1、納米材料和技術納米材料和技術昆明理工大學昆明理工大學 陶靜梅陶靜梅第一章第一章 納米材料概述納米材料概述引言引言納米材料是材料科學領域發展的重要成果之一納米材料是材料科學領域發展的重要成果之一，人們希望通過運用納米技術制備比傳統材料人們希望通過運用納米技術制備比傳統材料體積體積更小更小、質量更輕質量更輕、性能更好性能更好的材料。的材料。納米技術涉及了一個綜合的交叉領域，納米技術涉及了一個綜合的交叉領域，需要通過需要通過物理、化學、材料、生物、機械和電子工程等領物理、化學、材料、生物、機械和電子工程等領域的科學家的共同努力來實現。域的科學家的共同努力來實現。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述

2、納米是連接原子、分子和宏觀世界的橋梁納米是連接原子、分子和宏觀世界的橋梁，當材，當材料的結構單元在納米尺度以下時，表現出了不同料的結構單元在納米尺度以下時，表現出了不同于宏觀體材料的特殊性質，于宏觀體材料的特殊性質，納米尺度的結構對材納米尺度的結構對材料的特性起到了決定性的作用料的特性起到了決定性的作用，也擴大了材料的，也擴大了材料的應用范圍。應用范圍。納米科技目前還處在起步和發展的階段納米科技目前還處在起步和發展的階段，遠遠沒，遠遠沒有達到成熟，仍舊需要大量深入的研究工作，納有達到成熟，仍舊需要大量深入的研究工作，納米技術在人們日常的生產和生活中的應用也才剛米技術在人們日常的生產和生活中的應

3、用也才剛剛開始，實用化和產業化尚需解決大量的科學和剛開始，實用化和產業化尚需解決大量的科學和工程問題。工程問題。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述納米有多小？納米有多小？狹義上的納米僅僅是一般用于原子和分子尺度下狹義上的納米僅僅是一般用于原子和分子尺度下的一個長度測量單位，的一個長度測量單位，1納米（納米（nm）等于）等于10-9m，即，即1m的十億分之一，是微觀尺度的核心。的十億分之一，是微觀尺度的核心。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述第一章第一章 納米材料概述納米材料概述第一章第一章 納米材料概述納米材料概述一、自然界中的納米結構與納米材料一、自然界中的納米結構與納米材料其其實實

4、我我們們生活的自然生活的自然環境環境中中早就存在早就存在納納米的米的現現象。象。比方比方說說：蓮蓮葉表面不沾污葉表面不沾污泥，或者是泥，或者是鴨鴨子在水中游子在水中游泳，但翅膀泳，但翅膀并并不透水。科不透水。科學學家研究家研究后后，才，才發發現現這這些些物物質質的表面的表面結構結構都呈都呈納納米米尺寸尺寸 。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述1、自我潔凈的白、自我潔凈的白蓮花效應蓮花效應蓮花花面是由一層極蓮花花面是由一層極細致的表面所組成，細致的表面所組成，此表面即使放大千百此表面即使放大千百倍也看不見任何細孔，倍也看不見任何細孔，因為蓮花的因為蓮花的表面結構表面結構與粗糙度為納米尺寸與粗

5、糙度為納米尺寸大小大小，所以不易沾惹，所以不易沾惹塵埃。塵埃。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述第一章第一章 納米材料概述納米材料概述左圖為非納米結構左圖為非納米結構的表面，水珠滾動時的表面，水珠滾動時無法將灰塵帶走無法將灰塵帶走右圖為具有納米結構右圖為具有納米結構的表面，水珠滾動時的表面，水珠滾動時可將灰塵帶走可將灰塵帶走第一章第一章 納米材料概述納米材料概述2、昆蟲翅膀的自潔作用、昆蟲翅膀的自潔作用飛行中的昆蟲必須保持翅膀的平衡，即使上面沾有一點點飛行中的昆蟲必須保持翅膀的平衡，即使上面沾有一點點灰塵或水滴，也會因重量不平衡而造成飛行上的問題。尤灰塵或水滴，也會因重量不平衡而造成飛行上

6、的問題。尤其是一些翅膀較大昆蟲，因為無法以腿部進行清潔，所以其是一些翅膀較大昆蟲，因為無法以腿部進行清潔，所以在在翅膀表面多具有納米結構翅膀表面多具有納米結構，可減少與污垢的接觸面，水，可減少與污垢的接觸面，水珠也較不易停留在翅膀上。珠也較不易停留在翅膀上。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述3、漆黑的飛蛾眼睛、漆黑的飛蛾眼睛飛蛾的眼睛看起來異常漆黑而且不會反光，所以在夜間飛飛蛾的眼睛看起來異常漆黑而且不會反光，所以在夜間飛行時，不容易為敵人所察覺。這是因為在其行時，不容易為敵人所察覺。這是因為在其角膜表面具有角膜表面具有納米級的微小突起構造納米級的微小突起構造，由于比光線的波長還小，所以反

7、，由于比光線的波長還小，所以反光性極低，而且似乎可以吸收來自四面八方的光線。光性極低，而且似乎可以吸收來自四面八方的光線。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述4、五彩繽紛的蝴蝶翅膀、五彩繽紛的蝴蝶翅膀某些生物的顏色特別繽紛燦爛，例如甲殼蟲、魚鱗及蝴蝶某些生物的顏色特別繽紛燦爛，例如甲殼蟲、魚鱗及蝴蝶翅膀。科學家發現這與光子晶體（翅膀。科學家發現這與光子晶體（photonic crystal）的）的顯微結構有關。所謂顯微結構有關。所謂“光子晶體光子晶體”是指物質呈特殊的周期是指物質呈特殊的周期性排列，性排列，可以反射特定波長的可見光。蝴蝶翅膀具有這種可以反射特定波長的可見光。蝴蝶翅膀具有這種類

8、似光子晶體的網狀結構類似光子晶體的網狀結構，其周期在數百個納米左右，可，其周期在數百個納米左右，可反射部分顏色的光，其余顏色的光則會穿透過去，而且顏反射部分顏色的光，其余顏色的光則會穿透過去，而且顏色會隨觀看角度的不同而改變。色會隨觀看角度的不同而改變。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述5、會回家的動物、會回家的動物許多昆蟲及動物都具有辨識方向許多昆蟲及動物都具有辨識方向的能力，即使離家千里，終能找的能力，即使離家千里，終能找到回家之路，例如螞蟻、蜜蜂、到回家之路，例如螞蟻、蜜蜂、鴿子和鮭魚等。科學家發現，這鴿子和鮭魚等。科學家發現，這些生物體內都些生物體內都存有納米級的磁性存有納米級的磁

9、性粒子粒子，這些納米磁性粒子即為磁，這些納米磁性粒子即為磁場感應器，也像是個生物磁羅盤，場感應器，也像是個生物磁羅盤，使這類生物在地磁場導航下能辨使這類生物在地磁場導航下能辨識方向，找到回家的路。識方向，找到回家的路。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述6、納米與人體、納米與人體1納米大約等于頭發直徑納米大約等于頭發直徑的80000分之一1個DNA直徑為直徑為2納米納米人體細胞的細胞膜厚約在人體細胞的細胞膜厚約在7-10納米之間納米之間人類小腸壁上布滿折皺及絨毛，絨毛上又覆蓋了一層微絨人類小腸壁上布滿折皺及絨毛，絨毛上又覆蓋了一層微絨毛，直徑約毛，直徑約90-100納米，使吸收效率提高了納米

10、，使吸收效率提高了600倍倍（0.5m2300m2）人人類類和和動動物的牙物的牙齒齒堅硬堅硬無無比，能承受比，能承受極極大且不大且不斷斷咀嚼的咀嚼的磨磨損損和和壓壓力，原因是在牙力，原因是在牙齒齒的外表排列的外表排列著著納米尺寸的微納米尺寸的微小晶小晶體體。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述二、納米與工業革命二、納米與工業革命第四次工業革命第四次工業革命在現代社會積極追求輕、薄、短、小的科技產品時也同時在現代社會積極追求輕、薄、短、小的科技產品時也同時要求其精確度、靈敏度、傳輸速度、處理速度與多功能性。要求其精確度、靈敏度、傳輸速度、處理速度與多功能性。但傳統理論與現有技術發展出來的現代科

11、技，已逐漸無法但傳統理論與現有技術發展出來的現代科技，已逐漸無法滿足上述要求。滿足上述要求。在諸多社會、文化、經濟、政治背景下，第四次工業革命在諸多社會、文化、經濟、政治背景下，第四次工業革命蓄勢待發。這一次將以蓄勢待發。這一次將以“納米納米”為主軸，故稱為為主軸，故稱為“納米化納米化”的革命。的革命。在這波工業革命中，過去古典科學理論將被打破，個學術在這波工業革命中，過去古典科學理論將被打破，個學術領域藩籬也將被拆除，各科技領域將重新整合。領域藩籬也將被拆除，各科技領域將重新整合。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述1、納米與民生化、納米與民生化納米纖維納米纖維大多數有機的抗菌除臭劑，有耐

12、熱低、揮發性高及容易大多數有機的抗菌除臭劑，有耐熱低、揮發性高及容易分解的缺點，故無機抗菌除臭劑因應而生。無機二氧化分解的缺點，故無機抗菌除臭劑因應而生。無機二氧化鈦光觸媒經紫外線照射，產生電子與電洞后，再與水及鈦光觸媒經紫外線照射，產生電子與電洞后，再與水及氧反應形成具有強大氧化與還原能力的自由基，可殺死氧反應形成具有強大氧化與還原能力的自由基，可殺死病菌、分解臭味。當二氧化鈦加入纖維時，可消除惱人病菌、分解臭味。當二氧化鈦加入纖維時，可消除惱人異味并防止病菌滋長。異味并防止病菌滋長。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述2、納米涂料及化妝品、納米涂料及化妝品納米粉體不易散射及反射光線，可大

13、幅提高光穿透性。納米粉體不易散射及反射光線，可大幅提高光穿透性。透明的納米顏料可應用于高畫質的噴墨彩色列印，并在透明的納米顏料可應用于高畫質的噴墨彩色列印，并在化妝品業界廣泛使用。化妝品業界廣泛使用。無機納米材料在涂料中均勻分散時，產生氣阻作用，可無機納米材料在涂料中均勻分散時，產生氣阻作用，可有效減緩金屬氧化或腐蝕速度，成為優良防腐涂料。有效減緩金屬氧化或腐蝕速度，成為優良防腐涂料。利用納米顆粒吸收紅外線或雷達電磁波的特性，可使涂利用納米顆粒吸收紅外線或雷達電磁波的特性，可使涂覆此種隱形涂料的物體，在偵測器下不被偵查到。覆此種隱形涂料的物體，在偵測器下不被偵查到。第一章第一章 納米材料概述納

14、米材料概述3、環保及觸媒、環保及觸媒利用光觸媒的超親水性效應，可制成自潔性材料，不需利用光觸媒的超親水性效應，可制成自潔性材料，不需額外人工清洗，僅以雨水便可常保大廈外墻及玻璃潔凈。額外人工清洗，僅以雨水便可常保大廈外墻及玻璃潔凈。納米顆粒的高比表面積及高化學活性，成為化學反應中納米顆粒的高比表面積及高化學活性，成為化學反應中的優良催化劑，可大幅提升化工反應中的生成物轉化率的優良催化劑，可大幅提升化工反應中的生成物轉化率及選擇率，提高產量并減少副產物生成，有效降低環境及選擇率，提高產量并減少副產物生成，有效降低環境污染，而達到清潔效能。污染，而達到清潔效能。第一章第一章 納米材料概述納米材料概

15、述4、納米與光電、納米與光電太陽能電池太陽能電池太陽能電池是將光轉換成電，屬于既廉價且干凈的能源，太陽能電池是將光轉換成電，屬于既廉價且干凈的能源，但過去受限于光電轉換效率低及元件價格高，使用并不但過去受限于光電轉換效率低及元件價格高，使用并不普及。然而使用普及。然而使用納米二氧化鈦的薄膜型太陽能電池納米二氧化鈦的薄膜型太陽能電池，可，可大幅簡化制作程序，降低成本。納米粒子上所吸附的感大幅簡化制作程序，降低成本。納米粒子上所吸附的感光性染料有高光吸收率，且納米粒子有高速傳輸電子及光性染料有高光吸收率，且納米粒子有高速傳輸電子及避免電子與電洞結合的特性，故可大幅提升光電轉換效避免電子與電洞結合的

16、特性，故可大幅提升光電轉換效率。率。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述5、納米機電、納米機電納米轉子納米轉子 由美國加州伯克利大學物理系教授由美國加州伯克利大學物理系教授Alex Zettl等人設計等人設計及制造的納米轉子（及制造的納米轉子（nano-rator），比人的頭發直徑小），比人的頭發直徑小2000倍，是世界上最小的轉子。該納米轉子以長約倍，是世界上最小的轉子。該納米轉子以長約300納米的長方形金箔為葉片，架設在以多壁式納米的長方形金箔為葉片，架設在以多壁式納納米碳管構米碳管構成的轉軸上，軸的兩端接上由金構成的電極，整個元件成的轉軸上，軸的兩端接上由金構成的電極，整個元件通過電極

17、固定在硅晶上。透過電極及碳管間施加電壓，通過電極固定在硅晶上。透過電極及碳管間施加電壓，可使碳管最外層分子受力做旋轉，架在其上的葉片也隨可使碳管最外層分子受力做旋轉，架在其上的葉片也隨之轉動。這個奇妙的納米元件可應用于高速切換及導引之轉動。這個奇妙的納米元件可應用于高速切換及導引信號的反射鏡，及利用葉片共振頻率作為化學感應器。信號的反射鏡，及利用葉片共振頻率作為化學感應器。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述6、納米與生物科技、納米與生物科技基因工程基因工程將好的將好的DNA片段插入細胞原有的片段插入細胞原有的DNA內，使細胞展現內，使細胞展現所希望的特性（基因療法、動植物品種改良）。以往科

18、所希望的特性（基因療法、動植物品種改良）。以往科學家多利用病毒將所欲的學家多利用病毒將所欲的DNA片段送入細胞核內，但片段送入細胞核內，但缺點是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究將缺點是病毒具有毒性，成功率不高。最新研究將DNA片段壓縮裝進高分子微粒中（片段壓縮裝進高分子微粒中（25納米以下），可明顯納米以下），可明顯提高改造成功率，卻沒有毒性或免疫反應，有效性與安提高改造成功率，卻沒有毒性或免疫反應，有效性與安全性大為改善。全性大為改善。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述7、納米與醫學、納米與醫學藥物傳輸藥物傳輸納米藥物的研究以癌癥治療為主。癌細胞周圍會伴隨很納米藥物的研究以癌癥治療為主

19、。癌細胞周圍會伴隨很多新生的微血管，但因結構不夠完整而有許多多新生的微血管，但因結構不夠完整而有許多300600納米的小孔。科學家將抗癌藥物包裹在納米的小孔。科學家將抗癌藥物包裹在100nm左右的左右的微粒中，其大小可穿透癌細胞旁的微血管，并進入癌細微粒中，其大小可穿透癌細胞旁的微血管，并進入癌細胞內釋放出藥物，但無法越過正常細胞的微血管（孔隙胞內釋放出藥物，但無法越過正常細胞的微血管（孔隙在在80納米以下），故不會對正常細胞產生毒性。納米以下），故不會對正常細胞產生毒性。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述三、納米材料的定義與分類三、納米材料的定義與分類1、定義、定義納米材料表示了該類物質

20、材料的納米材料表示了該類物質材料的結構單元結構單元或其或其在某一維度在某一維度的尺寸在納米級別的尺寸在納米級別，一般認為納米級別的范圍在，一般認為納米級別的范圍在1-100nm內。內。當物質臨界尺度低于當物質臨界尺度低于100nm時，表現出了不同于傳統時，表現出了不同于傳統宏觀材料的新穎的特性及功能。宏觀材料的新穎的特性及功能。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述2、納米材料的分類、納米材料的分類為了正確的理解納米材料，對其進行合理的分類是必為了正確的理解納米材料，對其進行合理的分類是必要的。要的。最典型的分類方法：最典型的分類方法：根據納米材料的根據納米材料的維數維數進行分類。進行分類。0

21、-維（納米顆粒）維（納米顆粒）1-維（納米線、納米管、納米棒）維（納米線、納米管、納米棒）2-維（納米薄膜、納米涂層）維（納米薄膜、納米涂層）3-維（納米塊體）維（納米塊體） 其中數字代表不在納米尺度級別（其中數字代表不在納米尺度級別（100nm）的維數。）的維數。 第一章第一章 納米材料概述納米材料概述0-維納米材料：維納米材料：指該類材料在所有維度上的尺寸都在納指該類材料在所有維度上的尺寸都在納米尺度范圍內。米尺度范圍內。最具有代表性的最具有代表性的0-維納米材料是維納米材料是納米顆粒納米顆粒。納米顆粒既可以是非晶體材料，也可以是晶體材料；納米顆粒既可以是非晶體材料，也可以是晶體材料；既可

22、以是單晶體，也可以是多晶體；既可以是單晶體，也可以是多晶體；可以由一種或多種元素組成；可以由一種或多種元素組成；可以具有不同的形狀和結構；可以具有不同的形狀和結構；可以單獨存在，也可以存在于某一基體內；可以是金屬、可以單獨存在，也可以存在于某一基體內；可以是金屬、陶瓷或高分子材料。陶瓷或高分子材料。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述1-維納米材料：維納米材料：指該類材料有指該類材料有1個維度的尺寸超過了納個維度的尺寸超過了納米尺度的范圍，即材料米尺度的范圍，即材料呈現出針狀的外形呈現出針狀的外形。1-維納米材料包括維納米材料包括納米線、納米管和納米棒納米線、納米管和納米棒。1-維納米材料同

23、樣既可以是非晶體，也可以是晶體材維納米材料同樣既可以是非晶體，也可以是晶體材料；料；既可以是單晶體，也可以是多晶體；既可以是單晶體，也可以是多晶體；可以由同一種或多種化學元素構成；可以由同一種或多種化學元素構成；可以單獨存在，或鑲嵌于另一基體中；可以單獨存在，或鑲嵌于另一基體中；可以是金屬、陶瓷或高分子材料。可以是金屬、陶瓷或高分子材料。第一章第一章 納米材料概述納米材料概述2-維納米材料：維納米材料：指該類材料有指該類材料有2個維度的尺寸超過了納個維度的尺寸超過了納米尺度的范圍，因此米尺度的范圍，因此2-維納米材料維納米材料具有層片狀外形具有層片狀外形。2-維納米材料包括維納米材料包括納米薄膜、納米片層和納米涂層。納米薄膜、納米片層和納米涂層。這類納米材料可以是非晶體或晶體材料；這類納米材料可以是非晶體或晶體材料；可以由同一種或多種化學元素組成；可以由同一種或多種化學元素組成；可作為單層或多層結構使用；可作為單層或多層結構使用；可以沉積于