微鏡STM研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是近年的進展。 在觀測蛋自質(zhì)分子的表面結(jié)構(gòu)形貌這方面，研究目前還處在探索階段。中科院化學所STM小組，報道了有關胰島素的研究工作。中科院上海原

10、子核所和上海細胞生物學所合作，獲得了人體-珠蛋白質(zhì)基因的某個調(diào)控過程中DNA形成環(huán)結(jié)構(gòu)的STM圖像。生物學家認為，這種環(huán)結(jié)構(gòu)對理解基因的調(diào)控機制有重要意義。 英國Nature雜志有專文介紹，美國明尼蘇達大學一小組觀察到了磷酸化激酶的形貌。目前，研究已涉及到氨基酸、人工合成多肽、結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白等主要領域。此外，應用STM觀測蛋白質(zhì)與DNA的復合物的報道也不斷傳出。,應用掃描隧道顯微鏡STM研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面取得的進展讓我們對人體以及所有生命體的細微構(gòu)成物質(zhì)有了具體的了解。這無疑是為化學家以及生物學家研究如何更好的“管理”人體內(nèi)部的組織，治愈疾病的理論基礎。,科學家測得的蛋白質(zhì)的空間模型,制造

11、分子機器-納米科技的最終目的,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的分子機器這便是納米科技的最終目的-制造分子機器，而分子機器的啟發(fā)來源于生物體系中存在的大量的生物大分子，它們被理查德菲利普費曼在費曼說納米中說成是微小的機器，被看作是自然界的分子機器。從這個意義上說，納米生物學應該是納米科技中的一個核心領域。,）,美國著名物理學家理查德菲利普費曼,利用DNA和某些特殊的蛋白質(zhì)的特殊性質(zhì)，有可能制造出分子器件。目前研究的熱點在分子馬達、硅神經(jīng)細胞體系和DNA相關的納米體系與器件。利用納米技術(shù)，人們已經(jīng)可以操縱單個的生物大分子。操縱生物大分子，被認為是有可能引發(fā)第二次生物學革命的重

12、要技術(shù)之一。,納米生物學在研究領域的最新進展及介紹,糖類包裹磁性納米顆?？捎糜谇宄【?研究人員將甘露糖與二氧化硅包覆的磁性Fe3O4納米顆粒通過三唑或氨類化合物共價連接，使糖類均勻分布在磁性納米顆粒表面構(gòu)成磁性糖類-納米顆粒體系。磁性納米顆粒巨大的比表面積、較小的粒徑使其更容易、更快速地吸附在菌體細胞表面。這種體系只需5分鐘便能檢測到大腸桿菌的存在，能夠根據(jù)響應模式的不同輕松分辨三種不同的大腸桿菌并清除88%的靶向細菌。 糖類包覆的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胞，作為細菌快速檢測、清除的方法在病菌的清除以及診斷中具有巨大的應用前景。 -摘自美國化學會志(JAC

13、S),藥物放入磁性納米顆粒的內(nèi)部,研究人員將磁性納米載體與具有生物活性的碳水化合物如甘露糖耦合，為檢測、清除大腸桿菌以及其他有害細菌提供了有效的解決方法。 有效的防止農(nóng)產(chǎn)品細菌污染事件的發(fā)生以及生化恐怖襲擊的威脅。（許多細菌利用哺乳動物細胞表面的碳水化合物作為附著工具從而會引發(fā)一系列農(nóng)產(chǎn)品細菌污染事件）,有關微生物的另一項納米生物方面的最新研究 美國加州大學的兩名工程師發(fā)現(xiàn)了活細菌體內(nèi)的半導體納米管，他們發(fā)現(xiàn)了細菌會產(chǎn)生由硫化砷組成的納米管。這種納米管與化工合成的納米管相比，有著獨特的物理化學性質(zhì)。此項發(fā)現(xiàn)將有助于開發(fā)出一套全新的納米電子器件。,關于癌癥早期診斷-美國加州大學洛杉磯分校的癌癥研

14、究中心說，他們在原子顯微鏡下用一種極小的探針接觸到癌細胞，以此來確定其表面的柔軟度。由于癌細胞必須用擠入的方式才能滲透到體內(nèi)各嚴緊的細胞組織，因此其柔軟度比健康細胞更加柔軟。根據(jù)這一原理，我們便可用納米技術(shù)透過原子顯微鏡，通過微型探針來確定人體的任何部位是否含有癌細胞。,納米生物的其他研究成果,關于快速查出肝炎病毒-在滬舉行的“第三屆上海國際納米技術(shù)合作研討會”上傳出消息，由上海交大等單位研制的納米“偵探”核酸分離轉(zhuǎn)化性劑核，能在人體被肝炎病毒感染后的兩三天里讓病毒現(xiàn)形，比傳統(tǒng)方法要大幅提前,納米技術(shù)的前景,根據(jù)技術(shù)進化理論分析，納米技術(shù)已經(jīng)從背景技術(shù)發(fā)展到二次技術(shù)階段，即：“納米科技會以納米科技為核心，吸收其它技術(shù)體系作為外圍而發(fā)展成為一種新的納米科技體系?！?總之，納米科技發(fā)展到今天，