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中南大学材料科学基础展示课件——纳米材料发展概况


数据截止到2017年11月5日

引言

如果组成材料的物质颗粒变小了,“小不点”会不会与“大个 子”的性质很不相同呢?
那是1980年的一天,格莱特到澳 大利亚旅游,当他独自驾车横穿澳大 利亚的大沙漠时,空旷、寂寞和孤独 的环境反而使他的思维特别活跃和敏 锐。他长期从事晶体材料的研究,了 解到晶体的晶粒大小对材料的性能有 很大的影响,晶粒越小,强度就越高。 图0.1.1 德国物理学家格莱特

格莱特上面的设想只是材料的一般规律,他的想法一步一步地深入, 如果组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小,材料会是个什么样子 呢?或许会发生“翻天覆地”的变化吧!格莱特带着这些想法回国后,立即 开始试验,经过将近4年的努力,终于在1984年制得了只有几个纳米大小 的超细粉末,包括多种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。
从左到右依次是:纳米防水剂 纳米钨粉 纳米氧化硅粉末

图0.1.2

一些纳米粉产品

格莱特在研究这些超细粉末时发现了一个十分有趣的现象。众所周知, 金属具有各种不同的颜色,如金子是金黄色的,银子是银白色的,铁是银 白色的。至于金属以外的材料,例如无机化合物和有机化合物,它们也可 以带着不同的色彩,瓷器上面的釉历来都是多彩的,由各种有机化合物组 成的染料更是鲜艳无比。 可是,一旦所有这些材料都被制成超细粉末时,它们的颜色便一律都 是黑色的,瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色——黑色。 正像格莱特想像的那样,“小不点”与“大个子”相比,性能上发生了 “翻天覆地"的变化!

为什么无论什么材料,一旦制成纳米“小不点”,就都成了黑 色的呢?
原来当材料的颗粒尺寸变到小于光波的波长(1×10-7 m左右)时,它 对光的反射能力变得非常低,大约低到小于1%,既然超细粉末对光的反 射能力很小,我们见到的纳米材料便都是黑色的了。

纳米材料的概述
纳米材料(Nanometer Materials)

图1.1.1

纳米材料结构示意

图1.1.2

纳米材料特殊性能图解示意

纳米材料的必备条件

纳米材料的应用

图2.1.1

有关纳米材料的应用图示

视频:纳米材料所制成的“隐形衣”(来源:中央电视台)

图2.2.1

海龟长途跋涉图

图2.2.2

动物的迁徙

图2.3.1

长期非晶、纳米晶磁性材料及器件

军事领域中

图2.3.2

图2.3.3

纳米磁性材料作为军事高技术

纳米陶瓷材料

图2.4.1

“纳米增强碳化硅陶瓷性能,产学研结合产值翻倍”

图2.4.2

将纳米陶瓷材料应用到手机外壳

图2.5.1

纳米半导体材料具有高的电导率

图2.5.1 多组元半导体纳米材料的生 长设计与光电性能调控研究

图2.5.2

一种合成半导体氧化物多孔 纳米材料的新方法

图2.6.1

纳米催化材料在研究化学反应动力学中的应用

图2.6.2

“纳米碳材料催化研究取得 重要进展”

图2.6.3

“山西煤化所用ald技术制备出新型纳米催化剂”

图2.6.4

纳米催化材料在研究化学反应动力学中的应用

图2.7.1 新一代生物启发型纳米材料 ——仿病毒树状大分子组装体

图2.7.2 无机纳米材料 ——提高药物"工作效率"

图2.7.3

上海复旦张江生物医 药股份有限公司

图2.7.4

石药集团中奇制药技 术有限公司

图2.7.5

纳米诊疗技术——细胞分离

图2.7.6

纳米传感器在医疗诊断中的设想

纳米碳管

图2.8.1

碳纳米管

纳米碳管的优越性能

图2.8.2

碳纳米管在航天领域中的应用

图2.8.3 纳米碳管聚合物复合材料

图2.8.4

“纳米碳管动圈式 jvc ha-frd60入耳耳机评测”

图2.8.5

单壁纳米碳管电化学氧化过程管壁发生刻蚀过程示意图

图2.9.1 生活中有害气体甲醛的来源

图2.9.2 光触媒氧化分解原理示意图

图2.9.3 进口环保纳米外墙涂料

纳米材料的发展(了解)
? 1959年12月25日著名物理学家、诺贝尔获 奖者理查德? 费曼(Richard Feynman)在 美国物理学会会议上做了题为《在底部还 有很大空间》的演讲。虽然没有使用“纳 米”这个词,但他实际上介绍了纳米技术 的基本概念。 ? 1974年日本教授谷口纪男(Norio Taniguchi)在一篇题为:“论纳米技术的 基本概念“的科技论文中给出了新的名 词——纳米(Nano)。 ? 1981年格尔德?宾宁(Gerd Binnig)和海因 里希?罗雷尔(Heinrich Rohrer)发明了扫 描隧道显微镜(STM),它使科学家第一 次可以观察并操纵单个原子。

图 3.1.1 复合氧化物 一维和零维单晶纳米材料

? 1985 年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯( fullerenes ) (更 为人熟知的名称是“布基球(buckyballs),由著名未来学 家多面网格球顶的发明人巴克明斯特 ? 富勒( R. Buckminster Fuller)命名,它可以被用来制造碳纳米管,是如今使用最广泛 的纳米材料之一。 ? 1986年在苏黎世的IBM研究实验室中,卡尔文? 夸特 (Calvin Quate )和克里斯托 ? 格柏(Christoph Gerber)与德 国物理学家宾尼(Binnig)协作,发明了原子力显微镜。它成为 在纳米尺度成像,测量和操作的最重要的工具之一,这是纳米 技术最核心的部分。 ? 1989年在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心,公司的科学 家唐艾 ? 格勒( Don Eigler )和埃哈德 ? 施魏策尔( Erhard Schweizer)使用35 个氙原子拼出了IBM公司的标志,进一步表 明了纳米颗粒的可操作性。
图 3.1.2 稀土纳米材料

? 1991年NEC 公司的饭岛澄男(Sumio Iijima)制造出了碳纳米管。 ? 1998 年白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工 作组。它的任务是:赞助研讨会和研究,以界定纳米科学技术和 预测其发展前景。 ? 1999年使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。 ? 2001年美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划,协调联邦研究 和开发工作,提高美国在纳米技术上的竞争力。 ? 2002 年欧盟以纳米论坛的形式,向公众普及纳米技术知识。 ? 2003年美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例,为美国纳 米技术计划提供了法律基础,建立项目、分配机构的责任,授权 筹资水平,以及启动研究以解决关键问题。 ? 2008 年12月10日国家研究委员会批评纳米技术计划的环境、健 康和安全研究战略;纳米技术计划回顾后,称它对国家研究委员 会的结论持有异议。

? 2009年9月29日美国环保局陈述了新的研究策略,以更好地了解 纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布,某些纳米材 料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。 ? 2010年1月8日在英国上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题 发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告,警告本国的食品工 业不要隐瞒纳米技术的使用情况。 ? 2010 年3月美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年 历史的有毒物质控制法收集证据。美国环保局称,这将有助于规 范纳米材料的商业应用。 ……

? 我国纳米材料研究始于20世纪80年代末,“八五”期间“纳米材 料科学”列人国家攀登项目。此后,国家自然科学基金委员会、 中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目, 国家863 计划、973计划新材料领域也对纳米材料有关高科技创新的课题进 行立项研究。其中,863计划纳米材料与微机电系统重大专项于 2002年正式启动。 ? 2002年重大专项以市场、应用和国家重大战略需求为导向,面向和 促进产业化为重点,针对国际纳米材料技术发展趋势,并结合我 国国情,在有相对优势和战略必争的关键领域,如纳米信息材料 及器件的集成技术、纳米生物医用材料、纳米环境材料、纳米能 源材料、纳米结构材料、纳米特种功能材料等进行了布局,批准 实施课题63项;

? 2003年则在纳米光电子和电子材料体系、器件构造及集成技 术,生物医用器件、系统的纳米材料及相关技术,原创性的并 具有产业化前景的特种纳米材料及技术,纳米电子、纳米生物 医学器件研发及规模化应用所必需的加工、检测设备进行了布 局,批准实施课题39项; ? 2004年在纳米信息、生物医学材料及相关应用技术等几个方 面重点支持,力争实现技术的跨越发展,使我国在纳米技术领 域的国际竞争中占据有利的战略地位。 ? 在国家各项科技计划的支持下,我国纳米材料及纳米科学技 术已经取得了比较突出的成果,例如,在纳米电子方面,成功 地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计; 实现 6 纳米宽的半导体量子线台面和 6 纳米宽的线条金属栅,制 备出间隔仅为10纳米的多种“纳米电极对”,用CMB效应进行 高灵敏度传感器和硬盘磁头原理的研制工作。
图 3.2.1 纳米材料结构示意

? 经过几年来国家的政策引导、各部门的配合、科学界和企业界 的努力,我国不但发展了纳米的基础研究,部分纳米技术已开 始迈人产业化的阶段。据统计,我国有300多家公司在从事纳 米材料和技术的研究及产业化,在纳米复合材料改造传统材料 和产品方面,部分成果已经实现产业化……

图 3.2.2

纳米技术产业分布

我国纳米技术的发展现状

纳米技术的缺陷与争议
任何事物都有两面性,纳米技术也不例外。纳米技术在给人类带来种 种好处的同时,也存在纳米材料的安全性问题。这也成为当今世界各国研 究学者关注的热点,许多国家包括中国、美国和欧盟等,都投入了大量的 人力、物力和财力,试图在纳米技术得到普遍应用以前解决其潜在的问题, 以使其在将来更好地服务于人类。 其问题主要表现在: (1)要制造成分准确、粒度均匀、表面功能团稳定的高质量微粒还有 一定困难,其收集与存放也存在问题。 (2)纳米中药因其表面效应和量子效应显著增加,使得药物的有效成 分获得了高能级的氧化和还原潜力,往往引起许多性质的变化。这种变化 究竟会对药物性质产生什么样的影响,目前还不清楚。 (3)纳米机器人一旦在人体内失控,能够快速复制的纳米机器人在体 内扩散的速度可能比癌细胞还快,它是否会对人体正常的组织造成不利影 响,目前还没有确切的研究结果。

与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在

2007年1月-2008年4月,承德市7名18~47岁的女工因患严重的胸 闷、气喘,陆续被送到北京朝阳医院职业病与中毒医学科诊治。经检 查,她们都有严重的胸腔积液,部分病例还有心包积液。她们在一家 印刷厂工作了5-13个月。患病两年后,2人死于呼吸衰竭,尸检发现 胸腔积液和肺部上皮细胞、间皮细胞的胞质和核质中有直径约30纳米 的颗粒。另5名女工虽离开原先的工作环境,但肺纤维化仍在加剧。

出版源 :《中国急救复苏与灾害医学杂志》, 2009, 4(11):859-859

纳米技术在医学中存在未知风险

图 5.1

纳米机器人

纳米技术在药物中存在未知风险

纳米技术在日常生活用品中的潜在风险

图5.2

第三代净水器——纳米微晶滤芯技术

纳米技术的前景及展望

结束语

图7.1

纳米材料结构示意

参考文献
【1】翟华嶂,李建保,黄勇. 清华大学.纳米科技的进展、应用及产业化现状 【2】张立德,牟季美. 纳米材料和纳米结构.传感技术学报 . 第22 卷 第 1 期2009年1 月 【3】颜德田. 南京林业大学, 江苏南京210037. 纳米技术在木材工业中的应用与发展前 景 【4】张一,田甜. 无机纳米材料的生物催化活性. 科学通报. 2014 【5】李广社. 无机纳米材料的特殊结构与性能.中国化学会第29届年会第33分会纳米材 料合成与组装.2014 【6】张金超,杨康宁. 碳纳米材料在生物医学领域的应用现状及展望.化学进展. 2013 【7】徐志军,初瑞清. 纳米材料与纳米技术.化学工业出版社 【8】陈敬中,刘剑洪. 纳米材料科学导论.高等教育出版社 【9】文玉华.纳米材料的研究进展J.力学进展,2001,(1):47-61 【10】徐云龙,赵崇军,钱秀珍. 纳米材料学概论.华东理工大学出版社 【11】高濂,孙静,刘阳桥.纳米粉体的分散及表面改性[M] .化学工业出版社 【12】Ton W, Krishnaraj R,Desai TA,Evaluation of nanostructured composite collagen chitosan motrices for tissue engineering.Tissue Engineering,2001,7(2):203-210 【13】白春礼. 我国纳米科技优势和缺陷,中国粉体工业,2006 【14】聂绪建. 纳米结构碳黑的研究开发应用前景[J].纳米材料研究与应用,2005,(1).


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