第5节-纳米材料的应用

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1、 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。面有广阔的应用前景。一一.纳米材料在催化领域的应用纳米材料在催化领域的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作催化剂在许多化学化工领域中起

2、着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不

3、能进行的反应也能进行。纳米微粒作为催化剂比一进行的反应也能进行。纳米微粒作为催化剂比一般催化剂的反应速度提高般催化剂的反应速度提高10101515倍。倍。1 1金属纳米粒子的催化作用金属纳米粒子的催化作用 贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打

4、的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。2半导体纳米粒子的光催化半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化失效农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的效应是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，孔穴把周围环境中的羟基电子

5、夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、醇、醇、醛、醛、酸、酸、COCO2 2，完成了对有机物的降解。，完成了对有机物的降解。常用的光催化半导体纳米粒子有常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材料做成等。主要用处：将这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有空心小球，浮在含有有机物的废水表面上，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造

6、成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中制成杀菌纤维。锐钛矿白色纳米纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子表面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和光催

7、化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。还有一个重要的应用是，纳米。还有一个重要的应用是，纳米TiO2光催化效应可以用来光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取从甲醇水溶液中提取H2。3纳米金属、半导体粒子的热催化纳米金属、半导体粒子的热催化 金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂

8、进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米作助燃剂。目前，纳米AlAl和和NiNi粉已被用在火箭粉已被用在火箭燃料作助燃剂。燃料作助燃剂。二、纳米材料在光学方面的应用二、纳米材料在光学方面的应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量

9、损耗等，吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。一下各种纳米微粒在光学方面的应用。1红外反射材料红外反射材料 纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用纳米微粒的膜材料

10、在灯泡工业上有很好的应用.高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的强照明，但是电能的6969转化为红外线，这就表明有转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。一个新的途径

11、。2020世纪世纪8080年代以来，人们用纳米年代以来，人们用纳米SiOSiO2 2和纳米和纳米TiOTiO2 2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约与传统的卤素灯相同时，可节省约1515的电。的电。2优异的光吸收材料优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收

12、带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：目前，对紫外吸收好的几种材料有：303040nm40nm的的TiOTiO2 2纳米粒子的树脂膜；纳米粒子的树脂膜；FeFe

13、2 2O O3 3纳米微粒的聚酯树脂膜纳米微粒的聚酯树脂膜;纳米纳米AlAl2 2O O3 3 。前者对。前者对400nm400nm波长以下的紫外光有波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对极强的吸收能力，后者对600nm600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器器件的紫外线过滤器;纳米纳米AlAl2 2O O3 3 对对250nm250nm以下的紫外光有极强的吸收以下的紫外光有极强的吸收.利用纳米材料对紫外强吸收性质利用纳米材料对紫外强吸收性质,可运用到日光灯的寿命、防晒剂和化妆品、可运用到日光灯的寿命、防晒剂和化妆品、加入高分子

14、材料可作抗老剂，防止高分子材料老化等。加入高分子材料可作抗老剂，防止高分子材料老化等。(1)紫外吸收紫外吸收 日光灯管是利用水银的日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明度照明.一般来说一般来说,185nm,185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响的短波紫外光对灯管的寿命有影响,而且而且灯管的泄露对人体有害灯管的泄露对人体有害,这是一直困扰日光灯工业的主要问题这是一直困扰日光灯工业的主要问题.如如果把几个纳米的果把几个纳米的AlAl2 2O O3 3 掺杂到稀土荧光粉中掺杂到稀土荧光粉中,利用纳米紫外吸收利用纳米紫外吸收的蓝移现象就有可

15、能吸收掉这种有害的紫外光的蓝移现象就有可能吸收掉这种有害的紫外光,而且不降低荧光而且不降低荧光粉的发光效率粉的发光效率.大气中紫外线在大气中紫外线在300-400nm300-400nm波段波段(太阳光对人体有伤害的紫外线也太阳光对人体有伤害的紫外线也是这个波段是这个波段),),在防晒油和化妆品中加入纳米材料在防晒油和化妆品中加入纳米材料,纳米纳米AlAl2 2O O3 3、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2等对这个波段的紫外光进行强吸收等对这个波段的紫外光进行强吸收,可减少进入人体可减少进入人体的紫外线的紫外线.在紫外线照射下塑料很容易老化在紫外线照射下塑料很容易老化,如果在塑料表面涂上一

16、层含纳如果在塑料表面涂上一层含纳米材料的透明层米材料的透明层,这种涂层对这种涂层对300-400nm300-400nm波段的紫外线有强吸收波段的紫外线有强吸收,就可防止塑料的老化就可防止塑料的老化.汽车和船舰的表面都涂上油漆汽车和船舰的表面都涂上油漆,底漆主要是底漆主要是氯丁橡胶和双酚或环氧树脂为原料氯丁橡胶和双酚或环氧树脂为原料,容易在阳光照射下老化容易在阳光照射下老化,使得使得油漆脱落油漆脱落,若在面漆中加上能强烈吸收紫外光的纳米材料就可保若在面漆中加上能强烈吸收紫外光的纳米材料就可保护底漆了护底漆了.(2)红外吸收 红外吸收在日常生活和高科技领域都有重要的应用红外吸收在日常生活和高科技领

17、域都有重要的应用.人人体释放的红外线大致在体释放的红外线大致在4 416m16m的中红外波段的中红外波段.在战争在战争如果不对这个波段的红外线进行屏蔽如果不对这个波段的红外线进行屏蔽,很容易被灵敏的很容易被灵敏的中红外探测器所发现中红外探测器所发现,尤其在夜间人身安全将受到威胁尤其在夜间人身安全将受到威胁.从这个意义上说从这个意义上说,研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服很有必要服很有必要.一些经济发达的国家已开始用这种具有红一些经济发达的国家已开始用这种具有红外吸收功能的纤维制成军装武装部队外吸收功能的纤维制成军装武装部队.纳米纳米AlAl2 2O O3 3、T

18、iOTiO2 2、SiOSiO2 2、FeFe2 2O O3 3及其复合材料对中红外有及其复合材料对中红外有强烈吸收，也可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登强烈吸收，也可以起到保暖作用，减轻衣服重量，对登山运动员、军人战士防寒，以及在军事上，防止敌人的山运动员、军人战士防寒，以及在军事上，防止敌人的红外探测器发现。红外探测器发现。(3)隐身材料隐身材料 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷

19、达接收到的反射射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大粉大34个数量级，对红外光和电磁波的个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。1991年海湾战争中，美国战斗机美国F117表面包覆了多种超微粒（Al2O3、TiO2、Si

20、O2、Fe2O3、氮化硼，碳化硼及其复合材料都是隐身材料）的红外与微波隐身材料，吸收宽频带的微波，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标没有这种设施，损失惨重。美国又研制了纳米磁性材料，在一定条件下产生光发散效应，改变光传播方向，达到扰乱敌人探测的目标。美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机三、三、纳米材料在环境保护方面的作用纳米材料在环境保护方面的作用 随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了从源头上控制新

21、的污染源产生创造了条件。条件。1纳米技术在治理有害气体方面纳米技术在治理有害气体方面的应用的应用 纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，使汽油

22、燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。根本无需进行尾气净化处理。2纳米技术在污水处理方面的应用纳米技术在污水处理方面的应用污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水

23、中的贵金属是对人体极其有底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍倍。3纳米纳米TiO2与环境保护与环境保护 由于纳米由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特除了具有纳米材料的特点

24、外，还具有光催化性能，使得它在环点外，还具有光催化性能，使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。境污染治理方面将扮演极其重要的角色。（1）降解空气中的有害有机物）降解空气中的有害有机物 对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果对室内主要的气体污染物甲醛、甲苯等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米米TiO2的降解效率最好，将近达到的降解效率最好，将近达到100。其降解机。其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、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。纳米水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可

25、用于石油、的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。量。（2）降解有机磷农药）降解有机磷农药 有机磷农药是有机磷农药是70年代发展起来的农药品种，占我国年代发展起来的农药品种，占我国农药产量的农药产量的80，它的生产和使用会造成大量有毒，它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题，使用纳米废水。这一环保难题，使用纳米TiO2来催化降解可来催化降解可以得到根本解决。以得到根本解决。（3）处理毛纺染废水）处理毛纺染废水 用纳米用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节

26、能，最终能使有机物完全矿具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用化、不存在二次污染等特点，显示出良好的应用前景。前景。（4）解决石油污染问题）解决石油污染问题 在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石在石油开采运输和使用过程中，有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面，用纳米TiO2可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。可以降解石油，解决海洋的石油污染问题。（5）处理城市生活垃圾）处理城市生活垃圾 用纳米用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒度是大颗

27、粒TiO2的的10倍以上，从而解决大量生活倍以上，从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。垃圾给城市环境带来的压力。（6）高效的杀菌剂）高效的杀菌剂 一般常用的杀菌剂一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活等能使细胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院时降解由细菌释放出的有毒复合物。

28、在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。光催化剂还具有除臭作用。l（7）自洁作用）自洁作用l 纳米纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的消毒的“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”。l“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”

29、是应用高科技纳米技术在平是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。综上：被称之为综上：被称之为2121世纪前沿科学的纳米世纪前沿科学的纳米技术将对环境保护产生深远的影响，有技术将对环境保护产生深远的影响，有着广泛的应用前景，甚至会改变人们的着广泛的应用前景，甚至会改变人们的传统环保观念，利用纳米技

30、术解决污染传统环保观念，利用纳米技术解决污染问题将成为未来环境保护发展的必然趋问题将成为未来环境保护发展的必然趋势。势。四、纳米技术在生物工程上的四、纳米技术在生物工程上的应用应用 众所周知，分子是保持物质化学性质不变的众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技

31、术，可以此来设计量子计算机。美国南加纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的艾德曼博士等应用基于州大学的艾德曼博士等应用基于DNADNA分子计算技分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题法解决的问题“哈密顿路径问题哈密顿路径问题”，使人们对，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。有了进一步的认识。虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其已经考虑应用几种生物分

32、子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。毕阁等研究了体过程，伴随相应的物质结构变化。毕阁等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维细菌视

33、紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。存储器大得多的存储空间。注：细菌视紫红质是一种具有光驱动质子泵功能的跨膜蛋白,迄今为止已被当作光合作用、质子泵和七螺旋跨膜的受体模型进行研究.到目前为止，还没有出现商品化的分子到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高计算机组件。科学家们认为：要想

34、提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导制作出了光导“与与”门，利用发光门制门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。力的中心网络和联想式存储装置。纳米计算机的问世，将会使当今的信纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限

35、，使单位体积物质的储存和信息极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。电子学上的又一次革命。如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家在在10日出版的英国日出版的英国自然自然杂志上报告说，他们用杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为为“

36、燃料燃料”控制这种镊子反复开合。控制这种镊子反复开合。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料30。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。五、纳米科技在其他方面的应用五、纳米科技在其他方面的应用 1.医学医学 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，

37、并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。制造具有特定功能的药品。将药物储存在碳纳米将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测

38、少量血液，就能通过其中的蛋白质和器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。诊断出各种疾病。从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要

39、小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早

40、期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。纳米机器人纳米机器人 采用纳米大分子：“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。这些分子机器人以光感应器作开关，从溶解在血液中的这些分子机器人以光感应器作开关，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体内物葡萄糖和氧

41、气中获得能量，并按编制好的程序探体内物体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中的学栓，清楚心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和血管中的学栓，清楚心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，从基的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，从基因中除去有害的因中除去有害的DNADNA或把正常的或把正常的DNADNA安装在基因

42、中，使机安装在基因中，使机体恢复正常功能。将由纳米硅晶片制成的存储器（体恢复正常功能。将由纳米硅晶片制成的存储器（ROMROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。金森氏症或其他神经性疾病。注：帕金森氏症就是俗称的老年痴呆症，是一种渐进式的脑疾，主要是因为脑中控制运动的细胞遭到破坏所导致而成的。2.家电家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌作用，可用处作

43、电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。除味塑料。3.电子计算机和电子工业电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为可以缩小成为“掌上电脑掌上电脑”。4.纺织工业纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米在合成纤维树脂中添加纳米SiOSiO2 2、纳米、纳米ZnOZnO、纳米、纳米SiOSiO2 2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗

44、紫外线辐射的内衣和服装，可用防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。求的抗紫外线辐射的功能纤维。5.机械工业机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。硬度和使用寿命。六、纳米科学技术六、纳米科学技术在精细化工方面的应用在精细化工方面的应用 1、粘合剂和密封胶、粘合剂和密封胶国外已将纳米材料如纳米国外已将纳米材料如纳米SiO2作为

45、添加剂加入作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在纳米纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米石结构，即纳米SiO2形成网络结构防止胶体流形成网络结构防止胶体流动，固体速度加快，提高粘接效果，由于颗粒动，固体速度加快，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。尺寸小，更增加了胶的密封性。2、涂料、涂料 在各类涂料中添加纳米在各

46、类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米质量和档次自然升级。因纳米SiO2是一种是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。度和光洁度。3、各种助剂、各种助剂 橡胶橡胶纳米纳米Al2O3Al2O3粒子加入橡胶中可提高橡胶粒子加入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性。纳米的介电性和耐磨性。纳米SiO2SiO2

47、可以作可以作为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝为抗紫外辐射、红外反射、高介电绝缘橡胶的填料。添加纳米缘橡胶的填料。添加纳米SiO2SiO2的橡胶，的橡胶，弹性、耐磨性都会明显优于常规的白弹性、耐磨性都会明显优于常规的白炭黑作填料的橡胶。炭黑作填料的橡胶。塑料塑料纳米纳米SiOSiO2 2对塑料不仅起补强作用，而且对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。利用它透光、粒度具有许多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄小，可使塑料变得更致密，可使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能大膜的透明度、强度和韧性、防水性能大大提高。在有机玻璃生产时加入表面经大提高。在有机玻璃生产时

48、加入表面经修饰的纳米修饰的纳米SiOSiO2 2可使有机玻璃抗紫外线可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃辐射而达到抗老化的目的；在有机玻璃中添加纳米中添加纳米AlAl2 2OO3 3既不影响透明度又提高既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。了高温冲击韧性。纤维纤维以纳米以纳米SiO2SiO2和纳米和纳米TiO2TiO2经适当配比而经适当配比而成的复合粉体作为纤维的添加剂，可成的复合粉体作为纤维的添加剂，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。用射的功能纤维。用SiOSiO2 2+TiO+TiO2 2+AlAl2 2O O3 3+ZnO+Z

49、nO四合一粉体对人造纤维进行四合一粉体对人造纤维进行改性的研究正在进行中。改性的研究正在进行中。4、化妆品、化妆品 纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收，如纳米微粒与树脂结合用于紫外线吸收，如防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。如防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒。如纳米纳米TiO2、ZnO、SiO2等。一定粒度的锐等。一定粒度的锐钛矿型钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。中，可使化妆品的性能得到提高。七.在陶瓷领域的应用 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一,在日常生活及工业

50、生产中起着举足轻重的作用。但是,由于传统陶瓷材料质地较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为,如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题,从而控制陶瓷晶粒尺寸在 50nm以下的纳米陶瓷,则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。陶瓷增韧陶瓷增韧 陶瓷材料在通常情况下呈脆陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界因为纳米

51、材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。现出甚佳的韧性与延展性。纳米陶瓷陶瓷材料的增韧性：陶瓷材料耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗氧化高温材料的广泛的应用：例如气缸内衬、汽车点火器等。但也有缺点，可塑性差、韧性差、不易加工。例如纳米SiC陶瓷断裂韧性比普通SiC提高100倍。制备出纳米复合陶瓷：德国将20%纳米SiC掺入到粗晶-SiC粉末中，断裂韧性提高了25%。八八.磁性材料方面的应用磁性材料方面的应用 目前纳米磁性材料已成为纳米材料研究、开发、生产中非常重

52、要的一大领域。当纳米微晶材料的晶粒尺寸远小于铁磁交换作用长度时,晶粒内的磁矩方向将取决于磁晶各向异性能与交换能相互作用的极小值,使有效各向异性常数下降。磁记录在当今信息化时代得到了极其广泛的应用,如用在录音、录象、录码等信息记录、储存和运算等,磁记录朝向大容量、高密度以及微型化的方向发展,对颗粒磁记录介质的要求是高矫顽力、高取向性和小尺寸。纳米磁性材料具有单磁畴结构、矫顽力高的特性,用它制作磁记录材料可以大大提高信噪比,改善图象质量,而且可以达到记录高密度化.21世纪信息记录材料，1cm2面积需记录1000万条以上的信息磁流体（磁性液体材料）磁性液体是指具有超顺磁性的纳米尺寸颗粒,表面包覆一层

53、长链的表面活性剂，并稳定地分散在基液中形成胶体，具有强磁性，又具有液体的流动性。当磁性材料的粒径小于临界半径时,粒子具有超顺磁性,可分散在溶液中形成磁流体,它在外磁场作用下将不分离而整体运动,因此既具有磁性又具有液体的超流动性,在动态密封、扬声器等众多领域,磁性液体作为新型的人工功能材料开拓了固体磁性材料无法比拟的新应用领域,引起了各国的广泛关注,美、英、日本等国家已有产品问世。例如纳米Fe3O4（10nm）分散到含有油酸的水中，再经脱水分散在基液中。磁性流体目前主要应用在旋转轴防尘动态密封，例如计算机硬盘轴处防尘密封。北京钢铁研究院开发的FeN磁流体产品。纳米微晶软磁材料 Fe-Si-B是非

54、晶态的软磁材料，加入Cu、Nb有利于铁微晶的成核及细化，广泛应用于各种变压器(脉冲、高频)、传感器、磁开关。纳米磁性材料(Fe3O4)作载体，将医药负载到载体上，注射到人身体内，随血液循环，定向移动到病变部位，达到定向治疗的目的，局部治疗效果好。美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物,称之为“定向导弹”,该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物,注射到人体血管中,通过磁场导航输送到病变部位,然后释放药物。由于纳米粒子的小尺寸使得它们可以在血管中自由流动,因此可以用来检查身体各部位的病变和治疗。利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresista

55、nce，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance,TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gbin-2。利用铁基纳

56、米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。纳米镊子：美国哈佛大学前不久研制出纳米镊子，臂宽50nm，长度4m，可以抓住单个分子(在电压8.5V下完全可以合拢)(纳米管一臂带正电，一臂带负电)。日本研制的纳米镊子仅能夹起糖分子。纳米鼻：美国斯坦福大学纳米碳管制成的纳米鼻。在室温条件下，造价低廉，长仅有3m，可检测空气中NH3、NO2，可用实验室家庭中有毒气体的报警。纳米润滑油 纳米Cu加入润滑油中，可使润滑油性能提高10倍，并有自修复作用。纳米金刚石加入润滑油中磨损程度减9.4050%，金刚石起到“微轴承“作

57、用，对表面有抛光和强化作用。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。能源、人类健康和环境保护等重大问题。我们现在我们现在的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的

58、材料和器件。通过纳米材料科性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成备了形成2121世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。精品课件精品课件！精品课件精品课件！