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1、,Related Documents,,Click to edit Master text,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,,,,*,,,LOGO,YOUR SITE HERE,納米材料,作者：彭霓玲,納米材料,,1.,納米材料的定義,,2.,納米材料的分類,,4.,納米材料的應(yīng)用,,5.,納米材料的發(fā)展前景,,3.,納米材料的特性,納米材料的定義,,近年來納米科技的發(fā)展，人們知道，材料的性質(zhì)并不是直接決定,,于原子和分子，在物質(zhì)的宏觀固體和微觀原子分子之間還存在著,,一些介觀的層次，這些層次對材料的物性起著決定性的

2、作用。,廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度,,范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料如果按維數(shù)，納米材料,,的基本單元可以分為三類,:,,（,1,）在空間三維尺度均在納米尺度，如納米顆粒、原子團(tuán)簇等,,（,2,）在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等,,（,3,）在三維空間中有一維在納米尺度，如納米薄膜、納米涂層等,,,10 nm,30nm,50 nm,納米材料分類,零維,:,納米顆粒、原子團(tuán)簇,一維,：納米絲、納米棒、納米帶,,納米管以及納米纖維,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,納米棒,-,蒲公英,鉍多層納米帶,左：納米纖維

3、 右：碳納米管,二維,:,納米片、納米薄膜,三維：,Nano-flowers,,中科院物理所先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室李超榮副研究員、張曉娜、表面物理國家重點實驗室曹則賢研究員通過應(yīng)力自組裝在無機(jī)體系,Ag/SiOx,微米級的內(nèi)核,/,殼層結(jié)構(gòu)上成功地獲得了三角格子鋪排和斐波納契數(shù)花樣。,研究內(nèi)容以,Report,形式于,2005,年,8,月,5,日發(fā)表在,Science,上。文章發(fā)表后在國際上引起了強(qiáng)烈的反響。,Nanotechweb,和,ORF ON Science,網(wǎng)站當(dāng)天就分別以,“,應(yīng)變的微結(jié)構(gòu)形成類植物花樣,”,和,“,微觀世界的花朵,”,作了長篇介紹。,Nanobelt /nano

4、ribbon,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,ZnO,,Materials Letters 59 (2005) 1696–1700,納米材料的分類,1.,原子團(tuán)簇,:,介于單個原子與固態(tài)塊體之間的原子集合體，其尺寸一般小于,1nm,，約含幾個到幾百個原子。具有,極大的表面,/,體積比，異常高的化學(xué)活性和催化活性，結(jié)構(gòu)的多樣性和排列的非周期性等特點。,,2.,納米顆粒,:,尺寸為納米量級的超微顆粒，,比表面積遠(yuǎn)大于,塊體材料，導(dǎo)致其電子狀態(tài)發(fā)生突變，產(chǎn)生各種納米效應(yīng)納米管,:,一九九一年，日本電氣公司,(NEC),首席研究員飯島澄男利用碳電弧放電法合成,C60

5、,分子時，偶然于陰極處發(fā)現(xiàn)針狀物，經(jīng)過高分辨率穿透式電子顯微鏡分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些針狀物為碳原子所構(gòu)成的直徑約為數(shù)納米至數(shù)十納米，長度可達(dá)數(shù)微米的中空管狀物，其比重只有鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是鋼的,100,倍。,,它具有類似鉆石的楊氏模量，以及特殊的電子傳輸特性，被認(rèn)為是最佳的納米組件材料之一。此外，由于其尖端直徑可達(dá)到,1nm,，因此也是最佳的納米探針材料。,,3.,納米薄膜與納米涂層,:,主要是指含有納米粒子和原子團(tuán)簇的薄膜、納米級第二相粒子沉積鍍層、納米粒子復(fù)合涂層或多層膜。,一般都具有準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)與特征，性能異常。,,4.,納米固體材料,:,是以納米結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)形成的三維大尺寸納米固體

6、材料，又叫納米結(jié)構(gòu)材料。具有尺寸小于,100 nm,的原子區(qū)域，顯著的界面原子數(shù)，組成區(qū)域間相互作用。,,,,1,、納米材料的表面效應(yīng),,納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。,,粒徑在,10nm,以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到,1nm,時，表面原子數(shù)比例達(dá)到約,90%,以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒；無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)

7、等,.,,,,納米材料的四大特性,,2,、小尺寸效應(yīng),,,隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。,,對納米顆粒而言尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。例如金屬納米顆粒對光吸收顯著增加，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料有明顯的區(qū)別，由磁有序態(tài)向磁無序態(tài)，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變。與大尺寸固態(tài)物質(zhì)相比納米顆粒的熔點會顯著下降，例如,2nm,的金顆粒熔點為,600K,，隨著粒徑增加熔點迅速上升，塊狀金

8、為,1337K,。,,。,,納米材料的四大特性,,3,、量子尺寸效應(yīng),,,大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，而介于原子和大塊材料間的納米材料的能帶將分裂為分立的能級。,,能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場能、或者磁場能比平均的能級間距還小時就會呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子效應(yīng)。這一效應(yīng)可使納米粒子具有高的光學(xué)非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等。如,CdS,微粒由黃色逐漸變?yōu)闇\黃色，金的微粒失去金屬光澤而變?yōu)楹谏?。同時，納米微粒也由于能級改變而產(chǎn)生大的光學(xué)三階非線性響應(yīng)，還原及氧化能力增強(qiáng)，從而具有更優(yōu)異的光電催化活性 。,納米材料的四大特性,,4,）,宏觀量子

9、隧道效應(yīng),,電子能量低于勢壘高度時，由于其具有波動性而具有穿過勢壘的幾率，這就是隧道效應(yīng)。最近人們研究發(fā)現(xiàn)微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等宏觀物理量也具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。,納米材料的四大特性,,納米材料是二十一世紀(jì)的主導(dǎo)材料,自清潔效應(yīng),環(huán)境能源,新型材料,—,節(jié)能減排,處理大氣污染,污水處理,抗紫外,電磁輻射防護(hù),治理白色污染,納米技術(shù),在環(huán)境中不可或缺,半導(dǎo)體光催化氧化,用途：,,水和空氣的凈化，癌細(xì)胞失活，臭味控制，氮固化，清除油污等等。,,半導(dǎo)體具有特殊的電子結(jié)構(gòu)，這種可

10、由一個滿價帶和一納米由于其表面具有超親水性和超親油性,,,因此其表面具有自清潔效應(yīng)。在汽車擋風(fēng)玻璃、后視鏡表面鍍上薄膜,,,可防止鏡面結(jié)霧。實驗表明,,,鍍有納米薄膜的表面顯示出高度的自清潔效應(yīng),,,污染不易在表面附著,,,附著的少量污物在外部風(fēng)力、水淋沖力、自重等作用下,,,也會自動從表面剝離下來。這一技術(shù)將廣泛應(yīng)用于汽車表面涂層、建筑物玻璃外墻等。個空導(dǎo)帶來表征，因此容易引發(fā)光誘導(dǎo)反應(yīng)。,納米材料用于,污水處理,一 半導(dǎo)體納米光催化劑及其改性技術(shù)的應(yīng)用,,二 納米材料與通用的污水處理劑的復(fù)合改性,,三 納米超高效水處理劑,,四 作用：,,1,降解水中的有機(jī)磷,,2,處理紡染廢水，使有機(jī)物礦

11、化,,3,降解油污，解決海洋石油污染,,4,殺死水中的有害細(xì)菌,,5,重金屬的再還原沉淀,納米材料用于光吸收,-,抗紫外,,納米二氧化鈦，納米氧化鋅，納米二氧化硅，納米三氧化二鐵，納米氧化鋁等等，都具有吸收紫外光的特征。,,納米微粒的量子尺寸效應(yīng)使得它對某種波長的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象；納米微粒對各波長光的吸收有寬化現(xiàn)象。,,比表面大，表面能高，界面缺陷多等。,,波長,<350nm,，,UVB,，納米,TiO,2,和納米,ZnO,的屏蔽率基本接近；波長,350-400nm,，,UVA,，納米,ZnO,的屏蔽率則明顯更強(qiáng)。,,吸收紫外線的效果和納米粒子的顆粒度也有一定關(guān)系。對納米二氧化鈦，,120-

12、300nm,最佳，對納米氧化鋅，,20-50nm,最佳。,,納米,ZnO,具有非常優(yōu)越的抗紫外性能，在濃度極低下,(0.2‰),即可將紫外線透過率控制在,5﹪,以下；經(jīng)將納米,ZnO,涂敷到雨傘布料后，其抗紫外性能可得到明顯的提高。,納米材料用于,電磁輻射防護(hù),,納米抗輻射物質(zhì)摻入纖維中，制成可阻隔,95%,以上電磁輻射的服裝，而且不揮發(fā)，不溶于水，持久保持防輻射能力。,,比表面大，表面能高，界面極化和多重散射。量子尺寸使納米材料的電子能級發(fā)生分裂，分裂的能級間隔有些正處于電磁波的量級范圍，形成新的吸收途徑。,,抗靜電。,納米材料在大氣污染方面的應(yīng)用,,,,復(fù)合稀土納米材料是具有很強(qiáng)的氧化還原

13、能力，能很好地催化分解汽車尾氣的一氧化碳，二氧化硫以及氮氧化合物。,,納米,ZrCe,復(fù)合粉體，由于表面存在,+4,+3,價的金屬離子，電子可以在三價和四價的離子間傳遞，因此有很強(qiáng)的得失電子，氧化還原能力。,,比表面大，表面缺陷多，表面不飽和鍵多，吸附能力強(qiáng)。納米,TiO,2,光催化劑能有效地分解室內(nèi)外的有機(jī)污染物,,,對室內(nèi)的主要有害氣體物甲醛、甲苯、乙醛、氨等的研究結(jié)果表明,,,污染物濃度較低時,,,納米,TiO2,表面沒有中間產(chǎn)物生成,,,因此,,,可有效地降解這些有機(jī)物,,,使室內(nèi)空氣得到凈化。,,納米材料還有如下用途：用作石油脫硫催化劑 、用作納米燃油添加劑 、用作汽車尾氣凈化催化

14、劑 、用作納米燃油添加劑 、用作煤炭用助燃催化劑。,,,納米材料在白色污染方面的應(yīng)用,,通過納米技術(shù)將可降解的淀粉和不可降解的塑料復(fù)合改性成納米粉體，可生產(chǎn)出,100%,降解的農(nóng)用地膜，一次性餐具，包裝袋等等。,70-90,天，淀粉完全降解為水和二氧化碳，塑料則變成對土壤和空氣無害的細(xì)小顆粒，并在,17,個月內(nèi)可完全降解為水和二氧化碳。,,生活垃圾的降解。處理城市垃圾納米可以加速城市生活垃圾的降解,,,其降解速度是大顆粒喚的倍以上,,,從而可解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力,,,避免了因焚燒處理而帶來的二次環(huán)境污染問題。,納米氧化鋅在瓷磚生產(chǎn)中,節(jié)能,減排的應(yīng)用,,1,、納米粉體材料與微米

15、級的材料相比，其晶體生長動力學(xué)指數(shù)和激活能都比較小，因此在相同的燒結(jié)時間或者溫度下，能獲得相對較大的晶粒尺寸；,,2,、納米粉體尺寸小，表面積和表面原子所占比例都很大，具有高的能量狀態(tài)，壓制成材后的晶界能量高，在燒結(jié)過程中晶界擴(kuò)散效應(yīng)強(qiáng)，因此在較低的溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化，均勻化的目的，改善陶瓷材料的性能，提高其使用的可靠性。還可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。,,3,、納米材料具有較高的導(dǎo)熱性能，利用納米氧化鋅可顯著降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度，節(jié)約能源，,,4,、由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒

16、成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小，產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強(qiáng)度就相應(yīng)越強(qiáng)。,,納米抗菌塑料,,,塑料表面的納米,ZnO,在燈光的照射下，發(fā)揮光催化氧化作用，被紫外光激發(fā)后產(chǎn)生的超氧離子,·O,2-,和羥基自由基,·OH,能穿透細(xì)菌的細(xì)胞壁，破壞細(xì)胞膜質(zhì)，進(jìn)入菌體，阻止成膜物質(zhì)的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效的殺滅抗菌。納米,ZnO,的加入量大于,1.0%,時,,,抗菌率均保持在,90%,以上。,納米氧化鋅在橡膠的應(yīng)用,,⑴,在膠料配方中可用納米氧化鋅代替普通氧化鋅，制膠工藝條件不變，其用量可減少到使用普通氧化鋅用量的,60%,。,,⑵使用納米氧化鋅的膠料，能改善膠料的

17、加工安全性，提高硫化膠的力學(xué)性能、熱空氣老化性能及紫外老化性能，從而對進(jìn)一步提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，延長產(chǎn)品使用壽命起到促進(jìn)作用。,納米材料在能源方面的應(yīng)用,,納米助燃劑,,,納米節(jié)能材料,,,新型納米光催化劑分解水,,,納米材料在儲能中的應(yīng)用,,,納米氧化鋅在橡膠的應(yīng)用,,⑴,在膠料配方中可用納米氧化鋅代替普通氧化鋅，制膠工藝條件不變，其用量可減少到使用普通氧化鋅用量的,60%,。,,⑵使用納米氧化鋅的膠料，能改善膠料的加工安全性，提高硫化膠的力學(xué)性能、熱空氣老化性能及紫外老化性能，從而對進(jìn)一步提高產(chǎn)品內(nèi)在質(zhì)量，延長產(chǎn)品使用壽命起到促進(jìn)作用。,,⑶,大多數(shù)光穩(wěn)定劑都是多功效的，包括納米氧化鋅。實驗

18、發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一個月的自然填埋實驗，添加納米氧化鋅,3,份的硫化較物理性能有所降低，通過紅外光譜測試技術(shù)對膠內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)的變化分析，初步認(rèn)為納米氧化鋅的添加有促進(jìn)材料降解的作用，為人們研究降解性橡膠，降低環(huán)境污染提供研究方向。,,（,4,）當(dāng)熱解處理納米氧化鋅減量后的廢膠時，與傳統(tǒng)廢膠比較，其燃盡失重率大，傳熱佳，能夠更好地實現(xiàn)減量化，具有很好的發(fā)展前景。,,納米氧化鋅在EVA發(fā)泡塑料中的應(yīng)用,,氧化鋅是重要的半導(dǎo)體氧化物，具有很多優(yōu)異性能。在,EVA,的配方設(shè)計中，氧化鋅可中和體系中的酸性，也能降低,AC,發(fā)泡劑的分解溫度，增大發(fā)氣量，防止積垢形成。納米氧化鋅的用量在,EVA,發(fā)泡塑料中可以減少,

19、40%,左右。而且，減量后的塑料具有以下特點：①具有更好的耐老化性能；②更易紫外降解和填埋處理；③熱穩(wěn)定性更好；④焚燒后減量化更好；⑤鋅的排放量更少，具有更好的環(huán)境效益。,用納米,TiO,2,－,Ag,光催化劑對,VACF,進(jìn)行改性，將納米,TiO,2,或納米,TiO,2,-Ag,催化劑固載到,VACF,上對其進(jìn)行改性處理，利用,SEM,、,EDS,、,BET,等方法對改性,VACF,進(jìn)行了表面物化特性表征及分析；,,,,催化活性高，穩(wěn)定，物美價廉,提高催化劑活性,,高比表面積，孔徑均勻，,,活性基團(tuán)豐富,納米,TiO2-Ag,改性,VACF,處理氨氣,,新材料和制備,1.ONE,,微電子和計算機(jī)技術(shù),2.TWO,,環(huán)境和能源,3.,three,,醫(yī)學(xué)與健康,4.,four,,生物技術(shù),5.,five,,航空材料,6.,six,,國家安全,7.,seven,,工程材料,8.,eight,