纳米材料的发展及其应用课件

纳米科技

及其应用

一、纳米的定义

二、纳米科技的意义

三、纳米技术的具体应用

四、纳米技术的发展前景一、纳米的定义

一个纳米仅仅相当于一米的十亿分之一，一根头发丝的直径就有七、八万纳米。这在过去显然是一个根本不可“望”，当然无法“及”的超微观。直到1982年扫描隧道显微镜发明后，人们才有了窥测纳米的工具，纳米科学由此诞生，而且极为迅速地进入到各个领域。

纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。有资料显示，2010年，纳米技术已成为仅次于芯片制造的第二大产业。

全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于1991年召开纳米科技发展战略研讨会，制定了发展战略对策。二十多年来，我国纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前，我国在纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家，充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。

二、纳米科技的意义

（1）纳米科技将促使人类认知的革命

首先，纳米科技的科学意义体

现在：纳米尺度下的物质世界及其

特性，是人类较为陌生的领域，也

是一片新的研究疆土。

其次，由于纳米科技是对人类

认知领域新疆域的开拓，人类将面

临对新理论和新发现重新学习和理

解的任务。

再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。

三、纳米技术的具体应用

1.纳米电子学2.纳米材料学3.纳米机械学4.纳米生物学

纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的。1000—10000分之一。

基于利用STM(SurfacdMountingTechnolegy）对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！

科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。2.纳米材料学纳米陶瓷

陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。陶瓷材料在通常情况下呈脆性；由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。

具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异.

不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。碳纳米管太空升降机

由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成“太空电梯”缆绳，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米固体燃料

实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。

纳米隐身飞机

在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

美国F117隐形轰炸机机

美国B2隐形轰炸机

车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。3.纳米机械学分子自组装

纳米齿轮

两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。

由碳纳米管制作的纳米齿轮模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。

纳米直升机

美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--“纳米直升机”。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈，利用这个能量它们可以在人的细胞内“飞翔”和“着陆”。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。

美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子，每条臂长只有7nm。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”

控制这种镊子反复开合。利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。

匪夷所思的DNA镊子

如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。

纳米机械产品1、用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型

车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝；2、只有蜜蜂大小且能升空的直升机，眼睛几乎看不见的发动机；3、提供化工使用的火柴盒大小的反应器；4、驰骋未来战场上的纳米武器，如机器苍蝇、蚊子导弹、蚂蚁

士兵、麻雀卫星、间谍草等。

“蚊子导弹”

利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮．坦克、飞机、指挥部和弹药库。

“蚂蚁士兵”

这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通，有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。Teleoperatedorautonomous“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。

纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜（SPM）的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。

4.纳米生物学

生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。

右图为科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景。人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的蓝色小球（纳米人造细胞）称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。

由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。纳米生物机器人在疏通血管

用纳米材料制成的人工眼球，不仅可以象真的眼睛一样同步移动，也能通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩的世界。

“纳米生物导弹”专门对付癌症，这一针对癌症的超细纳米药物，能将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。TreatingDisease:

Nanoparticleswoulddelivertreatmentstospecificallytargetedsites,includingplacesthatstandarddrugsdonotreacheasily.Forexample,goldnanoparticles(spheres)thatweretargetedtotumorsmight,whenhitbyinfraredlight,heatupenoughtodestroythegrowths.

纳米细胞修复器用于修复细胞内的各种病变，如线粒体、细胞核的病变；

1．材料和制备2．微电子和计算机技术3．环境和能源4．医学与健康5．生物技术6．航天和航空7．国家安全四、纳米技术的发展前景

1．材料和制备

在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

2．微电子和计算机技术

纳米结构微处理器的效率提高1兆倍，并实现太比特的存储器(提高1000倍)；研制集成纳米传感器系统。分子计算

3．环境和能源

发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径lnm的纳孔材料作为催化剂的载体，有序纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0~l00nm)用来消除水和空气中的污染；成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。4．医学与健康

纳米技术将给医学带来变革，纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应；研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。5．生物技术

在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等；

在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能；

生物仿生化学药品和生物可降解材料；

动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等。6．航天和航空

纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重