第三節(jié)__材料的開發(fā)和利用

1、第三節(jié) 材料的開發(fā)和利用1.1.知道材料對人類社會發(fā)展的促進作用。知道材料對人類社會發(fā)展的促進作用。2.2.知道導體、絕緣體、半導體導電性能的差異，知道半導知道導體、絕緣體、半導體導電性能的差異，知道半導體二極管的單向?qū)щ娦?。體二極管的單向?qū)щ娦浴?.3.知道超導材料是一種電阻為零的材料，知道超導材料具知道超導材料是一種電阻為零的材料，知道超導材料具有超導磁懸浮的特性。有超導磁懸浮的特性。4.4.了解納米材料的有關(guān)知識。了解納米材料的有關(guān)知識。我們周圍的材料我們周圍的材料材料與社會發(fā)展材料與社會發(fā)展人類社會的發(fā)展與人們對材料的認識、開發(fā)和人類社會的發(fā)展與人們對材料的認識、開發(fā)和利用密切相關(guān)，人

2、類發(fā)展過程中先后經(jīng)歷了石利用密切相關(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。器時代、青銅時代和鋼鐵材料時代。材料的導電性材料的導電性根據(jù)材料的導電性能，材料可分為導體、半導根據(jù)材料的導電性能，材料可分為導體、半導體及絕緣體三大類。體及絕緣體三大類。容易導電的材料是導體容易導電的材料是導體不容易導電的材料是絕緣體不容易導電的材料是絕緣體半導體可以制成二極管、三極管等半導體元件半導體可以制成二極管、三極管等半導體元件和集成電路和集成電路半導體二極管有單向?qū)щ娦?，半導體三極管可以半導體二極管有單向?qū)щ娦?，半導體三極管可以用來放大電信號用來放大電信號其中有一種性能較好的材料叫超導材

3、料其中有一種性能較好的材料叫超導材料 為了制造物美價廉、性能更好的物品，人們正在不斷為了制造物美價廉、性能更好的物品，人們正在不斷地研究性能更好、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，昂內(nèi)斯在研究汞電阻年，昂內(nèi)斯在研究汞電阻隨溫度的變化時，觀察到在測隨溫度的變化時，觀察到在測試溫度降低到試溫度降低到4.2K4.2K時，汞的電時，汞的電阻突然降低到測量不到的微小阻突然降低到測量不到的微小值。從而發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。值。從而發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。一、超導材料一、超導材料探索新材料探索新材料超 導 體超 導 體1.1.超導現(xiàn)象和超導體：當溫度降低到絕對零度附近時，某超導現(xiàn)象和超導

4、體：當溫度降低到絕對零度附近時，某些材料的電阻率突然減小到無法測量的程度，可以認為其些材料的電阻率突然減小到無法測量的程度，可以認為其電阻率突然變?yōu)榱?，這種現(xiàn)象叫做電阻率突然變?yōu)榱?，這種現(xiàn)象叫做超導現(xiàn)象超導現(xiàn)象，能夠發(fā)生超，能夠發(fā)生超導現(xiàn)象的物質(zhì)稱為導現(xiàn)象的物質(zhì)稱為超導體超導體。2.2.轉(zhuǎn)變溫度轉(zhuǎn)變溫度T TC C ：材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度，：材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢顟B(tài)的溫度，叫做超導材料的轉(zhuǎn)變溫度。叫做超導材料的轉(zhuǎn)變溫度。3.3.超導體的兩個基本特性：超導體的兩個基本特性：零電阻性、抗磁性零電阻性、抗磁性超導材料出現(xiàn)以后，人超導材料出現(xiàn)以后，人們首先想到的是利用超導體們首先想到

5、的是利用超導體的零電阻性實現(xiàn)遠距離大功的零電阻性實現(xiàn)遠距離大功率輸電。率輸電。很細的超導絲就可以很細的超導絲就可以輸送強大的電流輸送強大的電流超導材料不僅超導材料不僅電阻為零，而電阻為零，而且還有其他令且還有其他令人注目的特性。人注目的特性。超導磁懸浮現(xiàn)象使人們想到可超導磁懸浮現(xiàn)象使人們想到可以利用超導體來實現(xiàn)交通工具的無以利用超導體來實現(xiàn)交通工具的無摩擦運行，大大提高交通工具的安摩擦運行，大大提高交通工具的安全性能和運行速度。全性能和運行速度。1.1.納米是一個長度單位：納米是一個長度單位：1nm=101nm=10-9-9m m2.1nm2.1nm小到什么程度？小到什么程度？(10(10個分

6、子緊密排布的長度，大個分子緊密排布的長度，大 約是一根頭發(fā)絲的約是一根頭發(fā)絲的1%)1%)3.3.納米材料除了其基本單元空間尺度小外，在力、熱、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)出許多特殊的性能。聲、光、電、磁等方面還表現(xiàn)出許多特殊的性能。二、納米材料二、納米材料4.4.納米材料納米材料納米顆粒材料納米顆粒材料碳納米管碳納米管納米超晶格納米超晶格想象中的納米想象中的納米“機器人機器人”計算機芯片中的納米導線計算機芯片中的納米導線納 米 機 械 零 件納 米 機 械 零 件藥物做成納米顆粒藥物做成納米顆粒將來人們可以用納米技術(shù)將來人們可以用納米技術(shù)一個一個地

7、將原子組裝起一個一個地將原子組裝起來制成各種納米機器來制成各種納米機器 納納米米鏡鏡面面 納米衣服不用洗、納米衣服不用洗、“納米水納米水”喝出健康喝出健康從上世紀從上世紀9090年代起，實驗室里的尖端科技納米技術(shù)一下子被媒體推年代起，實驗室里的尖端科技納米技術(shù)一下子被媒體推到了市民面前，它神秘又令人憧憬：納米究竟是種什么到了市民面前，它神秘又令人憧憬：納米究竟是種什么“米米”？怎么？怎么“種種”出來的？對我們的生活將產(chǎn)生怎樣的出來的？對我們的生活將產(chǎn)生怎樣的影響？武漢影響？武漢“種植納米種植納米”的水平如何？帶著這些問題，本的水平如何？帶著這些問題，本報記者探訪了武漢的一些高校和科研機構(gòu)，請科

8、學家來揭報記者探訪了武漢的一些高校和科研機構(gòu)，請科學家來揭開開“納米納米”的面紗。的面紗。 納米是種什么納米是種什么“米米”？ 近日，中國地質(zhì)大學（武漢）材料科學與化學工程學近日，中國地質(zhì)大學（武漢）材料科學與化學工程學院的納米研究課題組再次接到了深圳某美容機構(gòu)傳真的院的納米研究課題組再次接到了深圳某美容機構(gòu)傳真的“納米硫納米硫”訂單。去年，地大在世界上首次研制出訂單。去年，地大在世界上首次研制出“納米納米硫磺硫磺”，在面膜、膏霜等化妝品中應用納米硫材料，對治，在面膜、膏霜等化妝品中應用納米硫材料，對治療脂溢性皮炎、螨蟲、青春痘等有奇效。療脂溢性皮炎、螨蟲、青春痘等有奇效。 “ “納米納米”譯

9、自英文譯自英文“nanometer”nanometer”，它并不是什么特，它并不是什么特殊的物質(zhì)，而是一種度量單位。殊的物質(zhì)，而是一種度量單位。1 1納米等于十億分之一米，納米等于十億分之一米，相當于針尖大小的百萬分之一，約相當于相當于針尖大小的百萬分之一，約相當于4545個原子串起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)，通過直來那么長。納米技術(shù)就是指在納米尺寸范圍內(nèi)，通過直接操縱單個原子、分子來組裝和創(chuàng)造具有特定功能的新接操縱單個原子、分子來組裝和創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)。當物質(zhì)顆粒小到物質(zhì)。當物質(zhì)顆粒小到100100納米以下，這種物質(zhì)就可被稱納米以下，這種物質(zhì)就可被稱為納米材料

10、。其物理性能與化學性質(zhì)就會較原來有意想為納米材料。其物理性能與化學性質(zhì)就會較原來有意想不到的巨變，這些不到的巨變，這些“巨變巨變”正在生物學、材料學、信息正在生物學、材料學、信息技術(shù)等各個領(lǐng)域展開，它們將對人類未來的生活產(chǎn)生重技術(shù)等各個領(lǐng)域展開，它們將對人類未來的生活產(chǎn)生重大影響。大影響。納米帶來美好生活納米帶來美好生活 最近，新加坡科學家在利用納米技術(shù)治療裂骨方面最近，新加坡科學家在利用納米技術(shù)治療裂骨方面取得突破。實驗中，專家在大鼠腳骨上制造了大約取得突破。實驗中，專家在大鼠腳骨上制造了大約3 3毫米毫米的裂縫，然后把用納米材料制成的骨頭構(gòu)架植入裂縫中，的裂縫，然后把用納米材料制成的骨頭構(gòu)

11、架植入裂縫中，結(jié)果結(jié)果5 5個月后成功讓骨頭完全愈合。這是納米技術(shù)在醫(yī)學個月后成功讓骨頭完全愈合。這是納米技術(shù)在醫(yī)學領(lǐng)域的又一次成功應用，但領(lǐng)域的又一次成功應用，但“納米納米”究竟會給我們帶來究竟會給我們帶來怎樣的新生活呢？怎樣的新生活呢？ 從第一次工業(yè)革命到現(xiàn)在，真正稱得上主導技術(shù)的只從第一次工業(yè)革命到現(xiàn)在，真正稱得上主導技術(shù)的只有有4 4次，而次，而“納米納米”技術(shù)將成為第五次推動社會各領(lǐng)域快技術(shù)將成為第五次推動社會各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導技術(shù)。更重要的是，傳統(tǒng)的技術(shù)進步往往會速發(fā)展的主導技術(shù)。更重要的是，傳統(tǒng)的技術(shù)進步往往會耗費巨大的自然資源，而耗費巨大的自然資源，而“納米技術(shù)納米技術(shù)”則將

12、在知識經(jīng)濟中則將在知識經(jīng)濟中成為最大的節(jié)省再生資源和能源的標志。成為最大的節(jié)省再生資源和能源的標志。 專家預言，借助納米技術(shù)，未來我們有可能用基因芯專家預言，借助納米技術(shù)，未來我們有可能用基因芯片、蛋白質(zhì)芯片組裝成片、蛋白質(zhì)芯片組裝成“納米機器人納米機器人”，通過血管送入人，通過血管送入人體去偵察疾病；攜帶體去偵察疾病；攜帶DNADNA去更換或修復有缺陷的基因片段。去更換或修復有缺陷的基因片段。有可能用納米藥物來阻斷血管餓死癌細胞。使用納米診斷有可能用納米藥物來阻斷血管餓死癌細胞。使用納米診斷儀只需檢測微量血液就可從蛋白質(zhì)和儀只需檢測微量血液就可從蛋白質(zhì)和DNADNA上診斷出各種疾上診斷出各種

13、疾病。利用碳納米管，我們可以搭建強度比鋼高一百倍，但病。利用碳納米管，我們可以搭建強度比鋼高一百倍，但重量只有鋼的六分之一的新型建筑，摩天大樓將修得更高。重量只有鋼的六分之一的新型建筑，摩天大樓將修得更高。而用碳納米材料替代硅芯片，將引發(fā)電腦行業(yè)的革命而用碳納米材料替代硅芯片，將引發(fā)電腦行業(yè)的革命 未來會出現(xiàn)很多自然界并不存在的強度高、對環(huán)境友未來會出現(xiàn)很多自然界并不存在的強度高、對環(huán)境友好、節(jié)省能源和資源的新型材料，這一影響不會低于現(xiàn)在好、節(jié)省能源和資源的新型材料，這一影響不會低于現(xiàn)在的計算機、微米技術(shù)給人類帶來的影響。的計算機、微米技術(shù)給人類帶來的影響。 納米雖是一個尺度單位，但卻成為近年

14、來最時髦的商納米雖是一個尺度單位，但卻成為近年來最時髦的商業(yè)業(yè)“亮點亮點”“納米家電納米家電”、“納米水納米水”、“納米服裝納米服裝”等概念盛行一時。它們都是真納米嗎？目前市場上的納米等概念盛行一時。它們都是真納米嗎？目前市場上的納米產(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的納米無機物，具備了一定的抗菌性能；所添加了氧化鈦的納米無機物，具備了一定的抗菌性能；所謂納米洗衣機，也只能說是添加了納米材料的洗衣機，而謂納米洗衣機，也只能說是添加了納米材料的洗衣機，而且納米材料還只是應用在滾筒洗衣機外桶的內(nèi)壁上，對于且納米材料還只是

15、應用在滾筒洗衣機外桶的內(nèi)壁上，對于最容易產(chǎn)生污垢的內(nèi)桶的外壁還沒有很好的解決辦法。最容易產(chǎn)生污垢的內(nèi)桶的外壁還沒有很好的解決辦法。 在目前我國相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品技術(shù)標準還是空缺的情況在目前我國相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品技術(shù)標準還是空缺的情況下，這些產(chǎn)品能否被稱之為下，這些產(chǎn)品能否被稱之為“納米產(chǎn)品納米產(chǎn)品”還是一個問題，還是一個問題，而炒作相關(guān)的納米概念顯然不是科學和負責任的態(tài)度。而炒作相關(guān)的納米概念顯然不是科學和負責任的態(tài)度。 從世界范圍看，納米研究正在向應用和產(chǎn)業(yè)化努從世界范圍看，納米研究正在向應用和產(chǎn)業(yè)化努力，這也從側(cè)面說明力，這也從側(cè)面說明“納米技術(shù)納米技術(shù)”離大規(guī)模的應用還有離大規(guī)模的應用還有一個過

16、程。比如美國前總統(tǒng)克林頓曾提出的用一個方糖一個過程。比如美國前總統(tǒng)克林頓曾提出的用一個方糖大小的存儲器可存下國家圖書館的資料，這就是大小的存儲器可存下國家圖書館的資料，這就是“納米納米晶體管晶體管”技術(shù)，但其目前還僅是實驗室產(chǎn)品，不能用于技術(shù)，但其目前還僅是實驗室產(chǎn)品，不能用于大規(guī)模生產(chǎn)，原因在于改造的成本過于昂貴、產(chǎn)品的可大規(guī)模生產(chǎn)，原因在于改造的成本過于昂貴、產(chǎn)品的可靠性和耐久性難以驗證，靠性和耐久性難以驗證，“納米科技展示的前景非常美納米科技展示的前景非常美好，但要想使納米材料真正大批量應用在現(xiàn)實生活中，好，但要想使納米材料真正大批量應用在現(xiàn)實生活中，還需要科學家和政府的不斷努力。還需要

17、科學家和政府的不斷努力?！?納米，有時也會帶來傷害。納米，有時也會帶來傷害。 不少專家對納米概念的炒作表示出擔心。納米技術(shù)不少專家對納米概念的炒作表示出擔心。納米技術(shù)可能出現(xiàn)負效果，納米材料是非常小的微粒，如果應用不可能出現(xiàn)負效果，納米材料是非常小的微粒，如果應用不得當，得當， 比如在一些藥物中任意應用，也可能突破人體內(nèi)比如在一些藥物中任意應用，也可能突破人體內(nèi)的一些屏障，對人類的健康造成傷害。的一些屏障，對人類的健康造成傷害。 課題組曾在一項中藥研究項目中提出納米的方向，但課題組曾在一項中藥研究項目中提出納米的方向，但有專家表示疑慮：這種藥材需要做到那么細嗎？具體微小有專家表示疑慮：這種藥材

18、需要做到那么細嗎？具體微小到什么程度能有最好療效？到什么程度能有最好療效？這些都值得商榷。全面看這些都值得商榷。全面看待納米技術(shù)帶來的技術(shù)進步和可能出現(xiàn)的弊端，表明人們待納米技術(shù)帶來的技術(shù)進步和可能出現(xiàn)的弊端，表明人們對納米技術(shù)的認識更加理性、成熟。對納米技術(shù)的認識更加理性、成熟。 皮教授的觀點與近日英國科學家針對納米危害提出皮教授的觀點與近日英國科學家針對納米危害提出的一份報告的觀點相近。該報告呼吁重視這種微粒給人的一份報告的觀點相近。該報告呼吁重視這種微粒給人類生活帶來的影響，建議規(guī)范和檢驗納米產(chǎn)品，把納米類生活帶來的影響，建議規(guī)范和檢驗納米產(chǎn)品，把納米產(chǎn)品對人體健康和環(huán)境的潛在危害降到最

19、低限度。產(chǎn)品對人體健康和環(huán)境的潛在危害降到最低限度。 目前的問題是，人們不清楚人造納米微粒及納米管被目前的問題是，人們不清楚人造納米微粒及納米管被人體吸入、通過皮膚吸收及在環(huán)境中蓄積，會給人體健康人體吸入、通過皮膚吸收及在環(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)，目前國內(nèi)對納米產(chǎn)品的監(jiān)和環(huán)境帶來什么危害。他強調(diào)，目前國內(nèi)對納米產(chǎn)品的監(jiān)控還是一片空白，對于涉及到普通市民安全的納米產(chǎn)品，控還是一片空白，對于涉及到普通市民安全的納米產(chǎn)品，人們對應當怎樣防護考慮得還不夠。納米技術(shù)是美好的，人們對應當怎樣防護考慮得還不夠。納米技術(shù)是美好的，但我們應該把未來的不確定性和風險性降到最低，在這樣但我

20、們應該把未來的不確定性和風險性降到最低，在這樣的情況下逐步發(fā)揮納米技術(shù)的應用潛力，為人類造福。的情況下逐步發(fā)揮納米技術(shù)的應用潛力，為人類造福。納米科技納米科技歷程歷程 19591959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。米技術(shù)最早的夢想。2020世紀世紀7070年代，科學家開始從不同角度提出有關(guān)納米科年代，科學家開始從不同角度提出有

21、關(guān)納米科技的構(gòu)想，技的構(gòu)想，19741974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機械加工。詞描述精密機械加工。19821982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了促進作用。發(fā)展產(chǎn)生了促進作用。19911991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的的六分之一，強度卻是鋼的100100倍，成為納米技術(shù)研究的倍，成為納米技術(shù)研究的

22、熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，碳納米管將是熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，碳納米管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等。微開關(guān)以及納米級電子線路等。19931993年，繼年，繼19891989年美國斯坦福大學搬走原子團年美國斯坦福大學搬走原子團“寫寫”下下斯坦福大學英文名字、斯坦福大學英文名字、19901990年美國國際商用機器公司在鎳年美國國際商用機器公司在鎳表面用表面用3636個氙原子排出個氙原子排出“IBM”IBM”之后，中國科學院北京真之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱

23、原子成功寫出空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國中國”二字，標二字，標志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。19991999年，巴西和美國科學家在進行碳納米管實驗時發(fā)明年，巴西和美國科學家在進行碳納米管實驗時發(fā)明了世界上最小的了世界上最小的“秤秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出即相當于一個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。創(chuàng)造的紀錄。到到1999

24、1999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到業(yè)額達到500500億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地?；蛘哂媱?，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。 在在“超級纖維超級纖維”領(lǐng)域?qū)嵙Σ蝗醯奈覈茖W家近年來領(lǐng)域?qū)嵙Σ蝗醯奈覈茖W家近年來也開展了相關(guān)研究，并于今年也開展了相關(guān)研究，并于今年7 7月取得突破。西安交通大月取得突破。西安交通大學朱長純教授率領(lǐng)的小組采用新的技術(shù)途徑，引導碳納學朱長純教授率領(lǐng)的小組采用新的技術(shù)途徑，引導碳納米管有序、定向生長在導電的硅片襯底上

25、，并進而研制米管有序、定向生長在導電的硅片襯底上，并進而研制出功能完備的場發(fā)射像素管，因純度高，有序性好，場出功能完備的場發(fā)射像素管，因純度高，有序性好，場發(fā)發(fā) 射性能也大大提高，在碳納米管平板顯示器的實用化射性能也大大提高，在碳納米管平板顯示器的實用化進程中做出了中國人的獨特貢獻。進程中做出了中國人的獨特貢獻。 和傳統(tǒng)顯示器比，這種顯示器不僅體積小，重量輕，和傳統(tǒng)顯示器比，這種顯示器不僅體積小，重量輕，大大省電，顯示質(zhì)量好，而且響應時間僅為幾微秒，從零大大省電，顯示質(zhì)量好，而且響應時間僅為幾微秒，從零下下4545度到零上度到零上8585度都能正常工作，因此擁有極廣闊的潛在度都能正常工作，因此擁有極廣闊的潛在市場前景。市場前景。碳納米管可制成極好的微細探針和導線、性能頗佳的碳納米管可制成極好的微細探針和導線、性能頗佳的加強材料、理想的儲氫材料。它使壁掛電視進一步成為可加強材料、理想的儲氫材料