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Introductionof

Nanoscience&Nanotechnology1/45第一章：纳米科学与技术介绍第二章：纳米科学与技术发展第三章：纳米技术研究工具与方法第四章：纳米材料合成与表征第五章：纳米器件加工及应用第六章：生物纳米技术纳米技术2/45Nano?Nanoscience?Nanotechnology?3/451nm=0.000000001mNano4/45SizesofObjectsMilkyWaygalaxy

9.5x

1016mSun1.4x109mEarth1.2x107mSolarSystem1.2x1013mChina5.2x106mby5.5x106mMountEverestHeight8.9x103mHeight4.68x102mApatosaurusLength2.1x101m5/45SizesofObjectsAfricanElephantHeight~3.3mRabbit(Length)~3x10-1mRedBloodCell7x10-6mby10x10-6mVirus(Length)~9x10-7mCarbon-CarbonBondLength~1.5x10-10mAtom~10-10mNucleus~10-14mCdSeNanocrystal~3x10-9mHousefly~7.5x10–3m6/45cmmmmmnm10-210-310-610-410-510-710-810-9(m)Hair100mmPenny2cmRaindrop1mmRedBloodCell5mmWhatIsANanometer?7/4580100604020(nm)GoldParticles13nm&50nmFluVirus100nm1Bacteriophage60-70nmDNADiameter=2nmNowEnteringTheNANO-ZONE8/459/45NanotechnolNanometreNano-stuffNano-ProduNanomedicineNanoscienceNanobotsApartofsciencethatstudiessmallstuff.

在纳米尺度上研究物质特征和相互作用，以及利用这些特征实现特有功效和智能科学。包含纳米生物学、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

10/45NanotechnolNanometreNano-stuffNano-ProduNanomedicineNanoscienceNanotechnology

Includesadvancesinallindustries,includingtheelectronic,chemical,andpharmaceutical.

Theartandscienceofmakingusefulstuffthatdoesstuffonthenanometrelengthscale.11/45科学发觉问题、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商品化将“知识”转化为“经济”Science

VS.Technology12/45NANOSCIENCE:Thinkingaboutsmalltodobigthings13/4514/45碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人Science,,322,238-242.15/45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。16/45每一个金纳米粒子平均装载12个TAK779药品分子,可成功阻止HIV与人类白血球结合。

GoldNanoparticle17/451991年，日本科学家饭岛澄男发觉碳纳米管，它质量只有同体积钢1／6，强度却是钢100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一能够从月球上挂到地球表面，而不被本身重量所拉断绳索。CarbonNanotubeNature

1991,354,56S.Iijima18/45纳米管做成“纳米秤”令人惊奇是，最近美国、中国、法国和巴西科学家用精密电子显微镜测量纳米管在电流中出现摆频率时，发觉能够测出纳米管上极小微粒引发改变，从而创造了能称量亿亿分之二百克单个病毒“纳米秤”。这种世界上最小秤，为科学家区分病毒种类，发觉新病毒作出了贡献。19/45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，此碳纳米管共振频率就会所以原子或分子质量而改变，经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电流改变。称金原子重量，其质量为3.25×10-25

MakotoAshino,et.al.

NatureNanotechnology3,337-341()20/45碳60奇异性能超导性气体贮存增强金属新型催化剂

21/45

NanotechnologyVision“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!22/45Top-downNanotechnologyisthenextstepafterminiaturisation.

microelectronicsnanoelectronics23/45UltimateNanotechnologywouldbetobuildatthelevelofoneatomatatimeandtobeabletodosowithperfection.Arrangedoneway,atomsmakeupsoil,airandwater.Arrangedanotherwaytheymakeupstrawberriesorsmoke.Bottom-up24/45.

二维一维零维面线点纳米材料分类Nanomaterial25/45

尺寸小比表面积大表面能高表面原子百分比大纳米材料四大特点26/45纳米材料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27/45

纳米材料特异性能小尺寸效应特殊光学性质当黄金（Au）被细分到小于光波波长尺寸时，即失去了原有富贵光泽而呈黑色。实际上，全部金属在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银白色铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。特殊电学性质介电和压电特征是材料基本物性之一。纳米半导体介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特征同常规半导体材料有和很大不一样。

28/45特殊磁性小尺寸超微颗粒磁性比大块材料强许多倍，大块纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若深入见效其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。

特殊热学性质在纳米尺寸状态，含有降低空间维数材料另一个特征是相稳定性。当人们足够地降低组成相尺寸时候，因为在限制原子系统中各种弹性和热力学参数改变，平衡相关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定熔点，超细微化后，却发觉其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时尤为显著。纳米材料特异性能29/45特殊力学性质

由纳米超微粒压制成纳米陶瓷材料却含有良好韧性，这是因为纳米超微粒制成固体材料含有大界面，界面原子排列相当混乱。原子在外力变形条件下轻易迁移，所以表现出很好韧性与一定延展性，使陶瓷材料含有新奇力学性能。这就是当前一些展销会上推出所谓“摔不碎陶瓷碗”。纳米材料特异性能30/45表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大百分比。伴随粒径减小，表面原子数快速增加，这是因为粒径小，表面急剧变大所致。当直径小于100nm时，其表面原子百分数急剧增加，甚至1g纳米颗粒表面总和可高达100m2，这时表面效应将不容忽略。

纳米材料特异性能31/45宏观量子隧道效应

纳米材料中粒子含有穿过势垒能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中隧道效应叫宏观量子隧道效应。比如磁化强度，含有铁磁性磁铁，其粒子尺寸到达纳米级时，即由铁磁性变为顺磁性或软磁性。纳米材料特异性能32/451990年美国国际商业机器企业（IBM）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试验室操纵原子写出“中国”二字。33/4534/45

存放密度大幅度提升：0.6纳米直径意味着信息存放密度可达每平方厘米1014次方比特(信息存放基本单位)，其信息容量比现有光盘高100万倍。按照这一密度利用纳米技术设计一块方糖大小磁盘，能存放美国国会图书馆全部信息。纳米科技将使信息产业飞速发展35/45神奇纳米世界

单根碳纳米弹簧

靓丽纳米世界36/45

酷似大力神杯硅纳米结构

扫描隧道显微镜下纳米团簇37/4538/4539/45NANOGEAR40/45December15,“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能够发射数百颗。若在太阳同时轨道上等间隔地布署648颗功效不一样“麻雀卫星”，就能够确保在任何时刻对地球上任