纳米材料及应用简介

就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度 概念，并没有物理内涵。当物质到纳米 尺度以后，大约是在1—100纳米这个范 围空间，物质的性能就会发生突变，出 现特殊性能。这种既具不同于原来组成 的原子、分子，也不同于宏观物质的特 殊性能构成的材料，即为纳米材料。如 果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性 能的材料，也不能叫纳米材料。过去， 人们只注意微观（原子）和宏观领域的 研究，常常忽略这个中间领域（介观）， 而这个领域实际上大量存在于自然界， 只是以前没有认识到这个尺度范围的性 能。
间谍草
这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。
蚂蚁士兵
可通过各种途径钻进敌方装备中，长期潜伏下来， 一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显灵通，有的专 门破坏敌方电子设备，使其短路；有的充当爆破 手，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。
移动原子--世界上最小的广告
这是中国科学院化学所的科技人员利用纳米加 工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的 世界上最小的中国地图。这幅地图有多小呢？ 150纳米（相当于头发丝的1/50），在技术上预 示着纳米图形化加工集成电路的新时代即将到 来。
二、纳米材料应用
物理学家总是模拟生物学原理制作各种 灵巧的机器，这就是仿生学。仿生学是 生物物理学的一个分支学科，它按照生 物学原理提出设计原型，制造用于特殊 目的的“功能器件”。如间谍草，蚂蚁 士兵，纳米机器人，机器苍蝇，蚊子导 弹等。
纳米材料及应用简介
罗文华
湖南理工学院物电学院
一、纳米材料简介
纳米是英文namometer的译音，是一 个物理学上的度量单位，1nm=10-9m, 对 于宏观物质来说，纳米是一个很小的单 位。例如， 人的头发直径：7000-8000nm 人体细胞直径：3000-5000nm 病毒直径：几十至几百纳米 金属的晶粒尺寸：微米量级 原子直径：0.1nm
❖纳米金和纳米镍在催化领域有着广阔的应用前 景,如在固体火箭推进剂中添加1%的纳米镍粉， 每克燃料的燃烧热可增加一倍，这使得纳米镍粉 有望成为新型的燃烧催化剂。在开发新能源方面 国外进展较快，加入纳米材料把非可燃气体变成 可燃气体。
纳米技术做成的所谓量子磁盘，能作高密度的磁 记录，每平方厘米的面积上可储存3万部《红楼 梦》。
日本科学家在20世Leabharlann 70年代用蒸发法制备超纳米晶
微离子，并通过研究它
的性能发现：一个导电、
导热的铜、银导体做成
纳米尺度以后，它就失
去原来的性质，表现出 晶界 既不导电、也不导热。
纳米结构：是指以纳米尺度的物质单元为 基元，按一定规律排列，形成一维的、二 维的及三维的阵列，这种结构体系就称为 “纳米结构”
分类
纳米晶：材料的结构单元的三维尺度均为纳米量级，如纳 米粒子构成的多晶材料。
棒状结构，材料的结构单元的三维尺度中有两维是纳米量 级， 如纳米丝和纳米管。
层状结构：材料的结构单元的三维尺度中有一维是纳米量 级，如超薄膜、多层膜和超晶格等。
纳米技术：研究纳米体系、纳米结构的运动
规律、相互作用及实际应用的科学。纳米科 学的内涵是“在纳米范围内认识、改造物质 世界，通过人为的直接操作、搬迁、安排原 子、分子开发新物质”。
纳米材料在人们现代生活中的应用
❖ 瑞典皇家科学院认为，海姆和诺沃肖洛夫的 研究成果不仅带来一场电子材料革命，而且 还将极大促进汽车、飞机和航天工业的发展。
❖ 纳米新材料：据美国测算，到21世纪30年代， 汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材 料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2， 排放40％，就这一项，每年就可给美国创造 社会效益1000亿美元。纳米碳管还能储存大 量氢气，从而可以实现以氢气为燃料驱动无 污染汽车.
纳米子弹
2004年美国设计和制造出可杀死恶性肿瘤 的镀金纳米壳，并在老鼠身上实验成功。 它是一种直径为110nm的不导电硅石微粒 做蕊，外面镀上10nm厚的金属外壳。研究 人员先将纳米壳“运送”到癌组织中，然 后用近红外线从身体外部照射癌变组织。 近红外线穿过人体正常组织来到癌变组织 时，被埋藏在癌变组织中的纳米子弹吸收， 附着吸收量加大，纳米子弹的能量增加， 导致周围的癌变组织升温并死亡。
纳米机器人：美国科研人员研发出一种微型纳米粒子， 可以通过患者的血流进入肿瘤，然后释放出药物，关掉 一种非常重要的癌症基因。这项研究成果发表在2010 年3月21日的《自然》杂志上。
一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。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。
成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，
它的磁性要比原来高1000倍。
磁畴
B
❖ 纳米碳管是由石墨中的一层或若干层碳原子卷 曲而成的笼状纤维，内部空心，外部直径只有 几到几十纳米，相当于头发丝的万分之一，密 度只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍， 是做成防弹背心等织物的理想材料。
石墨烯发明者获2010年诺贝尔物理学 奖
纳米涂料
❖ 纳米材料在较宽的频谱范围对电磁波有 均匀的吸收性能，几十纳米厚的纳米薄 膜的吸收效果与比它厚1000倍的现有吸 波材料相同，美国研制的纳米隐身涂料 对雷达波的吸收率达99%。把这种纳米 吸波材料涂在战略轰炸机，导弹等攻击 性飞行器的表面，能有效地吸收敌方防 空雷达的电磁波
磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做
纳米齿轮模型。纳米齿轮上的原子清晰可 见。最异想天开的用途莫过于将碳纳米管 做成太空升降机的缆绳。由于碳纳米管的 强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即 使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离， 它也完全可以经得住自身的重量。到那个 时候，人类到外太空旅行将是一件轻而易 举的事情
利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电 瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击 的性能 。