第五章納米材料的應用

納米技術現在已經包括納米生物學、納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米化學等學科。納米左右和納米以下的結構是下一階段科技發展的一個重點，會是一次技術革命，從而將引起2I世紀又一次產業革命。

——錢學森納米材料的應用領域微電子學領域

光電領域陶瓷領域生物工程領域醫學領域紡織領域塑料領域環保領域化工領域一、微電子學領域

納米電子學是納米技術重要組成部分，是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，包括納米有序(無序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學最終目標是進一步減小集成電路，研制出由單原子或單分子構成的室溫可用的各種器件。納米器件左：基于碳納米管點電極的柱狀納米晶體管結構示意圖納米碳管右：基于石墨烯電極的單分子膜場效應晶體管結構示意圖

微電子學領域

目前利用納米電子學已研制成功各種納米器件。此外，有奇特性能的碳納米管的研制成功對納米電子學發展起關鍵作用。納米技術生產的有機發光二極管微電子學領域

高電壓納米發電機和自驅動納米器件成功問世(a)基于垂直于基片生長的納米線所設計的納米發電機(VING)。(b)基于平行于基片多行生長的納米線所設計的納米發電機(LING)。(c)基于一行平行于基片生長的氧化鋅納米線所組成的納米發電機。(d)在微小形變下能產生1.2伏輸出電壓的納米發電機的光學照片。1989年，IBM公司利用隧道掃描顯微鏡上的探針成功移動氙原子并利用它拼成“IBM”3千字母（右）。下圖為原子操作過程中的STM像。左圖為單個Xe原子靜置在Ni表面上的情況；右圖為探針“拾”起Xe原子的情景微電子學領域

中科院北京真空物理實驗室人員使用硅原子堆積的“毛澤東”三個字。微電子學領域

日本Hitachi公司研制出單個電子晶體管，通過控制單個電子運動狀態完成特定功能，即一個電子是一個多功能器件。日本NEC研究所擁有制作100rlm以下的精細量子線結構技術并在GaAs襯底上成功研制出有開關功能的量子點陣列。微電子學領域

大面積高質量的單晶石墨烯和Si插層

單電子晶體管為量子計算鋪路

美國威斯康星大學研制出可容納單個電子的量子點，在一個針尖上可容納幾十億個這樣的量子點。利用量子點制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域方面獲得廣泛應用。量子點量子點半導體微電子學領域

機器蒼蠅麻雀衛星間諜草未來超級計算機：量子世界中原子對翩翩起舞二、光電領域納米光電材料：光能→電能、化學能等其他能量的一種納米材料；納米光電材料可分為：納米光電粉、一維納米光電材料、納米光電薄膜等；光電領域納米粉光電探測器一維納米材料熱光開關納米薄膜硅薄膜紫外光電探測器光電領域納米材料用于光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面能大大提高光電器件性能。納米材料用于現有雷達信息處理上能使其能力提高十至幾百倍，甚至能將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛星上進行高精度對地偵察。一磅重納米合成孔徑雷達問世光電領域納米激光器是一根彎曲成極薄面包圈形狀的光子導線，其大小和形狀能有效控制它發射出的光子的量子行為，從而影響激光器工作。納米激光器工作時只需約100mA電流。納米線紫外激光器三、陶瓷領域傳統陶瓷材料質地較脆韌性、強度較差，因而應用受較大限制。納米陶瓷正是解決陶瓷脆性的重要途徑。納米陶瓷是指顯微結構中的物相有納米級尺度的陶瓷材料，即晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布和缺陷尺寸等都在納米量級水平上。要制備納米陶瓷，就要解決粉體尺寸、形貌和分布控制，團聚體控制和分散，塊體形態、缺陷、粗糙度及成分控制。納米陶瓷的應用應用于提高陶瓷材料的機械強度

納米陶瓷的應用應用于提高陶瓷材料的超塑性只有陶瓷粉體的粒度小到一定程度才能在陶瓷材料中產生超塑性行為,其原因是晶粒的納米化有助于晶粒間產生相對滑移,使材料具有塑性行為。納米陶瓷的應用應用于制備電子(功能)陶瓷

納米陶瓷節能燈納米陶瓷的應用應用于制備陶瓷工具刀納米陶瓷刀納米陶瓷的應用應用于制備生物陶瓷接近于生物惰性的陶瓷,如氧化鋁(Al2O3)；表面活性生物陶瓷,如致密羥基磷灰石(10CaO-3P2O5H2O)；可吸收生物陶瓷,如磷酸三鈣(CaO-P2O5)(TCP)。納米陶瓷的應用應用于制備功能性陶瓷纖維防紫外線纖維；遠紅外線保溫纖維；抗菌防臭纖維。四、生物工程納米微粒的尺寸一般比生物體內的細胞、紅血球小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑。生物分子是很好的信息處理材料，每個生物大分子本身是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化，原理類似于計算機邏輯開關，利用該特性并結合納米技術可設計出量子計算機。美國南加州大學應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效解決目前計算機無法解決的“哈密頓路徑問題”。生物工程基因DNA雙螺旋結構的直徑約幾十納米。用合成的晶粒尺寸僅幾納米的發光半導體晶粒選擇性吸附或作用在不同堿基對上就能在DNA分子上貼標簽，從而很方便地識別DNA外型和結構。五、醫學領域目前成功利用納米SiO微粒進行細胞分離，用納米級粒子進行定位病變治療以減少副作用等。利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物取得突破性必展，現用于臨床動物實驗。納米探針刺入神經細胞醫學領域肝病等器官性病變都有一個病理環境，用特定性質的納米材料界面材料去包覆中藥有效成分，在這種病理環境中，因親和而溶解，治療成分就釋放出來，達到治病效果，治療成分有很強的靶向性，能使療效進一步提高。醫學領域德國采用分子醫學納米技術發明新抗癌療法，通電后腫瘤部位溫度達47℃，在殺死癌細胞的同時不損害健康細胞。美國能源部運用激光納米技術研制出癌癥智能手術刀，每秒掃描10萬個細胞，信息輸入計算機，將“錯殺’’健康細胞數量降到最低。醫學領域納米機器人有望問世納米生物“部件”與納米無機物及晶體結構“部件”相組合，用納米微電子學控制做成的納米機器人，其尺寸比紅血球小。這類機器人問世，人類的醫療將會發生深刻的革命。醫生可用它打通腦血栓，清出心臟動脈脂肪的沉積物。科學家想象的納米機器人六、紡織領域納米技術在紡織領域中主要有三大應用途徑（1）纖維超細化（2）利用納米材料對傳統材料進行改性（3）對纖維或織物進行納米后整理，使其功能化紡織領域納米技術在紡織服裝中的應用領域天然纖維織物中的納米技術納米技術在紡織服裝的新研究、新開發納米技術在其它纖維中的應用納米技術在紡織服裝中的應用領域抗靜電功能

應用領域抗菌，防臭功能

紅外線功能

防電磁輻射

防紫外線

拒水拒油

阻燃功能

紅外功能納米技術在紡織服裝中的應用領域遠紅外保暖內衣

防紫外線納米技術在紡織服裝中的應用領域納米技術在紡織服裝中的應用領域抗靜電在化纖制品中加入少量納米微粒，如將納米TiO2、ZnO、Fe2O3和Cr2O3等具有半導體性質的粉體摻入到樹脂中，或將其加入到整理劑中對纖維或織物進行后整理，就會產生良好的靜電屏蔽性能，大大降低靜電效應。納米抗菌、防臭功能某些金屬粒子(如納米銀粒子、納米銅粒子)和納米TiO2、ZnO等具有一定的殺菌性能，其與化纖復合紡絲，制造出抗菌的功能纖維，比一般的抗菌織物具有更強的抗菌效果和更多的耐洗次數。

納米技術在紡織服裝中的應用領域波司登保暖內衣江蘇康博集團推出“波司登”納米技術抗菌保健、超強透氣導濕、超保暖三功能的內衣。其保暖內衣層內添加了從天然奇冰石中提取的納米級超細粉末，能有效地殺菌抑菌，消除異味。納米技術在紡織服裝中的應用領域拒水拒油在材料表面進行特殊加工在其宏觀界面建立一個二元協同納米界面結構，使材料不僅具有防水、防油和防墨水等功能，而且用這種材料制成的衣物洗滌時可以僅用清水沖洗而不需使用傳統的洗滌劑。納米技術在紡織服裝中的應用領域

防電磁輻射電子產品的普及使得電磁輻射對人體健康造成了巨大威脅，一些納米微粒如納米氧化鐵，納米氧化鎳等能強烈吸收電磁輻射從而對人體起到防護作用。防輻射孕婦裝銀離子孕婦裝運用納米單質銀與纖維聚合成一體，并使織物表面形成牢固的耐氧化膜層結構，將純銀和環保纖維進行有機整合，具有隔離電磁輻射功能，具有抗菌除臭、抗靜電、調控體溫，吸濕速干、透氣性好，輕薄柔軟，耐反復水洗，洗后不扎身，可貼身穿著，使用壽命長。納米技術在紡織服裝中的應用領域阻燃功能纖維阻燃多數通過用添加型阻燃劑或反應型阻燃劑對原材料進行前處理，或者是對織物進行后整理等途徑實現。七、塑料領域由于分散性的納米尺寸效應、大比表面積和強界面結合，使納米復合材料有一般工程塑料不具備的優異性能，如高強度和耐熱性、高阻隔和自熄滅性、抗靜電性、防輻射及優良加工性