纳米技术课程学习.pptx

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1、纳米技术纳米技术(n m j sh)第一页，共79页。一、纳米科技的诞生二、纳米技术(nmjsh)与纳米材料的概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料2 2第1页/共79页第二页，共79页。一、纳米(nm)科技诞生19591959年，著名物理学家、诺贝尔年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德奖获得者理查德 费曼预言，人类费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据最后将变成根据(gnj)(gnj)人类意愿，人类意愿，逐个地排列原子，制造逐个地排列原子，制造“产品产品”，这是关于纳米技术最早的梦想。这是关于纳米技术最早的梦想。七十年代，科学家开始从

2、不同角七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。度提出有关纳米科技的构想。原子(yunz)排成的“原子(yunz)”字样3 3第2页/共79页第三页，共79页。1974197419741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。述精密机械加工。述精密机械加工。述精密机械加工。1982 1982 1982 1982年，科学家发明研究纳米年，科学家发明研究纳米年，科学家发明研究纳米年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大的重要

3、工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大的重要工具扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界分子世界分子世界分子世界(shji)(shji)(shji)(shji)，对纳米科技发展产生了积极促进，对纳米科技发展产生了积极促进，对纳米科技发展产生了积极促进，对纳米科技发展产生了积极促进作用。作用。作用。作用。1990 1990 1990 1990年年年年7 7 7 7月，第一届国际纳米

4、科学技术会议月，第一届国际纳米科学技术会议月，第一届国际纳米科学技术会议月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生诞生诞生诞生4 4第3页/共79页第四页，共79页。19911991年，碳纳米管被人年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度体积钢的六分之一，强度却是钢的却是钢的1010成为纳米技术成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，奖得主斯莫利教授

5、认为，纳米碳管将是未来纳米碳管将是未来(wili)(wili)最佳纤维的首选材料，也最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子超微开关以及纳米级电子线路等。线路等。5 5第4页/共79页第五页，共79页。1993199319931993年，继年，继年，继年，继1989198919891989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写写写”下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、下斯坦福大学英文名字、1990 1990 1990 1990年美国国际商用机年美

6、国国际商用机年美国国际商用机年美国国际商用机器公司在镍表面用器公司在镍表面用器公司在镍表面用器公司在镍表面用36363636个氙原子排出个氙原子排出个氙原子排出个氙原子排出“IBM”“IBM”“IBM”“IBM”之后，中之后，中之后，中之后，中国科学院北京真空物理国科学院北京真空物理国科学院北京真空物理国科学院北京真空物理(wl)(wl)(wl)(wl)实验室自如地操纵原实验室自如地操纵原实验室自如地操纵原实验室自如地操纵原子成功写出子成功写出子成功写出子成功写出“中国中国中国中国”二字，标志着我国开始在国际纳二字，标志着我国开始在国际纳二字，标志着我国开始在国际纳二字，标志着我国开始在国际纳

7、米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。米科技领域占有一席之地。6 6第5页/共79页第六页，共79页。19971997年，美国科学家首次成功地用单电子移动年，美国科学家首次成功地用单电子移动(ydng)(ydng)单电子，利用这种技术可望在单电子，利用这种技术可望在2020年后研制年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。计算机。1999 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的碳管实验时发明了世界上最小的“秤秤”，它能够称量，它能够称量十亿分

8、之一克的物体，即相当于十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重量；个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。7 7第6页/共79页第七页，共79页。2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息(xnx)输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中

9、，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。8 8第7页/共79页第八页，共79页。到到19991999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到品的营业额达到500500亿美元。亿美元。近年来，一些国家纷纷近年来，一些国家纷纷制定制定(zhdng)(zhdng)相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新技术列入新5 5年科技基本计划的研发重点；德国专门年科技基本计划的研发重点；德国专

10、门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从面的投资从19971997年的年的1.161.16亿美元增加到亿美元增加到20012001年的年的4.974.97亿美元。亿美元。9 9第8页/共79页第九页，共79页。纳米算盘(sunpn)C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘(sunpn)。硅表面(biomin)1010第9页/共79页第十页，共79页。纳米(nm)皇冠1111第10页/共79页第十一页，共79页。二、纳米技术与纳米材料

11、(nmcilio)的概念1.纳米技术 纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在1-100nm尺度(chd)空内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。离子注入三维图像(t xin)1212第11页/共79页第十二页，共79页。2.2.纳米材料纳米材料(nmcilio)(nmcilio)纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超

12、微颗粒，一般是指尺寸在粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1 1100nm100nm间的粒间的粒间的粒间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域(qy)(qy)，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观型的微观系统亦

13、非典型的宏观系统，是一种典型人介观型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、它将显示出许多奇异的特性，即它的光学

14、、热学、电学、它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。有显著的不同。有显著的不同。有显著的不同。1313第12页/共79页第十三页，共79页。三、纳米材料(nmcilio)的特性1.表面效应表面效应 2.小尺寸小尺寸(ch cun)效应效应 3.量子尺寸量子尺寸(ch cun)效应效应 4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应1414第

15、13页/共79页第十四页，共79页。1.表面表面(biomin)效应效应1515第14页/共79页第十五页，共79页。2.小尺寸(chcun)效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定随着颗粒尺寸的量变，在一定(ydng)(ydng)条件下会引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。对超微颗粒而言，尺寸理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。列新奇的性质。（1 1）特殊的光学性质特殊的光学性质（

16、2 2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3 3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4 4）特殊的力学性质）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、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。声学特性以及化学性能等方面。1616第15页/共79页第十六页，共79页。3.量子(lingz)尺寸效应微粒尺寸下降(xijing)到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。1717第16页/共79页第十七页，共79页。4.宏观量子(lingz)隧道效应隧道(sudo)效应是基本的量子现象

17、之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道(sudo)效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道(sudo)效应。1818第17页/共79页第十八页，共79页。四、几种(jzhn)典型的纳米材料纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料纳米固体纳米固体(gt)材料材料纳米膜材料纳米膜材料纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料碳纳米管碳纳米管1919第18页/共79页第十九页，共79页。纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应

18、等原因(yunyn)，它具有不同于常规固体的新特性。2020第19页/共79页第二十页，共79页。用途：用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流高密度磁记录材料、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、微芯片导热基与布线材料、器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效材料、太阳能电池材料、高效(o(oxio)xio)催化剂、高效催化剂、高效(oxio)(oxio)助燃剂、助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材敏感元件、高韧性陶瓷材

19、料、人体修复材料和抗癌制剂等。料和抗癌制剂等。2121第20页/共79页第二十一页，共79页。纳米固体(gt)材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成(shnchn)的致密型固体材料。Fe-B纳米(nm)棒2222第21页/共79页第二十二页，共79页。纳米(nm)膜材料纳米(nm)薄膜是指尺寸在纳米(nm)量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米(nm)量级的单层或多层膜。2323第22页/共79页第二十三页，共79页。纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆(bof)一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定

20、的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。2424第23页/共79页第二十四页，共79页。碳纳米管，是碳纳米管，是1991年由日本电年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物所组成的管状物(zhunw)，它一般为多层，直径为几纳米它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。甚至数毫米。碳纳米管2525第24页/共79页第

21、二十五页，共79页。碳纳米管本身有非常碳纳米管本身有非常(fichng)完美的结构，意味完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常(fichng)好的导电性能、导热性能和电性能。好的导电性能、导热性能和电性能。2626第25页/共79页第二十六页，共79页。碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的的导电率是铜的1 1万倍，它的强度是钢的万倍，它的强度是钢的100100倍而重量倍而重量只

22、有钢的七分之一。它像金刚石那样只有钢的七分之一。它像金刚石那样(nyng)(nyng)硬，却有硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。2727第26页/共79页第二十七页，共79页。正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应(fnyng)的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对

23、波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。2828第27页/共79页第二十八页，共79页。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月月球乘人的电梯，人们在月球定居球乘人的电梯，人们在月球定居(dngj)(dngj)就很容易了。纳米就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做

24、成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。2929第28页/共79页第二十九页，共79页。把碳纳米管用作转子的纳米马达(md)图像3030第29页/共79页第三十页，共79页。然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场(shchng)90高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。3131第30页/共79页第三十一页，共79页。纳米材料的制备纳米材料的制备(zhbi)技术技术“纳米材料纳米材料”这一概念在这一概念在2020世纪世纪80

25、80年代年代(nindi)(nindi)初正初正式形成式形成44，它现已成为材料科学和凝聚态物理领，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。类。3232第31页/共79页第三十二页，共79页。1963年，年，Ryozi Uyeda等人用气等人用气体蒸发（或体蒸发（或“冷凝冷凝”）法获得了较）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微干净的超微粒，并对单个

26、金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。和电子衍射研究。1984年，年，Gleiter等人用同样的方法制备等人用同样的方法制备(zhbi)出了纳米相材料出了纳米相材料TiO2。3333第32页/共79页第三十三页，共79页。一、物理一、物理(wl)方法方法1 1真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化法使原料气化(q hu)(q hu)或形成等粒子或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。织好、粒度可控，但技术设备要求高。2 2物理

27、粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3 3机械球磨法机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。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，但产品纯度其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。低，颗粒分布不均匀。3434第33页/共79页第三十四页，共79页。二、化学二、化学(huxu)方方法法1 1 化学沉淀化学沉淀(chnd

28、in)(chndin)法法共沉淀共沉淀(chndin)(chndin)法法 均匀沉淀均匀沉淀(chndin)(chndin)法法多元醇沉淀多元醇沉淀(chndin)(chndin)法法沉淀沉淀(chndin)(chndin)转化法转化法3535第34页/共79页第三十五页，共79页。2.化学(huxu)还原法水溶液还原法多元醇还原法气相还原法碳热还原法3636第35页/共79页第三十六页，共79页。微乳液法制备微乳液法制备(zhbi)Fe2O3示意图示意图3737第36页/共79页第三十七页，共79页。纳米技术及纳米材料纳米技术及纳米材料(n m ci lio)的应用的应用由于纳米微粒由于纳米

29、微粒(wil)的小尺寸的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒性。因此纳米微粒(wil)在磁在磁性材料、电子材料、光学材料、性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。的应用前景。3838第37页/共79页第三十八页，共79页。一、陶瓷一、陶瓷(toc)增韧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

30、脆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。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材料具有较大的界因为纳米材料具有较大的界因为纳米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，原子在外力变形的混乱的，原子在外力变形的混乱的，原子在外力变形的条件条件条件条件(tiojin)(tiojin)下很容易迁下很容易迁下

31、很容易迁下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性移，因此表现出甚佳的韧性移，因此表现出甚佳的韧性移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。与延展性。与延展性。与延展性。纳米(nm)陶瓷3939第38页/共79页第三十九页，共79页。二、磁性材料二、磁性材料(c xn ci lio)方面的应用方面的应用巨磁电阻材料巨磁电阻材料巨磁电阻材料巨磁电阻材料 2 2新型新型新型新型(xnxng)(xnxng)的磁性液体和的磁性液体和的磁性液体和的磁性液体和磁记录材料磁记录材料磁记录材料磁记录材料4040第39页/共79页第四十页，共79页。三、纳米材料三、纳米材料(n m ci lio)在催化领域的应用在催化领域的应

32、用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多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，而且其制备是凭经验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大进行，不仅造成生产原料的巨大(jd)(jd)浪费，使经济效浪费，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，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应

33、效率，控制反应速度，甚至使催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作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。4141第40页/共79页第四十一页，共79页。1金属金属(jnsh)纳米粒子的催化作用纳米粒子的催化作用贵金属贵金属(jnsh)纳米粒子作为催纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化氢化反应上，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反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双

34、键上往往连有尺寸较大择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。变得容易，使氢化反应顺利进行。4242第41页/共79页第四十二页，共79页。2 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，一半导体的光催化效应发现以来，一半导体的光催化效应发现以来，一半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应直引起人们的重视，原因在于这种效应直引起人们的重视，原因在于这种效

35、应直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理在环保、水质处理在环保、水质处理在环保、水质处理(chl)(chl)、有机物降解、有机物降解、有机物降解、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。所失效农药降解等方面有重要的应用。所失效农药降解等方面有重要的应用。所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：在光的照谓半导体的光催化效应是指：在光的照谓半导体的光催化效应是指：在光的照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，价带的孔射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴把周围环境中的羟基电

36、子夺过来，短穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短穴把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧基变成自由基，作为强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、化，变化如下：酯、化，变化如下：酯、化，变化如下：酯、醇、醇、醇、醇、醛、醛、醛、醛、酸、酸、酸、酸、CO2CO2，完成了对有机物的降解。，完成了对有机物的降解。，完成了对有机物的降解。，完成了对有机物的降解。4343第42页/共79页第四十三页，共79页。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

37、锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用处：将这类材等。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，利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄露造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷造成的污染进行处理。采用这种方法还可以将粉体添加到陶瓷釉料中，使其具有保洁杀菌的功能，也可以添加到人造纤维中釉料中，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纤维。锐钛矿白色制成杀菌纤维。锐钛矿白色(b

38、is)纳米纳米TiO2粒子表面用粒子表面用Cu+、Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的疗器械、医院手术室装修等方面有着广泛的应用前景。铅化的TiO2纳米粒子的光催化可以使丙炔与水蒸气反应，生成可燃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、乙烷和丙烷；铂化的性的甲烷、乙烷和丙烷；铂化的TiO2纳米粒子，通过光催化纳米粒子，通过光催化使醋酸分解成甲烷和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从甲

39、醇水溶液中提取光催化效应可以用来从甲醇水溶液中提取H2。4444第43页/共79页第四十四页，共79页。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。也可以掺杂到高助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能能(gonng)密度的材料，如炸药，增密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米用。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，粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火以提高燃烧

40、的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。粉已被用在火箭燃料作助燃剂。4545第44页/共79页第四十五页，共79页。四、纳米材料在光学四、纳米材料在光学(gungxu)方面的应用方面的应用纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料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、光吸收、光反射、不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、不具备的

41、光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输光传输光传输光传输(chun sh)(chun sh)过程中的能量损耗等，都与纳米过程中的能量损耗等，都与纳米过程中的能量损耗等，都与纳米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。研究表明，利用纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用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各种光学材料将在日常微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常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

42、广泛的应用。目前关于这方面生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面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室阶段，有的得到了推广应用。下面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。4646第45页/共79页第四十六页，共79页。1红外反射红外反射(fnsh)材料材

43、料高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的但是电能的但是电能的但是电能的69696969转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光

44、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，同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，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的关键问题，纳米微粒的诞生增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生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一个新的途径为解决这个问题提供了一个新的途径为解决这个问题提供了一个新的途径为解决这个问题提供了一个新的途径(tjng)(tjng)(tjng)(tjng)。20

45、202020世纪世纪世纪世纪80808080年年年年代以来，人们用纳米代以来，人们用纳米代以来，人们用纳米代以来，人们用纳米SiO2SiO2SiO2SiO2和纳米和纳米和纳米和纳米TiO2TiO2TiO2TiO2微粒制成了多层干微粒制成了多层干微粒制成了多层干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，结涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结涉膜，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，而且有很强的红外线反射能力。有人估果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估果不但透光率好，而且有很

46、强的红外线反射能力。有人估果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15151515的的的的电电电电4747第46页/共79页第四十七页，共79页。2优异优异(yuy)的光吸的光吸收材料收材料纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的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。纳米微粒粉体对各种波长光光吸收带有蓝移现象。

47、纳米微粒粉体对各种波长光光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光光吸收带有蓝移现象。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的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就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利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂是将纳米微粒分散到树脂是将纳米微粒分散到树脂是将纳米微粒分散到树脂(shzh)(shzh)中制成膜，这种中制成膜，

48、这种中制成膜，这种中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂(shzh)(shzh)中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫中纳米粒子的掺加量和组分。目前，对紫外吸收好的几种材料有：外吸收好的几种材料有：外吸收好的几种材料有：外吸收好的几种材料有：303040nm40nm的的的的TiO2TiO2纳米粒纳米粒纳米粒纳米粒子的树脂子的树脂子的树脂子的树脂(shzh)(shzh)膜；膜；

49、膜；膜；Fe2O3Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂纳米微粒的聚酯树脂纳米微粒的聚酯树脂纳米微粒的聚酯树脂(shzh)(shzh)膜。前者对膜。前者对膜。前者对膜。前者对400nm400nm波长以下的紫外光有极波长以下的紫外光有极波长以下的紫外光有极波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对强的吸收能力，后者对强的吸收能力，后者对强的吸收能力，后者对600nm600nm以下的光有良好的吸以下的光有良好的吸以下的光有良好的吸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收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器4848第4

50、7页/共79页第四十八页，共79页。3.隐身隐身(yn shn)材料材料 由于纳米微粒尺寸远小于红由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材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达反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱接收到的反射信号变得很微弱(wiru)，从而达到隐身的作用；，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大面积比常规粗粉大34个数量个数量级，对红外光和电磁波的吸收率级，对红外光和