1、 第三节第三节 材料的开发和利用材料的开发和利用 冰箱、彩电、冰箱、彩电、洗衣机洗衣机v景泰蓝景泰蓝材料在人类发展的历史进程中有着极其重要的作用。材料在人类发展的历史进程中有着极其重要的作用。原始人利用石材原始人利用石材制造的工具。制造的工具。铸钟。我国是世界上掌握青铸钟。我国是世界上掌握青铜冶炼技术的国家之一。铜冶炼技术的国家之一。马踏飞燕。我国东汉马踏飞燕。我国东汉时期的艺术珍品。时期的艺术珍品。我国出土的铁制工具。我国出土的铁制工具。二、材料的导电性二、材料的导电性 实物图实物图材料材料 灯的灯的亮暗亮暗结论结论塑塑 料料 铜铜 铁铁 竹条竹条 铅笔铅笔芯芯（石（石墨）墨）亮亮不亮不亮不
2、亮不亮亮亮亮亮根据材料的导电性能：材料可分为根据材料的导电性能：材料可分为1，导体：，导体：容易导电容易导电的材料的材料2，绝缘体：，绝缘体：不容易导电不容易导电的材料的材料3，半导体：，半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间导电性能介于导体与绝缘体之间 的材料的材料 实物图实物图 操作操作现现象象 结论结论发发光光二二极极管管A接正接正B接负接负 A接负接负B接正接正实验探究：发光二极管的独特功能实验探究：发光二极管的独特功能二二极极管管发发光光二二极极管管不不发发光光发光发光二极二极管具管具有单有单向导向导电性电性 实物图实物图操作操作现现象象 结论结论光光敏敏电电阻阻1，光，光敏电敏电阻接
3、阻接入电入电路路2，再，再用手用手指捏指捏住光住光敏电敏电阻阻二二极极管管发发光光二二极极管管变变暗暗探究：光敏电阻的独特功能光敏光敏电阻电阻的阻的阻值随值随光照光照强度强度而改而改变。变。实物图实物图操作操作现象现象 结论结论热热敏敏电电阻阻1，热敏热敏电阻电阻接入接入电路电路2，再用再用烛焰烛焰加热加热灯灯不不亮亮灯灯亮亮热敏热敏电阻电阻的阻的阻值随值随温度温度改变改变而改而改变。变。探究：热敏电阻的独特功能太阳能电池原理当光照到某些半导体时，半导体内将会产生电流太阳能电池就根据这个原理制成的最新的微处理器奔腾双核酷睿处理器机器人无人探测器内部有大量半导体元件构成的电路三、开发新材料三、开
4、发新材料1.超导材料超导材料其中有一种性能较好的材料叫超导材料其中有一种性能较好的材料叫超导材料 为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们为了制造物美价廉、性能更好的物品，人们正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。正在不断地研究性能更好、更容易制造的材料。1911年，翁尼斯在研究汞电阻随温年，翁尼斯在研究汞电阻随温度的变化时，观察到在测试降低到度的变化时，观察到在测试降低到4.2K时，汞的电阻突然降低到测量时，汞的电阻突然降低到测量不到的微小值。从而发现超导电性。不到的微小值。从而发现超导电性。超导体超导体（1）超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度）超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附
5、近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量附近时，某些材料的电阻率突然减小到无法测量的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现的程度，可以认为其电阻率突然变为零，这种现象叫做象叫做超导现象超导现象，能够发生超导现象的物质称为能够发生超导现象的物质称为超导体超导体（2）转变温度转变温度TC ：材料由正常状态转变为超导状：材料由正常状态转变为超导状态的温度，叫做超导材料的转变温度态的温度，叫做超导材料的转变温度（3）超导体的两个基本特性：超导体的两个基本特性：零电阻性、抗磁性零电阻性、抗磁性超导材料出现以后，人们超导材料出现以后，人们首先想到的是利用超导体的零首先想到的是利用超导体的零电阻性实现远距
6、离大功率输电。电阻性实现远距离大功率输电。超导材料不仅电阻为零，超导材料不仅电阻为零，而且还有其它令人注目而且还有其它令人注目的特性。的特性。超导磁悬浮现象使人们想到可以利用超导超导磁悬浮现象使人们想到可以利用超导体来实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交体来实现交通工具的无摩擦运行，大大提高交通工具的安全性能和运行速度。通工具的安全性能和运行速度。2.纳米材料纳米材料(1)纳米是一个长度单位：纳米是一个长度单位：1nm=10-9m(2)1nm小到什么程度？小到什么程度？(10个分子紧密排布个分子紧密排布 的尺度，大约是一根头发丝的的尺度，大约是一根头发丝的1%)(3)纳米材料除了其基本单元空间
7、尺度小纳米材料除了其基本单元空间尺度小 外，在力、热、声、光、电、磁等方外，在力、热、声、光、电、磁等方 面还表现出许多特殊的性能。面还表现出许多特殊的性能。(4)纳米材料纳米材料纳米机械零件纳米机械零件药物做成纳米颗粒药物做成纳米颗粒将来人们可以用纳米技术一个一个地将来人们可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来将原子组装起来 制成各种纳米机器制成各种纳米机器 纳纳米米镜镜面面v纳米衣服不用洗、纳米衣服不用洗、“纳米水纳米水”喝出健康喝出健康从上从上世纪世纪90年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子被媒体推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：下子被媒体推到了市
8、民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究竟是种什么纳米究竟是种什么“米米”？怎么？怎么“种种”出来的？出来的？对我们的生活将产生怎样的影响？武汉对我们的生活将产生怎样的影响？武汉“种植纳种植纳米米”的水平如何？带着这些问题，本报记者探访的水平如何？带着这些问题，本报记者探访了武汉的一些高校和科研机构，请科学家来揭开了武汉的一些高校和科研机构，请科学家来揭开“纳米纳米”的面纱。的面纱。v纳米是种什么纳米是种什么“米米”？v近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容程学院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机构传真的机构传
9、真的“纳米硫纳米硫”订单。去年，地大在世界订单。去年，地大在世界上首次研制出上首次研制出“纳米硫磺纳米硫磺”，在面膜、膏霜等化，在面膜、膏霜等化妆品中应用纳米硫材料，对治疗脂溢性皮炎、螨妆品中应用纳米硫材料，对治疗脂溢性皮炎、螨虫、青春痘等有奇效。虫、青春痘等有奇效。v“纳米纳米”译自英文译自英文“nanometer”，它并不是什么特殊的，它并不是什么特殊的物质，而是一种度量单位。物质，而是一种度量单位。1纳米等于十亿分之一米，相纳米等于十亿分之一米，相当于针尖大小的百万分之一，约相当于当于针尖大小的百万分之一，约相当于45个原子串起来那个原子串起来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过
10、直接操纵么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。当单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。当物质颗粒小到物质颗粒小到100纳米以下，这种物质就可被称为纳米材纳米以下，这种物质就可被称为纳米材料。其物理性能与化学性质就会较原来有意想不到的巨变，料。其物理性能与化学性质就会较原来有意想不到的巨变，这些这些“巨变巨变”正在生物学、材料学、信息技术等各个领域正在生物学、材料学、信息技术等各个领域展开，它们对人类未来的生活产生重大影响。展开，它们对人类未来的生活产生重大影响。v纳米带来美好生活纳米带来美好生活v最近，新加坡科学家在利用纳米
11、技术治疗裂骨方面取得突最近，新加坡科学家在利用纳米技术治疗裂骨方面取得突破。实验中，专家在大鼠脚骨上制造了大约破。实验中，专家在大鼠脚骨上制造了大约3毫米的裂缝，毫米的裂缝，然后把以纳米材料制成的骨头构架植入裂缝中，结果然后把以纳米材料制成的骨头构架植入裂缝中，结果5个个月后成功让骨头完全愈合。这是纳米技术在医学领域的又月后成功让骨头完全愈合。这是纳米技术在医学领域的又一次成功应用，但一次成功应用，但“纳米纳米”究竟会给我们带来怎样的新生究竟会给我们带来怎样的新生活呢？活呢？v从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只有从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只有4次，而次，而“纳米纳
12、米”技术将成为第五次推动社会经济各领域快技术将成为第五次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。更重要的是，传统的技术进步往往会速发展的主导技术。更重要的是，传统的技术进步往往会耗费巨大的自然资源，而耗费巨大的自然资源，而“纳米技术纳米技术”则将在知识经济中则将在知识经济中成为最大的节省再生资源和能源的标志。成为最大的节省再生资源和能源的标志。v专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯片、蛋白质芯片组装成蛋白质芯片组装成“纳米机器人纳米机器人”，通过血管送入人体去，通过血管送入人体去侦察疾病；携带侦察疾病；携带DNA去更换或修复有缺陷的基因
13、片段。有去更换或修复有缺陷的基因片段。有可能用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞。使用纳米诊断仪可能用纳米药物来阻断血管饿死癌细胞。使用纳米诊断仪只需检测微量血液就可从蛋白质和只需检测微量血液就可从蛋白质和DNA上诊断出各种疾病。上诊断出各种疾病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重量利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但重量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。而只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命v未来会出现很多自然界并不存在的强度高、对环境友好、未来会出现很多自然
14、界并不存在的强度高、对环境友好、节省能源和资源的新型材料，这一影响不会低于现在的计节省能源和资源的新型材料，这一影响不会低于现在的计算机、微米技术给人类带来的影响。算机、微米技术给人类带来的影响。v纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商业纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商业“亮点亮点”“纳米家电纳米家电”、“纳米水纳米水”、“纳米服装纳米服装”等概念盛行一时。它们都是真纳米吗？目前市场上的纳米等概念盛行一时。它们都是真纳米吗？目前市场上的纳米产品，往往给人们带来一些误解。比如纳米冰箱，通常是产品，往往给人们带来一些误解。比如纳米冰箱，通常是添加了氧化钛的纳米无机物，具备了一
15、定的抗菌性能；所添加了氧化钛的纳米无机物，具备了一定的抗菌性能；所谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而谓纳米洗衣机，也只能说是添加了纳米材料的洗衣机，而且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，对于且纳米材料还只是应用在滚筒洗衣机外桶的内壁上，对于最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。最容易产生污垢的内桶的外壁还没有很好的解决办法。v在目前我国相关行业、产品技术标准还是空缺的情况下，在目前我国相关行业、产品技术标准还是空缺的情况下，这些产品能否被称之为这些产品能否被称之为“纳米产品纳米产品”还是一个问题，而炒还是一个问题，而炒作相关的纳米概念显然不是科学和负责任的态
16、度。作相关的纳米概念显然不是科学和负责任的态度。v从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努力，这也从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努力，这也从侧面说明从侧面说明“纳米技术纳米技术”离大规模的应用还有一个过程。离大规模的应用还有一个过程。比如美国前总统克林顿曾提出的用一个方糖大小的存储器比如美国前总统克林顿曾提出的用一个方糖大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是可存下国家图书馆的资料，这就是“纳米晶体管纳米晶体管”技术，技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于大规模生产，原因但其目前还仅是实验室产品，不能用于大规模生产，原因在于改造的成本过于昂贵、产品的可靠性和耐久性难以验在于改造
17、的成本过于昂贵、产品的可靠性和耐久性难以验证，证，“纳米科技展示的前景非常美好，但要想使纳米材料纳米科技展示的前景非常美好，但要想使纳米材料真正大批量应用在现实生活中，还需要科学家和政府的不真正大批量应用在现实生活中，还需要科学家和政府的不断努力。断努力。”v纳米，有时也会带来伤害纳米，有时也会带来伤害v不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应用不得当，比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内的一些屏比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内的
18、一些屏障，对人类的健康造成伤害。障，对人类的健康造成伤害。v课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但有专家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什家表示疑虑：这种药材需要做到那么细吗？具体微小到什么程度能有最好疗效？么程度能有最好疗效？这些都值得商榷。全面看待纳这些都值得商榷。全面看待纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们对纳米技术带来的技术进步和可能出现的弊端，表明人们对纳米技术的认识更加理性、成熟。米技术的认识更加理性、成熟。v皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出的一份皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害
19、提出的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米产品对人体来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。健康和环境的潜在危害降到最低限度。v目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在及纳米管被人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康和环境带来什环境中蓄积，会给人体健康和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监控还是一片空白，对于涉及到普通
20、市民监控还是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，人们对应当怎样防护考安全的纳米产品，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的，但我们虑得还不够。纳米技术是美好的，但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样的情况下逐步发挥纳米技术的应用在这样的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。潜力，为人类造福。v纳米科技纳米科技历程历程 v1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列
21、原子，器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。v20世纪世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。使用纳米技术一词描述精密机械加工。v1982年，科学家发明研究纳米的重要工具年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。世界，对纳米科技发展产生了积极的促进
22、作用。v1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的的六分之一，强度却是钢的100倍，成为纳米技术研究的倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，碳纳米管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。微开关以及纳米级电子线路等。v1993年，继年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下下斯坦福大学英文名字、斯坦福大学英文名字、1990
23、年美国国际商用机器公司在年美国国际商用机器公司在镍表面用镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。v1999年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明年，巴西和美国科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的了世界上最小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出即相当于一个病毒的重量；
24、此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。创造的纪录。v到到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。v在在超级纤维超级纤维领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究，并于今年相关研究，并于今年7月取得突月取得突 破。西安交通大学
25、朱长纯破。西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、教授率领的小组采用新的技术途径，引导碳纳米管有序、定向生长定向生长 在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备在导电的硅片衬底上，并进而研制出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场发的场发射像素管，因纯度高，有序性好，场发 射性能也射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化进程中做出了中国人的独特贡献。中国人的独特贡献。和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间大大省电，显示
26、质量好，而且响应时间 仅为几微秒，从仅为几微秒，从零下零下45度到零上度到零上85度都能正常工作，因此拥有极广阔的度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在市场前景。潜在市场前景。碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的碳纳米管可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂 电视进一步成为电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。的角色，从而引发计算机行业革命。v人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不人们一直希望自己的衣料能像荷
27、花般出污泥而不染，现在这种梦想已由中国科学家实现。昨天，染，现在这种梦想已由中国科学家实现。昨天，中科院化学所专家宣布研制成功一种不粘油污、中科院化学所专家宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料不粘水的新型纳米材料-超双疏性界面材料。使超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不沾用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不沾染油污。这标志着中国在纳米材料研制方面的又染油污。这标志着中国在纳米材料研制方面的又一新突破。纳米是一种长度单位，一纳米等于十一新突破。纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，大约相当于几十个原子的长度。科亿分之一米，大约相当于几十个原子的长度。科
28、学家发现，当材料组成的精度达到纳米级时，物学家发现，当材料组成的精度达到纳米级时，物质就能表现出一些新特性，从而为新材料的产生质就能表现出一些新特性，从而为新材料的产生创造条件。最具有说明性的例子就是，改变碳原创造条件。最具有说明性的例子就是，改变碳原子的排列结构，能把廉价的石墨变成价值连城的子的排列结构，能把廉价的石墨变成价值连城的钻石。因此，纳米技术是当今各国科技界竞争的钻石。因此，纳米技术是当今各国科技界竞争的焦点焦点。练习一练习一电阻电阻超导转变超导转变超导临界超导临界TC超导磁悬浮超导磁悬浮1100nm电阻为零电阻为零电能电能超导磁悬浮超导磁悬浮练习二练习二1、关于超导材料的下列说法
29、中错误的是（、关于超导材料的下列说法中错误的是（）A、超导材料是一种电阻为零的材料、超导材料是一种电阻为零的材料B、用很细的超导丝可以输送强大的电流、用很细的超导丝可以输送强大的电流C、超导材料电阻只能接近零，不可能等于零、超导材料电阻只能接近零，不可能等于零D、用超导材料输电时，输送电路中无损耗、用超导材料输电时，输送电路中无损耗2、下列关于纳米的叙述错误的是（）、下列关于纳米的叙述错误的是（）、纳米是一个长度单位，符号是、纳米是一个长度单位，符号是nmB、人们在纳米尺度内发现了很多的新现象，给技术上带、人们在纳米尺度内发现了很多的新现象，给技术上带 来很多新发展来很多新发展C、纳米技术是现代化科学的前沿，我国在这方面的研究具有世界、纳米技术是现代化科学的前沿，我国在这方面的研究具有世界 先进水平先进水平D、所有的高分子科技产品都与纳米技术有关、所有的高分子科技产品都与纳米技术有关CD再见再见
