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1、走進神奇的納米世界 先進制造之納米 主講人 小殷 荷葉荷花為什么出污泥而不染 你知道為什么荷葉上的水珠可以自由的滾動而不粘在葉面上嗎 你知道為什么古代珍貴的 徽墨 可以經久不褪色嗎 黃金一定是黃色而白金 即鉑金 一定是白色的嗎 你知道顆粒很小的金屬粉末放在空氣中會自然嗎 洗衣服很麻煩 現代科技能不能制出不會臟的衣服呢 有時候我們真的希望自己能夠隱身 真的有隱身衣嗎 它是用什么材料制成的呢 在電器商場 售貨員在介紹產品時經常會說他們的產品用的是納米材料 質量過硬 到底什么是納米材料呢 納米科技科普內容 一 納米的概念二 納米材料的特點三 納米材料的研究領域四 納米技術的應用及前景五 納米材料的制

2、備方法六 各國對納米科技的地位和發(fā)展現狀 一 納米的概念 1nm 10 9m 相當于頭發(fā)粗細的萬分之一 1nm的物體放到乒乓球上 就像乒乓球放在地球上一般 由幾個或幾百個原子組成或粒徑小于1nm的原子集合體稱為 原子簇 或 團簇 cluster 通常所說的納米尺度在1 100nm之間在納米科技中納米又有著另一個含意 納米是一種思考方式 即人們探索自然 制造產品要向著更小 更精細和更高效的層次發(fā)展 即從微米層次向著納米層次發(fā)展 納米結構的圖像 高序石墨原子圖像掃描范圍1nm 1nm 金團簇圖像掃描范圍1 m 1 m 二 納米微粒的特性 隨著顆粒直徑變小 比表面積將會顯著增大 說明表面原子所占的百

3、分數將會顯著地增加 當尺寸小于0 1微米時 其表面原子百分數激劇增長 甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100米2 這時的表面效應將不容忽略 超微顆粒的表面具有很高的活性 極不穩(wěn)定 很容易與其他原子結合 從而產生一些新的效應 比如空氣中金屬超微顆粒會迅速氧化燃燒 利用表面活性 金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料 1 表面效應 2 小尺寸效應 由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應 1 特殊的光學性質 金屬在超微顆粒狀態(tài)呈現為黑色 對光的反射率極低 因此可以制成高效率的太陽能器件 還可應用于紅外隱身科技 2 特殊的熱學性質 超細微化后熔點將顯著降低

4、3 特殊的磁學性質 磁性超微顆粒是一個生物磁羅盤應用 磁盤 磁帶 磁卡以及磁性鑰匙 磁性液體等 4 特殊的力學性質 納米陶瓷材料具有良好的韌性超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性 介電性能 聲學特性 以及化學性能等方面 二 納米微粒的特性 三 納米科技的研究領域 納米材料納米器件納米結構的檢測和表征 納米科技 在納米尺度內研究物質的特征和相互作用 并用這些特性制造具有特定功能的產品的高新科技 1 納米材料 納米材料指材料的顯微結構至少在一個維度上尺寸小于100nm 并且具有某些特殊功能的材料 納米材料的主要類型有 納米粉末 納米涂層 納米薄膜 納米絲 納米棒 納米管和納米固體 納米材料呈現如下

5、的客觀物理 化學特性 低熔點 高比熱容 高熱膨脹系數 高反應活性 高擴散率 高強度 高韌性 高塑性 奇特磁性 極強的吸波性 2 納米器件 從納米材料出發(fā) 或者利用納米加工科技 制造出具有特殊功能的產品 即納米器件 未來所有的納米電子器件都將具有更小 更快 更冷的特點 科學家還希望通過對納米生物學的研究 制造生物分子器件 目前 科學家在納米生物傳感器 生物分子計算機 納米馬達等方面做了重要的嘗試 3 納米結構的檢測和表征 掃描探針顯微鏡 SPM 被形象地稱為納米科技的 眼 和 手 標志著人們在對微觀尺度的探索方面進入到一個全新的領域 與納米材料和結構的制備過程相結合 以及與納米器件性能檢測相結合

6、的多種新型納米檢測技術受到廣泛重視 掃描探針顯微鏡 由于這類顯微鏡都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像 因此統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡 SPM 目前有掃描隧道顯微鏡STM 原子力顯微鏡 AFM 近場光學顯微鏡 NSOM 激光力顯微鏡 LFM 磁力顯微鏡 MFM 極化力顯微鏡 SPFM 等二十多個品種 原子力顯微鏡 AFM 是SPM最重要的發(fā)展 掃描電子顯微鏡 AFM 原子力顯微鏡 的針尖圖像 Co Al2O3顆粒膜的透射電子顯微鏡TEM照片 掃描電子顯微鏡分析的玻璃基Co Al2O3 分析結果 一些納米結構的圖像 納米薄膜三維圖像 DNA分子三維圖像 一些納米結構的圖像 金光柵圖像每格1 m 1 m 一

7、種螺旋結構 一些納米結構的圖像 一種新型納米材料 1990年 美國IBM公司在鎳表面用35個氙原子組成了一個 IBM 圖案 1991年 美國IBM公司用一氧化碳分子在鎳表面上構造了一個大頭娃娃的分子人 分子人從頭到腳僅有5nm高度 1 生產與生活 把透明疏油 疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上 大樓不會被空氣中的油污弄臟 玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透明 將這種納米顆粒放到織物纖維中 做成的衣服不沾塵 省去不少洗衣的麻煩 四 納米技術的應用及前景 納米陶瓷材料 具有化學性質穩(wěn)定 韌性好 耐磨性好 硬度高及密度小等優(yōu)點 用納米陶瓷材料可制得 摔不碎的酒杯 或 摔不碎的碗 2 醫(yī)學與健康 納

8、米粒子微細結構使其對環(huán)境中的化學或物理指標的變化極為敏感 因此可對人體內的病原體作出早預測 如 當腫瘤只有幾個細胞大小時就可以將其檢測出來 加以根除 研究表明 礦物中藥制成納米粉末后 藥效大幅度提高 并具有高吸收率 劑量小的特點 還可利用納米粉末的強滲透性將礦物中藥制成貼劑或含服劑 避開胃腸吸收時體液環(huán)境與藥物反應引起不良反應或造成吸收不穩(wěn)定 也可將難溶礦物中藥制成針劑 提高吸收率 按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁 按排材料 這一技術被稱為納米加工技術 納米加工技術是納米科學的重要基礎 放在指尖上的400支排列整齊的無痛型微型針 3 微電子和計算機技術 用納米粉末制成的磁記錄材料 可

9、使磁帶和軟硬磁盤的記錄密度提高數十倍 并能大幅度改善它們的保真性能 納米金屬粉末對電磁波有特殊的吸收作用 可作為軍用高性能毫米波隱形材料 可見光 紅外線隱形材料和結構式隱形材料 手機輻射屏蔽材料 4 航天和航空 納米粉末具有極強的儲能特性 將其作為添加劑加入燃料中可大大提高燃燒率 將一些納米粉末添加到火箭的固體燃料推進劑中 可大幅度提高燃料的燃燒熱 燃燒效率 改善燃穩(wěn)定性 有研究表明 向火箭固體燃料中加入0 5 納米鋁粉或鎳粉 可使燃燒效率提高10 25 燃燒速度加快數十倍 如果用碳納米管做繩索 是唯一可以從月球掛到地球表面 而不被自身重量所拉斷的繩索 如果用它做成地球 月球乘人的電梯 人們在

10、月球定居就很容易了 5 軍事 美國于1995年提出了納米衛(wèi)星的概念 這種衛(wèi)星比麻雀略大 重量不足10千克 各種部件全部用納米材料制造 一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數百顆納米衛(wèi)星 若在太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納米衛(wèi)星 就可以保證在任何時刻對地球上任何一點進行連續(xù)監(jiān)視 即使少數衛(wèi)星失靈 整個衛(wèi)星網絡的工作也不會受影響 由于納米器件比半導體器件工作速度快得多 可以制造出全新原理的智能化微型導航系統(tǒng) 利用納米技術制造的形如蚊子的微型導彈 可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能 納米導彈直接受電波遙控 可以神不知鬼不覺地潛入目標內部 其威力足以炸毀敵方火炮 坦克 飛機 指揮部和彈藥庫 這是一種微型機器

11、人 這些機器人比螞蟻還要小 但具有驚人的破壞力 它們可以通過各種途徑鉆進敵方武器裝備中 長期潛伏下來 一旦啟用 這些 納米士兵 就會各顯神通 有的專門破壞敵方電子設備 使其短路 毀壞 有的充當爆破手 用特種炸藥引爆目標 有的施放各種化學制劑 使敵方金屬變脆 油料凝結或使敵方人員神經麻痹 失去戰(zhàn)斗力 納米科技目前取得的成果舉例 量子計算機 運算速度提高一億倍納米電纜 高密度集成器的連接導線納米鑷子 納米機械的得力工具納米醫(yī)學 攻克疑難雜癥的曙光 1 物理方法 真空冷凝法 物理粉碎法 機械球磨法2 化學合成方法 氣相沉積法 沉淀法 水熱合成法 溶膠凝膠法 微乳液法 五納米材料的制備方法 納米科技的

12、內涵 真正的納米技術必須具備兩個條件 二者缺一不可 一是納米尺寸 二是自然界里所沒有的新物性 六 納米科技的地位和發(fā)展現狀人們公認影響21世紀的三大科技是 信息技術 生物技術和納米技術 其中納米技術又以其突出的交叉性和集成性 影響到信息技術和生物技術的發(fā)展 它們三者的交叉 綜合將誕生集大成的納米生物技術或納米生物信息技術 在人們極大地提高了獲取和處理社會信息的能力之后 便會轉向對生命信息的探索 圖7中交叉領域即納米電子學 納米生物技術等將是今后影響人類社會的制高點 因為它們關系到國家安全 公共衛(wèi)生和人類的健康和長壽 圖7三大高科技及其交叉領域 美國 70年代重視微米技術的國家如今都成為發(fā)達國家

13、 現在重視納米技術的國家很可能成為新世紀的先進國家 從20世紀80年代開始 美國 日本每年斥資幾億美元于納米科技的研發(fā) 我國每年投入近千萬美元1995年 各國納米科技的領先程度排名 日本 德國 美國 英國和北歐 中國和法國由于研究條件的限制 我國的研究工作只能集中在一些硬件條件要求不太高的領域 屬世界首創(chuàng)的具有獨立知識產權的成果還很少 在納米產業(yè)方面 國內還處于起步階段 國內外納米科技的發(fā)展現狀 我們身邊的納米現象 荷葉荷花為什么出污泥而不染 最近 科學家們揭開了奧秘 荷葉的表面上有許多微小的突起 圖2 突起的平均大小約為10微米 平均間距約12微米 而每個突起是由許多直徑為200納米左右的突

14、起組成的 原來在 微米結構 上再迭加上 納米結構 就在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數 小山 小山 與 小山 之間的 山谷 非常窄 小的水滴只能在 山頭 間跑來跑去 卻休想鉆到荷葉內部 于是荷花便有了疏水的性能 荷葉的表面微觀結構 標尺 100微米 1 3用徽墨寫出的毛筆字為什么光澤好 同學 你練習過寫毛筆字吧 我國的漢字是至今通行的世界上最古老的文字 從甲骨文經過金文 大篆 zhuan 小篆 草書 隸 li 書 楷書 行書發(fā)展到今天的漢字 已有3000多年的歷史 在全世界還找不出第二種 漢字的優(yōu)點之一是本身具有巨大的美感 是世界上能成為書法藝術品的最主要文字 用毛筆和黑墨創(chuàng)造書法藝術是我中

15、華文化的一絕 電視劇 乾隆王朝 中 和珅讓管家劉全用后寫的假信換回了幾年前向山東巡撫國泰通風報信的真書函 弄得國泰面對假信 雖有隱情卻無法申辯 只好被砍頭 乾隆暗示十格格 自已已從假信筆墨的新色彩識破了和珅的調包計 在這劇中 導演借乾隆之口向觀眾傳送了一個知識 我國安徽省出產的著名徽墨能保持毛筆字有光澤且較長時間不褪色 制作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱 注 音tai 煙炱是什么 它就是煙凝結成的黑灰 制墨時所用的黑灰越細 墨的保色時間越長 徽墨用納米級大小的松煙炱 即所謂 精煙徽墨 見圖4徽墨及圖5墨字 和樹膠及少量香料及水分制成 所以很名貴 圖5王羲之 夜亂貼 局部 圖4徽墨 精煙墨 從使用火開始 我們的祖先就同黑灰打交道了 從距今180萬年前的山西芮城 170萬年前的云南元謀 80萬年前的陜西藍田 60萬年前的北京周口店山洞里 都發(fā)現了碳灰 而碳灰的尺度大大小小 其中就有納米級大小的顆粒 甚至于在灰燼中已有今天才認識的碳納米管和巴基球 C60 我國的漢字青春常在 是否同我們祖先最早懂得使用火有必然的聯系呢 少年成就未來未來取決科技作業(yè) 寫一份與學習心得體會 字數2000字左右 嚴禁直接下載 內容可以是關于納米科技的任何一個方面或幾個方面 也可以用所學的知識解釋生活中的現象 如課程簡介里的相關問題