纳米材料详细知识.ppt

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1、现代新型材料与纳米材料 New Materials and Nanometer-Materials（3）,材料科学与工程学院 刘颖教授主讲,2,第三讲 纳米材料(2),3,纳米材料的制备方法,4,气相法制备纳米微粒 低压气体蒸发法(气体冷凝法) 活性氢-熔融金属反应法 溅射法 流动液面真空蒸镀法 激光诱导化学气相沉积 化学蒸发凝聚法,5,液相法制备纳米微粒 沉淀法 喷雾法 水热法 溶剂挥发分解法 溶胶一凝胶法(胶体化学法) 超声电化学微乳液法,6,纳米结构材料(纳米固体、块体、膜)的制 备方法主要有以下几种： 惰性气体蒸发+原位加压制备法 高能球磨法 非晶晶化法 磁控溅射法,7,惰性气体蒸发制

2、备纳米材料 (氢等离子体法),该法利用快速凝固的原理制备纳米粉体。 先使系统达到预定高真空，然后充入低压(约2kPa)惰性气体(含一定的活性气体H2)； 将欲蒸发的金属置于坩埚内，通过等离子体将其蒸发，产生元物质蒸汽，冷却后得到纳米金属粉末。,8,等离子体中心区温度高达4000-6000，金属蒸汽离开等离子焰后，以巨大的温度梯度急剧下降，加上气体的对流及冷却阱(液氮温区)的作用，形成的特殊温度场为金属颗粒的迅速熔化和快速冷却创造良好的温度环境。,氢等离子法制备纳米粉体设备,9,元物质蒸汽中的原子与气体原子碰撞，迅速损失能量而冷却，这种有效冷却在元物质蒸气中造成很高的局域过饱和，形成均匀成核。

3、在冷却过程中，元物质蒸气先形成原子团簇，再形成单个纳米微粒。 我院金属材料系纳米金属粉体课题组系统研究了氢等离子体制备纳米金属粉体。,10,目前已制备出Ni、Fe、Cu、Zn、Ag、Al、Mo、Ti等纳米金属粉体。 氢等离子体法制备的纳米金属粉不含卤素、硫、氧、碳等杂质，纯度高、粒径均匀、松装密度小、表面活性高。,氢等离子法制备纳米(a)Ni粉和(b)Fe粉,(a),(b),11,超声电化学微乳液法制备纳米粉体,利用超声波空化作用和电化学原理制备纳米金属粉体。 在电解液和微乳液形成的混合液中导入大功率超声波，产生大量空化气泡； 气泡爆炸时释放巨大能量，产生具有强烈冲击力的微射流，促使非均相界面

4、间的扰动和相界面的更新；,超声波的空化作用,12,空气泡在收缩-膨胀-爆炸中，气泡内部气体的温度、压力骤然变化，产生局部的高温高压环境，促进电解微乳液中的形核； 微乳液易发生沉降、絮凝、聚集等，在晶核表面形成不良导体包覆层，阻碍电化学反应的继续进行，有效阻止金属粉体因持续电解而发生的长大和团聚，同时对生成的粉体实现原位包覆。,粉末制备用大功率超声波发生机,13,纳米金属粉体课题组也开展了超声电化学微乳液法制备纳米粉体的研究， 金属粉体粒度可控(纳米/微米)；粉体可原位包覆，防止氧化，利于收集；工艺成本低，产量高，易于实现技术放大和产业化。 目前已制备出Fe、Cu、Zn、Ag、Sn等多种粉体。,

5、电化学制备的Cu粉粒径分布,电化学制备的Cu粉粒TEM图,14,球磨法制备纳米材料,利用磨球对原料粉末产生强烈的撞击、研磨和搅拌，经压延-压合-碾碎-再压合的反复，最后获得组织和成分较均匀的合金粉末。 利用机械能实现合金化，也称为机械合金化法。,不锈钢磨球,ZrO2，Si3N4及Al2O3陶瓷球,15,球磨法还能制备纳米晶材料。 粉末反复形变，局域应变增加引起缺陷密度增加，当缺陷密度达到临界值时，粗晶内部破碎，这个过程不断重复，促使晶粒细化，形成纳米晶结构。 目前已制备出纳米晶纯金属，互不相溶的固溶体；纳米金属间化合物及纳米金属/陶瓷复合材料等。,行星式高能球磨机,16,我院金属材料系的特种粉

6、体课题组利用高能球磨法制备出纳米Ti(C,N)材料的前驱体TiC，烧结后得到纳米晶Ti(C,N)粉体，晶粒尺寸仅几十纳米； 贮氢材料课题组也利用高能球磨制备纳米粉体用于贮氢电池以及磁制冷工质的制备中。,纳米晶Ti(C,N)粉体的XRD图谱,纳米晶Ti(C,N)粉末的形貌,17,非晶晶化法,将原料用电弧或感应圈将坩埚内的母合金加热熔化成熔体，然后将合金液直接喷射到高速旋转的冷却辊轮上，冷却速度达到105-106/s，冷却得到非晶薄带。 将非晶薄带放入真空晶化炉中进行热处理，得到具有纳米晶结构的材料。,快淬法制备非晶条带,18,我院金属材料系磁性材料课题组从事非晶晶化法制备纳米晶材料已经有二十余年

7、的历史，系统研究了合金成分、快淬工艺、热处理工艺等对纳米晶稀土永磁粉末微观结构和磁性能的影响。,真空动态晶化炉,真空电弧快淬炉,19,制备出高性能纳米晶NdFeB永磁粉末、PrFeB永磁粉末等，其性能与国外同类产品相当，处于国际领先和国内一流的水平。 成果已荣获2006年度国家科技进步奖、2004年度四川省科技进步一等奖等。,纳米晶NdFeB粉末的微观形貌自由面AFM照片,20,磁控溅射法,根据气相沉积原理来制备纳米材料。 两块金属板作为阴阳极，其中阴极为待溅射材料。 在两电极间充入Ar气，并施加电压，两极间的辉光放电形成Ar离子，在电场作用下高速冲击阴极靶材表面，使靶材原子从表面蒸发出来形成

8、超微粒子，在基材附着面上沉积。,溅射示意图,磁控溅射系统,21,目前，计算机的硬盘、存储光盘等都采用磁控溅射法来制备纳米磁性薄膜。 我院材料科学系的太阳能电池课题组、功能陶瓷课题组、无机材料系的金刚石薄膜课题组等都开展了溅射法制备纳米薄膜的研究。,存储光盘,硬盘磁芯,22,纳米材料和技术的应用,23,纳米材料和技术在工业上的应用,机械工业 日本东北大学用非晶晶化法制备出在非晶基体上分布纳米粒子的Al-Ce-过渡族金属的合金复合材料，强度达到1340-1560MPa。 沈阳金属所用非晶晶化法制备的纳米铜带材具有5000%的超塑性。,24,采用纳米技术对机械关键零部件进行表面涂层处理，可提高机械设

9、备的耐磨性、硬度和使用寿命。 芬兰技术研究中心在碳钢上涂上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，涂层硬度达20.8GPa，涂层还具有良好的抗氧化和耐高温性。 美国西北大学在工具钢沉积氮化物纳米复合多层膜，如TiN/NbN和TiN/VN等，硬度超过50GPa。,AlN纳米耐磨涂层,25,合肥工大研究纳米改性TiC基刀具材料，在金属陶瓷基体中加入纳米TiN、AlN细化晶粒，大幅提高刀具材料的强度、硬度和断裂韧性。 四川大学研制了平均粒径约60nm的纳米VC粉体，应用于YG8硬质合金中作为晶粒抑制剂，使硬质合金抗弯强度达到2600MPa。,硬质合金刀具,纳米VC粉末的TEM图谱,26,UTC860碳钢

10、剧烈塑变后的显微硬度,经过剧烈塑性变形后，常规碳钢(含碳0.8-1.2%)的微观组织结构得到改善，获得纳米晶结构，力学性能得到改善。,b,a,(a)UTC860碳钢剧烈塑变后的晶粒结构(约10nm) (b)剧烈塑变后3500C退火后晶粒结构(约70nm),Yu.Ivanisenko, R.K.Wunderlich, R.Z.Valiev, Scripta Materialia 49 (2003) 947952,27,经过多次剧烈塑性变形后，Fe的晶粒尺寸急剧减小到纳米级。小的晶粒尺寸、纳米粒子间产生的毛细管作用力是促使Fe/Cu合金化的驱动力。,X.Sauvage, F.Wetscher, P

11、.Pareige, Scripta Materialia 53 (2005) 21272135,28,纳米磁流体将包裹表面活性剂的纳米磁性微粒(通常为Fe3O4和铁氧体，约为10nm左右)弥散分布于特定基液中，得到的稳定复合体系。 纳米磁流体可大幅减少机械运行中的磨损。,纳米Fe3O4磁流体,29,在纳米尺寸下，强磁性颗粒呈现超顺磁状态，在磁场作用下，磁性颗粒带动着包裹液体一起运动。 将磁流体分布在金属表面，纳米粒子完全充填到金属表面的微孔中，形成平滑金属表面，有利于形成烃类分子保护膜，最大限度减少金属间的摩擦，耗能减少，机械噪声降低，机械寿命成倍增长； 我院纳米粉体课题组研制的纳米润滑油的润

12、滑效果和美国乙基公司的产品相当，部分参数指标还大大超过乙基公司。,30,磁流体还可以实现密封。 在需密封部件上施加环状磁场，将磁流体约束在磁场中，形成具有密封作用O形环。这种密封圈自身没有磨损，可以实现长时间的动态密封。 计算机中已普遍采用磁流体密封防尘；精密仪器的转动部分，甚至机械人的活动部件亦采用磁流体密封。,磁流体密封示意图,用磁流体密封的法兰,31,利用纳米技术还可以直接制造超微型机械。 已制造出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。 波士顿大学制造出了世界最小的仅由78个原子组成的分子马达。,纳米泵,纳米轴承,纳米齿轮,32,美国桑迪亚国家实

13、验室研制出微型发动机，直径只有0.2mm，其主要活动部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮； 人们只能借助显微镜观看它的旋转，其速度可达到每分钟30万转； 一滴油就可以灌满约50个这样的发动机。,纳米管构造的T形和Y形结,33,丰田公司用微型部件制造了一辆只有一粒米大的能开动的微型汽车。 美国兹微技术研究所制出一架黄蜂大小的直升机。 这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础。,以原子为起点设计的精密运动控制器，包含若干可以独立运动的齿轮和拔杆，共由2596个原子组成,纳米碳管和苯分子构成的纳米齿轮,34,催化工业 纳米微粒表面原子配位不全等使其表面活性位置增加，使它具备作为催化剂的基本条

14、件。 随着粒径减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，表面所占的体积百分数大，增加了化学反应的接触面。 纳米催化剂将成为催化反应的主要角色。,纳米颗粒的凸凹表面,35,烯烃双链往往很难打开，用纳米Rh微粒催化，双链打开十分容易； 粒径小于300nm的Ni和CuZn合金粉末可使有机物氢化效率比传统镍催化剂提高10倍； 超细的Fe3O4微粒作为催化剂可在低温(270-300)下将CO2分解为C和H2O；,纳米Pd催化剂,36,半导体的光催化效应是指在光照下，半导体中的价带电子跃迁到导带，价带中出现的空穴将空气中的H2O氧化，导带中的电子将空气中的O2还原，从而产生氧化能力较强的-OH，引

15、起有机物产生酯-醇-醛-酸-CO2的变化，完成对有机物的降解。,半导体光催化示意图,37,纳米半导体比常规半导体的光催化活性高得多 量子尺寸效应使纳米半导体粒子的导带和价带能级变成分立能级，能隙变宽，具有更强的氧化还原能力； 表面效应使纳米粒子的光生载流子比粗颗粒更容易从粒子内扩散到表面，有利于得失电子，促进氧化还原反应。,纳米二氧化钛光催化机理,38,常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐钛型)、CdS、ZnS和PbSe等。 利用纳米TiO2丝阵列提高光催化效率已获成功，相比同样面积的TiO2膜，纳米阵列接受光的面积增加几百倍，光催化效率提高300倍以上。,纳米SiO2催化剂,39,纳米T

16、iO2在可见光照射下对碳氢化合物(包括油污、细菌等)具有催化作用，使其进一步氧化成气体或是很容易被擦掉的物质。 在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上纳米TiO2薄层，使其具有自清洁作用。,国家大剧院用的自清洁玻璃,40,能源工业 纳米技术的开发将在不同程度上缓解世界能源的短缺状况，提高现有能源的使用效率，为整个世界的发展提供新的动力。 纳米太阳能电池材料、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向。,41,国外用纳米材料制作太阳能电池，光电转化效率大致在10%-15%范围。 我院材料科学系太阳能电池课题组从事太阳能薄膜电池的研究，先后研制出非晶Si、CdS、TeCd等薄膜太

17、阳电池，其中碲化镉太阳电池转换效率达到11.6%，达到世界先进水平。,太阳能电池,42,单壁碳纳米管是一种很有希望的储氢材料。 碳纳米管在室温下就可吸附氢气，只要稍微加温就可释放氢气，有望促进氢能的规模利用。 LiMn2O4纳米管电极的放电容量可达133.8mAh/g，相同材料的薄膜电极只有52mAh/g，循环10次后，纳米管电极的放电容量降至125mAh/g，薄膜电极降至41mAh/g。,纳米管储氢材料,43,英国科学家把不稳定的液态纳米氢化物用新型高分子载体材料固定成无数“微珠”，使其密度变大、体积缩小，发生爆炸的可能也大大降低，可像液体般倾倒或抽取，解决了液态氢的保存难题。,高分子包覆后

18、的纳米氢化物,44,三年内，汽车有望直接使用这种新燃料， 液态氢化物燃料（人造汽油）在英国售价仅为每升19便士，折合人民币2.8元， 燃烧产物是水，碳排放量几乎为零。加满这种人造汽油的汽车可跑400-500公里。,人造汽油,45,纳米粒子远小于可见光的波长(400-760nm)，对紫外光具有很强的吸收散射能力。 纳米SiO2对400nm内的紫外光的吸收率达到70%以上； 纳米TiO2也有很强的散射和吸收紫外线的能力，改性添加后涂料抗紫外老化性能由250h提高到600h以上。 复合添加对涂料的抗紫外老化性能有明显提高,纳米粒子改性外墙涂料的耐老化性能,涂料工业,46,纳米材料的表面催化特性赋予纳

19、米SiO2、TiO2、ZnO等具备消毒杀菌和自清洁作用，用于涂料可提高其耐候性和抗污染能力。 纳米ZnO能使涂层具有屏蔽紫外线、吸收红外线以及杀菌防毒的作用，通常与其它纳米材料配合使用于内外墙涂料中。,初始长满细菌实物照片,纳米复合改性内墙涂料抑菌效果,47,纳米材料具有大的表面积，使其与成膜物质和溶剂间形成强大的相互作用力； 表面活性中心与成膜物质的官能团发生次化学键结合，极大增加涂层的刚性和强度； 使用纳米颜料和填料可减少添加量，提高基体树脂填充比，改进涂层的机械强度； 纳米材料极大改善涂料的流变性，防止涂料沉降，使其具有良好的触变性及防流挂性。,纳米涂层后涂膜表观形貌,48,我院金属材料

20、系纳米抗菌涂料课题组从事纳米功能涂料的研究，制备出纳米改性复合涂料，耐候性好，在紫外线较强的地区已成功应用； 内墙涂料耐洗刷性能达到10000次以上，外墙涂料耐洗刷性能达到20000次以上； 具有抑菌功能，可杀灭金黄色葡萄球菌和大肠埃希氏菌，同时还可降解甲醛，净化空气，,若尔盖红梅宾馆,阿坝县县政府办公楼,49,传感器是纳米材料最有前途的应用领域之一。 纳米材料表面积大、表面活性高，表面与周围接触而发生相互作用越大，对周围环境敏感程度(温度、气氛、光照、湿度等)很高； 随周围气氛中气体组成的改变，纳米金属氧化物电学性能(如电阻)将发生变化,可用来对气体进行检测和定量测定的。,仪器仪表工业,50

21、,纳米SnO2膜制成的传感器可用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器。 用纳米金粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器，追踪温度的细微变化。,纳米Au颗粒膜制备的红外传感器,球状的纳米Au颗粒,51,美国斯坦福大学发现碳纳米管可以用来探测大气中二氧化氮和氨气含量； 英国利用纳米技术研制成功一种类似手表的哮喘警示器，它能同时检测出六种有害气体。 意大利研制出可探测疾病的“电子鼻”，可嗅出人体各种疾病的气味，将其转换成电信号绘成人体“气味图谱”，与标准图谱对比可分析人体健康状况。,美研制的碳纳米管气体探测器,52,超微磁场传感器，要求能探测10-2-10-6T的磁通密度，在超微系统测量如此弱的磁

22、通密度十分困难。 瑞士苏黎世实验室在具有纳米孔洞的聚碳酸酯衬底上交替蒸发Cu和Co，形成由Cu、Co交替填充的纳米丝，这样纳米丝阵列可探测10-11T的磁通密度。,探测磁场用霍尔探头，精度为0.1Gs(10-5T),53,航空发动机叶片等构件表面纳米涂层处理后大大提高使用寿命：传统工艺的叶片平均寿命约4-8年，纳米涂层技术处理的叶片使用寿命可达20年。 提高发动机效率需能承受高温的材料。增韧陶瓷在1000下也不变形，在发动机中应用后可使其在更高温度下工作，重量大大减轻。,航空航天工业,发动机用陶瓷部件,陶瓷环形火焰筒,54,在火箭发射的燃料推进剂中添加约1wt纳米Al或Ni微粒，可大幅提高发动

23、机的燃烧效率，每克燃料的燃烧热增加1倍。 纳米技术促进卫星向小型化和微型化发展。著名的“铱”星通信系统是由66颗重0.7吨的小型卫星组成的通信网络，可以实现全球“无缝隙”通信，是名幅其实的“全球通”。,铱星通讯系统,55,纳米卫星重量不足10千克，部件全部采用先进的微机电集成技术进行整合（MEMS）。 在地球同步轨道上等间隔放置648颗功能不同的纳米卫星，可保证随时对地球上任何一点进行连续监视。 用一枚小型运载火箭就可发射几百颗甚至上千颗纳米卫星，组成卫星网络。 我国清华大学宇航研究院已经研制出重量为几十公斤的微型卫星，并发射成功。,小型卫星,56,出汗是常见的生理现象，通过汗液蒸发带走人的部

24、分热量，实现体温调节。 高速飞行的飞行器与空气摩擦产生大量的热量。为及时散热，先制成高强度的纳米介孔骨架，然后用低熔点金属填充孔隙，制成“发汗金属”。温度升高，低熔点金属熔化、沸腾和蒸发，及时带走大量的热，保证飞行器的正常远行。,生理出汗,仿生出汗可用于航天飞机,57,塑料工业 纳米材料可以大幅改善塑料的力学性能。 粒径为10nm的TiO2/PP(聚丙烯)复合体系薄膜的弯曲模量比纯PP提高20，冲击强度提高40。 含5纳米TiO2时，纳米TiO2/EP(环氧树脂)复合材料拉伸强度为纯EP的485，弯曲强度为纯EP的245，缺口冲击强度为纯EP的878。,纳米TiO2/PP材料冲击断口,纳米Ti

25、O2/PS材料冲击断口,58,纳米SiO2/聚酰亚胺(PI)复合材料(含10纳米SiO2 )的拉伸强度为PI的1.5倍，30时断裂伸长率为PI的3倍； 添加纳米SiO2的橡胶耐磨性明显优于常规白炭黑橡胶，轮胎侧面的抗折性能由10万次提高到50万次； 纳米Al2O3添加到PS(聚苯乙烯)中，体积含量15时，复合材料拉伸强度为纯PS的4倍，冲击强度为纯PS的3倍。,纳米SiO2/PP制成的保险杠,纳米改性PA制成的注塑件,59,纳米材料还可以改善塑料的其他性能。 纳米SiO2与纳米TiO2可大量吸收紫外线，可延缓高分子材料的老化。 添加0.1-0.5纳米TiO2制成的透明塑料包装袋，既可防止紫外线

26、对食品的破坏，又具有杀菌作用，保持食品新鲜。,纳米TiO2改性PC阳光板,60,纳米技术在信息产业上的应用 传统电子产业具有以下限制： 以量子隧穿效应等为代表的物理限制； 以功耗、互联延迟等为代表的技术限制； 制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制， 具有量子效应的纳米材料将突破这些限制，提供不同于传统器件的全新功能，对信息产业和其他相关产业产生深刻影响。,61,把自由运动的电子限制在一个纳米颗粒内，或在一根宽度只有几纳米的金属线内，电子运动受到限制，原具有连续任意动量的状态变成只有某一动量值(电子能量量子化)。 自由电子能量量子化后，可形成用一个电子控制的电子器件(单电子器件)。 电压合适(V

27、e/C)，量子点上的单电子穿过能垒到另一个量子点； 电压不合适，单电子不能隧穿，,单电子器件原理图,62,单电子器件尺寸很小，把它们集成起来做电脑芯片，电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。 单电子晶体管原型器件首先由加州大学洛杉矶分校和IBM公司共同研究成功，功耗低，适合于高度集成，是新一代微型器件的基础。,63,日本电信电话公司用厚度20nm的硅线路连接3个电极，改变细线电压可控制单电子在细线内自由流动。这种单电子元件耗电量仅为现在电子元件的十万分之一。 美国威斯康星大学制造出可容纳单个电子的量子点，一个针尖上可容纳几十亿个量子点；若将几十亿个量子点连接起来，每个量子点相当于大脑中的神经细胞

28、，为研制智能电脑带来希望。,量子点技术,64,中国曙光公司研发的“星云”超级计算机，运算速度达到1.27petaflop（每秒钟可进行1270万亿次浮点运算），用于科学计算、互联网智能搜索、基因测序等行业和领域。 美国克雷公司的“美洲虎”超级计算机，运算速度达到1.75petaflop。,“星云”超级计算机,超级计算机,65,2011年，国防科技大学研制的千万亿次超级计算机 “天河一号” 运算速度实测每秒2507万亿次，峰值每秒4700万亿次，成为全球最快计算机 。 中央处理器首次部分采用自主研制的“银河飞腾1000”芯片，数量约占全部CPU的七分之一。 可完成模拟核爆等数值巨大的计算，军事作

29、用巨大，,“天河一号”超级计算机,66,微型集成电路 集成电路的集成度一般用最小线宽来表示，硅集成电路的极限线宽是70nm左右。 日本NEC公司率先研发成功95nm的半导体工艺技术。与采用130nm技术制造的产品比较，集成度提高19倍，节电30，运行速度提高。 Intel公司研制出仅有20nm的晶体管，比当前最快晶体管体积小30，速度快25，远行速度接近20GHz，操作电压低于1V，,67,解决纳米电路的思路之一是采用纳米管作引线取代硅。 IBM制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列，比现在的硅晶体管小500倍； 日本制备了有机导电高分子材料和金属材料的纳米细线，并测试了这些纳米细线的电子特性，

30、这使纳米电子器件的集成变成可能。,纳米Si晶体管,68,纳米材料和技术在环保上的应用 废气的治理,工业中的汽油、柴油燃烧时会产生SO2气体，以纳米钛酸钴作为催化活体，催化后石油中硫含量小于0.01； 工业中的煤燃烧也产生SO2气体，加入纳米助烧催化剂不仅可使煤充分燃烧，不产生CO气体和SO2气体，提高燃烧效率。,工业废气处理装置,69,纳米氧化铬/复合稀土粉体是有效的尾气净化剂，电子在其三价和四价离子间传递，具有极强的氧化还原能力；加上纳米材料表面效应，可在氧化CO的同时还原氮氧化物，使其转化为CO2和N2。 新一代纳米催化剂在汽缸里直接发挥催化作用，使汽油燃烧时不产生气化碳和氮氧化物，无需进

31、行尾气净化处理。,汽车尾气污染,70,工业废水中含有对人体极其有害的贵金属，从污水中流失也是资源的浪费；同时废水中含有毒有害物质、悬浮物、泥沙、异味污染物、细菌病毒等。 传统水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，纳米技术的发展很可能彻底解决这一难题。,废水的治理,工业废水,污水处理装置,71,纳米磁性物质和活性炭等净化装置能有效除去铁锈、泥沙及异味污染物，同时提炼污水中贵金属，变害为宝。 纳米净水剂吸附和絮凝能力是普通净水剂的10-20倍，能将污水中的悬浮物完全吸附并沉淀下来。 用不同纳米孔径的水处理膜和陶瓷小球组成的装置可将水中的细菌、病毒去除，得到高质量纯净水。,纳米过滤陶瓷,纳米

32、净水器,纳米过滤陶瓷片,72,纳米TiO2可以加速城市垃圾的降解，其速度是常规大颗粒TiO2的10倍以上。 利用纳米TiO2的光催化性不仅能杀死细菌，同时能降解由细菌释放的毒素。 在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。,废物的处理,城市的白色污染,73,纳米材料和技术在医学方面的应用,纳米微粒的尺寸比生物体内的细胞、红血球还要小, 为医学研究提供了新的契机。 应用纳米材料和技术可方便有效地进行细胞分离、病情诊断、靶向药物定向治疗等，这些技术已成为纳米医学的前沿科技，直接应用于临床诊断、药物开发和人类遗传诊断，使人们可随时随地享受医疗, 在动态检测中发

33、现疾病的先兆信息, 使早期诊断和预防成为可能。,74,传统细胞分离技术所需时间长，效果差。 在粒径为15-20nm的SiO2纳米微粒表面包覆单分子层，包覆层选择与要分离的细胞具有亲和作用的物质，得到的复合体尺寸约为30nm。 细胞尺寸一般在微米级，在包覆层作用下，纳米包覆体很容易依附在需分离的细胞上。利用密度梯度原理，很快分离所需细胞。,细胞离心分离,细胞分离技术,75,国外已将该技术用于细胞分离中。 判断胎儿是否有遗传缺陷，需采用细胞分离技术。过去常用价格昂贵并对人身有害羊水诊断等技术。用纳米SiO2微粒很容易将孕妇血样中极少量的胎儿细胞分离出来，并能准确地判断胎儿细胞是否具有遗传缺陷。 利

34、用纳米微粒可在肿瘤早期的血液中检查出癌细胞，实现癌症的早期诊断和治疗。 用纳米微粒检查血液中的心肌蛋白，帮助治疗心脏病。,76,MIT研究了纳米磁性材料为药物载体的靶向药物。 在磁性纳米粒子表面涂覆高分子，外部与蛋白结合，这种复合磁性纳米粒子作为药物载体，注射到生物体内； 在外加磁场作用下，通过纳米微粒的磁性导航，药物移向病变部位，实现定向治疗。 这种磁性靶向药物可用于癌症的诊断和治疗。,纳米药物,77,把药物制成纳米微粒，不仅可在血管和人体组织内运动，而且比表面积大，能和体内组织充分接触，便于人体吸收，具有更好的医疗效果。,78,我国中药之所以难以做成见效快的注射剂，是因为大部分中药的有效成

35、分不溶于水，只能煎服。 很多不溶于水的物质做成纳米微粒后可溶于水。 把中药的有效成分做成纳米微粒就可溶于水中，这将有利于我国中药的发展。 把人参的有效成分制成纳米微粒，溶于水后注射入人体，十分方便地就可将其全部吸收。,人参,黄芪,杜仲,当归,79,纳米微粒在医疗临床诊断上有重要应用，它可使临床诊断变得准确、快捷，有利于对疾病的及时发现和早期治疗。 纳米金颗粒通过弱相互作用与生物大分子结合，也可通过化学键与生物大分子偶联，不改变大分子生物活性； 金颗粒具有高电子密度、分辨率高、对结构遮盖少、定位精确等特点。 用超微金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，可用于快速诊断。,纳

36、米诊断技术,80,通常对艾滋病的检测主要采用复杂的酶联免疫染色法，成本高，只适于专门机构采用。 纳米金胶体与免疫球蛋白结合制备的金探针可方便定性检测艾滋病毒抗体： 若待测液中有HIV抗体，金颗粒与抗体-抗原复合物结合，附在滤纸上呈现红色斑点，为抗体阳性； 若没有，金颗粒全部通过滤纸，不显红点，为抗体阴性。 该法可用肉眼观察，简单易行，不需特殊仪器；成本较低，可推广至普通基层医院或血站。,快速艾滋病检测试剂,快速艾滋病检测试纸,81,如将金溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中，未妊娠呈无色，妊娠则呈显著红色。 仅用0.5g金即可制备1万毫升的金溶胶，可测1万人次，其判断结果清晰可靠。,快速检测妊娠试剂棒,8

37、2,纳米微粒在核磁共振成像领域可做为增强显示材料，不但使检测更为准确，而且成本大大降低。 处于纳米尺度的氧化铁具有超顺磁性，这种性能意味在外部磁场作用下它能集中在某个区域。,外包层,纳米硅示踪颗粒,83,肝脏内的网状内皮细胞是由枯否细胞的巨吞噬细胞构成，它可吞噬氧化铁颗粒，但恶性肿瘤细胞仅含极少量枯否细胞，无法大量吸收氧化铁。 纳米氧化铁造影剂就是利用正常细胞和恶性肿瘤细胞之间的功能差别：正常组织吸收纳米氧化铁，表现为黑的低信号；病灶不吸收纳米氧化铁，表现为亮的高信号。,黑的低信号,亮的高信号,84,磁疗治癌是从人体外利用电磁场对肿瘤部位进行加热，当温度高于40时杀死癌细胞，但这种方法也会同时

38、损害肿瘤周围的健康组织。,纳米治疗技术,阳离子脂质体,中性脂质体,将纳米磁性氧化铁微粒注入肿瘤里，置于可变磁场中受磁场作用，肿瘤里的纳米氧化铁微粒升温到45左右，烧毁癌细胞；肿瘤附近的健康组织没磁性微粒，温度不升高，不受到伤害。,Akira Ito, Masashige Shinkai, Hiroyuki Honda, et al. J.Biosci Bioeng.100,1 (2005): 111,85,纳米机器人比红血球小，能周游于人体而不被免疫系统排斥，以光感应器作开关，从溶解在血液中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探示体内物体，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬

39、病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。,纳米机器人清扫血管示意图,86,纳米技术可在微小空间排列基因遗传密码，利用基因芯片迅速查出基因密码中的错误，并利用纳米技术将错误基因修正，治疗遗传缺陷疾病。 纳米技术还可直接发现遗传缺陷或病毒分子结构缺陷，通过分子手术将有缺陷部分切除，再移植好的分子结构，从根本上治愈遗传缺陷或病毒。 纳米技术使人类真正消灭各种遗传缺陷和病毒成为可能。,基因排序,87,纳米材料和技术在国防上的应用,海湾战争中，美军第一天出动的战机就躲过伊拉克严密的雷达监视网，摧毁了电报大楼和其他军事目标。 在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，摧毁伊军95的重要

40、军事目标，而战机受损很少。,隐身材料,海湾战争,88,美机的机身表面包覆了红外与微波隐身材料，具有优异的宽频微波吸收能力，可逃避雷达的监视； 伊拉克的军事目标没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被战机上灵敏的红外线探测器发现，通过激光制导武器就能很准确地击中目标。,海湾战争中的美军战斗机,89,纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，对雷达波的透过率比常规材料强得多，大大减少波的反射，使红外探测器和雷达接收的反射信号很弱； 纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬键增多使界面极化，电磁波吸收频带展宽；纳米颗粒的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，可形成电磁波的多重散射；,美F117隐形战斗机,90,纳

41、米材料的量子尺寸效应使电子能级分裂, 分裂的能级间距正好处于微波能量范围, 为纳米材料创造了新的吸波通道； 纳米材料中的原子、电子十分活泼，在微波场的辐照下运动加剧，大量电磁能转化为热能，从而提高对电磁波的吸收性能。,美B52隐形战略轰炸机,91,美国研制的纳米隐身涂料“超黑粉”对雷达波的吸收率达99，将其涂在战机、导弹等攻击性飞行器表面，能有效吸收敌方防空雷达的电磁波。 法国研制的纳米复合材料(CoNi纳米颗粒包覆绝缘层), 在2-7GHz范围内对电磁波有很好的吸收效果。,92,利用纳米材料制造军舰、潜艇的蒙皮，可灵敏“感觉” 水流、水温、水压等的极细微变化，及时反馈给中央计算机并进行操纵微

42、调，将信号特征减至最小，大幅降低噪声，达到隐身目的，并大大节约能源。 根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷，及时做出规避动作。,采用隐身涂料的美国宙斯盾导弹驱逐舰,智能核潜艇,93,人体的红外线很容易被灵敏的中红外探测器发现。 纳米Al2O3、TiO2、SiO2等具有很强的中红外频段吸收特性，对人体红外线有很好的吸收屏蔽作用。 纳米颗粒对人体红外线的强吸收作用可增强保暖，减轻衣服重量，用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，重量可减轻30%。,纳米军服,美陆军纳米男式常服,传统作战服,94,美国陆军实验室利用纳米技术正研制一种重量轻、防护性能强的STF硅材料“液态盔甲”。 材料中纳米粒子在常

43、态下像液体一样，遇到子弹或弹片冲击时，它们立即形成格子结构的固体形态，彼此紧密“锁”在一起，变成坚硬无比的盔甲。 一件注入STF的轻型马夹可阻挡利刃、针头、低速子弹的穿透，甚至阻挡爆炸的冲击波。,美陆军研制的液体盔甲,用利器对防弹衣进行实验,95,纳米侦察设施,纳米侦察机是一种比苍蝇还小的遥控飞行装置，可携带各种探测仪器，不仅具有信息处理，导航和通讯能力，还可有效避开敌方雷达探测。 可昼夜拍摄红外线照片，及时将最新情报传回数百公里外的基地，也可直接引导导弹攻击目标。 可单兵配置，以便在小分队和单兵作战时探测周围军情，以防遭受敌方突然袭击。,研制中的纳米侦察机,96,2011年2月，美国研制出一

44、种可放入口袋的蜂鸟侦察机：翼展仅为16厘米，重量不及一只AA电池，不需推进器，像真正的鸟一样扇动翅膀获得动力，每小时可飞行11英里，并可对抗每小时5英里的风力。 军方希望利用飞机上的微型摄像机在战区中侦查敌人的位置而不会被发现。,蜂鸟侦察机,97,纳米材料和技术使武器装备微型化。 用量子器件取代大规模集成电路，可使武器控制系统的重量和功耗成千倍减小，同时大大提高信息传输、存储和处理能力。 由纳米技术制造的微型武器系统，省去大量线路板和接头，体积小，运用方便。 纳米技术可把作战飞机全部电子系统集成在一块芯片上，也能使目前车载的电子系统缩小至单兵携带规模。,纳米武器装备,98,纳米材料和技术使武器

45、装备高速化。 武器要求射程远、初速大，只有增加装药量，这势必增加弹药重量，与当前武器设计的发展趋势相悖。 将发射药纳米化，不但提高弹头飞行速度、穿透能力及射程，还减轻弹药重量，便于携带和运输。 纳米发射药可改变武器发射机构，新击发机构是一个控制发射药与空气接触的机构，使武器更小，更轻。,子弹飞行,炮弹发射,99,纳米技术可给人们带来健康食品。 胆固醇含量过高会导致人体动脉硬化；在食品中加入植物固醇，如果能在大肠中被吸收，胆固醇吸收量便会减少。 植物固醇难以溶解，很难吸收； 用纳米技术将植物固醇制成微粒均匀分散于植物脂肪中，可大大增强人体对植物固醇的吸收和利用。,植物固醇,纳米材料和技术在日常生

46、活中的应用,100,纳米技术可以带来新食品。 纳米技术可将纤维素粉碎成单糖、葡萄糖和纤维二糖等，使地球上丰富的有机物成为可利用的营养物质。 利用纳米技术，只要操纵DNA链上少数几种核苷酸甚至改变几个原子的排列，就可培养出新的基因食品。,纳米破壁花粉,转基因食品,101,纳米材料促使抗菌服装出现。 服装会沾染汗液、皮脂及其他分泌物，同时也粘附环境中的污物。 这些污物是各种微生物的营养源，病菌在服装上不断繁殖，使污物产生臭味，导致皮炎及其他疾病。 把纳米材料加到色浆中，通过织物与染料的结合，使抗菌剂牢固附着在织物上，得到抗菌服装、抗菌毛巾、棉被、枕巾等织物。,纳米材料和技术在服装中的应用,抗菌衬衣

47、和领带,抗菌毛巾,102,日本帝人公司将纳米ZnO和纳米SiO2放入化纤中，使其具有除臭功能，广泛用于制造绷带、手术服、护士服，还可用于内衣、外装等，有效预防和杜绝人与人之间、人与物之间的交叉感染。 用对人体红外线有很强吸收作用的纳米微粒添加到衣服纤维中，可提高衣服保暖效果，制成保暖内衣，同时还有抑菌和杀菌的效果。,保暖内衣,103,在水泥配料中加入部分纳微米级粉尘，可使水泥烧成温度降低，还有利于改善水泥性能，提高水泥强度、耐久性等一系列指标。 控制配料，还可获得一系列新品种水泥，如弹性水泥、延性水泥、太阳能水泥、远红外水泥、环境友好水泥等。,纳米材料和技术在建筑中的应用,超细水泥,104,新

48、装修的房间内空气中有机物浓度很高，从中可检测出几百种有机物，最主要的是甲醛、甲苯等对人体有害和致癌物。 纳米材料可降解空气中的有害有机物，其中纳米TiO2的降解效果最好，可达到100。 降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。,TiO2喷雾剂降解室内甲醛,105,洗衣机内部的环境非常潮湿，闲置几天就会滋生大量细菌。使用时间越长，细菌滋生越多，对衣物污染就越严重。长期使用这种洗衣机洗衣服，就有可能产生交叉感染，引发各种皮肤病。 小鸭集团研制的纳米银复合材料洗衣机外筒，不但增加韧性，具有耐摩擦、耐冲击的特点，还有很强的防垢能力，阻止污垢在桶壁沉积，保持洗衣机自身清洁。,纳米

49、材料在家电中的应用,小鸭纳米洗衣机,106,纳米空调借助纳米材料的抗菌效果，大肠杆菌杀灭率大于95，金黄色葡萄球菌杀灭率大于95，甲琉醛、乙硫醛的清除率可达98%。 纳米冰箱是将其经常与人体和食物接触的部件都加入纳米抗菌成分(如托盘、搁物架、抽屉、蛋盒、门把手等)，可有效预防和杜绝细菌在冰箱表面存留，而且不沾染污垢。,纳米抗菌冰箱,空调中的抗菌装置,107,瑞士发现手机等移动通信装置产生的电磁场对人的脑电流有明显的干扰； 德国发现手机产生的射频电磁场会造成人体血管的收缩，导致人体血压升高，持续35分钟的射频电磁场辐射使血压平均升高5-10mmHg。 手机电磁场还可能引发一系列健康问题或疾病，如疲劳、呕吐、头疼，甚至导致老年痴呆、脑癌等。,纳米材料在其他方面的应用,108,香港科技大学研制成功一种对手机发出的微波有50以上吸收率的纳米薄膜，而且电磁辐射的频率越高，薄膜的吸收能力越强。 这无疑给手机的制造商和使用者都带来福音。,手机防辐射薄膜,109,谢谢大家！,