第三節(jié)材料開發(fā)和利用第1頁材料與社會第2頁人類社會發(fā)展與人們對材料認(rèn)識、開發(fā)和利用親密相關(guān)，人類發(fā)展過程中先后經(jīng)歷了石器時代、青銅時代和鋼鐵材料時代。第3頁材料導(dǎo)電性依據(jù)材料導(dǎo)電性能，材料可分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體及絕緣體三大類。第4頁輕易導(dǎo)電材料是導(dǎo)體不輕易導(dǎo)電材料是絕緣體半導(dǎo)體能夠制成二極管、三極管等半導(dǎo)體元件和集成電路半導(dǎo)體二極管有單向?qū)щ娦?，半?dǎo)體三極管能夠用來放大電信號第5頁其中有一個性能很好材料叫超導(dǎo)材料為了制造物美價廉、性能更加好物品，人們正在不停地研究性能更加好、更輕易制造材料。19，昂內(nèi)斯在研究汞電阻隨溫度改變時，觀察到在測試溫度降低到4.2K時，汞電阻突然降低到測量不到微小值。從而發(fā)覺超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)材料開發(fā)新材料第6頁超導(dǎo)體1.超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體：當(dāng)溫度降低到絕對零度附近時，一些材料電阻率突然減小到無法測量程度，能夠認(rèn)為其電阻率突然變?yōu)榱?，這種現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象物質(zhì)稱為超導(dǎo)體。2.轉(zhuǎn)變溫度TC：材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)溫度，叫做超導(dǎo)材料轉(zhuǎn)變溫度。3.超導(dǎo)體兩個基本特征：零電阻性、抗磁性第7頁超導(dǎo)材料出現(xiàn)以后，人們首先想到是利用超導(dǎo)體零電阻性實現(xiàn)遠(yuǎn)距離大功率輸電。很細(xì)超導(dǎo)絲就能夠輸送強大電流第8頁超導(dǎo)材料不但電阻為零，而且還有其它令人注目標(biāo)特征。超導(dǎo)磁懸出現(xiàn)象使人們想到能夠利用超導(dǎo)體來實現(xiàn)交通工具無摩擦運行，大大提升交通工具安全性能和運行速度。第9頁1.納米是一個長度單位：1nm=10-9m2.1nm小到什么程度？(10個分子緊密排布長度，大約是一根頭發(fā)絲1%)3.納米材料除了其基本單元空間尺度小外，在力、熱、聲、光、電、磁等方面還表現(xiàn)出許多特殊性能。二、納米材料第10頁納米材料納米顆粒材料碳納米管第11頁納米超晶格想象中納米“機器人”計算機芯片中納米導(dǎo)線第12頁納米機械零件第13頁藥品做成納米顆粒未來人們能夠用納米技術(shù)一個一個地將原子組裝起來制成各種納米機器納米鏡面第14頁

納米衣服不用洗、“納米水”喝出健康……從上世紀(jì)90年代起，試驗室里尖端科技納米技術(shù)一下子被媒體推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：納米終究是種什么“米”？怎么“種”出來？對我們生活將產(chǎn)生怎樣影響？武漢“種植納米”水平怎樣？帶著這些問題，本報記者探訪了武漢一些高校和科研機構(gòu)，請科學(xué)家來揭開“納米”面紗。第15頁納米是種什么“米”？近日，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院納米研究課題組再次接到了深圳某美容機構(gòu)傳真“納米硫”訂單。去年，地大在世界上首次研制出“納米硫磺”，在面膜、膏霜等化裝品中應(yīng)用納米硫材料，對治療脂溢性皮炎、螨蟲、青春痘等有奇效。第16頁“納米”譯自英文“nanometer”，它并不是什么特殊物質(zhì)，而是一個度量單位。1納米等于十億分之一米，相當(dāng)于針尖大小百萬分之一，約相當(dāng)于45個原子串起來那么長。納米技術(shù)就是指在納米尺寸范圍內(nèi)，經(jīng)過直接操縱單個原子、分子來組裝和創(chuàng)造含有特定功效新物質(zhì)。當(dāng)物質(zhì)顆粒小到100納米以下，這種物質(zhì)就可被稱為納米材料。其物理性能與化學(xué)性質(zhì)就會較原來有意想不到巨變，這些“巨變”正在生物學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)等各個領(lǐng)域展開，它們將對人類未來生活產(chǎn)生重大影響。第17頁納米帶來美好生活最近，新加坡科學(xué)家在利用納米技術(shù)治療裂骨方面取得突破。試驗中，教授在大鼠腳骨上制造了大約3毫米裂縫，然后把用納米材料制成骨頭構(gòu)架植入裂縫中，結(jié)果5個月后成功讓骨頭完全愈合。這是納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域又一次成功應(yīng)用，但“納米”終究會給我們帶來怎樣新生活呢？第18頁從第一次工業(yè)革命到現(xiàn)在，真正稱得上主導(dǎo)技術(shù)只有4次，而“納米”技術(shù)將成為第五次推進(jìn)社會各領(lǐng)域快速發(fā)展主導(dǎo)技術(shù)。更主要是，傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)步往往會花費巨大自然資源，而“納米技術(shù)”則將在知識經(jīng)濟中成為最大節(jié)約再生資源和能源標(biāo)志。第19頁教授預(yù)言，借助納米技術(shù)，未來我們有可能用基因芯片、蛋白質(zhì)芯片組裝成“納米機器人”，經(jīng)過血管送入人體去偵察疾?。粩y帶DNA去更換或修復(fù)有缺點基因片段。有可能用納米藥品來阻斷血管餓死癌細(xì)胞。使用納米診療儀只需檢測微量血液就可從蛋白質(zhì)和DNA上診療出各種疾病。利用碳納米管，我們能夠搭建強度比鋼高一百倍，但重量只有鋼六分之一新型建筑，摩天大樓將修得更高。而用碳納米材料替換硅芯片，將引發(fā)電腦行業(yè)革命……第20頁未來會出現(xiàn)很多自然界并不存在強度高、對環(huán)境友好、節(jié)約能源和資源新型材料，這一影響不會低于現(xiàn)在計算機、微米技術(shù)給人類帶來影響。第21頁納米雖是一個尺度單位，但卻成為近年來最時髦商業(yè)“亮點”——“納米家電”、“納米水”、“納米服裝”等概念盛行一時。它們都是真納米嗎？當(dāng)前市場上納米產(chǎn)品，往往給人們帶來一些誤解。比如納米冰箱，通常是添加了氧化鈦納米無機物，具備了一定抗菌性能；所謂納米洗衣機，也只能說是添加了納米材料洗衣機，而且納米材料還只是應(yīng)用在滾筒洗衣機外桶內(nèi)壁上，對于最輕易產(chǎn)生污垢內(nèi)桶外壁還沒有很好處理方法。第22頁在當(dāng)前我國相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還是空缺情況下，這些產(chǎn)品能否被稱之為“納米產(chǎn)品”還是一個問題，而炒作相關(guān)納米概念顯然不是科學(xué)和負(fù)責(zé)任態(tài)度。第23頁從世界范圍看，納米研究正在向應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化努力，這也從側(cè)面說明“納米技術(shù)”離大規(guī)模應(yīng)用還有一個過程。比如美國前總統(tǒng)克林頓曾提出用一個方糖大小存放器可存下國家圖書館資料，這就是“納米晶體管”技術(shù)，但其當(dāng)前還僅是試驗室產(chǎn)品，不能用于大規(guī)模生產(chǎn)，原因在于改造成本過于昂貴、產(chǎn)品可靠性和耐久性難以驗證，“納米科技展示前景非常美好，但要想使納米材料真正大批量應(yīng)用在現(xiàn)實生活中，還需要科學(xué)家和政府不停努力?！钡?4頁納米，有時也會帶來傷害。不少教授對納米概念炒作表示出擔(dān)心。納米技術(shù)可能出現(xiàn)負(fù)效果，納米材料是非常小微粒，假如應(yīng)用不得當(dāng)，比如在一些藥品中任意應(yīng)用，也可能突破人體內(nèi)一些屏障，對人類健康造成傷害。課題組曾在一項中藥研究項目中提出納米方向，但有教授表示疑慮：這種藥材需要做到那么細(xì)嗎？詳細(xì)微小到什么程度能有最好療效？……這些都值得商榷。全方面對待納米技術(shù)帶來技術(shù)進(jìn)步和可能出現(xiàn)弊端，表明人們對納米技術(shù)認(rèn)識愈加理性、成熟。第25頁皮教授觀點與近日英國科學(xué)家針對納米危害提出一份匯報觀點相近。該匯報呼吁重視這種微粒給人類生活帶來影響，提議規(guī)范和檢驗納米產(chǎn)品，把納米產(chǎn)品對人體健康和環(huán)境潛在危害降到最低程度。第26頁當(dāng)前問題是，人們不清楚人造納米微粒及納米管被人體吸入、經(jīng)過皮膚吸收及在環(huán)境中蓄積，會給人體健康和環(huán)境帶來什么危害。他強調(diào)，當(dāng)前國內(nèi)對納米產(chǎn)品監(jiān)控還是一片空白，對于包括到普通市民安全納米產(chǎn)品，人們對應(yīng)該怎樣防護(hù)考慮得還不夠。納米技術(shù)是美好，但我們應(yīng)該把未來不確定性和風(fēng)險性降到最低，在這么情況下逐步發(fā)揮納米技術(shù)應(yīng)用潛力，為人類造福。第27頁納米科技·歷程

·1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎取得者理查德·費曼預(yù)言，人類能夠用小機器制作更小機器，最終將變成依據(jù)人類意愿，逐一地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早夢想?！?0世紀(jì)70年代，科學(xué)家開始從不一樣角度提出相關(guān)納米科技構(gòu)想，1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機械加工。第28頁·1982年，科學(xué)家創(chuàng)造研究納米主要工具——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了促進(jìn)作用。·1991年，碳納米管被人類發(fā)覺，它質(zhì)量是相同體積鋼六分之一，強度卻是鋼100倍，成為納米技術(shù)研究熱點。諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)為，碳納米管將是未來最正確纖維首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等。第29頁·1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機器企業(yè)在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)院北京真空物理試驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。第30頁·1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行碳納米管試驗時創(chuàng)造了世界上最小“秤”，它能夠稱量十億分之一克物體，即相當(dāng)于一個病毒重量；今后很快，德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子重量秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造紀(jì)錄?！さ?999年，納米技術(shù)逐步走向市場，整年納米產(chǎn)品營業(yè)額到達(dá)500億美元。近年來，一些國家紛紛制訂相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨款搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。第31頁在“超級纖維”領(lǐng)域?qū)嵙Σ蝗跷覈茖W(xué)家近年來也開展了相關(guān)研究，并于今年7月取得突破。西安交通大學(xué)朱長純教授率領(lǐng)小組采取新技術(shù)路徑，引導(dǎo)碳納米管有序、定向生長在導(dǎo)電硅片襯底上，并進(jìn)而研制出功效完備場發(fā)射像素管，因純度高，有序性好，場發(fā)射性能也大大提升，在碳納米管平板顯示器實用化進(jìn)程中做出了中國人獨特貢獻(xiàn)。第32頁和傳統(tǒng)顯示器比，這種顯示器不但體積小，重量輕，大大省電，顯示質(zhì)量好，而且響應(yīng)時間僅為幾微秒，從零下45度到零上85度都能正常工作，所以擁有極遼闊潛在市場前景。

碳納米管可制成極好微細(xì)探針和導(dǎo)線、性能頗佳加強材料、理想儲氫材料。它使壁掛電視深入成為可能，并在未來可能替換硅芯片納米芯片中飾演極主要角色，從而引發(fā)計算機行業(yè)革命。第33頁人們一直希望自己衣料能像荷花般出污泥而不染，現(xiàn)在這種夢想已由中國科學(xué)家實現(xiàn)。9月27日，中科院化學(xué)所教授宣告研制成功一個不粘油污、不粘水新型納米材料——超雙疏性界面材料。使用這種材料紡織品和建材，不用洗滌，也不沾染油污。這標(biāo)志著中國在納米材料研制方面