东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY微纳米纺织品与检测东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY一、参考教材：主教材：纳米技术与纳米纺织品，覃小红 主编，东华大学出版社，2011年辅助教材： 纳米纺织品及其应用，高绪珊 等编著，化学工业出版社，2004年此外还用到一些微纳米纺织品、静电纺丝技术相关方面的书籍。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY二、课程简介：本课程是由微纳米纺织品与检测及微纳米纺织品与检测（实验）构成的学中练、练中学系列课程。主要讲述微纳米技术及其在微纳米纤维、微纳米织物等领域的应用以及微纳米纤维、微纳米纺织品的检测技术。在对微纳米技术、微纳米材料及微纳米纤维的分类及制备、纺纱和织造及后整理过程中的纳米效应形成机理、纳米纺织品的结构形态和性能及其检测方法以及功能性纳米纺织品的设计进行系统介绍，使学生能够了解及掌握微纳米技术及微纳米纺织品的相关知识。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY三、课程任务和教学目标：讲解微纳米技术的基本知识；讲解微纳米材料的相关制备技术；讲解微纳米技术在纤维织物中的应用；讲解微纳米功能、智能纺织品制备、设计、测试及开发应用。使学生充分掌握微纳米技术的相关知识，了解并掌握微纳米纤维的制备、研究、检测方法，了解微纳米织物的性能和性能改进的方法。 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY四、课程构成：功能微纳米纺织品概论纺织品纳米化技术及测试功能微纳米纺织品拒水拒油防污抗紫外抗菌抗病毒生物医用药用抗静电防辐射自清洁远红外色光性生态微纳米纺织品静电纺丝技术及应用东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一章第一章 微纳米技术与微纳米纺织品简介微纳米技术与微纳米纺织品简介东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节 定义及发展史定义及发展史纳米在哪里？纳米在哪里？ 早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出早在中国古代，安徽出的墨，从烟道里扫出来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、来后一遍遍地筛，研制出来的墨非常细非常均匀、饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。饱满，写字非常好，这实际就是纳米颗粒。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史1.1.1 1纳米材料的定义纳米材料的定义m纳米 纳米（nanometer），其前缀“nano”来源于希腊语“nanos”，是“矮小”的意思。纳米是一个长度单位。 1nm=10-3m=10-6mm=10-9m 1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史纳米体系范围一般指纳米体系范围一般指1100nm（又一说（又一说0.1100nm）东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m纳米材料的定义纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1100 nm）或由它们作为基本单元构成的宏观材料。纳米材料可以是晶体或准晶体或非晶体。纳米材料的基本单元或组成单元可由原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜组成。纳米材料可以是金属材料，也可以是无机非金属材料和高分子材料。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY从宏观世界到微观世界东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史1.1.2 2 纳米科技纳米科技 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者理查德理查德费曼费曼(Richard P Feynman)(Richard P Feynman)。 19591959年年费曼在一次题为费曼在一次题为在底部还有很大空间在底部还有很大空间（“There is There is Plenty of Room at the Bottom. Plenty of Room at the Bottom. ”）著名的演讲中提出）著名的演讲中提出 “如果如果有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的有一天能按人的意志安排一个个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？奇迹呢？”并预言，并预言，说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小说人类可以用新型的微型化仪器制造出更小的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子的机器，最后人们可以按照自己的意愿从单个分子甚至单个原子开始组装，制造出最小的人工机器来开始组装，制造出最小的人工机器来。可以说这些都是纳米技术。可以说这些都是纳米技术的最早的动意的最早的动意/ /梦想。梦想。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史纳米科技的迅速发展是在纳米科技的迅速发展是在19801980年代末年代末19901990年代初。年代初。 19741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密年，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。机械加工。19821982年，宾尼希年，宾尼希(C(CBinnig)Binnig)和罗雷尔和罗雷尔(H(HRohrer)Rohrer)等人发等人发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜(scanning(scanningtunnelingtunnelingmicroscopymicroscopy，STM)STM)。STMSTM不仅不仅以极高的分辨率揭示出了以极高的分辨率揭示出了“可见可见”的原子、分子微观世界，的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。 14扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达达0.10.1纳米，纵向可优于纳米，纵向可优于0.010.01纳米。它主要用来纳米。它主要用来描绘表面三维的原子结构图描绘表面三维的原子结构图，在纳米尺度上研究，在纳米尺度上研究物质的特性，物质的特性，还可以实现对表面的纳米加工还可以实现对表面的纳米加工，如，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。以及直接书写等。 STM头部由由STM头部、电子学处理头部、电子学处理系统系统，减震系统以及计算，减震系统以及计算机系统组成。机系统组成。 扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜15基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针（针。它是用一个极细的探针（针尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于尖头部为单个原子）去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近（小于1 1纳纳米）时，米）时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针尖和。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级（1010-9-9 A A）的）的隧道电流隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间距保持针尖与样品表面间距的恒定，的恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维（x,y,z)x,y,z)移动扫描移动扫描时，由时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜一般用于扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定导体和半导体表面的测定。扫描隧道显微镜的工作原理扫描隧道显微镜的工作原理16高序石墨原子高序石墨原子STM图象图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构: 硅表面硅原子硅表面硅原子STM图象图象 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史19901990年年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。志着纳米科学技术的正式诞生。美国美国IBMIBM公司公司阿尔马登研究中心（阿尔马登研究中心（AlmadenAlmadenResearchResearchCenterCenter）的科学）的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们使用使用STMSTM把把3535个氙原子移个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面动到各自的位置，在镍金属表面 组成了组成了“IBMIBM”三个字母三个字母，这三个字，这三个字母加起来不到母加起来不到3 3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBMIBM商标商标。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史19911991年年IBMIBM公司公司的的“拼字拼字”科研小组利用科研小组利用STMSTM把一氧化把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分碳分子竖立在铂表面上、分子间距约子间距约0.50.5纳米的纳米的“分子分子人人”，这个，这个“分子人分子人”从头从头到脚只有到脚只有5 5纳米，堪称纳米，堪称世界世界上最小的人形图案上最小的人形图案 。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史19911991年，碳纳米管被人类发年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢现，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1010成为纳米技术研究的热点。成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。开关以及纳米级电子线路等。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史19931993年年中国科学院中国科学院北京真实物理实验室北京真实物理实验室用用STMSTM操纵硅原子操纵硅原子写出写出“中国中国”两个字两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。（在室温下，用域占有一席之地。（在室温下，用STMSTM的针尖，并通过针的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成从而在表面上形成“中国中国”的图形。）的图形。） 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史 中国科学院化学所的科技人员利用中国科学院化学所的科技人员利用STMSTM在石墨表面上通过在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史19971997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在可望在2020年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。计算机。 19991999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的的 “秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的，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，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破重量；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创造的纪录。了美国和巴西科学家联合创造的纪录。20002000年年4 4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描1010万个癌细胞，并将细胞所万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。20012001年纽约斯隆年纽约斯隆- -凯特林癌症研究中心的戴维凯特林癌症研究中心的戴维. . 沙因贝格尔博士报道沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕了把放射性同位素锕-225-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史从从19991999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500500亿美元。亿美元。 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资近年来，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。抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5 5年科技基本计划的年科技基本计划的研发重点；研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从技基础研究方面的投资从19971997年的年的1.161.16亿美元增加到亿美元增加到20012001年的年的4.974.97亿亿美元。美元。20072007年起，欧美各国纷纷建立新的纳米研究计划和纳米战略发展规划，年起，欧美各国纷纷建立新的纳米研究计划和纳米战略发展规划，预计预计20152015年，各国纳米技术的科研总投入达到年，各国纳米技术的科研总投入达到500500亿美元，到亿美元，到20202020年，年，产品市场达到产品市场达到2000-40002000-4000亿美元。亿美元。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史“当我们进入当我们进入2121世纪的时候，纳米技术将对世界人民的健世纪的时候，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响，至少如同康、财富和安全产生重大影响，至少如同2020世纪的抗生素、世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样集成电路和人造聚合物那样”纳米纳米技术技术材料及加工材料及加工电子及计算技术电子及计算技术医药与健康医药与健康航空与宇宙勘探航空与宇宙勘探环境及能源环境及能源生物技术与农业生物技术与农业国防国防科学与教育科学与教育国际贸易与竞争国际贸易与竞争其它其它东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m目前科技界普遍公认的目前科技界普遍公认的纳米科技纳米科技的定义的定义是是：在纳在纳米尺度（米尺度（1-1001-100纳米）上研究物质（包括原子、分纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。门体现多学科交叉性质的前沿领域。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史 纳米科技包括纳米科技包括三个研究领域：三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征米尺度的检测与表征。其中其中纳米材料纳米材料是纳米科技的基础；是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。必不可少的手段和理论与实验的重要基础。 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m纳米科技的最终目的：纳米科技的最终目的：是按人的意愿，操纵单个原子、分是按人的意愿，操纵单个原子、分是按人的意愿，操纵单个原子、分是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建子，构建子，构建子，构建纳米级纳米级纳米级纳米级的具有一定功能的具有一定功能的具有一定功能的具有一定功能的器件或产品的器件或产品的器件或产品的器件或产品。m纳米科技研究的技术路线：纳米科技研究的技术路线：可分为可分为“自上而下自上而下”和和“自下自下而上而上”两种方式。两种方式。m“自上而下自上而下(top-down)(top-down)” 是指通过微加工或固态技是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化 ( (传统技传统技术术) )； 传统的生产模式传统的生产模式传统的生产模式传统的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过到木材到成品；如造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂切、割、刻、蚀、渗杂等等等等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大原材料浪费大、能耗大。 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m“自下而上自下而上(bottom-up)(bottom-up)” 是指以原子、分子为基是指以原子、分子为基本单元，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功本单元，根据人们的设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这主要是意愿进行利用化学和生物学技术能的产品，这主要是意愿进行利用化学和生物学技术 ( (纳纳米技术米技术) ) 。纳米技术纳米技术纳米技术纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低原材料浪费为零，能耗降到极低原材料浪费为零，能耗降到极低原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。彻底从技术上解决了环保问题。彻底从技术上解决了环保问题。彻底从技术上解决了环保问题。注：注： 自下而上自下而上 的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将的制作方式伴随着纳米科技的迅猛发展将愈来愈受到重视。愈来愈受到重视。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m纳米这项新技术的诞生纳米这项新技术的诞生, ,其用途之广其用途之广, ,涉及领域之涉及领域之多多, ,前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科, ,学科领域涵盖学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学米医学、纳米显微学、纳米计量学和和纳米制造纳米制造等等, ,有着十分宽广的学科领域。二十一世纪有着十分宽广的学科领域。二十一世纪, ,纳米技术纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。将广泛应用于信息、医学和新材料领域。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m 当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量级级, , 电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在纳米纳米尺度尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在的。在纳米电子学纳米电子学这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。m 纳米电子器件纳米电子器件中最有应用前景的是中最有应用前景的是量子元器件量子元器件。这种利用量子效应。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点高速、低耗和电路简化的特点。纳米。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件单电子器件, ,在单电子器件在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管, , 只要控只要控制一个电子的行动即可完成特定功能制一个电子的行动即可完成特定功能, ,使功耗降低到原来的使功耗降低到原来的100010001000010000分之一。分之一。 纳米存储器纳米存储器，存储密度可达，存储密度可达每平方厘米每平方厘米10万亿字节。万亿字节。纳米电子学纳米电子学东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m 科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于于颗粒表面颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。m陶瓷材料陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机汽车、飞机发动机的理想材料。的理想材料。陶瓷材料在通常情况下呈脆性；陶瓷材料在通常情况下呈脆性；m由纳米粒子压制成的由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米材料学纳米材料学东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m具有未来超级纤维之称的具有未来超级纤维之称的碳纳米管碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高强度比钢高100100倍倍，但，但是是重量只有钢的六分之一重量只有钢的六分之一；它的；它的导电性十分怪异导电性十分怪异。不同结构碳纳米管的导电性可能呈不同结构碳纳米管的导电性可能呈现现良导体良导体、半导体半导体、甚至、甚至绝绝缘体缘体。因此它也许能成为因此它也许能成为纳米级印刷电路纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细关，或者做成极细的针头用于给细胞胞“打针打针”等等。等等。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m太空升降机太空升降机 由于碳纳米管的由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成强度高、重量轻，如果把它做成“太空电梯太空电梯”缆绳缆绳，使缆绳的长，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以的距离，它也完全可以经得住自经得住自身的重量身的重量。到那个时候，人类到。到那个时候，人类到太空旅行太空旅行将是一件轻而易举的事将是一件轻而易举的事情。如果用它做成情。如果用它做成地球地球- -月球乘人月球乘人的电梯的电梯，人们在月球定居就很容，人们在月球定居就很容易了。易了。m纳米壁挂电视纳米壁挂电视 用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m纳米固体燃料纳米固体燃料 实验发现实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使作为未来的固体燃料使火箭火箭具有更大的推动力。具有更大的推动力。 m纳米隐身飞机纳米隐身飞机 在飞机外在飞机外表面涂上纳米超微粒材料表面涂上纳米超微粒材料,可可以有效以有效吸收吸收红外光和电磁波红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。标，起到了隐身作用。美国美国F117隐形轰炸机隐形轰炸机东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而下脚料，造成浪费。而纳米制造技术纳米制造技术则是以相反则是以相反的方向，的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术技术、分子自组装技术等新科技制造了等新科技制造了纳米齿轮纳米齿轮、纳米电池纳米电池、纳米探针纳米探针、分子泵分子泵、分子开关分子开关和和分子分子马达马达等。等。纳米机械学纳米机械学东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY分子自组装分子自组装 两种两种不同的分子不同的分子在分子之在分子之间力的作用下在溶液中间力的作用下在溶液中自组装自组装的情形。由于纳米尺寸非常之的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。自我复制等功能。 由碳纳米管制作的由碳纳米管制作的纳米纳米齿轮齿轮模型，纳米齿轮上模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。的原子清晰可见。 纳米齿轮纳米齿轮东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY分子马达分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNARNA聚合酶、肌聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNADNA复制、细胞分裂、复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。 ATP酶（分子马达）酶（分子马达）ATPATP酶（酶（adenosinetriphosphataseadenosinetriphosphatase）可）可催化催化ATPATP水解生成水解生成ADPADP及无机磷的反应，及无机磷的反应，这一反应放出大量能量，以供生物体进这一反应放出大量能量，以供生物体进行生命过程行生命过程 纳米直升纳米直升机机 美国康纳尔大学的科学家利用美国康纳尔大学的科学家利用ATPATP酶作为分子马达，研制酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机纳米直升机”。其中的生物分子组件将人体的生物其中的生物分子组件将人体的生物“燃料燃料”ATPATP转化为机械能量，转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒使得金属推进器的运转速率达到每秒8 8圈，利用这个能量它们可圈，利用这个能量它们可以在人的细胞内以在人的细胞内“飞翔飞翔”和和“着陆着陆”。这种技术仍处于研制初期，。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务发放药物等医疗任务。 美国朗讯科技公司和英国牛津大学的美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用科学家用DNADNA（脱氧核糖核酸）制造（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子，每条出了一种纳米级的镊子，每条臂长只臂长只有有7nm7nm 。利用。利用DNADNA基本元件碱基的配基本元件碱基的配对机制，可以用对机制，可以用DNADNA为为“燃料燃料”控制控制这种镊子反复开合。这种镊子反复开合。利用它将可以制利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。计算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子 如果有一种如果有一种超微型镊子超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。组合，制造纳米机械就容易多了。40“麻雀卫星麻雀卫星”质量不足质量不足1010千克，各种部件全千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地若在太阳同步轨道上等间隔地部署部署648648颗功能不同的颗功能不同的“麻雀卫麻雀卫星星”，就可以保证在任何时刻对，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。的工作也不会受影响。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史m 纳米生物学纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜的产生是与扫描探针显微镜 （SPMSPM）的发明和在生命科）的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操对分子的操纵和改性纵和改性为目标的。为目标的。m生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物生物器件器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有。它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制自我复制功能。这样一来，功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的的生命零件生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机生物计算机；具有特定功能的；具有特定功能的纳米生物机器人纳米生物机器人；生物零件与无机材料；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成或晶体材料结合可以制成具有生命功能具有生命功能的的纳米电路纳米电路等。等。纳米生物学纳米生物学东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY纳米人造细胞纳米机器人人工眼球纳米小小到到在在人人的的血血管管中中自自由由的的游游动动，对对于于像像脑脑血血栓栓、动动脉脉硬硬化化等等病病灶灶，它它们们可可以以非非常常容容易易的的予予以以清清理理，而而不不用用再再进进行行危危险险的开颅、开胸手术。的开颅、开胸手术。不不仅仅具具有有比比红红血血球球携携带带氧氧分分子子多多数数百百倍倍的的功功能能，而而且且本本身身装装有有纳纳米米计计算算机机、纳纳米米泵泵，可可以以根根据据需需要要将将氧氧释释放放，同同时时将将无无用用的的二二氧氧化化碳碳带带走走。如如真真的的眼眼睛睛一一样样同同步步移移动动，也也能能通通过过电电脉脉冲冲刺刺激激大大脑脑神神经经，看看到到精精彩彩的世界。的世界。针针对对癌癌症症的的超超细细纳纳米米药药物物，能能将将抗抗肿肿瘤瘤药药物物连连接接在在磁磁性性超超微微粒粒子子上上，定定向向射射向向癌癌细细胞胞，并并把把它们全歼。它们全歼。第一节第一节定义及发展史定义及发展史纳米生物导弹用于修复细胞内的各种用于修复细胞内的各种用于修复细胞内的各种用于修复细胞内的各种病变，如线粒体、细胞病变，如线粒体、细胞病变，如线粒体、细胞病变，如线粒体、细胞核的病变；核的病变；核的病变；核的病变； 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节定义及发展史定义及发展史1.31.3纳米材料分类纳米材料分类m按照维度分类 零维：指空间中三维尺度均为纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 一维：指空间中有二维处于纳米尺度，如纳米丝（Nano-silk)、纳米棒(Nano-rod)、纳米管(Nano-tube)等，或统称为纳米纤维。 二维：指空间中有一维为纳米尺度，如超薄膜(Ultrathin Membrane)、多层膜(Multilayer Membrane)、超晶格(Superlattices）等东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYAgnanosphereparticles(10nm)CdSnanocrystals(3.8nm)东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYInSenanocrystals(7.5nm)东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYDiameter:57nmLength:400nmPbCrO4nanorodsVO2nanorodsDiameter:40-60nmLength:1-2um东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYAg2SenanowiresDiameter:30-40nmLength:50um东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYZnOnanotubesOuterdiameter:80nmWallthickness:20nm东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYCdSnanobeltsWidth:severaltenstoseveralhundredsofnanometers Thickness:60nmLength:severaltenstoseveralhundredsofmicrometers;someofthemevenhavelengthsontheorderofmillimeter.Al2O3porousfilmPorousdiameter:70nmCo(OH)2hexagonalnanoplatelets-Co(OH)2-Co(OH)2Width:severalmicrometersThickness:15nmNote:Theinsetsshowb o t t l e s o f t h e suspensionsobtainedbydispersingtheplateletsinethanol.(a)(b)Cu3SnS4 nanoshell tubesTheindividualnanoshelltubeismadeupofsphericalnanoparticleswithdiameterof20-50nm.- - Fe2O3urchin-likesuperstructureTheseFe2O3nanorodsattachtogetherandassembleinto3Durchin-likesuperstructureswithrod-likecrystallitesradiatingfromthecenter.Theindividualnanorodshaveameandiameterofabout80nm.东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYPbS3DdendriticnanostructureThelengthofthetrunkandthediameterofthebranchesofthePbSdendritesisabout2-4umand40-100nm,respectively.东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYPorousCuInS2microspheresThemicrospheresarecomposedofnanosheetswithaveragethicknessof30nm.Thesenanosheetsinterconnnectwitheachothertoformanentanglednetwork-likearchitecturewithirregular-shapedpore.东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第一节第一节 定义及发展史定义及发展史m按化学组成分 纳米金属、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米氧化物、纳米高分子和纳米复合材料等。m按应用分 纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料等。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性2.12.1小尺寸效应小尺寸效应m随着颗粒尺寸的变小，在一定条件下会引起颗粒性质的变化。随着颗粒尺寸的变小，在一定条件下会引起颗粒性质的变化。m由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为尺寸效应。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为尺寸效应。m对纳米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积亦显著增加，表面原子的电对纳米颗粒而言，尺寸变小的同时，其比表面积亦显著增加，表面原子的电子能级离散、能隙变宽、晶格改变、表面原子密度减小，从而产生一系列新子能级离散、能隙变宽、晶格改变、表面原子密度减小，从而产生一系列新奇的性质。奇的性质。m尺寸相当于或小于光波波长尺寸相当于或小于光波波长, , 传导电子的德布罗意波长传导电子的德布罗意波长, ,超导态的相干长度或超导态的相干长度或透射深度等特征尺寸时透射深度等特征尺寸时, , 周期性的边界条件将被破坏周期性的边界条件将被破坏, , 声、光、电、磁、热声、光、电、磁、热力学等特性即呈现新的小尺寸效应或量子尺寸效应力学等特性即呈现新的小尺寸效应或量子尺寸效应. .东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节纳米材料的特性纳米材料的特性1 1）特殊的光学性质）特殊的光学性质: : 当纳米颗粒尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。当纳米颗粒尺寸小到一定程度时具有很强的吸光性。所所有有的的金金属属在在超超微微颗颗粒粒状状态态都都呈呈现现为为黑黑色色。尺尺寸寸越越小小，颜颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。高效率地将太阳能转变为热能、电能。铂黑能吸附大量的氢、铂黑能吸附大量的氢、氧等气体，在许多气体反氧等气体，在许多气体反应中可用作催化剂应中可用作催化剂将铂黑镀在铂或金电极将铂黑镀在铂或金电极的表面上，常用作氢电极的表面上，常用作氢电极或其他气体电极或其他气体电极 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l l，大约几，大约几微米的厚度就能微米的厚度就能完全消光完全消光。利用这个特性可以高效率地将。利用这个特性可以高效率地将太太阳能阳能转变为热能、电能。还可能应用于转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外红外敏感元件、红外隐身技术隐身技术等。等。F117A型隐身战斗机型隐身战斗机19911991年春的年春的海湾战争海湾战争，美国，美国F F117A117A型隐身战斗机型隐身战斗机外表所包覆外表所包覆的材料中就包含有的材料中就包含有多种纳米超微颗粒多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电，它们对不同波段的电磁波有强烈的磁波有强烈的吸收能力吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性2 2） 特殊的热学性质：特殊的热学性质：大大尺尺寸寸固固态态物物质质的的熔熔点点是是固固定定的的，在在其其被被超超细细化化后后熔熔点点将将显著降低，当颗粒小于显著降低，当颗粒小于1010纳米是尤为显著。纳米是尤为显著。金：金：m.p. 1064-1037(10 nm)-327(2 nm).m.p. 1064-1037(10 nm)-327(2 nm).银：银：m.p. 670-100m.p. 670-100（超微银颗粒）（超微银颗粒）. .通过少量掺杂，可大大降低烧结温度。通过少量掺杂，可大大降低烧结温度。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性m金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为体作为火箭的固体燃料、催化剂火箭的固体燃料、催化剂。m例如例如, , 在火箭发射的固体燃料推进剂中在火箭发射的固体燃料推进剂中添加添加l l重量比重量比的的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加增加 l l 倍倍。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性3）特殊的磁学性质：m人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。场导航下能辨别方向，具有回归的本领。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性m磁性超微颗粒磁性超微颗粒 实质上是一个生物磁罗盘实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的，生活在水中的趋磁细菌趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2020纳米的纳米的磁性氧化物颗粒。磁性氧化物颗粒。m何为趋磁细菌？何为趋磁细菌？世纪年代，美国微生物学家勃列世纪年代，美国微生物学家勃列依克摩尔在大西洋底发现了一种奇异的细菌，它们总是沿依克摩尔在大西洋底发现了一种奇异的细菌，它们总是沿着地磁场的磁力线运动。一起行动时，自动排成一条条着地磁场的磁力线运动。一起行动时，自动排成一条条“生物磁力线生物磁力线”，十分美观。它们决不会自乱阵脚，勃列依，十分美观。它们决不会自乱阵脚，勃列依克摩尔就美其名曰克摩尔就美其名曰“趋磁细菌趋磁细菌”。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性m它们为什么具有这种特殊的功能呢？它们为什么具有这种特殊的功能呢？经美、德、日等国科学家多年的经美、德、日等国科学家多年的研究，发现研究，发现趋磁细菌趋磁细菌的细胞中有一种的细胞中有一种“磁小体磁小体”。每个磁小体都是一。每个磁小体都是一个被磷脂膜包覆的高纯度、纳米级、有独特结构的个被磷脂膜包覆的高纯度、纳米级、有独特结构的单磁畴小晶体单磁畴小晶体。这。这些磁小体沿细胞的长轴排列成链状，使每个细菌都成了一个小小些磁小体沿细胞的长轴排列成链状，使每个细菌都成了一个小小“指指南针南针”，彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来。，彼此首尾相吸沿着地磁场排列了起来。a)活的细菌体内完整的磁小体活的细菌体内完整的磁小体 b)获得的磁小体链获得的磁小体链小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯，大块的纯铁矫顽力约为铁矫顽力约为 8080安米，而当颗粒尺寸减小到安米，而当颗粒尺寸减小到 2020纳米纳米以以下时，其下时，其矫顽力可增加矫顽力可增加1 1千倍千倍，若进一步减小其尺寸，大约，若进一步减小其尺寸，大约小于小于 6 6纳米纳米时，其时，其矫顽力反而降低到零矫顽力反而降低到零，呈现出，呈现出超顺磁性超顺磁性。超顺磁性超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸临界尺寸( (如如FeFe3 3O O4 430nm)30nm)后后, ,在有外加磁场存在时在有外加磁场存在时, ,表现出较强的磁性表现出较强的磁性. .但当外磁场撤消时，无剩磁，但当外磁场撤消时，无剩磁，不再表现出磁性。不再表现出磁性。矫顽力矫顽力是指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少是指破坏磁体磁化状态所需之力也就是使磁感沿磁滞回线减少至零时所需的磁场强度（或抹去磁带上已记录的编码信息所需要的磁至零时所需的磁场强度（或抹去磁带上已记录的编码信息所需要的磁力）力）. .它是粒子形态和尺寸的函数。它是粒子形态和尺寸的函数。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的的磁记录磁粉磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。磁性液体磁性液体（magneticliquids）是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的）是一种液态的磁性材料。该材料既具有固体的磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁磁性又具有液体的流动性。它是由粒径为纳米尺寸（几个到几十个纳米）的磁性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）性微粒，依靠表面活性剂的帮助，均匀分散、悬浮在载液（基液加表面活性剂）中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电磁中，构成的一种固液两相的胶体混合物，这种材料即使在重力、离心力或电磁力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。力作用下也不会发生固液分离，是一种典型的纳米复合材料。 利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体，利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、磁性传感器、选矿用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、磁性传感器、选矿等领域等领域。原理示意图原理示意图磁性液体受磁场作用磁性液体受磁场作用东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性4 4）特殊的力学性质：）特殊的力学性质：m由于纳米材料粒度非常微小由于纳米材料粒度非常微小, ,具有良好的具有良好的表面效应表面效应，1 1克纳米材料的表面积达克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此到几百平方米。因此, ,用纳米材料制成的产品其用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性强度、柔韧度、延展性都十分都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，接触面积大，1212级台风有也吹不掉它。级台风有也吹不掉它。m陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的颗粒压制成的纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性良好的韧性。m研究表明，人的研究表明，人的牙齿牙齿之所以具有很高的之所以具有很高的强度强度，是因为它是由，是因为它是由磷酸钙等磷酸钙等纳米材料纳米材料构成的。构成的。m研究表明纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬研究表明纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3-53-5倍。对于倍。对于金属金属- -陶瓷陶瓷复合纳米材料，其应用前景十分宽广。复合纳米材料，其应用前景十分宽广。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性5 5）特殊的电学性质：）特殊的电学性质：m由于纳米颗粒内的电子运动受到限制，由于纳米颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化电子能量被量子化了。结果表了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上现为当在金属颗粒的两端加上合适电压时，金属颗粒导电；合适电压时，金属颗粒导电；而电压不而电压不合适时金属颗粒不导电合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。缘特性，变得能导电了。m当纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，纳米颗粒具有了负电性，当纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，纳米颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入颗粒内，从而切断了电它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入颗粒内，从而切断了电流的连续性；流的连续性；电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输通常电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输通常这种单电子输运行为称这种单电子输运行为称库仑堵塞效应库仑堵塞效应。 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性2.22.2表面与界面效应表面与界面效应m纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质变化起的性质变化。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性D/nmAtomnumberAtomnumberinSurface(%)SpecificArea(m2/g)103x104209044x1034022522.5x1028045013099900纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸与表面原子数的关系东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性m由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其他原子相不足和高的表面能，使这些原子易与其他原子相结合而稳定下来，因而具有很高的化学活性。结合而稳定下来，因而具有很高的化学活性。m利用其高表面能，纳米粒子可以广泛应用作为催利用其高表面能，纳米粒子可以广泛应用作为催化剂和化学助剂。化剂和化学助剂。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性2.32.3量子尺寸效应量子尺寸效应m理论上说理论上说 在宏观尺寸下材料的导电电子数在宏观尺寸下材料的导电电子数N N可可以认为是无穷多的，因此金属费米能级附近的以认为是无穷多的，因此金属费米能级附近的电子能级可以认为是连续的。电子能级可以认为是连续的。m由于纳米微粒中的导电电子数有限，即由于纳米微粒中的导电电子数有限，即N N很小，很小，r rs s不连续，能量间距发生分裂即为量子尺寸效不连续，能量间距发生分裂即为量子尺寸效应。应。m量子尺寸效应的最直接结果表现在，当在金属量子尺寸效应的最直接结果表现在，当在金属颗粒的两端加上电压不合适时就不导电。颗粒的两端加上电压不合适时就不导电。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第二节第二节微纳米材料的特性微纳米材料的特性2.42.4量子隧道效应量子隧道效应纳米材料中的粒子所具有的穿过势垒的能力叫隧道效应。纳米材料中的粒子所具有的穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观隧道效应。例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。按照量子力学可以知道微观粒子除了在势垒处的反射外，按照量子力学可以知道微观粒子除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明粒子具有一定的概率贯穿还有透过势垒的波函数，这表明粒子具有一定的概率贯穿势垒。势垒。量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立量子尺寸效应、隧道效应是未来微电子器件的基础，确立了现有微电子器件进一步微型化的极限（必须考虑量子效了现有微电子器件进一步微型化的极限（必须考虑量子效应）。应）。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向3.13.1在催化方面的应用在催化方面的应用u纳米粒子的特点：尺寸小、比表面积大、表面的键态和电纳米粒子的特点：尺寸小、比表面积大、表面的键态和电子态与粒子内部不同，表面光滑程度变差，形成了凸凹不子态与粒子内部不同，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶。平的原子台阶。u催化剂的基本条件：化学反应的接触面、活性位置催化剂的基本条件：化学反应的接触面、活性位置u纳米粒子作为催化剂的优点：纳米粒子作为催化剂的优点：a.提高反应效率，一与一般的催化剂相比，反应速度可提高1015倍；b.控制反应速度；c.催化活性和选择性加大；d.产物收率增高；e.对光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化活性；f.可以使得原来不能进行的反应发生。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向m纳米粒子纳米粒子第四代催化剂第四代催化剂m金属纳米催化剂：贵金属（金属纳米催化剂：贵金属（PtPt、AgAg）和非贵金属（）和非贵金属（NiNi、FeFe）m贵金属纳米催化剂可用于高分子高聚物氢化反应；贵金属纳米催化剂可用于高分子高聚物氢化反应；m纳米纳米TiO2既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定、无毒且便宜易得，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定、无毒且便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择；是制备负载型光催化剂的最佳选择；mNi或或Cu-Zn化合物的纳米颗粒是某些有机化合物的氢化反应极好的催化剂，化合物的纳米颗粒是某些有机化合物的氢化反应极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂；可代替昂贵的铂或钮催化剂；m采用纳米采用纳米Ni作为火箭固体燃料的催化剂可使燃烧率提高作为火箭固体燃料的催化剂可使燃烧率提高100倍。倍。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向3.23.2在涂料方面的应用在涂料方面的应用m借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使传统涂层功能得以改性。体系涂层，实现功能的飞跃，使传统涂层功能得以改性。m在涂料中加入纳米材料（如纳米在涂料中加入纳米材料（如纳米TiOTiO2 2、SiOSiO2 2和和ZnOZnO等）颗粒，等）颗粒，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害、抗降解、变色等功能；害、抗降解、变色等功能；m将纳米抗菌粉用于涂料中制得纳米杀菌涂料，用于涂覆建将纳米抗菌粉用于涂料中制得纳米杀菌涂料，用于涂覆建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等，可起到杀菌、保洁作用；房的墙面、地面等，可起到杀菌、保洁作用；东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向m在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的；存太阳能、节约能源的目的；m在外墙建筑涂料中添加纳米在外墙建筑涂料中添加纳米SiOSiO2 2和和TiOTiO2 2等纳米粒子以提高等纳米粒子以提高耐气候性，可以达到减少光的透射和热的传递，产生隔热、耐气候性，可以达到减少光的透射和热的传递，产生隔热、阻燃等效果；阻燃等效果；m在汽车面漆中添加在汽车面漆中添加TiOTiO2 2，可提高汽车涂料的耐老化性等，可提高汽车涂料的耐老化性等，特别是金红石型超细特别是金红石型超细TiOTiO2 2，还可起效应颜料的作用，与其，还可起效应颜料的作用，与其他片状效应颜料（如铝粉颜料或珠光颜料）并用时，会产他片状效应颜料（如铝粉颜料或珠光颜料）并用时，会产生伴有乳光的随角异色性；生伴有乳光的随角异色性；东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向m军事中的隐身材料军事中的隐身材料由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大面积比常规粗粉大3 34 4个数量级，对红外光和电个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向m纳米纳米SiOSiO2 2添加至紫外光固化涂料中，可提高涂料的硬度及添加至紫外光固化涂料中，可提高涂料的硬度及其耐刮擦性等。比如，采用聚硅氧烷、锐钛型纳米级其耐刮擦性等。比如，采用聚硅氧烷、锐钛型纳米级TiOTiO2 2、填料和溶剂复合可制得大气环保涂料，能将大气中氮氧化填料和溶剂复合可制得大气环保涂料，能将大气中氮氧化物转化成硝酸，可用于涂覆在高速公路、桥梁、建筑物和物转化成硝酸，可用于涂覆在高速公路、桥梁、建筑物和广告牌的表面，或在需要的地方专门设置净化面板等。广告牌的表面，或在需要的地方专门设置净化面板等。m纳米纳米SiOSiO2 2是一种抗紫外线辐射材料，在涂料中加入纳米是一种抗紫外线辐射材料，在涂料中加入纳米SiOSiO2 2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向3.33.3在传感器中的应用在传感器中的应用m与传统的传感器相比与传统的传感器相比, , 利用纳米技术制作传感器尺寸减小、精度提高利用纳米技术制作传感器尺寸减小、精度提高等性能大大改善。更重要的是等性能大大改善。更重要的是, , 纳米传感器是站在原子尺度上纳米传感器是站在原子尺度上, , 从而从而极大地丰富了传感器的理论极大地丰富了传感器的理论, , 推动了传感器的制作水平推动了传感器的制作水平, , 拓宽了传感拓宽了传感器的应用领域。器的应用领域。m纳米传感器具有庞大的界面纳米传感器具有庞大的界面, , 提供大量物质通道提供大量物质通道, ,导通电阻很小导通电阻很小, ,有利有利于传感器向微型化发展。于传感器向微型化发展。m分类：纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器和其他类型的纳米传分类：纳米化学和生物传感器、纳米气敏传感器和其他类型的纳米传感器感器( (压力、温度和流量等压力、温度和流量等) )东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向纳米化学和生物传感器m特点：具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统特点：具有了亚微米的尺寸、换能器、探针或者纳米微系统, ,该种传该种传感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提感器的化学和物理性质和其对生物分子或者细胞的检测灵敏度大幅提高高, , 检测的反应时间也得以缩短检测的反应时间也得以缩短, , 并且可以实现高通量的实时检测分并且可以实现高通量的实时检测分析。析。m应用：可以对癌症、心血管疾病等进行早期诊断；应用：可以对癌症、心血管疾病等进行早期诊断；m 利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学传感器能够检测氨、氧化氮、利用碳纳米管和其他纳米微结构的化学传感器能够检测氨、氧化氮、过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体过氧化氢、碳氢化合物、挥发性有机化合物以及其他气体, , 与具有相与具有相同功能的其他分析仪相比同功能的其他分析仪相比, , 它不仅尺寸要小而且价格也便宜它不仅尺寸要小而且价格也便宜。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向m主要成果：主要成果：a.a.美国美国RiceRice大学的纳米光学实验室将一种被称为大学的纳米光学实验室将一种被称为“纳米星纳米星”的微小黄金的微小黄金颗粒制成有效的化学感应器。颗粒制成有效的化学感应器。（“纳米星纳米星”汇集现在正研究的光子颗粒的最好汇集现在正研究的光子颗粒的最好性质性质, , 其表面的每一个颗粒都有着唯一的光谱信号其表面的每一个颗粒都有着唯一的光谱信号, , 初步的测试表明这些信号可以用初步的测试表明这些信号可以用来确定纳米星的三维方向来确定纳米星的三维方向, , 为开展三维分子检测工作打下坚实的基础）为开展三维分子检测工作打下坚实的基础）b.b.美国耶鲁大学用传统方法研制出一种简易而敏感的硅材料纳米生物传美国耶鲁大学用传统方法研制出一种简易而敏感的硅材料纳米生物传感器感器, , 这在理论上使纳米传感器可以大量生产。这在理论上使纳米传感器可以大量生产。c.c.中科院上海应用物理所研制出一种新型的电化学中科院上海应用物理所研制出一种新型的电化学DNADNA纳米生物传感器纳米生物传感器, , 其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控其特色是通过对电极界面纳米尺度的精细调控, , 同时引入金纳米粒子同时引入金纳米粒子进行电化学信号放大进行电化学信号放大, , 从而显著提高了从而显著提高了DNADNA检测的灵敏度检测的灵敏度东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向d. d. 扬州大学的纳米扬州大学的纳米CaCOCaCO3 3固定生物分子制备生物传感器的方法固定生物分子制备生物传感器的方法, , 属于以属于以无机材料纳米无机材料纳米CaCOCaCO3 3为载体固定蛋白质等生物分子制备生物传感器的方为载体固定蛋白质等生物分子制备生物传感器的方法。制备出的生物传感器稳定性好、灵敏度高、重现性好法。制备出的生物传感器稳定性好、灵敏度高、重现性好, ,而所需的而所需的生物分子的量少。生物分子的量少。e. e. 中科院上海应用物理所研制出一种检测三磷酸腺苷中科院上海应用物理所研制出一种检测三磷酸腺苷(ATP)(ATP)的新型电化的新型电化学生物传感器学生物传感器, , 应用了一类核酸适配体作为应用了一类核酸适配体作为ATPATP分子识别元件。分子识别元件。f. f. 浙江大学研制出一种含有水凝胶浙江大学研制出一种含有水凝胶- -碳纳米管的味觉传感器碳纳米管的味觉传感器, ,在基板上在基板上, ,用真空溅射法或化学气相沉积法制成带有金焊盘的匙状金电极；以水用真空溅射法或化学气相沉积法制成带有金焊盘的匙状金电极；以水凝胶凝胶PVAPVA加加PAPA，或，或PVAPVA加加PAAPAA作为味敏层材料，掺杂碳纳米管作为味敏层材料，掺杂碳纳米管, , 采用直采用直接滴加法在匙状金电极上沉积味敏层接滴加法在匙状金电极上沉积味敏层, ,烘干烘干, ,在除味敏层以外的区域涂在除味敏层以外的区域涂敷环氧树脂敷环氧树脂, , 晾干晾干, ,获得含有水凝胶获得含有水凝胶- -碳纳米管的味觉传感器。传感器碳纳米管的味觉传感器。传感器体积小体积小, , 测量方法简单。测量方法简单。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向纳米气敏传感器纳米气敏传感器u用零维的金属氧化物半导体纳米颗粒、碳纳米管及二维纳米薄膜等都可以作为敏感材料构成气敏传感器。u研究方向：a.在气体环境中依靠敏感材料的电导发生变化来制作气敏传感器。在这些纳米敏感材料中加入贵重金属纳米颗粒(例如Pt和Pd),大大增强了选择性, 提高了灵敏度,降低了工作温度。b.用多壁碳纳米管制作气敏传感器用多壁碳纳米管制作气敏传感器。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向u主要成果主要成果a.a.美国研究人员研制的美国研究人员研制的“纳米传感器纳米传感器”能够监测太空飞船中的微量气体。能够监测太空飞船中的微量气体。b.b.美国加利福尼亚大学研制成功了一种能够自动鉴定气体成份的美国加利福尼亚大学研制成功了一种能够自动鉴定气体成份的“电子电子鼻鼻”。c.c.由中科院合肥智能综合了纳米技术和自动控制等多个学科的相关理论由中科院合肥智能综合了纳米技术和自动控制等多个学科的相关理论与技术与技术, , 提出了暗电流检测气体的新方法；集成开发了基于碳纳米管提出了暗电流检测气体的新方法；集成开发了基于碳纳米管电离的气体检测预警系统并首次实现了在大气环境下对某些有机气体电离的气体检测预警系统并首次实现了在大气环境下对某些有机气体及毒品的检测及毒品的检测, ,形成了多项具有自主知识产权的核心技术。形成了多项具有自主知识产权的核心技术。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向d.d.上海交通大学提出使用标准微电子加工技术中图形转换技上海交通大学提出使用标准微电子加工技术中图形转换技术和金属微电铸技术术和金属微电铸技术, , 作为实现基于一维纳米材料的微气作为实现基于一维纳米材料的微气体传感器的制造工艺体传感器的制造工艺, , 可以极大提高对该种传感器核心结可以极大提高对该种传感器核心结构要素的控制精度和器件结构设计的灵活性构要素的控制精度和器件结构设计的灵活性, , 方便实现微方便实现微型智能传感器。型智能传感器。e.e.浙江大学研制了一种基于气体在纳米间隙中的电离来实施浙江大学研制了一种基于气体在纳米间隙中的电离来实施气敏检测的微型气体传感器。气敏检测的微型气体传感器。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第三节第三节微纳米材料的应用方向微纳米材料的应用方向其他类型纳米传感器u电阻应变式纳米压力传感器、纳米磁敏传感器、纳米光纤生物传感器电阻应变式纳米压力传感器、纳米磁敏传感器、纳米光纤生物传感器u美国近年在纳米基础研究涉及到纳米传感器的研究成果主要有美国近年在纳米基础研究涉及到纳米传感器的研究成果主要有: :a.发现碳纳米管理想的吸收与发散光波特性,可望使单分子传感器变成现实; b.利用自行组装的DNA分子作为建筑材料, 建造了支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线, 直径只有数10- 10m,这是在纳米级合成方面取得的重要成就, 可能由此开发可编程的分子级传感器; c.在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构 实现纳米尺度上机电耦合的关键材料, 可用来设计研制各种纳米传感器。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品v纳米纺织品纳米纺织品m分类：广义纳米纺织品和狭义纳米纺织品分类：广义纳米纺织品和狭义纳米纺织品 广义纳米纺织品：是所有包含有纳米尺度物质的纺织广义纳米纺织品：是所有包含有纳米尺度物质的纺织品的统称，包括在聚合物合成或纺丝过程中添加的各种功品的统称，包括在聚合物合成或纺丝过程中添加的各种功能粒子的材料加工而成的纺织品，也包括在后整理工艺中能粒子的材料加工而成的纺织品，也包括在后整理工艺中加入了纳米粒子的纺织品，还包括通过特殊的加工手段使加入了纳米粒子的纺织品，还包括通过特殊的加工手段使其具有纳米尺度表面形貌等具有特殊功能的纺织品其具有纳米尺度表面形貌等具有特殊功能的纺织品。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m狭义纳米纺织品主要指采用细度在纳米尺度（狭义纳米纺织品主要指采用细度在纳米尺度（1 1100 100 nmnm）内的纤维制成的纺织品。）内的纤维制成的纺织品。m根据其具有的功能分类根据其具有的功能分类 抗紫外纳米纺织品、远红外纳米纺织品、抗菌抗紫外纳米纺织品、远红外纳米纺织品、抗菌除臭纳米纺织品、防水拒油纳米纺织品等除臭纳米纺织品、防水拒油纳米纺织品等东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.14.1广义纳米纺织品广义纳米纺织品纳米功能材料整理纳米功能材料整理m方法：浸轧法、涂层法方法：浸轧法、涂层法m关键：根据棉或棉化纤织物的特性和整理的目关键：根据棉或棉化纤织物的特性和整理的目的，选择相应的分散剂、增稠剂、稳定剂、柔软的，选择相应的分散剂、增稠剂、稳定剂、柔软剂等助剂和合理的成浆工艺、浆料稳定技术等剂等助剂和合理的成浆工艺、浆料稳定技术等东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.1.14.1.1抗紫外化纤及抗紫外天然化纤后整理织物的应用抗紫外化纤及抗紫外天然化纤后整理织物的应用 原理：利用某些物质对光线具有较强的屏蔽防护作用，原理：利用某些物质对光线具有较强的屏蔽防护作用，如如MgOMgO、ZnOZnO、TiOTiO2 2、SiOSiO2 2、CaCOCaCO3 3、高岭土、碳黑、金属等，、高岭土、碳黑、金属等，将这些材料制成超细粉体，使微粒的尺寸与光波波长相当将这些材料制成超细粉体，使微粒的尺寸与光波波长相当或更小时，由于小尺寸效应导致其光吸收作用显著增强，或更小时，由于小尺寸效应导致其光吸收作用显著增强，而且纳米粉体的比表面积大、表面能高，与高分子材料共而且纳米粉体的比表面积大、表面能高，与高分子材料共混时很容易与后者相结合，再加上化纤纺丝设备对共混材混时很容易与后者相结合，再加上化纤纺丝设备对共混材料的粒度要求，决定了纳米粉体是光防护、光屏蔽、光反料的粒度要求，决定了纳米粉体是光防护、光屏蔽、光反射等功能化纤在共混制备时的优选材料。射等功能化纤在共混制备时的优选材料。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m为了保证纳米粉体与纤维的良好结合，又能够生产出便于印染而呈现为了保证纳米粉体与纤维的良好结合，又能够生产出便于印染而呈现缤纷色彩的织物，一般选用金属氧化物的粉体，即纳米级粉体。缤纷色彩的织物，一般选用金属氧化物的粉体，即纳米级粉体。m在这里，这类粉体表现出特殊的光学性质。如通常用氧化锌作为紫外在这里，这类粉体表现出特殊的光学性质。如通常用氧化锌作为紫外线屏蔽剂，因为其禁带宽度为线屏蔽剂，因为其禁带宽度为3.2 eV3.2 eV，可以吸收波长为，可以吸收波长为388 nm388 nm的紫外的紫外线；而氧化锌的粒度为线；而氧化锌的粒度为10 nm10 nm时，它的禁带宽度增加到时，它的禁带宽度增加到4.5 eV4.5 eV以上，以上，可以较好地吸收可以较好地吸收280280320 nm320 nm波长的紫外线。波长的紫外线。m大量研究证明：含纳米粒子的纤维能够较好地吸收大量研究证明：含纳米粒子的纤维能够较好地吸收UVBUVB和和UVAUVA波段的紫波段的紫外线，屏蔽率可达到外线，屏蔽率可达到95%95%以上。以上。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m抗紫外化纤的品种：涤纶、腈纶、尼龙和丙纶等，抗紫外化纤的品种：涤纶、腈纶、尼龙和丙纶等，大批量地开发并生产了抗紫外涤纶、丙纶等产品，大批量地开发并生产了抗紫外涤纶、丙纶等产品，所织成的纺织品的紫外线屏蔽率一般都高于所织成的纺织品的紫外线屏蔽率一般都高于95%95%。m对于对于棉、毛、丝、麻等天然纤维，通常采用对于对于棉、毛、丝、麻等天然纤维，通常采用后整理的方法，赋予其抗紫外线功能。后整理的方法，赋予其抗紫外线功能。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.1.24.1.2远红外线功能纳米材料与远红外整理织物远红外线功能纳米材料与远红外整理织物u远红外线反射功能纤维是一种具有远红外吸收反射功能的化纤材料，远红外线反射功能纤维是一种具有远红外吸收反射功能的化纤材料，所织成的织物能够吸收人体发射的热量，并向人体辐射一定波长范围所织成的织物能够吸收人体发射的热量，并向人体辐射一定波长范围的远红外线（包括最易被人体吸收的的远红外线（包括最易被人体吸收的4 414 m14 m波长段），可使人体波长段），可使人体皮下组织中的血流量增加，从而起到促进血液循环的作用；同时，反皮下组织中的血流量增加，从而起到促进血液循环的作用；同时，反射并返还部分人体辐射的红外线，以屏蔽红外线，减少热量损失。射并返还部分人体辐射的红外线，以屏蔽红外线，减少热量损失。u应用纳米材料对棉、毛、羊绒以及天然纤维化纤混纺材料进行远红应用纳米材料对棉、毛、羊绒以及天然纤维化纤混纺材料进行远红外后整理，可赋予纺织品相同的功能，使纤维及其织物的保温性能较外后整理，可赋予纺织品相同的功能，使纤维及其织物的保温性能较常规织物提高常规织物提高1212以上。以上。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.1.34.1.3抗菌和除臭纺织品抗菌和除臭纺织品抗菌化纤和抗菌后整理织物的除臭功能表现为：抗菌化纤和抗菌后整理织物的除臭功能表现为： 保健作用，即防止皮肤感染、消除病菌分泌的保健作用，即防止皮肤感染、消除病菌分泌的毒素以及将汗液等转化为臭味物质的细菌；毒素以及将汗液等转化为臭味物质的细菌；美学作用，即除去令人不愉快的臭味。美学作用，即除去令人不愉快的臭味。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品u异味菌种：异味菌种：a.a.表皮葡萄球菌表皮葡萄球菌常见于内衣、内裤；杆菌孢子常见于内衣、内裤；杆菌孢子和少量表皮葡萄球菌和少量表皮葡萄球菌外衣裤；外衣裤；b.b.皮肤丝状真菌和指间毛菌皮肤丝状真菌和指间毛菌袜子和鞋衬织物。袜子和鞋衬织物。u除臭功能还表现在消除人类周围的臭体物质除臭功能还表现在消除人类周围的臭体物质硫基化合物类（硫化氢、甲硫醇和乙硫醇）和氮硫基化合物类（硫化氢、甲硫醇和乙硫醇）和氮基化合物（氨和胺类化合物）。基化合物（氨和胺类化合物）。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.1.44.1.4纳米拒水、拒油、防污纺织品纳米拒水、拒油、防污纺织品原理：主要选择一些具有特殊化学结构的试剂，以原理：主要选择一些具有特殊化学结构的试剂，以改变纤维表面层的组成，并能牢固附着于纤维或改变纤维表面层的组成，并能牢固附着于纤维或与纤维发生化学结合，形成具有低表面能的新表与纤维发生化学结合，形成具有低表面能的新表面层，使织物的临界表面张力远远小于水或油类面层，使织物的临界表面张力远远小于水或油类等液体的表面张力。等液体的表面张力。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品u拒水性能必须具备的条件：拒水性能必须具备的条件：a.a.纤维表面有一层憎水的薄膜；纤维表面有一层憎水的薄膜；b.b.水滴不易润湿织物表面。水滴不易润湿织物表面。 材料具有低表面能和适当的表面粗糙度。材料具有低表面能和适当的表面粗糙度。u拒水拒油整理的目的是阻止水和油对织物的润湿，利用织物毛细管的拒水拒油整理的目的是阻止水和油对织物的润湿，利用织物毛细管的附加压力，阻止液态水和油的透过，但仍然保持织物的透气透湿性能。附加压力，阻止液态水和油的透过，但仍然保持织物的透气透湿性能。u应用：生产军服、防护服，制作运动服、旅行包、旅行装和帐篷等应用：生产军服、防护服，制作运动服、旅行包、旅行装和帐篷等东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.24.2狭义纳米纺织品狭义纳米纺织品u狭义纳米纺织品主要由纳米纤维构成。狭义纳米纺织品主要由纳米纤维构成。当直径从微米缩小至亚微米或纳米时，具有非常大的比当直径从微米缩小至亚微米或纳米时，具有非常大的比表面积，超疏水或超亲水性以及优越的机械性能。当纤表面积，超疏水或超亲水性以及优越的机械性能。当纤维直径在几百纳米范围内，也表现出一定的纳米材料特维直径在几百纳米范围内，也表现出一定的纳米材料特性。性。u分类：分类：天然纳米纤维天然纳米纤维有生物体直接产生有生物体直接产生人造纳米纤维人造纳米纤维自组装法、模板法、海岛纺丝法以及自组装法、模板法、海岛纺丝法以及静电纺丝法等静电纺丝法等东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.2.14.2.1天然纳米纤维纺织品天然纳米纤维纺织品天然纳米纤维的典型代表天然纳米纤维的典型代表蜘蛛丝蜘蛛丝蜘蛛丝的结构：蜘蛛丝的结构：m 蜘蛛丝属于蛋白质纤维，一般蜘蛛丝包含捕捉丝（捕获猎物），径向丝（辐蜘蛛丝属于蛋白质纤维，一般蜘蛛丝包含捕捉丝（捕获猎物），径向丝（辐条状）及圆周网丝三种类型的丝（有的蜘蛛能产生八种类型的丝）。条状）及圆周网丝三种类型的丝（有的蜘蛛能产生八种类型的丝）。m捕捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶捕捉丝蛋白在蜘蛛的鞭毛腺体中合成，而径向丝和圆周丝蛋白则在蜘蛛的壶腹腺中合成。腹腺中合成。m蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白质纤维，固化后的蜘蛛丝不溶蜘蛛的腺体液离开蜘蛛身体后立即固化成蛋白质纤维，固化后的蜘蛛丝不溶于水并具有优良的性质于水并具有优良的性质m蜘蛛丝有一些被称为原纤的纤维束组成。蜘蛛丝有一些被称为原纤的纤维束组成。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m蜘蛛丝的分子特性蜘蛛丝的分子特性 从电子显微镜下观察蜘蛛丝，可发现，蜘蛛丝有点类似悬吊桥梁的大钢索，中间有一根主要的钢索，而周围又以其他较小的钢索缠绕着电子显微镜下蜘蛛丝的结构外观上又细又柔软的，蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和外观上又细又柔软的，蜘蛛丝之所以具有极好的弹性和强度，其原因在于：强度，其原因在于：1 1、不规则的蛋白质分子链，这使蜘、不规则的蛋白质分子链，这使蜘 蛛丝具有弹性；蛛丝具有弹性；2 2、规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。、规则的蛋白质分子链，这又使蜘蛛丝具有强度。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m蜘蛛丝的细观结构a.a.蜘蛛丝的结构经扫描电镜观测，蜘蛛丝内部结构蜘蛛丝的结构经扫描电镜观测，蜘蛛丝内部结构透明、无孔隙。透明、无孔隙。b.b.蜘蛛丝横截面接近圆形。蜘蛛丝的纵向形态是丝蜘蛛丝横截面接近圆形。蜘蛛丝的纵向形态是丝中央有一道凹形痕迹，平均直径为中央有一道凹形痕迹，平均直径为6.9m6.9m，蜘蛛丝，蜘蛛丝在水中会发生截面膨胀，径向收缩。在水中会发生截面膨胀，径向收缩。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m蜘蛛丝性能a.a.强度大：一般的蜘蛛丝强度比钢丝大强度大：一般的蜘蛛丝强度比钢丝大5 5倍，而美国南部有种倍，而美国南部有种“黑寡妇黑寡妇” 蜘蛛，它的强度比钢丝大蜘蛛，它的强度比钢丝大1010倍。倍。b.b.耐低温：蜘蛛丝在耐低温：蜘蛛丝在-40-40摄氏度时仍能保持其弹性，只有在更低的温度摄氏度时仍能保持其弹性，只有在更低的温度下才变硬，在低温下使用，这种纤维特别明显是下才变硬，在低温下使用，这种纤维特别明显是c.c.可降解无污染：蜘蛛丝是由蛋白质组成的，生物可降解的，不会对环可降解无污染：蜘蛛丝是由蛋白质组成的，生物可降解的，不会对环境造成污染。境造成污染。d.d.蜘蛛丝蜘蛛丝 弹性、伸长、韧性及抗断裂性好弹性、伸长、韧性及抗断裂性好 e.e.质轻、耐紫外线、比重质轻、耐紫外线、比重 f.f.初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原初始模量大、断裂功大、韧性强的特性，是加工特种纺织品的首选原料。料。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m人造蜘蛛丝生产途径：人造蜘蛛丝生产途径：a.利用动物（奶牛或奶羊）来生产b.利用微生物（细菌或酵母菌）来生产c.利用植物来生产东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品第一种途径第一种途径u将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植到山羊，山羊生产的将能复制蜘蛛丝蛋白的合成基因移植到山羊，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质u加拿大加拿大NexiaNexia生物技术公司宣布已经获得成功，山羊生产生物技术公司宣布已经获得成功，山羊生产的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质，的羊奶中就含有类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质， 用这种蛋用这种蛋白质生产的纤维取名生物钢，其强度比芳纶大白质生产的纤维取名生物钢，其强度比芳纶大3.53.5倍。倍。 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品第二种途径第二种途径u利用微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方法是将能生产蜘蛛利用微生物来生产蜘蛛丝蛋白，这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的基因移植给微生物，使该种微生物在繁殖过程中丝蛋白的基因移植给微生物，使该种微生物在繁殖过程中大量生产类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。大量生产类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质。u美国杜邦公司通过基因移植技术能合成出高分子量的类似美国杜邦公司通过基因移植技术能合成出高分子量的类似于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白质于蜘蛛拉索丝蛋白的蛋白质 东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品第三种途径第三种途径u利用植物来生产蜘蛛丝蛋白。这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的合成利用植物来生产蜘蛛丝蛋白。这种方法是将能生产蜘蛛丝蛋白的合成基因移植给植物，如花生、烟草和土豆等作物，使这些植物能大量生基因移植给植物，如花生、烟草和土豆等作物，使这些植物能大量生产类似与蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后将蛋白质提取出来作为生产仿蜘产类似与蜘蛛丝蛋白的蛋白质，然后将蛋白质提取出来作为生产仿蜘蛛丝的原料蛛丝的原料u德国植物遗传与栽培研究所通过合成基因移植给烟草和土豆，所培植德国植物遗传与栽培研究所通过合成基因移植给烟草和土豆，所培植出的转基因烟草和土豆含有可观数量的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质出的转基因烟草和土豆含有可观数量的类似于蜘蛛丝蛋白的蛋白质东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.2.2人造纳米纤维纺织品人造纳米纤维纺织品 人造纳米纤维通常由聚合物制备而成，制备方法有拉伸、模板聚合、相分离、自组织和静电纺丝等。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品a.a.拉伸工艺类似于纤维工业中的干法纺丝，能制得很长的单拉伸工艺类似于纤维工业中的干法纺丝，能制得很长的单根纳米纤维长丝。原料：能够承受巨大的应力牵引而发生根纳米纤维长丝。原料：能够承受巨大的应力牵引而发生形变的黏弹性材料形变的黏弹性材料b.b.模板聚合是用纳米多孔膜作为模板来制备纳米纤维或中空模板聚合是用纳米多孔膜作为模板来制备纳米纤维或中空纳米纤维。纳米纤维。 主要特点是可纺制不同原料，如导电聚合物、金属、半导主要特点是可纺制不同原料，如导电聚合物、金属、半导体、碳素纳米管和原纤维，但是该方法不能制备连续的纳体、碳素纳米管和原纤维，但是该方法不能制备连续的纳米长纤维。米长纤维。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品c. c. 相分离过程包括溶解、凝胶化以及用不同的溶剂萃取、冷凝和干燥，相分离过程包括溶解、凝胶化以及用不同的溶剂萃取、冷凝和干燥，最终得到纳米多孔泡沫；该方法需要花费相当长的时间使固体聚合物最终得到纳米多孔泡沫；该方法需要花费相当长的时间使固体聚合物转化成纳米多孔泡沫。转化成纳米多孔泡沫。d. d. 自组织是将已有的组分自发地组装成一种预想的图案和功能的过程；自组织是将已有的组分自发地组装成一种预想的图案和功能的过程；与相分离方法相似，自组装过程非常耗时。与相分离方法相似，自组装过程非常耗时。e. e. 静电纺丝是得到纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心，是静电纺丝是得到纳米纤维最重要的基本方法。这一技术的核心，是使带电荷的高分子溶液或熔体在外电场中流动与变形，然后经溶剂蒸使带电荷的高分子溶液或熔体在外电场中流动与变形，然后经溶剂蒸发或熔体冷却而固化，于是得到纤维状物质。发或熔体冷却而固化，于是得到纤维状物质。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m静电纺丝原理：静电纺丝原理： 静电纺丝是使聚合物溶液或熔体带上几千伏至上万伏的高压静电，静电纺丝是使聚合物溶液或熔体带上几千伏至上万伏的高压静电，带电液滴在电场力作用下形成带电液滴在电场力作用下形成TaylorTaylor锥；当电场力足够大时，电场力锥；当电场力足够大时，电场力可在可在TaylorTaylor锥的锥尖克服溶液表面张力，形成喷射细流；带电的聚合锥的锥尖克服溶液表面张力，形成喷射细流；带电的聚合物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带物射流在电场力、黏滞阻力、表面张力等作用下被拉伸细化，同时带电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲；细流在喷射过程中经电射流在电场中由于存在表面电荷而发生弯曲；细流在喷射过程中经溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维溶剂蒸发或固化，最终落在接收装置上，形成类似无纺布的纳米纤维网。网。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m静电纺丝原料：静电纺丝原料： 聚酯、尼龙、聚乙烯醇、聚氨酯、丁二烯、苯乙烯嵌段共聚物聚酯、尼龙、聚乙烯醇、聚氨酯、丁二烯、苯乙烯嵌段共聚物(SBS)(SBS)、液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等、蚕丝、蜘蛛丝在内的液晶态的刚性高分子聚对苯二甲酰对苯二胺等、蚕丝、蜘蛛丝在内的蛋白质和核酸等生物大分子蛋白质和核酸等生物大分子m静电纺死纳米纤维网的特点：静电纺死纳米纤维网的特点： 具有高孔洞性、高表面积、高透湿性等特性，可用于过滤材料、阻具有高孔洞性、高表面积、高透湿性等特性，可用于过滤材料、阻隔及分离膜、生物医用材料、服装材料及功能性材料等。隔及分离膜、生物医用材料、服装材料及功能性材料等。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品4.2.34.2.3分形纤维纺织品分形纤维纺织品m分形纤维是在纳米尺度范围内（分形纤维是在纳米尺度范围内（1 1100 nm100 nm）存）存在的一种超维分形结构单元，经在的一种超维分形结构单元，经3 34 4个数量级的个数量级的自相似放大后，形成宏观纤维的超维扭曲分形结自相似放大后，形成宏观纤维的超维扭曲分形结构。构。m分形是指一类有伸缩对称性的客体，用不同的放分形是指一类有伸缩对称性的客体，用不同的放大倍数去观察它们，会看到相似的形貌。大倍数去观察它们，会看到相似的形貌。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m纤维结构的概念可分为大分子结构、超分子结构、纤维形纤维结构的概念可分为大分子结构、超分子结构、纤维形态结构三个层次，而纤维性能产生的根源在于其大分子结态结构三个层次，而纤维性能产生的根源在于其大分子结构。构。m天然纤维的纳米分形结构单元则处于原子簇与宏观物体交天然纤维的纳米分形结构单元则处于原子簇与宏观物体交界的过渡区域，它是靠近原子簇的一种起始结构单元，是界的过渡区域，它是靠近原子簇的一种起始结构单元，是形态结构的基础，它决定了纤维的宏观结构和性能。形态结构的基础，它决定了纤维的宏观结构和性能。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品m羊毛纤维具有与合成纤维截然不同的内部自相似结构。羊毛纤维具有与合成纤维截然不同的内部自相似结构。m合成纤维结构，无法摆脱死板、僵化的痕迹，只有固定的合成纤维结构，无法摆脱死板、僵化的痕迹，只有固定的组织结构。组织结构。m蚕丝自旋扭曲的自相似源头也是丝阮原纤束的原纤，其纤蚕丝自旋扭曲的自相似源头也是丝阮原纤束的原纤，其纤维的宏观扭曲分形维数在羊毛和棉之间，因此蚕丝比较滑维的宏观扭曲分形维数在羊毛和棉之间，因此蚕丝比较滑爽、飘柔。爽、飘柔。m目前的合成纤维基本为横、平、竖、直的均一结构，无纳目前的合成纤维基本为横、平、竖、直的均一结构，无纳米尺寸的超维分形结构单元，纤维整体也不是分形结构。米尺寸的超维分形结构单元，纤维整体也不是分形结构。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITY第四节第四节 微纳米技术与纳米纺织品微纳米技术与纳米纺织品分形纤维的研究现状：分形纤维的研究现状：m美、日等国触及的是纤维和织物表面的凹凸构造的自相似美、日等国触及的是纤维和织物表面的凹凸构造的自相似性与大自然色、光的对应关系，但均一、呆板的合纤结构性与大自然色、光的对应关系，但均一、呆板的合纤结构尚无法触动。尚无法触动。m在中国纺织界，从科技工作者对分形理论应用的研究和认在中国纺织界，从科技工作者对分形理论应用的研究和认识层面上看，虽仍处于酝酿期，但分形结构涤纶的开发，识层面上看，虽仍处于酝酿期，但分形结构涤纶的开发，经长时间的努力以及与生命科学的交叉，从纳米结构开始，经长时间的努力以及与生命科学的交叉，从纳米结构开始，经自相似放大，已取得工业化的重大进展。经自相似放大，已取得工业化的重大进展。东东华华大大学学DONGHUAUNIVERSITYENDING!