纳米科学概论精品课件

1、纳米科学概论第1页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二第一章：纳米科学与技术介绍第二章：纳米科学与技术的发展第三章：纳米技术研究工具与方法第四章：纳米材料的合成与表征第五章：纳米器件加工及应用第六章：生物纳米技术纳米技术第2页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二Nano?Nanoscience?Nanotechnology?第3页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二1 n m = 0. 000 000 001 mNano第4页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二Sizes of ObjectsMilky Way g

2、alaxy 9.5 x 1016 mSun 1.4 x 109 mEarth 1.2 x 107 mSolar System 1.2 x 1013 mChina 5.2 x 106 m by 5.5 x 106 m Mount Everest Height 8.9 x 103 mHeight 4.68 x 102 mApatosaurusLength 2.1 x 101 m第5页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二Sizes of ObjectsAfrican Elephant Height 3.3 mRabbit (Length) 3 x 10-1 mRed Blood

3、Cell 7x10-6 m by 10 x10-6 mVirus (Length) 9 x 10-7 mCarbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 mAtom 10-10 mNucleus 10-14 mCdSe Nanocrystal 3 x 10-9 mHousefly 7.5 x 103 m第6页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二cmmmmmnm10-210-310-610-410-510-710-810-9(m)Hair100 mmPenny2 cmRaindrop1 mmRed Blood Cell5 mmWhat Is A Na

4、nometer?第7页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二80100604020(nm)Gold Particles13 nm & 50 nmFlu Virus100 nm1Bacteriophage60-70 nmDNADiameter = 2 nmNow Entering The NANO-ZONE第8页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二第9页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二NanotechnolNanometreNano-stuffNano-ProduNanomedicineNanoscienceNanobotsA par

5、t of science that studies small stuff. 在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性实现特有功能和智能的科学。包括纳米生物学、纳米机械学、纳米化学、纳米材料学、原子分子操纵和表征学、纳米制造学等。 Nanoscience 第10页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二NanotechnolNanometreNano-stuffNano-ProduNanomedicineNanoscienceNanotechnology Includes advances in all industries, including the elec

6、tronic, chemical, and pharmaceutical. The art and science of making useful stuff that does stuff on the nanometre length scale.第11页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二科学 发现问题、找出规律、提出方法知识创新将“经济”转化为“知识”技术 制备工业化科学的商品化将“知识”转化为“经济”Science VS. Technology 第12页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二NANOSCIENCE: Thinking about

7、 small to do big things第13页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二第14页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人 Science, 2008, 322, 238 -242. 第15页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二金纳米颗粒由102个金原子和44个硫醇分子组成，其中，金原子排列成球状。 第16页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二每一个金纳米粒子平均装载12个TAK779药物分子,可成功阻止HIV与人类的白血球结合。 Gold Nanoparticle第17页，

8、共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的16，强度却是钢的100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索 。Carbon NanotubeNature 1991, 354, 56S. Iijima第18页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二纳米管做成的“纳米秤” 令人惊奇的是，最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。这种

9、世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。第19页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二纳米管质量传感器可给原子称重当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，通过磁场发射或喷雾让它产生振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。称金原子重量，其质量为3.2510-25 Makoto Ashino, et.al. Nature Nanotechnology 3, 337- 341 (2008) 第20页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二碳60的奇异性能超导性气体的贮存增强金属新型催化剂 第2

10、1页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 Nanotechnology Vision “The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.” - Richard Feynman(1959) Physics Nobel LaureateHe

11、 was talking about nanotechnology before the word existed!第22页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二Top-down Nanotechnology is the next step after miniaturisation. microelectronicsnanoelectronics第23页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二Ultimate Nanotechnology would be to build at the level of one atom at a time and to

12、 be able to do so with perfection.Arranged one way, atoms make up soil, air and water. Arranged another way they make up strawberries or smoke. Bottom-up第24页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二. 二维 一维 零维 面 线 点纳米材料的分类Nanomaterial第25页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 尺寸小 比表面积大 表面能高 表面原子比例大纳米材料的四大特点第26页，共45页，2022年，

13、5月20日，17点52分，星期二纳米材料的奇异性能小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应量子效应四大效应第27页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 纳米材料的特异性能小尺寸效应特殊的光学性质 当黄金（Au）被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。特殊的电学性质 介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同常规的半导体材料有和很大的不同。 第28页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二特殊

14、的磁性 小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20 nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步见效其尺寸，大约小于6 nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。 特殊的热学性质 在纳米尺寸状态，具有减少的空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种弹性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10 nm时尤为显著。纳米材料的特异性能第29页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，

15、星期二特殊的力学性质 由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。 纳米材料的特异性能第30页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，这是由于粒径小，表面急剧变大所致。当直径小于100 nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1 g纳米颗粒表面的总和可高达10

16、0 m2，这时的表面效应将不容忽略。 纳米材料的特异性能第31页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二宏观量子隧道效应 纳米材料中的粒子具有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量子隧道效应。例如磁化强度，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。纳米材料的特异性能第32页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二1990年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用35个氙原子排出“IBM”字样。1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字。第33页，共45页，20

17、22年，5月20日，17点52分，星期二第34页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 存储密度大幅度提高：0.6纳米的直径意味着信息存储的密度可达每平方厘米10的14次方比特(信息存储基本单位)，其信息容量比现有的光盘高100万倍。按照这一密度运用纳米技术设计的一块方糖大小的磁盘，能存放美国国会图书馆的所有信息。纳米科技将使信息产业飞速发展第35页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二神奇的纳米世界 单根碳纳米弹簧 靓丽的纳米世界第36页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二 酷似大力神杯的硅纳米结构 扫描隧道显微镜下的纳米团簇第37页，

18、共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二第38页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二第39页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二NANOGEAR第40页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二December 15, 2000“麻雀卫星”质量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型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部署648颗功能不同的“麻雀卫星”，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。第41页，共45页，2022年，5月20日，17点52分，星期二纳米机器人 采用纳米大分子：“生物