1、第三节 材料的开发和利用 1.1.知道材料对人类社会发展的促进作用。知道材料对人类社会发展的促进作用。 2.2.知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道半导知道导体、绝缘体、半导体导电性能的差异，知道半导 体二极管的单向导电性。体二极管的单向导电性。 3.3.知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超导材料具知道超导材料是一种电阻为零的材料，知道超导材料具 有超导磁悬浮的特性。有超导磁悬浮的特性。 4.4.了解纳米材料的有关知识。了解纳米材料的有关知识。 我们周围的材料我们周围的材料 材料与社会发展材料与社会发展 人类社会的发展与人们对材料的认识、开发和人类社会的发展与人们对材料的认识、开发
2、和 利用密切相关，人类发展过程中先后经历了石利用密切相关，人类发展过程中先后经历了石 器时代、青铜时代和钢铁材料时代。器时代、青铜时代和钢铁材料时代。 材料的导电性材料的导电性 根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导根据材料的导电性能，材料可分为导体、半导 体及绝缘体三大类。体及绝缘体三大类。 容易导电的材料是导体容易导电的材料是导体 不容易导电的材料是绝缘体不容易导电的材料是绝缘体 半导体可以制成二极管、三极管等半导体元件半导体可以制成二极管、三极管等半导体元件 和集成电路和集成电路 半导体二极管有单向导电性，半导体三极管可以半导体二极管有单向导电性，半导体三极管可以 用来放大电信号用来放
3、大电信号 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，人们正在不断为了制造物美价廉、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。地研究性能更好、更容易制造的材料。 19111911年，昂内斯在研究汞电阻年，昂内斯在研究汞电阻 随温度的变化时，观察到在测随温度的变化时，观察到在测 试温度降低到试温度降低到4.2K4.2K时，汞的电时，汞的电 阻突然降低到测量不到的微小阻突然降低到测量不到的微小 值。从而发现超导现象。值。从而发现超导现象。 一、超导材料一、超导材料 探索新材料探索新材料 超 导 体超 导 体 1.1.
4、超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，某超导现象和超导体：当温度降低到绝对零度附近时，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，这种现象叫做电阻率突然变为零，这种现象叫做超导现象超导现象，能够发生超，能够发生超 导现象的物质称为导现象的物质称为超导体超导体。 2.2.转变温度转变温度T TC C ：材料由正常状态转变为超导状态的温度，：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。叫做超导材料的转变温度。 3.3.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
5、 超导材料出现以后，人超导材料出现以后，人 们首先想到的是利用超导体们首先想到的是利用超导体 的零电阻性实现远距离大功的零电阻性实现远距离大功 率输电。率输电。 很细的超导丝就可以很细的超导丝就可以 输送强大的电流输送强大的电流 超导材料不仅超导材料不仅 电阻为零，而电阻为零，而 且还有其他令且还有其他令 人注目的特性。人注目的特性。 超导磁悬浮现象使人们想到可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以利用超导体来实现交通工具的无 摩擦运行，大大提高交通工具的安摩擦运行，大大提高交通工具的安 全性能和运行速度。全性能和运行速度。 1 1. .纳米是一个长度单位：纳米是一个长度
6、单位：1 1nm=nm=1010- -9 9m m 2.1nm2.1nm小到什么程度？小到什么程度？(10(10个分子紧密排布的长度，大个分子紧密排布的长度，大 约是一根头发丝的约是一根头发丝的1%)1%) 3.3.纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、热、纳米材料除了其基本单元空间尺度小外，在力、热、 声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。声、光、电、磁等方面还表现出许多特殊的性能。 二、纳米材料二、纳米材料 4.4.纳米材料纳米材料 纳米颗粒材料纳米颗粒材料 碳纳米管碳纳米管 纳米超晶格纳米超晶格 想象中的纳米想象中的纳米“机器人机器人” 计算机芯片中的纳米导线计算机芯片中的纳米
7、导线 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将来人们可以用纳米技术 一个一个地将原子组装起一个一个地将原子组装起 来制成各种纳米机器来制成各种纳米机器 纳纳 米米 镜镜 面面 纳米衣服不用洗、“纳米水”喝出健康纳米衣服不用洗、“纳米水”喝出健康从上世纪从上世纪 9090年代起，实验室里的尖端科技纳米技术一下子被媒体推年代起，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：纳米究竟是种什么到了市民面前，它神秘又令人憧憬：纳米究竟是种什么 “米”？怎么“种”出来的？对我们的生活将产生怎样的“米”？怎么“种”出
8、来的？对我们的生活将产生怎样的 影响？武汉“种植纳米”的水平如何？带着这些问题，本影响？武汉“种植纳米”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“纳米”的面纱。开“纳米”的面纱。 纳米是种什么“米”？纳米是种什么“米”？ 近日，中国地质大学（武汉）材料科学与化学工程学近日，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机构传真的院的纳米研究课题组再次接到了深圳某美容机构传真的 “纳米硫”订单。去年，地大在世界上首次研制出“纳米“纳米硫”订单。去年，地大在世界上首次研制
9、出“纳米 硫磺”，在面膜、膏霜等化妆品中应用纳米硫材料，对治硫磺”，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、螨虫、青春痘等有奇效。疗脂溢性皮炎、螨虫、青春痘等有奇效。 “纳米”译自英文“纳米”译自英文“nanometer”nanometer”，它并不是什么特，它并不是什么特 殊的物质，而是一种度量单位。殊的物质，而是一种度量单位。1 1纳米等于十亿分之一米，纳米等于十亿分之一米， 相当于针尖大小的百万分之一，约相当于相当于针尖大小的百万分之一，约相当于4545个原子串起个原子串起 来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过直来那么长。纳米技术就是指在纳米尺寸范围内，通过直
10、 接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新接操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新 物质。当物质颗粒小到物质。当物质颗粒小到100100纳米以下，这种物质就可被称纳米以下，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，这些“巨变”正在生物学、材料学、信息不到的巨变，这些“巨变”正在生物学、材料学、信息 技术等各个领域展开，它们将对人类未来的生活产生重技术等各个领域展开，它们将对人类未来的生活产生重 大影响。大影响。 纳米带来美好生活纳米带来美好生活 最近，新加坡科学家在利用纳米技术治疗裂骨方面最近
11、，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取得突破。实验中，专家在大鼠脚骨上制造了大约3 3毫米毫米 的裂缝，然后把用纳米材料制成的骨头构架植入裂缝中，的裂缝，然后把用纳米材料制成的骨头构架植入裂缝中， 结果结果5 5个月后成功让骨头完全愈合。这是纳米技术在医学个月后成功让骨头完全愈合。这是纳米技术在医学 领域的又一次成功应用，但“纳米”究竟会给我们带来领域的又一次成功应用，但“纳米”究竟会给我们带来 怎样的新生活呢？怎样的新生活呢？ 从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只从第一次工业革命到现在，真正称得上主导技术的只 有有4 4次，而“纳米
12、”技术将成为第五次推动社会各领域快次，而“纳米”技术将成为第五次推动社会各领域快 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“纳米技术”则将在知识经济中耗费巨大的自然资源，而“纳米技术”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。 专家预言，借助纳米技术，未来我们有可能用基因芯专家预言，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“纳米机器人”，通过血管送入人片、蛋白质芯片组装成“纳米机器人”，通过血管送入人 体去侦察疾病；携带体去侦察疾病；携带DNAD
13、NA去更换或修复有缺陷的基因片段。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 仪只需检测微量血液就可从蛋白质和仪只需检测微量血液就可从蛋白质和DNADNA上诊断出各种疾上诊断出各种疾 病。利用碳纳米管，我们可以搭建强度比钢高一百倍，但病。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。重量只有钢的六分之一的新型建筑，摩天大楼将修得更高。 而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命而用碳纳米材料替代硅芯片，将引发电脑行业的革命 未来会出现很多自然界并不
14、存在的强度高、对环境友未来会出现很多自然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 的计算机、微米技术给人类带来的影响。的计算机、微米技术给人类带来的影响。 纳米虽是一个尺度单位，但却成为近年来最时髦的商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”业“亮点”“纳米家电”、“纳米水”、“纳米服装”纳米家电”、“纳米水”、“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
15、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。 在目前我国相关行业、产品技术标准还是空缺的情况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“纳米产品”还是一个问题，下，这些产品
16、能否被称之为“纳米产品”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度。而炒作相关的纳米概念显然不是科学和负责任的态度。 从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努从世界范围看，纳米研究正在向应用和产业化努 力，这也从侧面说明力，这也从侧面说明“纳米技术纳米技术”离大规模的应用还有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 大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是大小的存储器可存下国家图书馆的资料，这就是“纳米纳米 晶体管晶体管”技术，但其目前还仅是实验室产品，不能用于技术，但其目前还仅是实验室产品，不
17、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证，靠性和耐久性难以验证，“纳米科技展示的前景非常美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，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断努力。还需要科学家和政府的不断努力。” 纳米，有时也会带来伤害。纳米，有时也会带来伤害。 不少专家对纳米概念的炒作表示出担心。纳米技术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，如果应用不可能出现负效果，纳米材料是非常小的微粒，如果应
18、用不 得当，得当， 比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内比如在一些药物中任意应用，也可能突破人体内 的一些屏障，对人类的健康造成伤害。的一些屏障，对人类的健康造成伤害。 课题组曾在一项中药研究项目中提出纳米的方向，但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 到什么程度能有最好疗效？到什么程度能有最好疗效？这些都值得商榷。全面看这些都值得商榷。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 对纳米技术的认识更加理性、成熟。
19、对纳米技术的认识更加理性、成熟。 皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出皮教授的观点与近日英国科学家针对纳米危害提出 的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人的一份报告的观点相近。该报告呼吁重视这种微粒给人 类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米类生活带来的影响，建议规范和检验纳米产品，把纳米 产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。产品对人体健康和环境的潜在危害降到最低限度。 目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被目前的问题是，人们不清楚人造纳米微粒及纳米管被 人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体健康人体吸入、通过皮肤吸收及在环境中蓄积，会给人体
20、健康 和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监和环境带来什么危害。他强调，目前国内对纳米产品的监 控还是一片空白，对于涉及到普通市民安全的纳米产品，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虑得还不够。纳米技术是美好的，人们对应当怎样防护考虑得还不够。纳米技术是美好的， 但我们应该把未来的不确定性和风险性降到最低，在这样但我们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潜力，为人类造福。的情况下逐步发挥纳米技术的应用潜力，为人类造福。 纳米科技纳米科技历程历程 19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德年，著名
21、物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼费曼 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，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳 米技术最早的梦想。米技术最早的梦想。 2020世纪世纪7070年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科 技的构想，技的构想，19741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一年，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。词描述精密机械加工。 19821982年，科学家发明研究纳米的重要工具年，科学家发
22、明研究纳米的重要工具扫描隧道扫描隧道 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 发展产生了促进作用。发展产生了促进作用。 19911991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100100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
23、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。 19931993年，继年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下 斯坦福大学英文名字、斯坦福大学英文名字、19901990年美国国际商用机器公司在镍年美国国际商用机器公司在镍 表面用表面用3636个氙原子排出“个氙原子排出“IBM”IBM”之后，中国科学院北京真之后，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“中国”二字，标空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标 志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 19991999年
24、，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“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，了世界上最小的“秤”，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；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。 到到19991999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500500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战亿美
25、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。 在“超级纤维”领域实力不弱的我国科学家近年来在“超级纤维”领域实力不弱的我国科学家近年来 也开展了相关研究，并于今年也开展了相关研究，并于今年7 7月取得突破。西安交通大月取得突破。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、定向生长在导电的硅片衬底上，并进而研制米管有序、定向生长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，场出功能完备的场发射像素管，因纯度高，有序
26、性好，场 发发 射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化射性能也大大提高，在碳纳米管平板显示器的实用化 进程中做出了中国人的独特贡献。进程中做出了中国人的独特贡献。 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，而且响应时间仅为几微秒，从零大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从零 下下4545度到零上度到零上8585度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在度都能正常工作，因此拥有极广阔的潜在 市场前景。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
27、料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可 能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片中扮演极重要的能，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。角色，从而引发计算机行业革命。 人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现 在这种梦想已由中国科学家实现。在这种梦想已由中国科学家实现。20002000年年9 9月月2727日，中科院化日，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 料料超双疏性
28、界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，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，也不沾染油污。这标志着中国在纳米材料研制方不用洗涤，也不沾染油污。这标志着中国在纳米材料研制方 面的又一新突破。纳米是一种长度单位，一纳米等于十亿分面的又一新突破。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。科学家发现，当材之一米，大约相当于几十个原子的长度。科学家发现，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，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创造条件。最具有说明性的例子就是，从而为新材料的产生创造条件。最具有说明
29、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钻改变碳原子的排列结构，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焦点。石。因此，纳米技术是当今各国科技界竞争的焦点。 电阻电阻 超导转变超导转变 超导临界超导临界 T TC C 超导磁悬浮超导磁悬浮 1 1100nm100nm . . . . . . 电阻为零电阻为零 电能电能 超导磁悬浮超导磁悬浮 . . . . 延展性延展性 硬度硬度 弹性弹性 绝缘体绝缘体 半导体半导体 导体导体 三极管三极管 二极管二极管 材材 料料 常见材料常见材料 半导体材料半导体材料 探索新材料探索新材料 应用应用 超超 导导 材材 料料 纳纳 米米 材材 料料 聪明出于勤奋，天才在于积累。 华罗庚
