现代材料与纳米科技

本页涵盖消费与工业化学一章的一条中五内容标准：现代材料与纳米科技。考试要你说出现代材料及其特殊性质和一项用途、解释什么是纳米科技以及为何纳米颗粒表现不同，并给出使用它们的益处与隐忧。

像对待其他应用类标准那样处理它：材料 → 性质 → 用途，再加一段平衡的评价。

现代材料及其用途

现代材料是为特殊性质而开发的物质。把每一种都学成材料 → 性质 → 用途：

• 超导体，在某一低温以下具有零（或几乎为零）电阻，所以输送电流时没有能量损失。用途：MRI 扫描仪中的强力电磁铁和磁悬浮（maglev）列车。
• 光纤，细玻璃纤维，以光脉冲的形式传送信息。用途：高速电信和互联网电缆，以及医疗器械中用来看清体内。
• 液晶，当条件改变时改变它反射或透射光的方式的物质。用途：计算器、手表、手机和电视里的 LCD 屏幕。
• 半导体，导电能力优于绝缘体但不如金属，且其导电可以被控制。用途：每台电子设备里的晶体管和微芯片。
• 先进（精细）陶瓷，坚硬、耐热、化学稳定。用途：切削刀具、发动机部件和电子元件。
• 光致变色玻璃，在强光下变暗、在暗光下变清澈。用途：对光敏感的眼镜镜片。

什么是纳米科技

纳米科技是在纳米尺度上制造和使用材料的科学与技术，结构约 **1 到 100 纳米（nm）**大小，其中 1 nm = 1 × 10⁻⁹ m。在这一尺度上，材料的表现可能与同一材料的块体大不相同。

关键原因是表面积对体积比。当颗粒变小时，它处于表面的原子比例大得多，所以表面积对体积比变得非常大。

这使纳米颗粒更活泼，并可能赋予它新的光学、电学和力学性质。

纳米科技的用途

• 防晒霜中的纳米颗粒，二氧化钛和氧化锌的纳米颗粒挡住紫外线，同时在皮肤上看起来是透明的。
• 碳纳米管，极其强而轻，且能导电；用来增强运动器材和用于电子器件。
• 自洁与抗污表面，玻璃和布料上的纳米涂层排斥水和污垢。
• 靶向给药，纳米颗粒可把药物送到身体的特定部位。
• 更小、更快的电子器件，纳米级元件让设备更强大、更紧凑。

对纳米科技的隐忧

平衡的答案也要给出隐忧。纳米颗粒的健康与环境影响****尚未完全弄清，因为它们如此之小，可能以更大颗粒无法做到的方式进入人体或环境。

所以纳米材料应当被谨慎地研究、检验和监管。不要只说纳米科技「好」或「坏」；分数在于给出一个益处和一个隐忧。

例题

题目。 把一个纳米颗粒建模为边长 10 nm 的立方体。

(a) 用米表示这个边长。(b) 计算它的表面积对体积比，并与同种材料边长 1000 nm 的较大立方体比较。

第一步，把边长换算为米。 10 nm = 10 × 10⁻⁹ m = 1 × 10⁻⁸ m。

第二步，写出立方体的比。 边长为 a 的立方体表面积为 6a²、体积为 a³，所以表面积对体积比 = 6a² ÷ a³ = 6 ÷ a。

第三步，分别计算。 纳米颗粒：6 ÷ 10 nm = 0.6 nm⁻¹。

较大立方体：6 ÷ 1000 nm = 0.006 nm⁻¹。

第四步，比较。 0.6 ÷ 0.006 = 100，所以纳米颗粒的表面积对体积比比那个较大立方体大 100 倍。

答案。 (a) 边长是 1 × 10⁻⁸ m。

(b) 纳米颗粒的比为 0.6 nm⁻¹，是较大立方体 0.006 nm⁻¹ 的一百倍，这正是纳米颗粒活泼得多的原因。

练习题

题目。 (a) 说出一种用于快速电信的现代材料，并说出使它适用的性质。

(b) 说明纳米科技的含义，包括所涉及的尺寸范围。(c) 给出使用纳米颗粒的一个益处和一个隐忧。

答案。 (a) 用的是光纤；它以光脉冲的形式传送信息、损耗很小，所以能在远距离上快速传输数据。(b) 纳米科技是在纳米尺度上制造和使用材料，结构约 1 到 100 nm 大小，其中很大的表面积对体积比带来新性质。(c) 益处： 例如更强更轻的材料、更好的防晒霜或靶向给药。隐忧： 纳米颗粒的健康与环境影响尚未完全弄清，所以必须谨慎使用和监管。

考试提示

对现代材料，务必给出性质 + 用途，而不只是名称，“超导体：零电阻，用于 MRI 磁铁”。对纳米科技，记住**尺寸尺度（1–100 nm，1 nm = 10⁻⁹ m）**以及特殊表现的原因：很大的表面积对体积比。

被要求评价时，给出一个益处和一个隐忧，并以谨慎、负责任的使用收尾。不要为某材料强多少或小多少编造统计数字；除非题目给出数字，否则用文字描述其效果。

这部分的位置

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快速回顾

• 现代材料：超导体（零电阻，MRI／磁悬浮）、光纤（光信号，电信）、液晶（LCD 屏幕）、半导体（微芯片）、先进陶瓷和光致变色玻璃。
• 纳米科技在 1–100 nm（1 nm = 10⁻⁹ m）尺度上工作。
• 纳米颗粒表现不同，是因为其很大的表面积对体积比，使它更活泼。
• 用途包括防晒霜、碳纳米管、自洁表面、给药和电子器件；评价时给出一个益处和一个隐忧。