第三節(jié)材料的開發(fā)和利用2

第三節(jié)

材料的開發(fā)和利用22014年02月17日一、超導(dǎo)材料其中有一種性能較好的材料叫超導(dǎo)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(nèi)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(fā)現(xiàn)超導(dǎo)電性。超導(dǎo)體1．超導(dǎo)現(xiàn)象和超導(dǎo)體：當(dāng)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(rèn)為其電阻率突然變?yōu)榱悖@種現(xiàn)象叫做超導(dǎo)現(xiàn)象，能夠發(fā)生超導(dǎo)現(xiàn)象的物質(zhì)稱為超導(dǎo)體．

2．轉(zhuǎn)變溫度TC

：材料由正常狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)狀態(tài)的溫度，叫做超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度．3、超導(dǎo)體的兩個基本特性：零電阻性、抗磁性

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

超導(dǎo)磁懸浮現(xiàn)象使人們想到可以利用超導(dǎo)體來實現(xiàn)交通工具的無摩擦運(yùn)行，大大提高交通工具的安全性能和運(yùn)行速度。超導(dǎo)體的發(fā)展史1.1911年，荷蘭科學(xué)家卡末林—昂內(nèi)斯(HeikeKamerlingh-Onnes)用液氦冷卻汞，當(dāng)溫度下降到4.2K（﹣268.95℃）時，水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性。2.1933年，邁斯納和奧克森菲爾德兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，如果把超導(dǎo)體放在磁場中冷卻，則在材料電阻消失的同時，磁感應(yīng)線將從超導(dǎo)體中排出，不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。3.1973年，發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)合金――鈮鍺合金，其臨界超導(dǎo)溫度為23.2K（﹣249.95℃），這一記錄保持了近13年。4.1986年，設(shè)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(dǎo)性5.1987年，美國華裔科學(xué)家朱經(jīng)武以及中國科學(xué)家趙忠賢相繼在釔－鋇－銅－氧系材料上把臨界超導(dǎo)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(dǎo)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(dá)110K的Bi-Sr-Ca-Cu-O超導(dǎo)體。至此，人類終于實現(xiàn)了液氮溫區(qū)超導(dǎo)體的夢想，實現(xiàn)了科學(xué)史上的重大突破。這類超導(dǎo)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(dǎo)體。超導(dǎo)技術(shù)與昂內(nèi)斯持久電流實驗為了證實（超導(dǎo)體）電阻為零，科學(xué)家將一個鉛制的圓環(huán)，放入溫度低于Tc=7.2K的空間，利用電磁感應(yīng)使環(huán)內(nèi)激發(fā)起感應(yīng)電流。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，環(huán)內(nèi)電流能持續(xù)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(nèi)的電流一直沒有衰減，這說明圓環(huán)內(nèi)的電能沒有損失，當(dāng)溫度升到高于Tc時，圓環(huán)由超導(dǎo)狀態(tài)變正常態(tài)，材料的電阻驟然增大，感應(yīng)電流立刻消失，這就是著名的昂內(nèi)斯持久電流實驗。高溫超導(dǎo)材料的用途非常廣闊，大致可分為三類：大電流應(yīng)用（強(qiáng)電應(yīng)用）、電子學(xué)應(yīng)用（弱電應(yīng)用）和抗磁性應(yīng)用。大電流應(yīng)用即前述的超導(dǎo)發(fā)電、輸電和儲能；電子學(xué)應(yīng)用包括超導(dǎo)計算機(jī)、超導(dǎo)天線、超導(dǎo)微波器件等；抗磁性主要應(yīng)用于磁懸浮列車和熱核聚變反應(yīng)堆等。超導(dǎo)列車是在車上安裝強(qiáng)大的超導(dǎo)磁體，地上安放一系列金屬環(huán)狀線圈。當(dāng)車輛行進(jìn)時，車上的磁體在地上的線圈中感應(yīng)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(jìn)，時速可高達(dá)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(fā)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(xiàn)出許多特殊的性能。4、納米材料納米機(jī)械零件藥物做成納米顆粒將來人們可以用納米技術(shù)一個一個地將原子組裝起來制成各種納米機(jī)器納米鏡面納米衣服不用洗、“納米水”喝出健康……從上世紀(jì)90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“米”？怎么“種”出來的？對我們的生活將產(chǎn)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(jī)構(gòu)，請科學(xué)家來揭開“納米”的面紗。納米是種什么“米”？近日，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院的納米研究課題組再次接到了深圳某美容機(jī)構(gòu)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(yīng)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(zhì)，而是一種度量單位。1納米等于十億分之一米，相當(dāng)于針尖大小的百萬分之一，約相當(dāng)于45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(dāng)物質(zhì)顆粒小到100納米以下，這種物質(zhì)就可被稱為納米材料。其物理性能與化學(xué)性質(zhì)就會較原來有意想不到的巨變，這些“巨變”正在生物學(xué)、材料學(xué)、信息技術(shù)等各個領(lǐng)域展開，它們對人類未來的生活產(chǎn)生重大影響。納米帶來美好生活最近，新加坡科學(xué)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3毫米的裂縫，然后把以納米材料制成的骨頭構(gòu)架植入裂縫中，結(jié)果5個月后成功讓骨頭完全愈合。這是納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的又一次成功應(yīng)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(yè)革命到現(xiàn)在，真正稱得上主導(dǎo)技術(shù)的只有4次，而“納米”技術(shù)將成為第五次推動社會經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域快速發(fā)展的主導(dǎo)技術(shù)。更重要的是，傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步往往會耗費(fèi)巨大的自然資源，而“納米技術(shù)”則將在知識經(jīng)濟(jì)中成為最大的節(jié)省再生資源和能源的標(biāo)志。專家預(yù)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“納米機(jī)器人”，通過血管送入人體去偵察疾病；攜帶DNA去更換或修復(fù)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(xì)胞。使用納米診斷儀只需檢測微量血液就可從蛋白質(zhì)和DNA上診斷出各種疾病。利用碳納米管，我們可以搭建強(qiáng)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(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(qiáng)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)在的計算機(jī)、微米技術(shù)給人類帶來的影響。納米雖是一個尺度單位，但卻成為近年來最時髦的商業(yè)“亮點(diǎn)”———“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(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(jī)物，具備了一定的抗菌性能；所謂納米洗衣機(jī)，也只能說是添加了納米材料的洗衣機(jī)，而且納米材料還只是應(yīng)用在滾筒洗衣機(jī)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。在目前我國相關(guān)行業(yè)、產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還是空缺的情況下，這些產(chǎn)品能否被稱之為“納米產(chǎn)品”還是一個問題，而炒作相關(guān)的納米概念顯然不是科學(xué)和負(fù)責(zé)任的態(tài)度。從世界范圍看，納米研究正在向應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化努力，這也從側(cè)面說明“納米技術(shù)”離大規(guī)模的應(yīng)用還有一個過程。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“納米晶體管”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(yīng)用在現(xiàn)實生活中，還需要科學(xué)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(dān)心。納米技術(shù)可能出現(xiàn)負(fù)效果，納米材料是非常小的微粒，如果應(yīng)用不得當(dāng)，比如在一些藥物中任意應(yīng)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。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(xì)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(shù)帶來的技術(shù)進(jìn)步和可能出現(xiàn)的弊端，表明人們對納米技術(shù)的認(rèn)識更加理性、成熟。皮教授的觀點(diǎn)與近日英國科學(xué)家針對納米危害提出的一份報告的觀點(diǎn)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(qiáng)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，人們對應(yīng)當(dāng)怎樣防護(hù)考慮得還不夠。納米技術(shù)是美好的，但我們應(yīng)該把未來的不確定性和風(fēng)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(yīng)用潛力，為人類造福。

納米科技·歷程·1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)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)于納米技術(shù)最早的夢想。·20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工?！?982年，科學(xué)家發(fā)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(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用?！?991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(qiáng)度卻是鋼的100倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎得主斯莫利教授認(rèn)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(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等?！?993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)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(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地?！?999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行碳納米管實驗時發(fā)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(dāng)于一個病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)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(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄?！さ?999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(dá)到500億美元。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。在"超級纖維"領(lǐng)域?qū)嵙Σ蝗醯奈覈茖W(xué)家近年來也開展了相關(guān)研究，并于今年7月取得突破。西安交通大學(xué)朱長純教授率領(lǐng)的小組采用新的技術(shù)途徑，引導(dǎo)碳納米管有序、定向生長在導(dǎo)電的硅片襯底上，并進(jìn)而研制出功能完備的場發(fā)射像素管，因純度高，有序性好，場發(fā)射性能也大大提高，在碳納米管平板顯示器的實用化進(jìn)程中做出了中國人的獨(dú)特貢獻(xiàn)。

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(yīng)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(xì)探針和導(dǎo)線、性能頗佳的加強(qiáng)材料、理想的儲氫材料。它使壁掛電視進(jìn)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(fā)計算機(jī)行業(yè)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(xiàn)在這種夢想已由中國科學(xué)家實現(xiàn)。昨天，中科院化學(xué)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(biāo)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(dāng)于幾十個原子的長度。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料組成的精度達(dá)到納米級時，物質(zhì)就能表現(xiàn)出一些新特性，從而為新材料的產(chǎn)生創(chuàng)造條件。最具有說明性的例子就是，改變碳原子的排列結(jié)構(gòu)，能把廉價的石墨變成價值連城的鉆石。因此，納米技術(shù)是當(dāng)今各國科技界競爭的焦點(diǎn)。練習(xí)一電阻超導(dǎo)轉(zhuǎn)變超導(dǎo)臨界TC超導(dǎo)磁懸浮1～100nm電阻為零電能