第七章 C 新材料简介

1888年，奥地利科学家莱尼兹尔对他自己合成的有机体“安息香酸酯”进行加热实验，当加热到145℃时就熔为液体了。这时他惊奇地发现，这种液体竟是浑浊的，不像通常的纯净物熔化为液体时那样透明。为了探个究竟，他就继续对熔化了的液体加热，到175℃时，他发现液体变得清澈透明了。后来，德国物理学家列曼把上述那种处于“中间地带”的浑浊

液体叫做液晶，图7-21就是现在普遍使用的计算机液晶显示屏。

1969年7月20日发射的“阿波罗”登月舱带了一个直径数米的抛物面天线到月球上。这个天线是用镍-钛记忆合金材料制成的，先按预定要求做好抛物面天线，然后降低温度，把它压成一团装入登月舱，当它被带上月球后在太阳光照射下，温度升高到约常温时，它就会恢复成原来形状，张开成抛物面。人们把这种“神奇的功能材料”称为“记忆合金”。

俗话说：“真金不怕火炼。”可是，真金在某些条件下也是怕火炼的：真金被加工成线度为2μm的微粒时，它的熔点便从1064.43℃猛降到330℃；如果把真金的线度再缩小到200nm（这时金子成为纳米尺度的“金粉”了），它的熔点甚至降低到33℃，也就是说。只要将它握在手心里，凭借体温就可以把真金熔化为“金汤”了。

近年来，“纳米”这个新名词出现在各个领域“纳米”究竟是什么东西呢？哪些物质属于纳米料、记忆合金和液晶外还有哪些新材料呢？

一、纳米材料

1．什么是纳米材料

纳米（nanometer）是一个长度单位，1纳米等于百万分之一毫米，也就是十亿分之一米（1nm＝10^-9m）。再说得形象些：如果把1nm直径的小球放在一只乒乓球上，就好比将一只乒乓球放在地球上一样。

自从1982年可以观察到单个原子的“扫描隧道显微镜”发明以后，世界上便诞生了一门以0.1～100nm线度的物体为研究对象的科学技术——纳米科技。它以前所未有的分辨率，为人类揭示了一个可见的原子和分子的世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品，也就是以原子和分子作为加工对象，犹如儿童搭积木一样，制造出形形色色的微型材料和器件。图7-25就是用纳米科技制造的微型汽车（图中的白色椭圆形物体是米粒）。

现在，纳米科技中已经包括纳米物理学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米显微学和纳米化学等许多新兴学科。

纳米材料，一般是指固体颗粒小到纳米尺度的超微颗粒（也称为“纳米粉”）和晶粒尺寸小到纳米量级的同体和薄膜。纳米材料不同于晶态，也有别于非晶态。目前，纳米材料有很多种类，可分为金属、陶瓷、有机、无机以及复合纳米材科等。

大家谈

你能举例形象地比喻1纳米究竟有多短吗？

2．纳米材料的特有性质

纳米材料一经问世，就以其异乎寻常的特性引起了材料科技界的广泛关注，这是因为纳米材料具有许多鲜为人知的奇异特性，表现在强度、韧性、比热、电导率、对电磁波的吸收性，甚至熔点、颜色等都会发生出乎人们意料的变化，但这些性质的变化并不改变物质的化学成分，以下就是其中主要的四个方面。

（1）特殊的光学性质：任何金属颗粒，当其大小达到纳米数量级以后，对光的反射率通常都低于1%，无论原来颜色如何，都会呈现黑色，尺寸越小，颜色越黑。因而纳米金失去了原有的富贵的金黄色，铂（白金）变成铂黑，利用这种特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。

（2）特殊的热学性质：固态物质在大尺寸时，其熔点是不变的但将物质超细微化后，其熔点将明显降低，当颗粒小于10nm数量级时尤为显著，除了本节开始时提到过的金以外，银也是如此，它的熔点从常规状态时的670℃降低到超微颗粒状时的100℃；尺寸为8nm的纳米铜，其热膨胀系数比普通铜成倍增大。

（3）特殊的磁学性质：鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物在地磁场引导下能辨别方向，是因为这类生物体中存在着超微的磁性颗粒；常规铁磁性的铁粒子在小到某一纳米数量级尺寸时，会表现出特殊的磁性；这些磁性超微颗粒还可制成用途广泛的磁性液体。

（4）特殊的力学性质：在通常情况下陶瓷是脆性材料，纳米TiO₂陶瓷却变成了韧性材料，在室温下可以弯曲；人的牙齿之所以具有很高的强度，就是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的；纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；纳米铜比普通铜坚固5倍，而且硬度随着颗粒尺寸的减小而增大。

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为什么超微颗粒会有这些奇异特性呢？

原来，随着物体颗粒尺寸变小，会出现“小尺寸效应”、“表面效应”、“量子效应”等变化，从而产生许多独特的物理、化学性质。

3．纳米材料的应用

科学家们已经用纳米材料做出了各种产品，在许多领域找到了广泛的应用。“纳米”不再是一个冷冰冰的科学术语，它已经迈出了实验室，将渗透到我们日常的衣食住行当中，进入到生命领域，且走入信息技术领域——超大规模集成电路将会被纳米电子集成电路所取代。

（1）在防晒霜、化妆品中加入具有吸收紫外线功能的纳米微粒，就能防止紫外线伤害皮肤。

（2）餐具的表面镀有一层无毒的纳米薄膜，餐具就有杀菌、消毒力能。它对大肠杆菌的杀伤能力在一小时内可达100%。纳米镀层十分牢固，耐擦洗，耐酸、碱，色泽光亮、华丽（图7-27）。

（3）运用纳米材料生产汽车轮胎，可以使轮胎侧面胶的抗折性能从10万次提高到50万次。

（4）运用“微创冷循环超能射频肿瘤治疗术”可治晚期肝癌病。一根长10cm的探针，头部有2.5cm长的用纳米材料制成的针头，将它伸人患者体内的肿瘤处，因它会发射射频脉冲，造成癌细胞温度升高，从而杀死癌细胞。

（5）碳纳米管也可制备一种特殊的新型电子器件——单电子晶体管，只需一个电子就能决定“开”或“关”。由于它具有微型和低耗能的特点，必将成为分子计算机的理想材料。

纳米材料具有独特的性质，因此有着奇妙的用途。现在，科学家和工程技术人员已提出了许多“异想天开”的可能应用，如太空升降机、纳米隐身术、纳米电子枪、纳米探头、纳米卫星、微型飞机、原子（尺寸）精密计算机等。

拓展联想

向用涂过“二元协同纳米界面材料”的布料制成的衣服上倒上水或植物油时，不会出现污渍，只留下几滴细小的水珠或油滴，用力一抖就可去除。同时这种布料还有杀菌、防辐射、防霉的辅助功能。

STS

在飞机的机身外表包覆含有多种纳米颗粒的材料，由于这些纳米颗粒对不同波长的电磁波具有强烈的吸收能力，就可以达到使战斗机隐形的目的。

二、其他固体新材料

所谓材料，是指人类能用来制作有用物件的物质，是人类赖以生活和生产的物质基础。因而人们时常以材料作为划分时代的标准。

新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料，新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技术、生物技术一起成为21世纪最重要的和最具发展潜力的领域。

同传统材料一样，新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类。目前，一般按应用和当今的研究热点，把新材料分为以下几个主要领域（图7-31）。

三、液晶

莱尼兹尔在对安息香酸酯加热的过程中，观察到固体温度达到145℃时熔解为浑浊液体，这个温度就是熔点；而到175℃时又变透明了，这个温度则叫清亮点。各种不同有机物晶体的熔点和清亮点是不同的。

那么，处于混浊状态的液晶究竟是液体还是固体？它有什么特性呢？

从莱尼兹尔的实验及其后的大量研究可知，液晶既像液体具有流动性和连续性，而其分子又保持着固态晶体特有的规则排列方式，具有光学性质各向异性等晶体特有的物理性质。有人比喻它既不是马，又不是驴，是有机界的“骡子”。图7-32就是固态、液晶态和液态分子排列的示意图，可见其结构介于晶体和液体之间，所以也称它为介晶态。

由于液晶物质特殊的微观结构，因而呈现出许多奇妙的性质，如光透射率、反射率、颜色等性能对外界的力、热、声、电、光、磁等物理环境的变化十分敏感，因而在电子工业等领域里可以大显神通。目前，液晶的应用领域主要有：显示、软件复制、检测器、感受器及分析化学等方面。例如，用液晶制成的数字、文字或图像显示器件，就利用了它的一种电光效应，如图7-33所示，由一块镜面电极（又称背电极）和一块透明电极（导电玻璃）构成的液晶盒，中间用10～30μm厚的聚酯片隔开，内部注入液晶，电极根据需要制成不同形状，当不加电压时，液晶是透明的，什么也看不见；当加电压时，液晶成不透明的反射物，在光源或环境自然光的照射下，整个电极的形状就清楚地显现出来了。根据需要我们可以制成各种显示元件，组成显示屏，既可显示数字，也可显示文字，如图7-34所示。电子数字式手表就是应用这种液晶显示时间的。

液晶的应用十分广泛，而且液晶越来越走近人们的生活。近年来，液晶彩屏手机（图7-35）、液晶电视等已在人们的日常生活中获得广泛使用。在大屏幕电视显示应用中，与其他显示技术相比，液晶显示具有低电压、低功耗两大突出的优点，又如，有一种液晶随着温度变化会改变颜色，人们就利用它来指示温度。这种液晶的颜色变化与温度的关系是：温度逐渐升高时，它就会按红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫的顺序依次变化颜色；而降低温度时，别按相反顺序变色。在医学上，可以用随温度变化而灵敏变色的液晶涂在病人的皮肤上检查有无肿瘤，因为有肿瘤的部位与正常部位皮肤的温度不一样，根据液晶呈现出的颜色就可以判断有无异常情况。

在化工厂里，人们把液晶片挂在墙上，一旦有微量毒气逸出，液晶会变色，因此可用来自动报警，提醒管理人员赶紧去检查，堵住有毒气体源。

液晶的应用越来越广，现在已经能造出液晶塑料，可用来制造防弹背心、防弹汽车，那才真是刀枪不入呢！

其实人的身体里就有液晶，除了神经细胞外，在大脑、眼睛的视网膜、肾上腺皮质里都能找到液晶。各种生物体内都有生物液晶，不过它离开生物体后很快就会“死”去。对于这些我们还知道得太少，有待于今后进一步去研究。

自主活动

根据液晶随温度变化会改变颜色的特性，谈谈如何检查电路中的短路点。

发布时间：2016/2/20 下午4:59:04  阅读次数：875