【大学课件】材料与社会新兴产业.ppt

第三章 材料与社会新兴产业,http:/www.docin.com/sundae_meng,2010年10月18日，国务院发布关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，指出力争到2020年新材料产业成为国民经济的先导产业：,大力发展稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等新型功能材料； 积极发展高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等先进结构材料； 提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料发展水平； 开展纳米、超导、智能等共性基础材料研究。,http:/www.docin.com/sundae_meng,http:/www.docin.com/sundae_meng,一、功能材料,二、纳米材料,三、生物材料,四、能源材料,五、信息材料,http:/www.docin.com/sundae_meng,一、功能材料,功能材料,热功能材料,电功能材料,磁功能材料：软磁、硬磁材料，磁致伸缩材料,光功能材料：光导纤维，激光材料,其他功能材料：隐形材料，敏感材料等,膨胀材料,形状记忆合金,测温材料,超导材料,半导体材料,电接点（触头）材料,http:/www.docin.com/sundae_meng,1、形状记忆合金 (Shape Memory Alloys，简称SMA),形状记忆效应(Shape Memory Effect ,简称SME) 形状记忆效应将材料在一定条件下进行一定限度 以内的变形后，再对材料施加适当 的外界条件，材料的变形随之消失 而回复到变形前的形状的现象。,具有形状记忆效应的材料形状记忆材料。,具有形状记忆效应的金属，通常是由2种以上的金属元素构成的合金，故称为形状记忆合金。,http:/www.docin.com/sundae_meng,形状记忆合金的发现过程,1932年 瑞典人欧勒特在观察某种金镉合金的性能时首次发现形状记忆效应。,1938年 哈佛大学的研究人员在一种铜锌合金中发 现了一种随温度的升高和降低而逐渐增大或缩小的形状变化。,1962年 美国海军实验室在开发新型舰船材料时，在Ti-Ni合金中发现把直条形的材料加工成弯曲形状，经加热后它的形状又恢复到原来的直条形。从 此形状记忆合金引起了极大的关注。,http:/www.docin.com/sundae_meng,形状记忆效应可分为3种类型： 单程形状记忆效应 双程形状记忆效应 全程形状记忆效应,http:/www.docin.com/sundae_meng,单程形状记忆效应：,单程形状记忆效应,材料在高温下制成某种形状， 在低温相时将其任意变形，再加热时恢复为高温相形状，而重新冷却时却不能恢复低温相时的形状。,http:/www.docin.com/sundae_meng,双程形状记忆效应：,双程形状记忆效应,加热时恢复高温相形状，冷却时恢复低温相形状，即通过温度升降自发可逆地反复恢复高低温相形状的现象，或称为可逆形状记忆效应。,http:/www.docin.com/sundae_meng,全程形状记忆效应：,全程形状记忆效应,当加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状的现象。只能在富镍的Ti- Ni合金中出现。,http:/www.docin.com/sundae_meng,制造人造卫星天线,Ti-Ni形状记忆合金制造的人造卫星天线,美国宇航局的月面天线计划： 在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状,从而能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线。,形状记忆合金的应用,http:/www.docin.com/sundae_meng,工程应用: 紧固件、连接件、密封垫、管件接头等。,形状记忆合金用作铆钉的工作原理图,http:/www.docin.com/sundae_meng,医疗领域应用: 牙齿矫形丝、血栓过滤器、动脉瘤夹、接骨板等（Ti-Ni合金）。,支撑性与柔韧性完美协调的Ti-Ni记忆合金食道支架,http:/www.docin.com/sundae_meng,智能应用 形状记忆合金是一种集感知和驱动双重功能为一体 的新型材料，可广泛应用于各种自动调节和控制装置，如各种智能、仿生机械。,采用CuZnAl记忆合金片，以热水或 热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。动作幅度为1800mm。,双程CuZnAl记忆合金花,http:/www.docin.com/sundae_meng,2、超导材料（Superconducting Material）,定义：材料的电阻随着温度降低而减小并最终出现零电阻的现象称为超导现象，这类材料称为超导材料。出现超导现象的温度称作超导材料的“临界温度”。,临界温度（Tc） 临界电流（Ic ） 临界磁场（Hc）,“约束”超导现象的三大临界条件：,http:/www.docin.com/sundae_meng,1911年，昂纳斯在测试纯金属电阻率的低温特性时发现，汞的直流电阻在4.2K左右低温时突然消失，他认为这时汞进入了一种以零阻值为特征的新物态，并称为“超导态”，称这种处于超导状态的导体为超导体。昂纳斯在1911年12月28日宣布了这一发现。由于他的这一发现获得了1913年的诺贝尔奖。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1972年 巴丁（John Bardeen, 1908-1991）、库珀（Leon North Cooper, 1930-）和施里弗（John Robert Schrieffer, 1931-）因发现称为BCS理论的超导理论，共同分享了1972年度诺贝尔物理学奖。 1973年 江崎玲于奈（Leo Esaki, 1925-）和加埃沃（Ivar Giaever, 1929-）因分别发现半导体和超导体中的隧道贯穿、约瑟夫森（Brian David Josephson, 1940-）因从理论上预言了通过隧道阻挡层的超电流的性质，特别是被称为“约瑟夫森效应”的实验现象，共同分享了1973年度诺贝尔物理学奖。 1987年 柏诺兹(J. Georg Bednorz, 1950-)和缪勒(Karl A. Muller, 1927-)因发现钡镧铜氧系统中的高Tc超导电性，共同分享了1987年度诺贝尔物理学奖。 年 诺贝尔物理学奖授予拥有俄罗斯和美国双重国籍的科学家阿列克谢·阿布里科索夫、俄罗斯科学家维塔利·金茨堡以及拥有英国和美国双重国籍的科学家安东尼·莱格特，以表彰他们在超导体和超流体领域中做出的开创性贡献。,http:/www.docin.com/sundae_meng,超导材料的分类, 常规超导体 高温超导体(HTS) 其它类型超导体,http:/www.docin.com/sundae_meng,相对于高温超导体而言，元素、合金和化合物的超导转变温度较低 (以液氮温度77K为界)，因此这类超导体被称为常规超导体。,（1）常规超导体,http:/www.docin.com/sundae_meng, 元素超导体(50多种),一些元素在常压或高压下具有超导电性能，另外一些元素经特殊处理后显示出超导电性。由于临界电流和临界磁场均较小，所以元素超导体很难实用化。,http:/www.docin.com/sundae_meng,超导合金在技术上有重要价值，它们具有较高的临界温度和特别高的临界磁场以及临界电流。超导合金具有塑性好，易于大量生产，成本低等优点。, 合金超导体,http:/www.docin.com/sundae_meng,最早的超导线材是Nb-Zr系，用于制造超导磁体。Nb-Zr合金具有低磁场高电流的特点。1965年后被加工性能好、临界磁场高、成本低的Nb-Ti所取代。 目前Nb-Ti系合金实用的线材使用最广，Nb-Zr-Ti，Nb-Ti-Ta，Nb-Ti-Zr-Ta用于磁流体发电机大型磁体。,http:/www.docin.com/sundae_meng,化合物超导体与合金超导体相比，临界温度和临界磁场都较高。一般超过10T的超导磁体只能用化合物系超导材料制造。如Nb3Sn、V3Ga、Nb3Ge、Nb3Al，Nb3(AlGe)等。 化合物超导材料都非常脆，加工困难，往往无法直接绕成磁体，必须采用特殊的制备方法。就这点来说，它不如超导合金。 实际能够使用的超导化合物只有Nb3Sn和V3Ga两种，其它化合物由于加工成线材较困难，尚不能实用。, 化合物超导体,http:/www.docin.com/sundae_meng,（3） 高温超导体,一些复杂的氧化物陶瓷具有高的转变温度，其临界温度超过了77K，可在液氮的温度下工作，称为高温超导体。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1986年12月15日，美国休斯敦大学的朱经武等人在La-Ba-Cu-O系统中，发现了40.2K的超导转变。12月26日中国科学院物理研究所的赵忠贤等人发现转变温度为48.6K的Sr-La-Cu-O，转变温度为70K的Ba-La-Cu-O。 1987年2月16日，朱经武领导的阿拉巴马大学和休斯敦大学组成的实验小组，发现Y-Ba-Cu-O的Tc为92K。2月24日，赵忠贤等人获得液氮温区的超导体Y-Ba-Cu-O，Tc在100K以上，出现零电阻的温度为78.5K。人们终于实现了获得液氮温区超导体的多年梦想。,http:/www.docin.com/sundae_meng,http:/www.docin.com/sundae_meng,http:/www.docin.com/sundae_meng,超导材料的特性和潜在应用,1）零电阻,2）完全抗磁性（迈斯纳效应）,1933年，迈斯纳(Meissner W)发现，只要温度低于超导临界温度，则置于外磁场中的超导体就始终保持其内部磁场为零，外部磁场的磁力线统统被排斥在超导体之外。即便是原来处在磁场中的正常态样品，当温度下降使它变成超导体时，也会把原来在体内的磁场完全排出去，即超导体具有完全抗磁性。这一现象被称为迈斯纳效应，它是超导体的另一个独立的基本特性。,http:/www.docin.com/sundae_meng,超导输电,日本研制了66kV，50m长的具有柔性绝热液氮管的电缆模型和50m长的导体统在柔性芯子上的电缆，其交流载流能力为2000A，有望用于市内地下电力传输系统。美国也研制了直流临界电流为900A的电缆。,超导输电必须考虑冷却电缆所需成本,http:/www.docin.com/sundae_meng,液氮环境下的超导实验,日本在1979年就研制成了时速517km的超导磁悬浮实验车。而1990年德国汉诺威-维尔茨堡高速磁浮列车线路正式投入运营。日本1991年又研制出一种水陆两栖磁浮列车，已完成模拟试验。,磁悬浮列车,http:/www.docin.com/sundae_meng,超导受控热核反应堆,超导发电机和电动机,超导变压器,超导贮能,超导核磁共振成像技术,http:/www.docin.com/sundae_meng,实用超导材料应具备下的条件： 尽可能高的临界条件，即高Tc、高Hc和高Ic； 可以加工成带材、线材或薄膜； 成本不太高。,http:/www.docin.com/sundae_meng,3、变色材料（Chromic Materials）,当受到光、电、热等外界激发源作用后，可发生颜色变化（其吸收光谱可发生变化）的材料称为变色材料。 根据激发源的不同，可分为不同的变色材料。,光致变色,电致变色,热致变色,http:/www.docin.com/sundae_meng,1）光致变色材料（Photochromic）,定义：,分类：,在光作用下能可逆地颜色发生变化的材料。,无机光致变色材料 有机光致变色材料,http:/www.docin.com/sundae_meng,无机变色材料 晶格转变 发生光解反应 电荷转移 如：玻璃中含有银盐和铜盐的混合物，在阳光下它会发生下一反应而自动变暗，而在低光量时则迅速恢复。,http:/www.docin.com/sundae_meng,无机变色材料： 特点：稳定性好，灵敏度高，但颜色单一，制备困难，成本高。 例如：,碱土化合物；汞化合物；铜化合物； ZnS；氧化钛（TiO2）； CaF2（掺杂LaF2、NaF、CeF2等）； SrTiO3、NiO、MoO3、Al2O3、 CaTiO3、AgCl、BaF2、SrF2,http:/www.docin.com/sundae_meng,有机变色材料 有机化合物的光致变色现象与其分子结构变化密切相关。 有机类光致变色材料近年研究的重点主要集中在螺旋吡喃化合物上。自1952年美国化学家Fischer和Hirshberg发现二氢吲哚基螺旋苯并吡喃后，螺旋吡喃类化合物得到了广泛的研究。,http:/www.docin.com/sundae_meng, 缩苯胺类 腙类 均二苯乙烯类 脎类 硫代硫酸盐 硫代靛蓝染料 螺吡喃类（600nm 寿命长） 蒽酮 吡啶类,有机变色材料： 特点：种类多，对比度高，制备容易，易商业化。 例如：,http:/www.docin.com/sundae_meng,化学键的异裂分解 如：硝基吲哚啉螺吡喃光致变色过程如下：,加热/光照,致冷/黑暗,蓝色,无色,http:/www.docin.com/sundae_meng,照相设备,制成染料在阳光下显示各种颜色或变成伪装色。,以俘精酸酐为主要材料的光盘样品，在某一波长下，消色量子产率很小，而对光却有较大的吸收。,光致变色材料用 途,用有机光致变色材料可以制备非银感光胶片，直接得到影像，再换一种光照射，可以复原。,制成油墨，印刷防伪标志，在特殊的光线下检验真伪。,http:/www.docin.com/sundae_meng,Photochromic Glass,持久永恒的光致变色特性，镜片底色永久不变； 颜色随环境光线的强弱而改变，变色及复明速度快； 透明状态下，透射率高达80%以上，不影响夜间驾驶； 紫外线防护性能优异，耐常见化学品腐蚀，坚硬，耐刮擦。,http:/www.docin.com/sundae_meng,美国市场上有机光致变色眼镜已占变色镜市场的90%。,http:/www.docin.com/sundae_meng,变色玻璃在建筑上的应用,光致变色PVB 薄膜应用在建筑安全玻璃上,在日光(含有紫外线) 特别强的夏天,受日光照射时变成有色玻璃,遮蔽阳光,减少紫外线对人的照射,调节屋内光线和温度;没有日光照射时,又变成无色透明玻璃。,http:/www.docin.com/sundae_meng,光致变色涂料和变色玻璃,http:/www.docin.com/sundae_meng,2）热致变色材料（thermochromic）,定义：在温度发生改变时，配位体几何构型或配位数发生变化，或分子结构发生变化而使颜色发生可逆性改变的材料。 有两种情况： 无色 有色 颜色A 颜色B,http:/www.docin.com/sundae_meng, 无机热致变色材料 金属碘化物： HgI2 红 绿 变化温度低 Ag4HgI4 黄 橙 Hg有毒，价格贵 Cu2HgI4 红 红紫 变色不明显,http:/www.docin.com/sundae_meng, 复盐 CoCl2·2C6H12N4·10H2O 橙 红 CoBr2·2C6H12N4·10H2O 桃红 蓝 CoI2·2C6H12N4·10H2O 桃红 绿 CoSO4·C6H12N4·9H2O 桃红 紫 NiBr2·2C6H12N4·10H2O 淡绿 淡蓝,http:/www.docin.com/sundae_meng, 金属氧化物多晶体 特点： 耐温、可重复多次、寿命长 A. Pb2-yMyCr1-xNxO5（含铅） M= Mo，W，Se，Te，S 0y0.3 N =Ti，Zr，Hf，Ta，Sn 0x1 如： Pb2CrO5 + Pb2MO5（M=W，Mo，S，Se，Te） T 橙色 赤橙 茶色 B. Tl2xM2(1-x)CrO4 M=Na，K，Rb，Cs x = 0 1 C. MCrO4 M=Na2，K2，Rb2，Cs2，Sr，Tl2,http:/www.docin.com/sundae_meng,温度 晶相变化； 配位体几何构型变化； 配位数变化 如：晶相变化 HgI2（立方） HgI2（斜方） 红色 绿色,无机热致变色材料的变色机理,http:/www.docin.com/sundae_meng,又如： 碘汞铜Cu2HgI4是一种能可逆地随温度高低而改变颜色的材料，它在不同温度区间所显示的颜色如下： 室温70160220 红色 | 黑色 | 红色 | 深红色 它的颜色改变是由于晶体中离子的热运动引起的有序无序的转变以及金属离子位置的变化。,http:/www.docin.com/sundae_meng,例：化合物Co(NH3)5ClCl2在加热时颜色会发生变化： 室温120170230 红色 | 紫色 | 天蓝色 | 黑色 此变化是不可逆的，加热变色，再从高温降至室温，仍保持相当于到达最高温度的颜色。这种材料可指示物体曾到达的最高温度，例如涂在电机表面上可以显示电机的温升。,http:/www.docin.com/sundae_meng, 有机热致变色材料 染料类 电子给体 + 电子受体 + 溶剂 电子给体： 邻苯二甲酸二烯丙酯、螺环吡喃、 荧烷、罗丹明 决定颜色 电子受体： 酚类、羧酸类、磺酸类、卤代醇 决定颜色深浅 溶 剂： 醇、硫醇、酮、醚 液晶： 向列型、胆甾型,http:/www.docin.com/sundae_meng, 电子给体与电子受体发生平衡移动 如：酸 碱； 酮式 烯醇式； 内酰亚胺 酰亚胺 空间结构变化（晶体结构） 开环或闭环（加热和冷却均可使化学键断裂， 促使更大的共轭体系形成）。,有机化合物的变色机理（温度 分子结构改变）,http:/www.docin.com/sundae_meng,热致变色材料的应用,温度标识 （仓库存化学品、测体温、药品保存） 日常生活（ 体温计） 装饰、娱乐、美化（茶杯、窗帘） 防伪商标 用热致变色材料测定温度有许多优点： （a）它能适用于一般温度计无法或难以测定的 场合，如测连续运转的部件的温度； （b）能测量物体表面的温度分布； （c）使用方便，不用附加其他的仪器设备。,http:/www.docin.com/sundae_meng,热致变色材料应用,http:/www.docin.com/sundae_meng,3）电致变色材料（Electrochromic）,定义： 在外加电场作用下能发生颜色（吸收光谱）可逆变化的材料。 在电化学反应条件下，颜色（吸收光谱）发生改变的材料。（电化学变色材料）,电致变色原理的实质是电极的颜色能随充放电过程发生可逆转变的超薄电池。“显色消色” 过程伴随着电子转移和保持材料电中性的离子传导。,http:/www.docin.com/sundae_meng,无机电致变色材料几乎都是过渡金属氧化物（如WO3体系），在充放电过程中发生氧化还原，出现混合价态离子而显色。这类材料稳定性好，但颜色少，色调也较差。 如： 还原着色反应： MOy + xA+ + xe- AxMOy （0x1） 还原着色材料：MOy：WO3、NbO2、Nb2O5、TiO2、 V2O5；A+：H+、Li+ 氧化着色反应： MOy + xA- - xe- AxMOy （0x1） 氧化着色材料：MOy、Ni(OH)2、Ir(OH)3、 MnO(OH)；A-：OH-、F-、CN-,http:/www.docin.com/sundae_meng,有机电致变色材料有氧化还原型化合物、有机金属配位化合物和导电聚合物等，这类材料色彩较全，便于制成薄膜，但稳定性较差。 如：聚苯胺、稀土二酞花菁、聚吡啶、聚噻吩,http:/www.docin.com/sundae_meng,电致变色材料广泛用于建筑材料中的“电调光玻璃”，可使室内光线根据要求加以调整，起到减轻空调负荷、节约能源之功效。 可作电色器件窗口（smart window，用于控制可见光、红外光辐射时的能流量）、电色存储器件等。,电致变色材料的应用,http:/www.docin.com/sundae_meng,Electrochromic Windows,Antifog glass,http:/www.docin.com/sundae_meng,Multi-Color Electronic Paper,http:/www.docin.com/sundae_meng,二、纳米材料,纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-910-7m)或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米技术是指在1100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。,“纳”(nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。,http:/www.docin.com/sundae_meng,目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度（1100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。 纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域，涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等。,http:/www.docin.com/sundae_meng,按维数，纳米材料的基本单元分为四类： (1)零维: 在空间三维尺度在纳米尺度(纳米粉体、纳米团簇) (2)一维: 在空间有两维在纳米尺度(纳米线、棒、管)等 (3)二维: 在三维空间中有一维在纳米尺度(超薄膜、纤维材料) (4)三维: 尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的纳米块体,纳米材料的分类,http:/www.docin.com/sundae_meng,“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.” - Richard Feynman(1959) Physics Nobel Laureate,“There is Plenty of Room at the Bottom. ”,费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？”,纳米材料发展的里程碑,http:/www.docin.com/sundae_meng,1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。,Taniguchi,Eric Drexler,1974年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。,1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出, 可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物 -分子装置开始研究, 并称之为纳米科技。他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1982年，宾尼希(CBinnig)和罗雷尔(HRohrer)等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscopy，STM)。STM不仅以极高的分辨率揭示出了“可见”的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。,高序石墨原子 STM图象,硅表面硅原子 STM图象,http:/www.docin.com/sundae_meng,1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登研究中心（Almaden Research Center）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用STM把35个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面 组成了“IBM”三个字母，这三个字母加起来不到3纳米长，成为世界上最小的IBM商标。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1991年IBM公司的“拼字”科研小组利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距约0.5纳米的“分子人”，这个“分子人”从头到脚只有5纳米，堪称世界上最小的人形图案 。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1993年中国科学院北京真实物理实验室用STM操纵硅原子写出“中国”两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国”的图形。）,http:/www.docin.com/sundae_meng,世界上最小的中国地图,中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图。,http:/www.docin.com/sundae_meng,1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现碳纳米管。碳纳米管属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。,Carbon nanotube,http:/www.docin.com/sundae_meng,第一阶段(1990年以前) 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。 第二阶段 (1994年前) 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。 第三阶段(从1994年到现在) 纳米科技蓬勃发展，纳米材料的数量和家族呈指数级增长，纳米技术逐渐走向应用，纳米时代来临。,纳米材料的发展总体可以划分为3个阶段：,http:/www.docin.com/sundae_meng,纳米材料的特性,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，是一种典型介观系统，它具有 1.表面效应； 2.小尺寸效应； 3.量子尺寸效应； 4.宏观量子隧道效应,http:/www.docin.com/sundae_meng,1) 表面效应：表面原子数目随粒径减小而迅速增加,粒径 /nm,由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。,金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料。,http:/www.docin.com/sundae_meng,2）小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，在一定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，从而产生如下一系列新奇的性质。 特殊的光学、磁学、热学、力学性质,http:/www.docin.com/sundae_meng,（1）特殊的光学性质,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。 事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。,http:/www.docin.com/sundae_meng,金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 1991年海湾战争，美国F117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。,http:/www.docin.com/sundae_meng,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的；超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 例如，金的常规熔点为1064 ，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，减小到2纳米尺寸时的熔点为327左右。,（2） 特殊的热学性质,http:/www.docin.com/sundae_meng,小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同；大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸减小到 20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍；若进一步减小其尺寸，大约小于 6纳米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。 利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。,（3） 特殊的磁学性质,http:/www.docin.com/sundae_meng,生物体中存在纳米的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。 磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘。,http:/www.docin.com/sundae_meng,以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的。最近，英国科学家发现，蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子，这种磁性跟粒子具有指南针功能，蜜蜂利用这种“罗盘”来确定其周围环境, 在自己头脑里的图像而判明方向。,蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。,http:/www.docin.com/sundae_meng,最近美国科学家发现海龟的体内有磁性的纳米微粒，它们凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移,根据生物体内的纳米微粒为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益的依据，这也是纳米科学研究的重要内容。,http:/www.docin.com/sundae_meng,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。,（4）特殊的力学性质,http:/www.docin.com/sundae_meng,纳米陶瓷材料具有超塑性性能,所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下产生较大的拉伸应变。纳米TiO2 陶瓷在室温下就能发生塑性形变,在180 下塑性变形可达200 %，也不发生裂纹扩展 。,纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在100 下,纳米TiO2 陶瓷的显微硬度为1300 kg f/ mm2 ,而普通TiO2 陶瓷的显微硬度低于200 kg f/ mm2,http:/www.docin.com/sundae_meng,纳米金属铜的超延展性,纳米金属镍的高硬度,http:/www.docin.com/sundae_meng,对超微颗粒而言，连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。 当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称为量子尺寸效应。 导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁性的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。,3）量子尺寸效应,http:/www.docin.com/sundae_meng,自然界中的纳米,（一） 荷叶出污泥而不染 荷叶的表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突是由许多直径为200纳米左右的突起组成的。原来在“微米结构”上再迭加上“纳米结构”，就在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数“小山”，“小山”与“小山”之间的“山谷”非常窄，小的水滴只能在“山头”间跑来跑去，却休想钻到荷叶内部。于是荷花便有了疏水的性能。,http:/www.docin.com/sundae_meng,（二） 旧社会的“观音土” 在旧社会，穷人在青黄不接时或灾荒年间，常常靠吃观音土活命。其实观音土主要成分就是硅藻土-一种叫硅藻的单细胞藻类生物留下来的遗体。从电子显微镜所拍的照片，可见硅藻土的各种形态。它们的形体尺寸一般为几个微米到几十微米最小也有一微米。其壳壁由非晶质二氧化硅（SiO2）和果胶组成，壳缝为125 纳米左右。对其壳壁上点纹、线纹和肋纹观察后发现，原来它们都是整齐排列的小孔，线纹小孔的直径在20100nm。所以硅藻土是天然的纳米孔材料。,注：提纯、改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能。,http:/www.docin.com/sundae_meng,（三） 著名徽墨 安徽省出产的著名徽墨是我国制墨技艺中的一朵奇葩，它能保持毛笔字有光泽且较长时间不褪色。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱-烟凝结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓精烟徽墨）和树胶及少量香料及水分制成，所以很名贵。,徽 墨,http:/www.docin.com/sundae_meng,五彩斑斓的蝴蝶 蝴蝶翅膀具有周期性排列的纳米级光子晶体结构，这种结构可以反射特定波长的可见光。不同的结构组合可以造成不同的颜色和图案，而且随着观看角度的不同，颜色也会有所改变。,飞檐走壁的壁虎 “壁虎漫步”靠的不是吸盘,而是脚趾上数以万计的纳米级绒毛。此种精细结构,使得壁虎以几纳米的距离大面积地贴近墙面，为壁虎提供数百万个的附着点,从而支撑其体重。,http:/www.docin.com/sundae_meng,精美的纳米世界,http:/www.docin.com/sundae_meng,纳米产业,Growth of nanotechnology industry,http:/www.docin.com/sundae_meng,1）纳米发电机,Nanogenerator,http:/www.docin.com/sundae_meng,2）纳米传感器,Nanosensor,http:/www.docin.com/sundae_meng,3）纳米机器人,由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作 。,纳米生物机器人在疏通血管,htt