第三節

材料的開發和利用22014年02月17日一、超導材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，人們正在不斷地研究性能更好、更容易制造的材料。1911年，昂內斯在研究汞電阻隨溫度的變化時，觀察到在測試降低到4.2K時，汞的電阻突然降低到測量不到的微小值。從而發現超導電性。超導體1．超導現象和超導體：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，可以認為其電阻率突然變為零，這種現象叫做超導現象，能夠發生超導現象的物質稱為超導體．

2．轉變溫度TC

：材料由正常狀態轉變為超導狀態的溫度，叫做超導材料的轉變溫度．3、超導體的兩個基本特性：零電阻性、抗磁性

超導材料出現以后，人們首先想到的是利用超導體的零電阻性實現遠距離大功率輸電。超導材料不僅電阻為零，而且還有其它令人矚目的特性。

超導磁懸浮現象使人們想到可以利用超導體來實現交通工具的無摩擦運行，大大提高交通工具的安全性能和運行速度。超導體的發展史1.1911年，荷蘭科學家卡末林—昂內斯(HeikeKamerlingh-Onnes)用液氦冷卻汞，當溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，水銀的電阻完全消失，這種現象稱為超導電性。2.1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學家發現，如果把超導體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應線將從超導體中排出，不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。3.1973年，發現超導合金――鈮鍺合金，其臨界超導溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。4.1986年，設在瑞士蘇黎世的美國IBM公司的研究中心報道了一種氧化物（鑭鋇銅氧化物）具有35K（﹣240.15）的高溫超導性5.1987年，美國華裔科學家朱經武以及中國科學家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導溫度提高到90K（﹣185.15℃）以上，液氮的“溫度壁壘”（77K）也被突破了。1987年底，鉈－鋇－鈣－銅－氧系材料又把臨界超導溫度的記錄提高到125K（﹣150.15℃）。6.1988年初日本研制成臨界溫度達110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導體。至此，人類終于實現了液氮溫區超導體的夢想，實現了科學史上的重大突破。這類超導體由于其臨界溫度在液氮溫度（77K）以上，因此被稱為高溫超導體。超導技術與昂內斯持久電流實驗為了證實（超導體）電阻為零，科學家將一個鉛制的圓環，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應使環內激發起感應電流。結果發現，環內電流能持續下去，從1954年3月16日始，到1956年9月5日止，在兩年半的時間內的電流一直沒有衰減，這說明圓環內的電能沒有損失，當溫度升到高于Tc時，圓環由超導狀態變正常態，材料的電阻驟然增大，感應電流立刻消失，這就是著名的昂內斯持久電流實驗。高溫超導材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即前述的超導發電、輸電和儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。超導列車是在車上安裝強大的超導磁體，地上安放一系列金屬環狀線圈。當車輛行進時，車上的磁體在地上的線圈中感應起相反的磁極，使兩者的斥力將車子浮出地面。車輛無摩擦地前進，時速可高達500千米。二、納米材料1、納米是一個長度單位：1nm=10-9m2、1nm小到什么程度？(10個分子緊密排布的尺度，大約是一根頭發絲的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、磁等方面還表現出許多特殊的性能。4、納米材料納米機械零件藥物做成納米顆粒將來人們可以用納米技術一個一個地將原子組裝起來制成各種納米機器納米鏡面納米衣服不用洗、“納米水”喝出健康……從上世紀90年代起，實驗室里的尖端科技納米技術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“米”？怎么“種”出來的？對我們的生活將產生怎樣的影響？武漢“種植納米”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，請科學家來揭開“納米”的面紗。納米是種什么“米”？近日，中國地質大學（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傳真的“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。“納米”譯自英文“nanometer”，它并不是什么特殊的物質，而是一種度量單位。1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45個原子串起來那么長。納米技術就是指在納米尺寸范圍內，通過直接操縱單個原子、分子來組裝和創造具有特定功能的新物質。當物質顆粒小到100納米以下，這種物質就可被稱為納米材料。其物理性能與化學性質就會較原來有意想不到的巨變，這些“巨變”正在生物學、材料學、信息技術等各個領域展開，它們對人類未來的生活產生重大影響。納米帶來美好生活最近，新加坡科學家在利用納米技術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3毫米的裂縫，然后把以納米材料制成的骨頭構架植入裂縫中，結果5個月后成功讓骨頭完全愈合。這是納米技術在醫學領域的又一次成功應用，但“納米”究竟會給我們帶來怎樣的新生活呢？從第一次工業革命到現在，真正稱得上主導技術的只有4次，而“納米”技術將成為第五次推動社會經濟各領域快速發展的主導技術。更重要的是，傳統的技術進步往往會耗費巨大的自然資源，而“納米技術”則將在知識經濟中成為最大的節省再生資源和能源的標志。專家預言，借助納米技術，未來我們有可能用基因芯片、蛋白質芯片組裝成“納米機器人”，通過血管送入人體去偵察疾病；攜帶DNA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。使用納米診斷儀只需檢測微量血液就可從蛋白質和DNA上診斷出各種疾病。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。而用碳納米材料替代硅芯片，將引發電腦行業的革命……未來會出現很多自然界并不存在的強度高、對環境友好、節省能源和資源的新型材料，這一影響不會低于現在的計算機、微米技術給人類帶來的影響。納米雖是一個尺度單位，但卻成為近年來最時髦的商業“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？目前市場上的納米產品，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壁上，對于最容易產生污垢的內桶的外壁還沒有很好的解決辦法。在目前我國相關行業、產品技術標準還是空缺的情況下，這些產品能否被稱之為“納米產品”還是一個問題，而炒作相關的納米概念顯然不是科學和負責任的態度。從世界范圍看，納米研究正在向應用和產業化努力，這也從側面說明“納米技術”離大規模的應用還有一個過程。比如美國前總統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“納米晶體管”技術，但其目前還僅是實驗室產品，不能用于大規模生產，原因在于改造的成本過于昂貴、產品的可靠性和耐久性難以驗證，“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實生活中，還需要科學家和政府的不斷努力。”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。納米技術可能出現負效果，納米材料是非常小的微粒，如果應用不得當，比如在一些藥物中任意應用，也可能突破人體內的一些屏障，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，但有專家表示疑慮：這種藥材需要做到那么細嗎？具體微小到什么程度能有最好療效？……這些都值得商榷。全面看待納米技術帶來的技術進步和可能出現的弊端，表明人們對納米技術的認識更加理性、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，建議規范和檢驗納米產品，把納米產品對人體健康和環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人體吸入、通過皮膚吸收及在環境中蓄積，會給人體健康和環境帶來什么危害。他強調，目前國內對納米產品的監控還是一片空白，對于涉及到普通市民安全的納米產品，人們對應當怎樣防護考慮得還不夠。納米技術是美好的，但我們應該把未來的不確定性和風險性降到最低，在這樣的情況下逐步發揮納米技術的應用潛力，為人類造福。

納米科技·歷程·1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早的夢想。·20世紀70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。·1982年，科學家發明研究納米的重要工具———掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技發展產生了積極的促進作用。·1991年，碳納米管被人類發現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的100倍，成為納米技術研究的熱點。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、超微開關以及納米級電子線路等。·1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。·1999年，巴西和美國科學家在進行碳納米管實驗時發明了世界上最小的“秤”，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，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。·到1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業額達到500億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地。在"超級纖維"領域實力不弱的我國科學家近年來也開展了相關研究，并于今年7月取得突破。西安交通大學朱長純教授率領的小組采用新的技術途徑，引導碳納米管有序、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射像素管，因純度高，有序性好，場發射性能也大大提高，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。

和傳統顯示器比，這種顯示器不僅體積小，重量輕，大大省電，顯示質量好，而且響應時間僅為幾微秒，從零下45度到零上85度都能正常工作，因此擁有極廣闊的潛在市場前景。

碳納米管可制成極好的微細探針和導線、性能頗佳的加強材料、理想的儲氫材料。它使壁掛電視進一步成為可能，并在將來可能替代硅芯片的納米芯片中扮演極重要的角色，從而引發計算機行業革命。

人們一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，現在這種夢想已由中國科學家實現。昨天，中科院化學所專家宣布研制成功一種不粘油污、不粘水的新型納米材料--超雙疏性界面材料。使用這種材料的紡織品和建材，不用洗滌，也不沾染油污。這標志著中國在納米材料研制方面的又一新突破。納米是一種長度單位，一納米等于十億分之一米，大約相當于幾十個原子的長度。科學家發現，當材料組成的精度達到納米級時，物質就能表現出一些新特性，從而為新材料的產生創造條件。最具有說明性的例子就是，改變碳原子的排列結構，能把廉價的石墨變成價值連城的鉆石。因此，納米技術是當今各國科技界競爭的焦點。練習一電阻超導轉變超導臨界TC超導磁懸浮1～100nm電阻為零電能