第五章 納米材料的應(yīng)用

第五章納米材料的應(yīng)用

納米技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而將引起2I世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。

——錢學(xué)森納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域微電子學(xué)領(lǐng)域

光電領(lǐng)域陶瓷領(lǐng)域生物工程領(lǐng)域醫(yī)學(xué)領(lǐng)域紡織領(lǐng)域塑料領(lǐng)域環(huán)保領(lǐng)域化工領(lǐng)域一、微電子學(xué)領(lǐng)域

納米電子學(xué)是納米技術(shù)重要組成部分，是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，包括納米有序(無序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)最終目標(biāo)是進(jìn)一步減小集成電路，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的室溫可用的各種器件。納米器件左：基于碳納米管點(diǎn)電極的柱狀納米晶體管結(jié)構(gòu)示意圖納米碳管右：基于石墨烯電極的單分子膜場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)示意圖

微電子學(xué)領(lǐng)域

目前利用納米電子學(xué)已研制成功各種納米器件。此外，有奇特性能的碳納米管的研制成功對納米電子學(xué)發(fā)展起關(guān)鍵作用。納米技術(shù)生產(chǎn)的有機(jī)發(fā)光二極管微電子學(xué)領(lǐng)域

高電壓納米發(fā)電機(jī)和自驅(qū)動納米器件成功問世(a)基于垂直于基片生長的納米線所設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)(VING)。(b)基于平行于基片多行生長的納米線所設(shè)計(jì)的納米發(fā)電機(jī)(LING)。(c)基于一行平行于基片生長的氧化鋅納米線所組成的納米發(fā)電機(jī)。(d)在微小形變下能產(chǎn)生1.2伏輸出電壓的納米發(fā)電機(jī)的光學(xué)照片。1989年，IBM公司利用隧道掃描顯微鏡上的探針成功移動氙原子并利用它拼成“IBM”3千字母（右）。下圖為原子操作過程中的STM像。左圖為單個Xe原子靜置在Ni表面上的情況；右圖為探針“拾”起Xe原子的情景微電子學(xué)領(lǐng)域

中科院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室人員使用硅原子堆積的“毛澤東”三個字。微電子學(xué)領(lǐng)域

日本Hitachi公司研制出單個電子晶體管，通過控制單個電子運(yùn)動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子是一個多功能器件。日本NEC研究所擁有制作100rlm以下的精細(xì)量子線結(jié)構(gòu)技術(shù)并在GaAs襯底上成功研制出有開關(guān)功能的量子點(diǎn)陣列。微電子學(xué)領(lǐng)域

大面積高質(zhì)量的單晶石墨烯和Si插層

單電子晶體管為量子計(jì)算鋪路

美國威斯康星大學(xué)研制出可容納單個電子的量子點(diǎn)，在一個針尖上可容納幾十億個這樣的量子點(diǎn)。利用量子點(diǎn)制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域方面獲得廣泛應(yīng)用。量子點(diǎn)量子點(diǎn)半導(dǎo)體微電子學(xué)領(lǐng)域

機(jī)器蒼蠅麻雀衛(wèi)星間諜草未來超級計(jì)算機(jī)：量子世界中原子對翩翩起舞二、光電領(lǐng)域納米光電材料：光能→電能、化學(xué)能等其他能量的一種納米材料；納米光電材料可分為：納米光電粉、一維納米光電材料、納米光電薄膜等；光電領(lǐng)域納米粉光電探測器一維納米材料熱光開關(guān)納米薄膜硅薄膜紫外光電探測器光電領(lǐng)域納米材料用于光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面能大大提高光電器件性能。納米材料用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上能使其能力提高十至幾百倍，甚至能將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度對地偵察。一磅重納米合成孔徑雷達(dá)問世光電領(lǐng)域納米激光器是一根彎曲成極薄面包圈形狀的光子導(dǎo)線，其大小和形狀能有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器工作。納米激光器工作時只需約100mA電流。納米線紫外激光器三、陶瓷領(lǐng)域傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆韌性、強(qiáng)度較差，因而應(yīng)用受較大限制。納米陶瓷正是解決陶瓷脆性的重要途徑。納米陶瓷是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相有納米級尺度的陶瓷材料，即晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布和缺陷尺寸等都在納米量級水平上。要制備納米陶瓷，就要解決粉體尺寸、形貌和分布控制，團(tuán)聚體控制和分散，塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度及成分控制。納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于提高陶瓷材料的機(jī)械強(qiáng)度

納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉體的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中產(chǎn)生超塑性行為,其原因是晶粒的納米化有助于晶粒間產(chǎn)生相對滑移,使材料具有塑性行為。納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于制備電子(功能)陶瓷

納米陶瓷節(jié)能燈納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于制備陶瓷工具刀納米陶瓷刀納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于制備生物陶瓷接近于生物惰性的陶瓷,如氧化鋁(Al2O3)；表面活性生物陶瓷,如致密羥基磷灰石(10CaO-3P2O5H2O)；可吸收生物陶瓷,如磷酸三鈣(CaO-P2O5)(TCP)。納米陶瓷的應(yīng)用應(yīng)用于制備功能性陶瓷纖維防紫外線纖維；遠(yuǎn)紅外線保溫纖維；抗菌防臭纖維。四、生物工程納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個新的研究途徑。生物分子是很好的信息處理材料，每個生物大分子本身是一個微型處理器，分子在運(yùn)動過程中以可預(yù)測方式進(jìn)行狀態(tài)變化，原理類似于計(jì)算機(jī)邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)可設(shè)計(jì)出量子計(jì)算機(jī)。美國南加州大學(xué)應(yīng)用基于DNA分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效解決目前計(jì)算機(jī)無法解決的“哈密頓路徑問題”。生物工程基因DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑約幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅幾納米的發(fā)光半導(dǎo)體晶粒選擇性吸附或作用在不同堿基對上就能在DNA分子上貼標(biāo)簽，從而很方便地識別DNA外型和結(jié)構(gòu)。五、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域目前成功利用納米SiO微粒進(jìn)行細(xì)胞分離，用納米級粒子進(jìn)行定位病變治療以減少副作用等。利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物取得突破性必展，現(xiàn)用于臨床動物實(shí)驗(yàn)。納米探針刺入神經(jīng)細(xì)胞醫(yī)學(xué)領(lǐng)域肝病等器官性病變都有一個病理環(huán)境，用特定性質(zhì)的納米材料界面材料去包覆中藥有效成分，在這種病理環(huán)境中，因親和而溶解，治療成分就釋放出來，達(dá)到治病效果，治療成分有很強(qiáng)的靶向性，能使療效進(jìn)一步提高。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域德國采用分子醫(yī)學(xué)納米技術(shù)發(fā)明新抗癌療法，通電后腫瘤部位溫度達(dá)47℃，在殺死癌細(xì)胞的同時不損害健康細(xì)胞。美國能源部運(yùn)用激光納米技術(shù)研制出癌癥智能手術(shù)刀，每秒掃描10萬個細(xì)胞，信息輸入計(jì)算機(jī)，將“錯殺’’健康細(xì)胞數(shù)量降到最低。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域納米機(jī)器人有望問世納米生物“部件”與納米無機(jī)物及晶體結(jié)構(gòu)“部件”相組合，用納米微電子學(xué)控制做成的納米機(jī)器人，其尺寸比紅血球小。這類機(jī)器人問世，人類的醫(yī)療將會發(fā)生深刻的革命。醫(yī)生可用它打通腦血栓，清出心臟動脈脂肪的沉積物。科學(xué)家想象的納米機(jī)器人六、紡織領(lǐng)域納米技術(shù)在紡織領(lǐng)域中主要有三大應(yīng)用途徑（1）纖維超細(xì)化（2）利用納米材料對傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性（3）對纖維或織物進(jìn)行納米后整理，使其功能化紡織領(lǐng)域納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域天然纖維織物中的納米技術(shù)納米技術(shù)在紡織服裝的新研究、新開發(fā)納米技術(shù)在其它纖維中的應(yīng)用納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域抗靜電功能

應(yīng)用領(lǐng)域抗菌，防臭功能

紅外線功能

防電磁輻射

防紫外線

拒水拒油

阻燃功能

紅外功能納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域遠(yuǎn)紅外保暖內(nèi)衣

防紫外線納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域抗靜電在化纖制品中加入少量納米微粒，如將納米TiO2、ZnO、Fe2O3和Cr2O3等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粉體摻入到樹脂中，或?qū)⑵浼尤氲秸韯┲袑w維或織物進(jìn)行后整理，就會產(chǎn)生良好的靜電屏蔽性能，大大降低靜電效應(yīng)。納米抗菌、防臭功能某些金屬粒子(如納米銀粒子、納米銅粒子)和納米TiO2、ZnO等具有一定的殺菌性能，其與化纖復(fù)合紡絲，制造出抗菌的功能纖維，比一般的抗菌織物具有更強(qiáng)的抗菌效果和更多的耐洗次數(shù)。

納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域波司登保暖內(nèi)衣江蘇康博集團(tuán)推出“波司登”納米技術(shù)抗菌保健、超強(qiáng)透氣導(dǎo)濕、超保暖三功能的內(nèi)衣。其保暖內(nèi)衣層內(nèi)添加了從天然奇冰石中提取的納米級超細(xì)粉末，能有效地殺菌抑菌，消除異味。納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域拒水拒油在材料表面進(jìn)行特殊加工在其宏觀界面建立一個二元協(xié)同納米界面結(jié)構(gòu)，使材料不僅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用這種材料制成的衣物洗滌時可以僅用清水沖洗而不需使用傳統(tǒng)的洗滌劑。納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域

防電磁輻射電子產(chǎn)品的普及使得電磁輻射對人體健康造成了巨大威脅，一些納米微粒如納米氧化鐵，納米氧化鎳等能強(qiáng)烈吸收電磁輻射從而對人體起到防護(hù)作用。防輻射孕婦裝銀離子孕婦裝運(yùn)用納米單質(zhì)銀與纖維聚合成一體，并使織物表面形成牢固的耐氧化膜層結(jié)構(gòu)，將純銀和環(huán)保纖維進(jìn)行有機(jī)整合，具有隔離電磁輻射功能，具有抗菌除臭、抗靜電、調(diào)控體溫，吸濕速干、透氣性好，輕薄柔軟，耐反復(fù)水洗，洗后不扎身，可貼身穿著，使用壽命長。納米技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用領(lǐng)域阻燃功能纖維阻燃多數(shù)通過用添加型阻燃劑或反應(yīng)型阻燃劑對原材料進(jìn)行前處理，或者是對織物進(jìn)行后整理等途徑實(shí)現(xiàn)。七、塑料領(lǐng)域由于分散性的納米尺寸效應(yīng)、大比表面積和強(qiáng)界面結(jié)合，使納米復(fù)合材料有一般工程塑料不具備的優(yōu)異性能，如高強(qiáng)度和耐熱性、高阻隔和自熄滅性、抗靜電性、防輻射及優(yōu)良加工性