微米和纳米科技材料

纳米材料与技术 最富活力的领域

纳米材料与技术专业为2011年新增专业,纳米技术、信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱。纳米科技的兴起,对我国提出了严峻的挑战,同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。纳米材料是纳米科技的基础,功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域,它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域,将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。

纳米材料与技术  最富活力的领域

红色纳米晶体原子

一、纳米材料与技术专业简介

纳米材料与技术专业着重于纳米材料制备、纳米结构及性能表征、纳米材料加工技术和应用等技术方面的培养,满足微电子和光电子材料与器件、新型功能材料、高性能结构材料等战略性新兴产业领域中从事与纳米相关的技术开发、工艺和设备设计、技术改造及经营管理等工作的卓越工程师的用人需求,并为纳米科技领域的高层次人才培养打下坚实基础。

想要了解纳米材料与技术,首先要弄清楚"纳米"是什么。纳米是长度单位,1纳米是1米的十亿分之一,大约相当于1根头发的八万分之一。别看它身材小,但作用很大。因为纳米正好介于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带,而且纳米材料还带有"特异功能",具有奇异的化学物理特性。

例如,有些纳米材料十分结实,强度比普通金属高十几倍,同时弹性又堪比橡胶,人们幻想有一天会使用这样的纳米钢材制造出汽车、飞机或轮船,使它们的重量减少到原来的1/10;而有的纳米材料轻而柔软,又非常强韧,密度是钢的1/6,而强度却是钢的l00倍,做防弹背心再好不过;还有的纳米材料可以吸收太阳光中的光能,直接作为电源使用。

纳米虽然微小,但是它构建的世界却是神奇而宏大的。纳米技术就是利用纳米材料的奇妙性能,制造具有特定功能的零部件和产品的技术。一些权威专家预测,未来纳米技术将在生物医学、航空航天、能源和环境等领域"大显身手"。 面向环境检测的纳米结构与器件的构筑原理、方法、纳米材料与纳米结构性能与机理研究、纳米材料在污染治理中的应用原理、技术与装置研发、纳米材料的环境效应与安全性评估、纳米材料在节能和清洁能源中的应用等。

二、主要课程

在2012年最新颁布的普通高等学校本科专业目录中,纳米材料与技术专业属于工学门类中的材料类二级学科,标准学制4年,毕业后授予工学学士学位。

纳米材料与技术专业的学习内容大体包括公共课程和专业课程两部分。公共课程主要是数学、物理、化学、英语等。从大二起,学生会接触到部分材料类、纳米的专业知识。专业课程主要包括材料现代研究方法、材料化学基础、材料物理性能、材料力学性能、量子统计、材料表面与界定、纳米结构与性能、低维材料物理与技术基础、磁性材料等。作为一个新兴专业,很多院校还会根据各自的培养特点设置有针对性的专业课程,专门制定适合本校该专业的人才培养方案。除材料科学与工程基础课之外,本专业还开设了纳米材料制备、纳米材料结构表征、纳米科学基础等纳米材料相关课程,部分学校还根据学院特点开设了化学方面的课程,如基础化学、化工原理等系列课程。

纳米材料与技术  最富活力的领域

晶化的碳六角系统

三、开设院校

北京航空航天大学、北京科技大学、大连理工大学、南京理工大学、苏州大学(2011年开始招生);北京交通大学(2013年开始招生);许昌学院 、中央民族大学(2014年开始招生);黄河科技学院(2015年开始招生);陕西科技大学。比较有实力的是北京航空航天大学、大连理工大学、北京科技大学。

四、就业方向

有学者曾预言,本世纪经济发展的三大支柱产业是信息科学技术、生命科学技术和纳米科学技术。而纳米技术又是信息和生命科学技术进一步发展的坚固基石。未来的纳米技术和纳米材料将向新材料、微电子、计算机、医学、航天、航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透。

以纳米科技整体发展状况而言,欧、美、日已大力发展多年,而我国的纳米科技研究尚处在起步阶段,无论是科研水平或市场契合度,与欧、美、日均有一定差距。但是差距大也意味着潜力大、空间大,一旦纳米技术进入日常生活,该专业人才的需求量肯定会急剧上升。

纳米材料与技术专业的毕业生具有扎实的材料科学以及与纳米材料相关的数学、物理、化学、微电子、计算机应用等方面的基础知识和技能。适应于高科技发展需要,可从事材料领域高科技研究和高新技术应用等工作。

毕业生主要在相关的科研机构、高等院校从事科学研究、教学工作,或者在电子信息、新能源、航空航天、仪器仪表、生物医药等高科技企业从事新材料研制、新产品开发及新技术工艺研究等高科技含量的工作。

纳米技术虽然在科研领域比较热门,但产业化程度不高。该专业毕业生最理想的就业方向以研究单位和高校居多,也有很多人选择进一步深造,进入国内外著名高校攻读硕士、博士。

五、纳米技术应用

1.净化空气。大气污染一直是各国政府需要解决的难题,空气中超标的二氧化硫(SO2)、一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOC)是影响人类健康的有害气体,纳米材料和纳米技术的应用能够最终解决产生这些气体的污染源问题。工业生产中使用的汽油、柴油以及作为汽车燃料的汽油、柴油等,由于含有硫的化合物在燃烧时会产生S02气体,这是S02的最大污染源。所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺以降低其硫的含量。纳米钛酸钴(CoTi03)是一种非常好的石油脱硫催化剂。以55-70nm的钛酸钴半径作为催化活体多孔硅胶或 A1203陶瓷作为载体的催化剂,其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01%,达到国际标准。工业生产中使用的煤燃烧也会产生S02气体,如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂不仅可以使煤充分燃烧,不产生一氧化硫气体,提高能源利用率,而且会使硫转化成固体的硫化物,而不产生二氧化硫气体,从而杜绝有害气体的产生。

最新研究成果表明,复合稀土化物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能,这是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中一氧化碳(CO)和氮氧化物(NOx)的污染问题。以活性碳作为载体、纳米 Zr0.5 Ce0.5 O2,粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂,由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Cr3+,电子可以在其三价和四价离子之间传递,因此具有极强的电子得失能力和氧化还原性,再加上纳米材料比表面大、空间悬键多、吸附能力强,因此它在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物,使它们转化为对人体和环境无害的气体–二氧化碳和氮气。而更新一代的纳米催化剂,将在汽车发动机汽缸里发挥催化作用,使汽油在燃烧时就不产生CO和NOx,无需进行尾气净化处理。

2.污水处理。污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失,也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来,变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10~20倍。因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,先使水中不含悬浮物,然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置,能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后,水体清澈,没有异味,口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后,可以将水中的细菌、病毒100%去除,得到高质量的纯净水,完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大,在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时,就会被过滤掉,水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。该技术在医学领域血透中已开始应用,有"体外肾脏"之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后,会大大减轻肝、肾脏的负担。

六.纳米TiO2

由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外,还具有光催化性能,使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。

1.降解空气中的有害有机物。随着室内装潢涂料油漆用量的增加,室内空气污染越来越受到人们的重视。调查表明,新装修的房间内空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区。科学家已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有许多物质对人体有害,有些是致癌物。对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明,光催化剂可以很好地降解这些物质,其中纳米TiO2的降解效率最好,将近达到100%。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理,改善厂区周围空气质量。

2.它可以降解有机磷农物。这种70年代发展起来的农药品种占我国农药产量的80%,它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题,使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。

3. 催化降解处理毛纺污染废水。用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺污染废水,具有省资、高效、节能,最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点,显示出良好的应用前景。

4. 降解石油污染问题。在石油开采运输和使用过程中,有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面,用纳米TiO2可以降解石油,解决海洋的石油污染问题。

5. 降解生活垃圾。用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。

6. 杀菌剂。一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性,但细菌被杀死后,可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质,可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌,而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。

7. 环境净化材料。纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性,因此其表面具有自清洁效应,即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。如将TiO2玻璃镀膜置于水蒸气中,玻璃表面会附着水雾,紫外线光照射后,表面水雾消失,玻璃重又变得透明。在汽车挡风玻璃、后视镜表面镀上TiO2薄膜,可防止镜面结雾。实验表明,镀有纳米TiO2薄膜的表面与未镀TiO2薄膜的表面相比,前者显示出高度的自清洁效应。一旦这些表面被油污等污染,因其表面具有超亲水性,污染不易在表面附着,附着的少量污物在外部风力、水淋冲力、自重等作用下,也会自动从TiO2表面剥离下来,阳光中的紫外线足以维持TiO2的薄膜表面的亲水特性,从而使其表面具有长期的自洁去污效应。这一特性的开发利用将改变人们对涂层功能的认识,从而给涂层材料带来-次新的革命。今后将广泛应用于汽车表面涂层、建筑物玻璃外墙等。由于纳米TiO2光催化剂具有良好的化学稳定性、抗磨损性能好、成本低、制备的薄膜透明等优点,已成为目前最引人注目的环境净化材料,更重要的是能直接利用太阳光、太阳能、普通光源来净化环境。

总之,随着纳米材料和纳米技术基础研究的深入和实用化进程的发展,特别是纳米技术与环境保护和环境治理进一步有机结合,许多环保难题诸如大气污染、污水处理、城市垃圾等将会得到解决。我们将充分享受纳米技术给人类带来的洁净环境。

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纳米管一束

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