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1、1,纳米材料及其应用,2,在1959年，著名科学家Feynman Richard就曾设想，有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。,纳米科学技术是20世纪80年代中后期逐渐发展起来的，融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的多方位、多学科的新科技。它是在1100nm尺度上研究自然界现象中原子、分子行为与规律，以期在深化对客观世界认识的基础上，实现由人类按需要制造出性能独特的产品。,引言,3,纳米科技的出现，无疑是现代科学的重大突破，它在材料科学、凝聚态物理学、机械制造、信息科学、电子技术、生物遗
2、传、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景，因而对它的研究受到了世界范围的高度重视。纳米科技的研究与发展，无疑将极大地改变人们的思维方式和传统观念，深刻影响国民经济的未来发展。,4,5,一.纳米材料的定义,6,膨润土 矿物学名称：蒙脱石,纳米颗粒材料SEM图,7,二.纳米材料的分类,1.按材质,8,2.按形态,纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。,3.按功能,纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。
3、,9,4.按纳米尺度在空间的表达特征,10,11,三.纳米材料的制备方法,用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点为纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。,物理法,1.真空冷凝法,例如.在真空蒸发室内充入低压惰性气体（He或Ar），将蒸发源加热蒸发，产生原子雾，与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团簇，并在液氮冷棒上聚集起来，将聚集的粉状颗粒刮下，传送至真空压实装置，在数百MPa至几GPa压力下制成直径为几毫米，厚度为10mm1mm的圆片。,12,通过机械粉碎、电火花爆炸、微波分散法等方法使大颗粒变成小颗粒得到纳米粒子。其特点为操作简单、
4、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,2.物理粉碎法,例如.胶体磨。当胶体磨工作时，动磨片绕锥面轴线高速旋转，依靠锥面之间的齿槽与锥面相交的棱刃将其中的大颗粒磨成微小的颗粒，同时动、静磨片之间相对高速旋转运动，使处于动、静磨片锥面之间的大颗粒受到挤压和拉伸破坏，在一定程度上实现颗粒细小化。,13,球磨机是目前广泛采用的纳米磨碎设备。机械球磨法是利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，控制适当的条件，把金属和合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。经数百小时的球磨,可使小于1um 的粒子达到20%。,3.机械球磨法,其特点为操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀,14,溅
5、射法是一种常见的物理气相化学沉积方法,是利用溅射技术,用经过加速的高能离子打到材料表面使材料蒸发,发射出中性的及电离的原子或原子团粒从而形成纳米材料。,4.溅射法,其优点是它几乎可用于所有物质的蒸发,缺点是通常只产生少量的团粒,而团粒的强度随团粒尺寸的增大呈指数降低。,15,冷冻干燥法是由Landsberg 和Schnettler 等人开发并于近年来得以发展的用于制备各类新型无机材料的一种很有前途的方法。,5.冷冻干燥法,冷冻干燥法的基本原理是:先将干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻,然后在低温低压下真空干燥,将溶剂升华除去,就可以得到相应物质的纳米粒子。如果从水溶液出发制备纳米粒子,冻结后将冰升华
6、除去,直接可获得纳米粒子。如果从熔融盐出发,冻结后需要进行热分解,最后得到相应的纳米粒子。,16,化学方法,化学气相沉积法也称气相化学反应法。该方法是利用挥发性金属化合物蒸汽的化学反应来合成所需物质。由于气相中的粒子成核及生长的空间增大,制得的产物微粒细小,形貌均一,具有良好的分散性;而制备常常在封闭容器中进行,保证了粒子具有更高的纯度,有利于合成高熔点无机化合物微粒。,1.化学气相沉积法,其特点为产品纯度高，粒度分布窄。,17,共沉淀法是在混合的金属盐溶液中添加沉淀剂,即得到几种组分均匀的溶液,再进行热分解。共沉淀法其特点为简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。,2.沉淀法,沉淀法
7、包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。,直接沉淀法是使溶液中的金属阳离子直接与沉淀剂发生化学反应而形成沉淀物。,均匀沉淀法是在金属盐溶液中加入沉淀剂溶液时不断搅拌,使沉淀剂在溶液中缓慢生成,消除了沉淀剂的不均匀性。,18,在高压釜里的高温高压反应环境中,用水作为反应介质,使得通常难溶或不溶的物质溶解,反应还可进行重结晶。水热技术具有两个优点,一是其相对低的温度,二是在封闭容器中进行,避免了组分挥发。,3.水热合成法,其特点为纯度高，分散性好、粒度易控制。,日本开发的水热合成法独具特色:将锆盐或其他金属盐溶解于高温高压的水中,得到了粒径、形状和成分均匀的高质量氧化锆、氧化铝和磁性氧化铁纳米粒子。
8、,19,溶胶-凝胶法是指一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐），在饱和条件下经水解和缩聚等化学反应首先制得溶胶,继而将溶胶转为凝胶,再经热处理而成为氧化物或其它化合物固体的方法。由于先驱体的混合是在溶液中进行,短时间就可以达到纳米级甚至分子级均匀，在微观结构可调材料制备方面显示出独特的优势。,4.溶胶-凝胶法,其特点为反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。,20,微乳液法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液,从乳液中析出固相,这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内,从而可形成球形颗粒,又避免了颗粒之间进一步团聚。
9、,5.微乳液法,微乳液法实验装置简单，能耗低，操作容易；所得纳米粒子粒径分布窄，且单分散性、界面性和稳定性好；与其它方法相比具有粒径易于控制、适应面广等优点，族半导体纳米粒子多用此法制备。,21,在纳米尺度下物质中电子的波动性及原子间的相互作用将受到尺度大小的影响，在这个尺度下物质会出现完全不同的性质。纳米材料学是纳米科学非常重要的一个分支，由纳米颗粒组成的纳米材料具有传统材料不具备的许多特异性能。,四.纳米级材料的特性,22,指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速
10、增加。表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。,1.表面与界面效应,eg.在空气中金属超微颗粒会迅速氧化而燃烧。,23,当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。,2.小尺寸效应,24,微观粒子具有贯穿势垒的能力叫隧道效
11、应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。,3.宏观量子隧道效应,25,介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象,这种介电增强通常称为介电限局,主要来源于微粒表面和内部局域场的增强。当介质的折射率与微粒的折射率相差很大时,产生了折射率边界,这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加,这种局域场的增强称为介电限域。一般来说,过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。,4
12、.介电限域效应,26,纳米材料强度和硬度都有很大提高。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属-陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。,1.特殊的力学性质,五.纳米材料奇异的性质,27,熔点降低。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10 纳米量级时尤为显著。例如例如金的熔点为1
13、064，加工成10nm 左右的粉末的熔点降到940，加工至2nm 左右时，熔点降到327。银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。,2.特殊的热学性质,超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1 0.5重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000 降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。,28,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色，事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通
14、常可低于1，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,3.特殊的光学性质,29,3.特殊的磁学性质,30,小尺寸的磁性超微颗粒与大块材料显著不同。大块的纯铁矫顽力约为 80安/米，而当颗粒尺寸减小到 210-2 微米以下时，其矫顽力可增加 1000 倍。若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3 微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。,利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高储存密度磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性
15、超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,31,超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。,纳米颗粒的表面活性大大增强，因而使材料具有很强的催化作用，例如：在火箭燃料中添加少量的镍纳米颗粒。可以成倍提高燃料的燃烧效率。,材料的电学性能与常规材料也有很大差别。很多在常规下导电的物质，当制成纳米材料时就不导电了，而不导电的物质在制成纳米材料后却能够导电。,4.其他性质,32,六.纳米材料的应用,1.在催化领域中的应用,纳米粒子做催化剂，可以大大提高反应效率，增加反应速率，甚至使原来不能反应的化学反应也能进行。纳米催化剂主要有金属纳米催化剂，即以氧化物为载体（氧化铝、氧化硅
16、等）把金属纳米粒子分散到这种多孔衬底上，然后通过活化与载体形成表面负载型的纳米催化剂。,33,目前将纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，可大大提高反应效率。利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，其燃烧效率可提高100倍，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5nm以下反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率急剧增大。,34,由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用，在产品和材料中添加少量(一般不超过含量的2)的纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用，使之更加具有耐久性和透明性，因而被
17、广泛用于护肤产品、装饰材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。,2.在作为防护材料的应用,更为重要的应用是在特别功能性防护方面的应用，比如隐形飞机、电磁屏蔽、射线防护等，都将随着纳米防护新材料的出现而改变传统的防护方式。,35,纳米TiO2、纳米ZnO2等具有很强的紫外线吸收能力，被广泛应用于化妆品中。目前，美国已开发出6种商品化的无机防晒剂。日本、法国、德国也都有相应的无机防晒剂用于防晒化妆品中。平均粒径为10nm的TiO2分散在水中，几乎是无色透明的，不会影响化妆品的外观。当其用量为520 时，防晒系数可达1530。采用二甲基硅氧烷对纳米TiO2进行改性，可使纳米T
18、iO2在化妆品中分散性良好，具有很强的分散效果，且TiO2的光活性和光催化性能低下，长期使用稳定性高。,3.在化妆品中的应用,36,我们常看到运动衫的广告宣传语常中有快速干燥等性能介绍，有的就是因为选择了融入纳米技术的纺织面料来制作远动衫达到了快干的效果。由于纳米粒子具有较大的比表面积、体积比及较高的表面能，可使纳米纤维织物具备了很多功能，在纺织品表面形成纳米结构可使纳米纤维织物产生抗紫外线、防辐射、抗菌除臭、防水、抗皱等诸多功能。，同时也使纺织材料具备了高附加值，这对于提升纺织产品的科技水平和经济效益具有重大意义。,4.纳米功能纺织品,vedio,37,利用纳米粒子的光催化降解作用，可处理化
19、工污水。如钛酸酯在天然水体中属于难生物降解的化合物，但其在水体表面微层中富集，利用纳米TiO2可对表面微层中的钛酸酯进行光降解，在有溶解氧存在下，其降解率达98；以悬浮态TiO2为催化剂、浓度为2gL、在有溶解氧的条件下，水溶性偶氮染料易发生光催化降解反应。此外，纳米粒子光催化还能解决汞、铬、铅等金属离子的污染问题。,5.在化工污水处理领域中的应用,38,纳滤膜处理酸洗废液新工艺万金保,纳滤膜是对二价离子具有较高的脱除率而对一价离子脱除率较低的表面孔径为纳米级的分离膜。,纳滤处理废酸液的过程 某钢厂设有酸洗工序,将钢材浸入硫酸质量分数为20%左右的酸洗槽中进行酸洗,其化学反应如下:FeO+H2
20、SO4(稀)=FeSO4+H2OFe2O3+3H2SO4(稀)=Fe2(SO4)3+3H2OFe2(SO4)3+Fe=3FeSO4,39,40,某钢厂酸洗废液治理工程建成后,共投资195.4万元，有效地处理了全厂每年排出的8000 m3 废酸液，每年回收了490t H2SO4(98%)，FeSO47H2O 1600 t，年净利7.332 万元。这既为厂里降低了生产成本，又为国家节约了资源，更主要的是使废水达到国家排放标准,减轻了附近水域污染，保护了生态环境。,41,纳米陶瓷是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米尺寸水平。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可
21、使材料的强度、韧性和超塑性大为提高，因为纳米粒子非常小，很容易压实在一起，使用纳米级陶瓷材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷，此外，纳米粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料，喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨，还不易破碎。,6.在精细陶瓷材料中的应用,42,43,国际流行最新厨房用纳米陶瓷,44,纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等特征，是适合用做传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳米粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化，利用其电阻的显著变化可
22、做成传感器。,7.在传感材料中的应用,其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。最新的信息显示，已经有科学家考虑采用“浮尘法”将微小的传感器送到外太空，随太阳风等宇宙风在太空飘浮，以探测宇宙信息。,45,由于纳米粒子的小尺寸效应及活性大，不论高熔点材料还是复合材料的烧结，都比较容易具有烧结温度低、烧结时间短，而且可得到烧结性能良好的烧结体，例如普通钨粉需要在3000的高温下烧结，而当掺入0.10.5的纳米镍粉时，烧结成型温度可降低到 12001311。,8.作为易烧结材料的应用,46,科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人,在血液中循环,对身体各部位进行检测、诊断,并实施特殊治疗。目前,科研
23、人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用等。利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，可对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至还可能清除病毒、杀死癌细胞等。另外,利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展,现在已用于临床动物实验,估计不久的将来即可服务于人类。,9.作为医学与生物工程材料的应用,47,借助于光学纤维,可以将纳米TiO2 和紫外光送至人体内部脏器的肿瘤表面,直接杀灭肿瘤细胞,从而达到治疗肿瘤的目的。日本的一个研究小组作了TiO2 光催化对癌细胞作用的实验:将癌细胞置于镀有TiO2 薄膜
24、的玻璃片上,在紫外光的照射下仅3min,癌细胞就被杀死。这种利用TiO2 光催化作用治疗肿瘤的方法将来可在临床医学上用于治疗消化系统的胃、肠肿瘤,呼吸系统的咽喉、气管肿瘤,泌尿系统的膀胱、尿道肿瘤和皮肤癌等。,48,二氧化钛光催化杀灭肿瘤细胞的研究,王浩 赵文宽 方佑龄 王润帮 李莉,借助于光学纤维,可以将纳米TiO2 和紫外光送至人体内部脏器的肿瘤表面,直接杀灭肿瘤细胞,从而达到治疗肿瘤的目的。,摘要,实验分4组进行，1，2，3组为实验组，第4组为对照组在1，2和3组中，分别向每毫升培养液(宫颈癌细胞密度为1106个/mL)中加入100，200和300ug二氧化钛颗粒第4组只含宫颈癌细胞，二
25、氧化钛浓度为0.二氧化钛颗粒实验前进行高温高压消毒,紫外灯对实验组和对照组进行照射，照射时间分别为30，40，50和60min，照射强度为1.64uW/cm2，调整照射距离，使被照射表面温度为371(人体体温)照射前后分别用波长550nm的酶标仪测量肿瘤细胞的抑制率为了避免照射过程中污染细胞，用一块石英玻璃(可透过紫外光)盖在被照射平皿上,49,Relationship among inhibition rate,amount of Ti02 and illumination time,(1)Group 1(Ti02 100ug),(2)Group 2(200).(3)Group 3(300)
26、，(4)Group 4(0).,50,纳米机器人,51,现阶段的制浆技术水平可以将大多数的树种加工到微米级别，此时木材细胞的胞管已经全部破开，胞管内的粘性液体可以容易地流出，机械浆的高得率也可以实现。但如果将木材加工到纳米级，木材原来的细胞结构被破坏，纤维组织结构发生变化，木材中的纤维素、半纤维素和木素可用机械方法得到较好的分离，由此可以提高木素、纤维素、半纤维素的利用率，从而提高制浆得率，同时，也减少了制浆造纸工业对环境的影响。纳米技术在造纸工业中还可用于纸浆的漂白、多功能纸的制造技术中。,10.在造纸工业中的应用,52,纳米电子学是由纳米技术与微电子技术相结合所产生的一个新兴学科，它立足于
27、最新的物理学理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，纳米电子器件不仅仅是微电子器件尺寸的进一步减小，重要的是纳米电子器件具备了量子特性，使之具有更高的响应速度和更低的功耗，可以解决日益严重的功耗问题。,11.微电子和光电子领域,纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能，作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料，以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等具有很高的应用价值。,53,在目前电脑微处理器、存储器等集成电路的密度正在迅速增加，利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应，可让一个最小的储存单元从45个微米降低到0.1个微米。利用于计算机硬盘的巨磁电阻传感器，取代传
28、统磁头，可使计算机硬盘记录密度提高近千倍。目前人们正在研究利用基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，开发出新型的磁存储装置，也许会改变即将来临的云计算时代。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。,54,微器件纳米材料，特别是纳米线，可以使芯片集成度提高，电子元件体积缩小，使半导体技术取得突破性进展，大大提高了计算机的容量和运行速度，对微器件制作起决定性的推动作用。纳米材料在使机器微型化及提高机器容量方面的应用前景被很多发达国家看好，有人认为它可能引发新一轮工业革命。,12.微器件纳米材料,55,13.在分子组装方面的应用,如何合成具有特定尺寸且粒度均匀分布无团聚的纳米材料,一直是科研
29、工作者努力解决的问题。目前,纳米技术深入到了对单原子的操纵,通过利用软化学与主客体模板化学、超分子化学相结合的技术,正在成为组装与剪裁、实现分子手术的主要手段。,1990 年,IBM 公司两位科学家用STM 针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子。他们经过22 小时的操作,把35 个氙原子排成了“IBM”字样。1993年,美国科学家成功地进行了移动铁原子的实验。在低温条件下,用STM 针尖将48 个铁原子排列成了一个称之为“量子围栏”的圆环。,56,57,目前,原子力显微术和力谱的结合在膜蛋白的研究中开始发挥作用，这一技术不仅在结构生物学中具有重要意义,而且在联系医学实际中也将发挥重大作用。,19
30、96 年，IBM 公司利用分子组装技术,研制出了世界上最小的纳米算盘,算珠由球状的C60 分子构成。1999 年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病毒的重量。2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7nm的纳米级镊子。,58,纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，光电器件的性能，如光电信息传输、处理、和显示等方面得到提高。在雷达信息处理上应用纳米技术，可使其处理能力提高几十倍至几百倍。“分子马达”就是“分子”水平上的纳米器件及信息处理器，有潜在的应用价值。还有纳米团簇在量子
31、激光器、单电子晶体管等许多领域都有重要应用。另外，量子元件不仅可以使元件的体积缩小，还可以简化电路。量子元件的兴起是电子技术的一场革命。,59,14.在文物保护中应用,同步增强增韧效应,纳米材料由于粒径小、比表面积大，在复合材料中与基体材料间有很强的结合力，因此，在提高材料强度的同时，又起到增韧的效果,疏水疏油性,纳米粒子表面能和表面结合能大，具有很高的化学活性，极易吸收周围小分子气体，形成一层稳定的气体薄膜，使油和水无法在材料的表面展开，因此其表面呈现双疏性，即超双亲界面特性。,60,由于纳米i、n等自身的半导体性质，可通过散射或吸收紫外光等作用机理降低紫外线的透过率。此外，纳米粉体的量子尺
32、寸效应使其对光吸收产生“蓝移”现象和“宽化”现象，导致对紫外光的吸收效果显著增强.,抗紫外线和耐老化特性,透明及防遮盖特性,颜料级在可见光范围内有良好的光散射效果和遮光效应，而纳米级（50nm）对可见光是透明的。因此，制备的纳米复合材料涂膜具有无色、无光、透明的特性,61,石墨烯,石墨烯由于其特殊的结构，具有许多独特的性能。例如，石墨烯具有极高的载流子迁移率，达15000 cm2V-1s-1，是商用硅片的10 倍；石墨烯的力学强度可达130 GPa，是钢的100 多倍；石墨烯的热传导率高达5 000W m-1K-1，是室温下纯金刚石的3 倍；石墨烯对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性；石
33、墨烯具有优异的柔软性和极高的比表面积等。,石墨烯材料高倍放大图,石墨烯结构,62,通过混合固态二氧化碳和相应溶剂，能简单、经济地大规模生产出高质量的纳米石墨烯薄片。,研究人员将石墨和固态二氧化碳置于充满不锈钢球的筒罐中，两天后可经羧酸和机械力磨制加工，生产出石墨薄片，且边缘处于打开状态，以便产生化学反应。由羧酸处理的边缘可使石墨溶于质子溶剂之中，其中包括水和甲醇；也可溶于极性非质子型溶剂中，包括二甲基亚砜等。,一旦分散在溶剂之中，石墨薄片就会分离成5层或层数更少的纳米石墨烯薄片。为测试这些材料能否直接形成电子应用所需的模塑物体，研究人员将样本压缩为芯块。对比后发现，这些芯块的导电性可比由酸性氧
34、化石墨法生产出的传统芯块高688倍。,63,石墨烯可控掺杂的研究取得新进展,集多种优异特性于一身的石墨烯，其电子迁移率高于硅材料两个级数。表明石墨烯有望替代半导体工业中的硅材料。然而，石墨烯为零带隙半导体，因此能否有效调控其电学性质决定着这种新材料在微电子等行业的应用前途。,掺杂被认为是调控石墨烯电学性质的有效手段之一，但石墨烯完整的二维蜂窝状结构给其掺杂带来很大困难。宫建茹研究组采用离子注入技术，通过高能离子轰击使石墨烯产生碳原子空位缺陷。然后，在氨气气氛中高温退火，利用氨气分解产生氮原子来填补碳原子空位缺陷，实现了在石墨烯中氮原子的掺杂。由氮原子掺杂后的石墨烯制备的场效应器件具有n型导电性
35、质，进一步证实了氮原子掺杂效果。另外，通过调节离子注入剂量、退火温度等条件，能够实现精确可控的原子掺杂，对石墨烯的理论研究和实际应用都具有重要意义,64,65,五.前景展望,经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4 大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。,66,目前国内的研究水平与国外相比还有一定差距，但整体水平依然较高，其制备技术储备很多，但多处于实验室阶段，距工业化推广还有很大距离，主要表现在后期投入不足。目前在技术上急需解决的关键问题是：,1)解决粒径稳定可控的生产技术；2)解决贮藏、运输过程中的团聚问题；3)解决应用过程中分散不均及因不能均匀分散而影响使用效果的问题。,从而使我国纳米产业突破瓶颈，快速发展。,67,谢 谢！,
