新型纳米碳材料之纳米材料简介

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1、新型纳米碳材料新型纳米碳材料 New Nano-carbon Materials 纳米材料简介纳米材料简介纳米材料简介纳米材料简介nmkmmmmm0.1nm原子1nmDNA双螺旋结构100nm纳米颗粒100m头发4cm乒乓球5m汽车1 纳米=10-9 米纳米材料和科技的定米材料和科技的定义纳米材料纳米材料：在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于101000个原子紧密排列在一起的尺度。纳米科技纳米科技:在纳米尺度范围研究物质（包括原子和分子）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科科学和技术。纳米科学技术纳米科学技术:20世纪世纪8

2、0年代末诞生并在蓬勃发展中的年代末诞生并在蓬勃发展中的高新科技。高新科技。在在纳米尺寸范围内纳米尺寸范围内认识和改造自然通过认识和改造自然通过直接操纵原子直接操纵原子和分子和分子而创造新物质而创造新物质(包括材料、器件、性能和使用效能包括材料、器件、性能和使用效能等等)，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律。，探索在纳米尺度范围内物质运动的新现象和新规律。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子和分子水平分子水平,标志着人类科学技术水平已进入到一个新时代标志着人类科学技术水平已进入到一个新时代-纳米科技时代。纳米科技时代。纳米科学技术是

3、多学科交叉纳米科学技术是多学科交叉,基础研究和应用开发紧密基础研究和应用开发紧密联系的集成高新科技。主要包括联系的集成高新科技。主要包括:纳米生物学、纳米电子纳米生物学、纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学学、纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学等新学科领域等新学科领域,已经并继续对相关各产业领域产生强烈的已经并继续对相关各产业领域产生强烈的影响和渗透。影响和渗透。4纳米科技与纳米材料纳米科技与纳米材料 人人人人类对纳类对纳米技米技米技米技术术的研究已的研究已的研究已的研究已有了有了有了有了5050多年的多年的多年的多年的历历史。史。史。史。19591959年，年，

4、年，年，美国著名的物理学家、美国著名的物理学家、美国著名的物理学家、美国著名的物理学家、诺贝尔诺贝尔奖奖金金金金获获得者得者得者得者理理理理查查德德德德 费费曼曼曼曼认为认为：能能能能够够用宏用宏用宏用宏观观的机器来制造比其的机器来制造比其的机器来制造比其的机器来制造比其体体体体积积小的机器，而小的机器，而小的机器，而小的机器，而这较这较小小小小的机的机的机的机器又可制作更小的机器，器又可制作更小的机器，器又可制作更小的机器，器又可制作更小的机器，这样这样一步步达到分子一步步达到分子一步步达到分子一步步达到分子线线度。度。度。度。纳米材料和科技的发展费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允

5、许的，他说：据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何规律，从原则上讲它是能够做到的。1981年，宾尼西、罗雷尔发明世界上第一台扫描隧道显微镜(简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。G.BinnigH.RohrerOmicron Omicron 低温超高真空低温超高真空STMSTM扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明 扫描隧道显微镜亦称为扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜扫描穿隧式显微镜”、“隧道隧道扫描显微镜扫描显微镜”，是一种利用量，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物质子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。表面结构的仪器。CSTM90

6、00型扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征样品表面探针表面电子云重叠，由于隧道效应逸出电子U工作原理 对表面间距异常敏感探针与样品间加电压形成隧穿电流扫描隧道显微镜的两种工作模式：恒高度模式 恒电流模式STM特点：xy方向 0.2nmz 方向 0.005nm在原子尺度探测 具有原子级高分辨率在大气压下或真空中均能工作；无损探测,可获取物质表面的三维图像；可进行表面结构研究,实现表面纳米(10-9m)级加工。硅表面硅原子的排列砷化镓表面砷原子的排列碘原子在铂晶体上的吸附碘原子在铂晶体上的吸附应用实例 1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研

7、究中心科学家，经22小时的操作，把35个氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不到3nm。通过移走原子构成的图形15纳米科学纳米科学技术技术宇航、交通宇航、交通传统产业传统产业环境、能源环境、能源医疗和药物医疗和药物新新 材材 料料电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全生物、农业生物、农业纳米科技向不同领域的渗透纳米科技向不同领域的渗透“nano”在希腊语中有“矮小”的意思对于纳米研究的研究方式，有“从小到大”(bottom up)和“从大到小”(top down)两种方式。“top down的方式是利用机械和刻蚀技术制造纳米尺度结，而“bottom up”是应用一个原子一个原子或一

8、个分子一个分子创造有机和无机结构。“top down”或“bottom up”可以用来衡量纳米技术发展的水平。纳米技米技术的意的意义1、这是一门新兴的科学技术，它使得人们对于物质世界有了全新的理解。2、纳米技术拓展了人类构成新物质的手段，同时也为生命和信息技术的持续发展奠定了基础。3、随着纳米技术的发展，其成果逐渐深入到人们日常生活的方方面面。u纳米元器件领域日本领先，欧洲次之，美国第三；u纳米生物与应用领域美欧相当，日本次之；u高表面积材料领域美领先，欧次之，日第三；u中国在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比，差距还是很大的，尤其是在纳米器件方面差距更为明显。纳米科技排名米科技排名纳米米

9、技技术进展展实心的纳米棒、纳米线、量子线纳米米技技术进展展朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量纳米米技技术进展展DNA开关 原子森林原子森林原子森林原子森林由德国实验室托斯顿由德国实验室托斯顿邓邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点量子点“森林森林”，其实，它们，其实，它们只有只有15纳米高，直径也只有纳米高，直径也只有70纳米。纳米。蓝宝石蓝宝石蓝宝石蓝宝石 美国伊利诺斯大学香槟分美国伊利诺斯大学香槟分校的斯科特校的斯科特麦克拉伦及其同事一同麦克拉伦及其同事一同建造了这张精美制作的蓝宝石衬底建造了这张精美制作的蓝宝石衬底的弹坑图像。

10、此蓝宝石是通过飞秒的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒级激光脉冲击打其表面而受热的，级激光脉冲击打其表面而受热的，在此过程中，蓝宝石喷射出原子而在此过程中，蓝宝石喷射出原子而留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再加热和再次喷射，形成了这里所展加热和再次喷射，形成了这里所展示的内部深层结构。示的内部深层结构。1飞秒是千万飞秒是千万亿分之一秒。亿分之一秒。纳米线纳米线 几种植物的叶子，包括荷花，展几种植物的叶子，包括荷花，展现出其自洁特性。这种所谓的现出其自洁特性。这种所谓的“荷荷花效应花效应”也叫作自清洁效应，那么，也叫作自清洁效应，那么，荷花何以出淤泥而不染？荷花何以出淤泥而不

11、染？是因为它的表面十分光滑，污垢是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。科学家用扫描电难以停留？不是。科学家用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级的的“疙瘩疙瘩”。这些这些“疙瘩疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米微米x 2微米图像显示微米图像显示一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米线是由线是由CVD法处理而成的

12、。当水滴落在此超级不沾水的纳米线法处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。纳米技术进展纳米技术进展各国各国对纳米技术的积极应对对纳米技术的积极应对 发达国家的政府和企业纷纷投入大量人力、物力和财力进行纳米科技的研究和产业化。目前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面积纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领先地位。在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和其他结构材料方面略逊于欧共体。日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，在分子电子学技术领域也有很强实力，紧随德国之后。德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄

13、膜的研发领域具有很强的优势。美国于2000年2月宣布启动“国家纳米科技计划(NNI)”，在2001年财政年度拨款4.95亿美元以加强研究实力。政府认为纳米技术就像20世纪50年代的晶体管一样，其科研和工业化的应用将进一步促进美国经济的发展；为美国培养新世纪的技术人才；增强美国国际科技竞争力的需要；节约资源能源，保证美国未来的可持续发展；纳米技术是开发未来微型武器的技术基础，是国防工业的未来。各国各国对纳米技术的积极应对对纳米技术的积极应对 纳米米技技术在美国在美国军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料美国前总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从200

14、5财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发 德国拟建立或改组六个政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的研究计划。法国投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6万平方米、拥有3500人的微米纳米技术发明中心，配备最先进的仪器设备和超净室，并成立微米纳米技术之家，专门负责申请专利和帮助研究人员建立创新企业。日本除继续推动早已开始的纳米科技计划外，每年投资2亿美元推动新的国家计划和新的研究中心建设。各国各国对纳米技术的积极应对对纳米技术的积极应对 纳米米技技术在日本在日本国会:21世纪前20年的立国之本著名大企业:纳米实用化技术的计划三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产

15、线自洁净玻璃、光催化净化水或空气韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术印度：像抓软件产业那样抓纳米科技世界都在迎接纳米时代的到来各国各国对纳米技术的积极应对对纳米技术的积极应对 纳米米技技术在中国在中国1993年，中科院操纵原子写字中国中国纳米技米技术进展展中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管中国科技大学:氮化镓粉体清华大学:氮化镓纳米棒中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”中国中国纳米技米技术应用用中科院化冶所“七五攻关”:纳米碳化硅“八五863”:纳米阻燃剂中科院化学所纳米领带超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯管

16、材高强度、抑菌功能纳米科技米科技发展的里程碑展的里程碑1905年，爱因斯坦发表了一篇论文，估计一个糖分子的直径约为1nm。1931年，E.Ruska与M.Knoh研制出电子显微镜，它可以实现亚纳米级成像。现代电子显微镜可观察几百个纳米的结构像、原子像。1959年，R.Feynman在他的著名讲话最底下一层大有发展潜力中探讨了微型化的前景。1968年，贝尔实验室的A.Y.Cho和J.Arthur及其同事发明了分子束外延生长术，这种技术可以在表面上沉积出单层原子。1974年，N.Taniguchi发明了“纳米技术”这个词，表示公差小于1m的机械加工。1981年，G.Binnig和H.Rohrer发

17、明了扫描隧道显微镜。1985年，R.F.Curl和H.W.Kroto发现了富勒烯，直径约为1nm。1986年，K.E.Orexler发表创世机器一书，是一本宣传纳米技术的未来主义著作。1989年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。1991年，日本NEC公司的Sumio Iijima发现了碳纳米管。1999年，莱斯大学的JMTour和耶鲁大学的MAReed证明单个分子能够起分子开关的作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，创办

18、Nanotechnology杂志，标志着纳米科学技术的正式诞生。纳米材料米材料的分的分类纳米材料的分类有很多种方法，常见分类标准有：按材料的维度、材料的物理特性、材料的应用领域，材料的化学组成等纳米粉末（零维）又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）

19、；人体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维（一维）指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。纳米膜（二维）纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。TEM下的纳米颗粒下的纳米颗粒纳米粉末纳米粉末纳米材料的分类纳米材料的分类SEM下的纳米纤维下的纳米纤维纳米纤维纳米纤维纳纳米膜米膜米膜米膜纳米薄膜是指尺寸在米薄膜是指尺寸在纳米

20、量米量级的晶粒（或的晶粒（或颗粒）构成的薄粒）构成的薄膜以及每膜以及每层厚度在厚度在纳米量米量级的的单层或多或多层膜。膜。纳米带纳米带纳米材料的特性米材料的特性小尺寸效应 当粒子的尺寸与光波波长、电子的德布洛意波长、超导相干波长及激子玻尔半径尺寸相当或更小时，声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。如磁有序转为磁无序、超导相转为正常相等。表面与界面效应 随纳米微粒尺寸减小，比表面积增大。在三维纳米材料中,随粒径减少,界面占的体积分数增加。粒径为5nm时，界面体积分数为50%，而粒径为2nm时，体积分数增加到80%。此时已不能把界面简单地把它看作是一种缺陷，它已成为纳米固体的基本组分之

21、一，对纳米材料的性能起着举足轻重的作用。量子效应随粒子尺寸减小，能级间距增大，费米能级附近的电子能级由准连续态变为离散态,从而导致磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性的显著不同。物理特性物理特性1、熔点、烧结温度和晶化温度降低 烧结温度：将预压成形的微粉块体在低于熔点的温度下进行加热烧结，使这些微粉结合成接近于常规材料的密度和力学性能的最低加热温度。晶化温度：在一定加热速度的条件下，在一定温度下，金属玻璃开始转化为晶体，这个温度就是晶化温度。大块铅的熔点为327,而20nm铅微粒熔点低于15；金的熔点为1064，而2nm的金颗粒在33时就能被熔化；纳米Al2O3的烧结温度为12001400,

22、常规Al2O3烧结温度为1700 1800；纳米Si3N4烧结温度为14001500，比常规低300400；纳米TiO2烧结温度为1000，比常规低873；粒径为8nm、15nm和35nm的Al2O3的粒子粒径快速长大的温度分别为800，1000，1200。2、光学特性 a、宽频吸收。纳米微粒对光的反射率低(如铂的纳米微粒仅为1%),吸收率高,因此金属纳米微粒几乎都呈黑色。b、蓝移现象。发光带或吸收带由长波长移向短波长的现象.如纳米SiC的红外吸收频率比大块SiC蓝移20cm-1，而纳米Si3N4则蓝移14cm-1。纳米技术还使从不发光的硅，发出淡淡的红光。c、对红外线和紫外线吸收和反射的应用

23、。红外隐形的功能 红外反射多层膜如TiO2-SiO2，对可见光有很好的透光性，对12501800nm的红外线则有很强的反射能力；紫外吸收 TiO2 已经工业化，吸收紫外线。雷达隐形材料 不同材料和粒径的纳米微粒，对不同波段的电磁波也有强吸收能力。3、电特性 随粒子尺寸降到纳米数量级，一些金属由良导体变为非导体，而陶瓷材料的电阻则大大下降。4、化学特性 纳米材料比表面积大，处于表面的原子数多，表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价，化学活性高。如纳米金属的粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体并与其反应。如在火箭的固体燃料推进剂中添加质量分数为1%的纳米Al粉或Ni粉，每克

24、燃料的燃烧热可增加1倍。粒径为30nm的Ni做催化剂可使有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍。5、力学性能特性 很多纳米材料具有高强度、高硬度，良好的塑性和韧性。纳米Fe多晶体(粒径8nm)的断裂强度比常规Fe高12倍，粒径为200500nm的纳米陶瓷表现出良好的超塑性等。日本科学家在纳米氧化钛条状试样上进行拉伸,其延伸率接近100%。1)物理方法 (1)真空冷凝法 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。其特点是：纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。纳米技术的制备方法 (2)物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低

25、，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。(3)机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。化学方法 (1)气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点为产品纯度高，粒度分布窄。(2)沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点为简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。(3)水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点为纯度高，分散性好、粒度易控制。纳米微细材料制造的工艺方法 1、激光诱导化学气相沉积法 （LICVD）基本原理利

26、用反应气体分子对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解、激光热解、激光光敏化和激光诱导合成，在一定工艺条件下，获得纳米微粒。优点表面清洁、纳米微粒大小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀。具体方法2、低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）基础化学气相沉积法 原理由于等离子体是不等温系统，其中“电子气”具有比中性粒子和正离子大得多的平均能量；电子的能量足以使气体分子的化学键断裂，并导致化学活性高的粒子（离子、活化分子等基团）的产生。即，反应气体的化学键在低温下就可以被分解，从而实现高温材料的低温合成。1、微波源2、真空系统3、励磁系统4、配气系统5、反应室6、基片加热 系统 低温等离子

27、体增强化学气相沉淀技术的优点：运行气压低。等离子体密度高。无内电极放电，杂质少，污染小。微波能量转换率高，达95%。离子能量低。可稳态运行，参数易于控制。速率高、纳米材料纯度高。提高了反应物的活性。有良好的各向异性刻蚀性能。液相法制备纳米材料 化学共沉淀是利用各种组分元素的可溶性盐类，把它们按一定的比例配制成液体，然后加入沉降剂，使得各种组分元素共同形成沉淀，并通过控制溶液浓度、PH值等来控制形成沉淀粉体的性能。最后经过过滤、洗涤，对沉淀物进行加热分解，得到各种组分元素的氧化物均匀复合粉体。纳米米粉体表面改性粉体表面改性纳米材料实用化的关键表面物理控制化学特性控制粉体松散、不团聚表面改性和表面

28、包覆化学法为主表面表面包覆包覆 表面表面改性改性 表面表面改性改性 普遍普遍存在问题存在问题：在存放时出现分层现象：在存放时出现分层现象 H2OH2OH2O+/-EM分层机理分层机理乳液粒径变化原因乳液粒径变化原因+由于由于 的加入，增大粒子尺寸，原的加入，增大粒子尺寸，原有粒子表面亲水基团不足维持粒子的稳定有粒子表面亲水基团不足维持粒子的稳定性，导致沉淀出现性，导致沉淀出现工艺稳定性工艺稳定性粒径控制粒径控制添加剂加入后导致沉淀的原因添加剂加入后导致沉淀的原因导向溶剂导向溶剂纳米材料的应用纳米材料的应用纳米材料的米材料的应用用 力学性质：力学性质：纳米结构的材料强度与粒径成反比。应用纳米技术

29、制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。磁学性质磁学性质：利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。热学性质：热学性质：纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料应用方面有其广泛的应用前景。光学性质光学性质：由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱

30、一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。生物医药材料应用生物医药材料应用：纳米粒子比血红细胞（69nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。几种几种典型的纳米材料典型的纳米材料 在长期的晶体材料研究中，人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体，是晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界

31、、位错和晶界看作晶体材料中的缺陷。如果从逆方向思考问题，把“缺陷”作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会是怎样?格兰特教授经过4年的不懈努力，他领导的研究组终于在1984年研制成功了黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。纳米固体材料(nanometer sized materials)就这样诞生了。防护材料 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，因而被广泛用于护肤产品、服装材料、外用面漆、木器保护、

32、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因为这些纳米粒子非常小，很容易压实在一起。此外，这些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。催化催化剂 催化剂纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为做催化剂提供了必要的条件。目前用纳米粉材如铂黑、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，燃烧效率可提高100倍

33、，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。传感材料 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，是适合用作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做成传感器，其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。光电材料与光学材料 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。增强材料 纳米结构的合金

34、具有很高的延展性，在航空航天工业与汽车工业中是很有应用前景的材料；纳米硅作为水泥的添加剂可大大提高其强度；纳米纤维作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并提高其弹性，纳米管在作纤维增强材料方面也有潜在应用前景。纳米滤膜 采用纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物，实现高能分离的纳米滤膜。将纳米材料用作火箭燃料推进剂、H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、复合磁性材料等。纳米材料由于有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，广泛应用于宇航、国防工业、磁记录、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。超双亲性界面物性材料(同时具有超亲水性及超亲油性的表面)光的照射可引起

35、TiO2表面在纳米区域形成亲水性及亲油性两相共存的二元协同纳米界面结构。这样在宏观的TiO2表面将表现出奇妙的超双亲性。利用这种原理制作的新材料，可修饰玻璃表面及建筑材料表面，使之具有自清洁及防雾等效果。这种双亲二元协同原理，同样可以用来指导进一步设计和制造在其他基材上使用的超双亲性修饰剂。例如，在纤维及衣物上使用修饰剂，将使它们具有超双亲性。可以设想洗涤衣物可以仅用清水冲洗，不再使用传统的洗洁剂；同样也可以应用到人造血管的形成，并且改善同活体组织的兼容性，来实现长使用寿命。超双疏性界面物性材料超双疏性界面物性材料 利用由下到上、由原子到分子、由分子到聚集体的外延生长纳米化学方法，可以在特定的

36、表面上建造纳米尺寸几何形状互补的(如凸与凹相间)界面结构。由于在纳米尺寸低凹的表面可使吸附气体分子稳定储存，所以在宏观表面上相当于有一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料的表面呈现超常的双疏性。这时水滴或油滴与界面的接触角趋于最大值。如果在输油管的管道内壁采用带有防静电功能的材料建造这种表面修饰涂层，则可实现石油与管壁的无接触运输。这对于输油管道的安全运行有重要价值。纳米尺度光阳极、光阴极两相共存的高纳米尺度光阳极、光阴极两相共存的高效光催化界面材料效光催化界面材料 借助光化学和光电化学的研究思想，利用纳米化学方法，研制具有光化学活性的纳米杂化的界面材料。例如，在Ti

37、O2表面的纳米区域内可以构建光阳极与光阴极共存的二元协同界面结构，在紫外光的照射下具有高效的光催化效果。可以用来分解有毒气体(如：甲苯，氧化氮等)，杀死其表面接触的细菌。该材料将在空气净化和杀菌抑菌方面有重要的应用。纳米二氧化钛（TiO2）作为一种新型光催化剂、抗紫外线剂、光电效应剂等，因其神奇的功能，将在抗菌防霉、排气净化、脱臭、水处理、防污、耐候抗老化、汽车面漆等领域显示广阔的应用前景。随着其产品工业化生产和功能性应用发展日趋成熟，它在环境、信息、材料、能源、医疗与卫生等领域的技术革命中将起到不可低估的作用。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。纳米TiO2抗

38、菌防霉机理：由于TiO2电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击细菌的细胞，致使细菌细胞内的有机物降解，以此杀灭细菌，并使之分解。一般常用的杀菌剂银、铜等能使细菌细胞失去活性，但细菌杀死后，尸体释放出毒素等有害的组分。纳米TiO2不仅能影响细菌繁殖力，而且能破坏细菌的细胞膜结构，达到彻底降解细菌，防止内毒素引起的二次污染。纳米TiO2属于非溶出型材料，在降解有机污染物和杀灭细菌的同时，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的杀菌、降解污染物效果。纳米纳米技术具体应用技术具体应用纳米

39、技术在陶瓷领域方面的应用纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在生物工程上的应用 纳米技术在光电领域的应用纳米技术在化工领域的应用纳米技术在医学上的应用纳米技术在分子组装方面的应用纳米技术在其它方面的应用 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地脆，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。材料学家指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米级微电子元件纳米级微电子元件 日本日立中心日本日立中心实验室利用半室利用半导体材料体材

40、料砷化砷化镍，率先开，率先开发新一代微新一代微电子元件。子元件。这些些电子元件呈子元件呈细长的鬃状的鬃状结晶形，晶形，粗粗细仅20纳米，可使米，可使计算机的算机的计算速度、通算速度、通讯用用发光元件的效率数十、数百倍地提高。光元件的效率数十、数百倍地提高。超微型计算机超微型计算机 随着微随着微电子技子技术的不断的不断发展，集展，集成度越来越高，成度越来越高，计算机信息存算机信息存储芯片越芯片越来越小，而存来越小，而存储量却越来越大，信息容量却越来越大，信息容量比量比现有光有光盘高高100万倍，整个美国国万倍，整个美国国会会图书馆的的图书都能存都能存储在一个糖在一个糖块大大小的芯片中。小的芯片中

41、。1994年，IBM公司研制成新型巨磁电阻效应读出磁头，将磁盘的记录密度提高了17倍。目前，在硬盘的驱动器上已经开始使用这项技术，产值已超过100亿美元年。超微型电动机超微型电动机 1994年年世界最小的世界最小的电动机在美国机在美国6家家科研科研单位的通力位的通力协作下完成，作下完成，这架架电动机机主主轴的直径的直径仅有有2000 nm，体，体积只有一个只有一个红血球那么大。血球那么大。超微型机械超微型机械 美国美国华盛盛顿大学制成直径大学制成直径仅有有1104nm的金的金属属齿轮，两个，两个齿轮咬合在一起咬合在一起还不足一根人不足一根人发的的宽度。它可以用于微型机械、微型机器人、微型度。它

42、可以用于微型机械、微型机器人、微型汽汽车、微型、微型飞机的制造。用微型部件机的制造。用微型部件组装的汽装的汽车可以只有一粒米大小；用微型部件可以只有一粒米大小；用微型部件组装的装的飞机可机可以只有一粒花生米大小。以只有一粒花生米大小。超微型环状激光器超微型环状激光器 在制在制导与反与反导弹防防卫系系统上，美国西北大上，美国西北大学工程学院开学工程学院开发的超微激光器，形状似指的超微激光器，形状似指环，直径直径仅有有1104 nm，不，不仅具有大型激光器的功具有大型激光器的功能，而且携能，而且携带方便，效果更佳。方便，效果更佳。纳米级微缩图象 1992年，日本电信电话公司在银-硒合金表面上以单个

43、原子的线条画出爱因斯坦肖像。同年10月，“日立”公司又将硅原子排列成立体金字塔。由原子垒起的金字塔共18级台阶，每级2个原子高，其底边长仅为48纳米和36纳米。原子级线条的绘制成功，意味着可将2000册杂志的文章浓缩在一个句点符号内。利用纳米技术还可制成各种分子利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。传感器和探测器。利用纳米羟基磷酸钙为原料，可利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。料。将药物储存在碳纳米管中，并通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，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。则可控药剂有

44、希望变为现实。超微型传感器等其它应用 利用碳纳米管来制作储氢材料，利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料用作燃料汽车的燃料储备箱储备箱。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器。制高灵敏度的磁传感器。利用具有强红外吸收能力的纳米利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料。复合体系来制备红外隐身材料。用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图纳米发电机为血压传感器提供动力纳米发电机为血压传感器提供动力 由氧化锌纳米线构成的发电机由氧化锌纳米线构成的发电机 世界最小直升机世界最小直升机仅香烟盒大小仅香烟盒大小PD-100黑黄蜂黑黄蜂 据英国据英国每日

45、邮报每日邮报报道，报道，挪威挪威Prox Dynamics公司日前研公司日前研制出一款迄今世界上最微小的制出一款迄今世界上最微小的“直升机直升机”。这款纳米。这款纳米“直升直升机机”的体积只有一个香烟盒大的体积只有一个香烟盒大小，持续飞行时间约小，持续飞行时间约25分钟，分钟，未来可用于间谍活动或者战场未来可用于间谍活动或者战场侦察。侦察。纳米机器人进入人纳米机器人进入人体消化系统工作示体消化系统工作示意图意图 像胶囊一像胶囊一样的的纳米机器人医生米机器人医生 纳米机器人纳米机器人纳米机器人纳米机器人“医生医生医生医生”重庆科研人员开发的这重庆科研人员开发的这种名为种名为“OMOM胶囊内镜系统

46、胶囊内镜系统”的纳米机器人。一种长得十分的纳米机器人。一种长得十分奇特的奇特的“重庆籍医生重庆籍医生”目前在目前在国际上名声大噪国际上名声大噪该医生长该医生长得像一颗胶囊，把它吞进肚里，得像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。影一样在电脑屏幕上一目了然。它第二次被列入国家它第二次被列入国家“863计计划划”，前一次获得了该计划，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于万元基金支持，并于2004年获得年获得“863计划计划”专家组验专家组验收该医生收该医生“腰围腰围”11毫米，毫米，“身高身高”25.4毫米，长得完全像毫米，长

47、得完全像一颗胶囊。并于一颗胶囊。并于2004年获得年获得“863计划计划”专家组验收，但专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人这种机器人目前还只能钻进人的肚子里通过传输图像的肚子里通过传输图像“瞧病瞧病”，还没有治病的本事。，还没有治病的本事。纳米机器人纳米机器人纳米机器人纳米机器人 纳米机器人的魅力之处在于：由纳米机器人的魅力之处在于：由于可以进行自我复制，只需在体内于可以进行自我复制，只需在体内植入很少的量，便可达到治疗目的。植入很少的量，便可达到治疗目的。然而，所谓的魅力与可怕的危险是然而，所谓的魅力与可怕的危险是同时存在的，纳米机器人能在同时存在的，纳米机器人能在10小小时内复制时内

48、复制680亿个，在身体亿个，在身体“防御盾防御盾”不断被削弱的同时，人类成为生不断被削弱的同时，人类成为生物和技术的合成体，也就是同时具物和技术的合成体，也就是同时具备两种特征。在这种情况下，抵抗备两种特征。在这种情况下，抵抗是徒劳的。是徒劳的。分子机器人分子机器人(分子钳在捕捉癌细胞分子钳在捕捉癌细胞)纳米级分子机器是人类征服自然的纳米级分子机器是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。为了实现建造为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器多结构域蛋白质分子机器”的梦想，四川大学华西的梦想，四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小

49、庆和他领导的研究集体进行临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小庆和他领导的研究集体进行了为期了为期10年的研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等年的研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白为模本，构建了数种融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素抗菌多肽和免疫毒素)。它们均特异性地攻。它们均特异性地攻击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。目前，科学家试图在分子尺寸上组装一种极其微小的装置

50、，其在医目前，科学家试图在分子尺寸上组装一种极其微小的装置，其在医学上应用前景广阔。学上应用前景广阔。纳米算盘纳米算盘 C60每每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。世界上最小的汽车世界上最小的汽车世界上最小的汽车世界上最小的汽车仅仅仅仅4 nm4 nm2010年1月6日，美国莱斯大学的科学家表示，他们开发出了宽度仅为人体头发直径1/50000的“纳米赛车”，其性能超过了过去人们研发的同类“纳米车”。研究人员认为，新开发的“纳米赛车”有望加快人们获得未来新一代分子机器的步伐。相关研究成果发表在近日出版的美国化学会有机快报双周刊上。纳米军事武器纳米军事武

51、器 间间谍谍草草 机机器器苍苍蝇蝇 蚊蚊子子导导弹弹 蚂蚂蚁蚁士士兵兵 麻麻雀雀卫卫星星“间谍草间谍草”是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外的坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。“机器苍蝇机器苍蝇”既能被飞机、火炮和步兵武器投放，也可以人工放置在敌军信息系统和武器系统附近，大批“机器苍蝇”可在某地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取量。如果再在它们身上安装某种极小的弹头，“苍蝇”无疑会变成“马蜂”。“蚊子导弹蚊子导弹”利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直

52、接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮坦克、飞机、指挥部和弹药库。“蚂蚁士兵蚂蚁士兵”是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。Teleoperated or autonomous 它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通，有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。“麻雀卫星麻雀卫星”质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。