纳米材料之简介

纳米和纳米科技的概念纳米材料的奇异性能纳米技术潜在应用发达国家的部署状况纳米之简介一、纳米和纳米科技的概念

什么是纳米？

纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米。

纳米结构？

纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。

纳米技术？

在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。

MetricSystem

exa-

Em10181,000,000,000,000,000,000

quintillion

peta-

Pm10151,000,000,000,000,000

quadrillion

tera-

Tm10121,000,000,000,000

trillion

giga-

Gm1091,000,000,000

billion

mega-

Mm1061,000,000

million

kilo-

km1031,000

thousand

meter

m1001

one

deci-

dm10-11/10

tenth

centi-

cm10-21/100

hundredth

milli-

mm10-31/1,000

thousandth

micro-

mm10-61/1,000,000

millionth

nano-

nm10-91/1,000,000,000

billionth

pico-

pm10-121/1,000,000,000,000

trillionth

femto-

fm10-151/1,000,000,000,000,000

quadrillionth

atto-

am10-181/1,000,000,000,000,000,000

quintillionthWhatis1dekameterand1hectometer?Andofcourseyoucanfindoutmoreabout1zettameter,1yottameter,1zeptometerand1yoctometer.WhatisNano?InGreek,“nano”meansdwarfReallyreally

reallysmall!!!

1nanometer(nm)=10-9mNanoscalegenerallyreferstothesizescaleof1–100nm.

StNanoHowsmallis1nanometer?

HumanHair一纳米有多小？SizesofObjectsAndromedaGalaxy1022mSun1.4x109mEarth1.2x107mSolarSystem1.2x1013mSingapore4.2x104mby2.3x104mMountEverestHeight8.9x103mRafflesCityHeight2.8x102mApatosaurusLength2.1x101m莱佛士城SizesofObjectsAfricanElephantHeight~3.3mRabbit(Length)~3x10-1mRedBloodCell7x10-6mby10x10-6mVirus(Length)~9x10-7mCarbon-CarbonBondLength~1.5x10-10mAtom~10-10mNucleus~10-14mCrosssectionofhumanhair~8x10-5mCdSe

Nanocrystal~3x10-9mHousefly~7.5x10–3m什么是纳米科技？

制备优异性能的纳米材料设计、制备各种纳米器件和装置探测分析纳米区域的性质和现象transistor1947

integratedcircuit‘chip’1959

2001:>100milliontransistorsperchip

纳米科技概念的提出与发展

人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小的机器,这样一步步达到分子线度,即逐级地缩小生产装置,以至最后直接按意愿排列原子,制造产品.那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。

当2000年人们回顾历史的时候,他们会为直到1959年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。

---RichardP.Feynman,1959

。

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

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!纳米科技的科学意义（1）纳米科技将引发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。纳米科技的科学意义（续）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。

(2)纳米科技将引发一场新的工业革命

纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.

1）可以制造一种材料，其强度为钢的几倍，而重量仅为钢的几分之一。

2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。

3）可以检测出几个癌细胞。

-------克林顿。

纳米技术的意义

纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术.

------克林顿

纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命.

------钱学森

。

许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前,微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住,微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。

---H.Rohrer,IBM苏黎世实验室,1993年。二、纳米材料的奇异性能

纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。

由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。纳米材料的奇异性能小尺寸效应量子效应表面效应界面效应四大效应超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

库仑阻塞效应是电子在纳米尺度的导电物质间移动时出现的一种现象。在两电极间（其接合静电容量为C）距离变小时，由于隧道效应，电子可以从一极向另一极移动，如果双方经典平衡，要移动一个电子，其能量仅增加Ec＝e2／2C。此能量在室温时与热能相比非常小，而当导体尺度极小时，C变得很小；尤其在低温时，热能也很小，这时就必须考虑Ec。如果没有这一能量，在低偏流电压下，电子的流动受到抑制，导体就不会产生传导。这种因库仑力导致对传导的阻碍，就是所谓的库仑阻塞现象。当物理体系的尺寸达到纳米量级时，体系的充电和放电过程呈现不连续性，即量子化，此时电子只能一个接一个通过纳米隙缝，这称作单电子隧穿现象。。在纳米厚度下，欧姆定律不再适用，由于原子数目大大降低，宏观能带消失，表现为分立的能级。电导率G不再是常数而是h/e2的整数倍。这就是电导量子化。单电子隧穿和电导量子化是所有量子器件的设计基础

纳米材料的奇异性能纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高１０倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。奇异性能实例

用作发光二极管、激光二极管，实现全硅光电集成1.纳米硅发光美国得克萨斯大学研究人员在《美国化学会志》上发表报告说，他们发现了可以迫使以纳米晶体形式存在的硅发光的技术。这项技术可能在今后导致廉价的硅激光和平板显示器。主要研究人员布赖恩·科尔格尔说：“块状硅不发出可见光，但我们研制的这种结构的硅可发出可见光。另外，这种纳米硅晶体还具有可调节的优点，即可以通过改变晶体的大小产生特定颜色的光。较小的晶体发蓝光，较大的晶体发绿光，甚至发红光。”2.碳纳米管多种优异性能

碳纳米管是由碳原子按一定规则排列形成的空心笼状管式结构，其直径不超过几十纳米。导电性强、场发射性能优良、强度是钢的100倍、韧度高等，是一种用途广泛的新材料。

用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧

莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器样管纳米管做成的“纳米秤”

更令人惊奇的是，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。碳纳米管制造人造卫星的拖绳

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。碳纳米管整流器Intramolecular

NanotubeJunctionsCarbonnanotubetransistors:

D~1nm

Bachtold,etal.,Science,Nov.2001碳纳米管储氢高质量的碳纳米管能储存大量氢气，从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车。H23.碳60的奇异性能

1985年在太空碳分子实验室中，偶然发现60个碳原子组成空心的笼状结构的碳分子，后来人们发现石墨碳分子经激光、电弧等强高温加热，或又在一定的催化剂（铁基和镍基）的帮助下，碳原子能形成C60分子。碳60超导体已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。C60作成的分子算盘

1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘，储存信息容量是常规电子计算机存储器的10亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器的第一部。移动单个分子或原子的技术，将是下一代电子元件和开发纳电子集成电路的关键。4.陶瓷韧性提高纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中，观察到强度和韧性均提高50％以上；ＴｉＯ２纳米材料具有奇特韧性，在１８０℃经受弯曲不断裂；ＣａＦ２纳米材料在８０—１８０℃温度下，塑性提高１００％。5.催化活性增强

以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。6.纳米结构的性能与应用IBM:QuantumCorrals(Stadium)

DonEiglerIBM量子栅栏和海市蜃楼现象量子世界也有“海市蜃楼”

美国国际商用机器公司（ＩＢＭ）的一个小组最近在英国《自然》杂志上介绍说，他们成功地将一个原子的信息从所在位置传播到该原子并不存在的另一个地点，创造出了有关该原子莫须有的“幻象”。研究人员认为，这一被他们命名为“量子海市蜃楼”的效应，有望在未来作为一种崭新的技术手段，制造出无需导线就可传输数据的纳米级电路。

研究人员们利用扫描隧道显微镜对原子进行特殊操作后，发现了这种新型的“量子海市蜃楼”效应。他们首先将数十个钴原子在金属铜表面排列成椭圆形的“栅栏”，随后将一个磁性钴原子置于该椭圆“栅栏”的一个焦点。椭圆形“栅栏”的另一焦点并无磁性钴原子，但研究人员在实验中却发现，在第二个焦点位置铜表面电子的电子态产生了变化，仿佛该位置上存在一个真正的磁性钴原子。研究人员认为，这可看作在第二个焦点上出现了另一焦点磁性钴原子的“海市蜃楼”。。

研究人员指出，现有电子线路尺寸正变得到越来越小。这种微型化达到一定限度后，电子的特性会不再以粒子性为主，而更多表现出量子力学所描述的波动性。即使是细微的导线，届时也将无法理想地传递电子。而新发现的“量子海市蜃楼”技术，有可能为此提供解决办法。另外，新技术据认为在远距离探测原子和分子等领域也有用途。

三、纳米技术潜在应用纳米科技将对信息和生物技术产业产生革命性的影响促使传统产业的“旧貌换新颜”

比如通过纳米材料的研究，我们在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌。通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间也延长了两倍多。NanotechnologyScrapbook

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。1.纳米科技将使信息产业飞速发展纳米科技将产生新的计算方法TheBeginningofComputerCharlesBabbageTheBabbageDifferenceEngineNo.1计算机的诞生与发展在没有计算机和计算器的时代，人们计算数据都得手算。那时最大的成就就是创造了一些像对数表格、三角行法则等工具来进行科学调查和研究。

在十九世纪中期，人们开始设计各种处理计算中发生错误的机器，其中最著名的有babbage差分机（BabbageDifferenceEngine

)。1991年，伦敦的科学博物馆决定建立babbagedifferenceengineno.2。VacuumTubeorValveVacuumtubeswereexpensive,relativelylargeandconsumedconsiderableamountsofpower.

Principleproblemwaswiththereliabilityofthetubes.Theysufferedvacuumleakswhichcausedthedevicestomalfunction,andrepeatedheatingofthecathodewouldeventuallycausethevalvetoblow.ENIACENIAC,builtin1946,(ElectronicNumericIntegratorandCalculator),contains17,468vacuumvalves.

JackKilbyRobertNoyceCo-founderofIntel集成电路鼻祖TheFirstICKilbymadethisoutofGermanium.PhotoCourtesyofTexasInstruments

TheFirstICAplanarMOSFETasimplementedinanintegratedcircuitFirstHand-HeldCalculatorPhotoCourtesyofTexasInstruments

Microprocessor(Yr2000)2000Pentium4ProcessorSource:Intel

Moore’s“Law”Moore’sLaw,notalawofnature.Itismorelikeanengineer’sruleofthumb,capturingthepatterninthetrendofmicrochipproduction.Currentlytheclaimisthenumberofdeviceswecancramintoachipdoubleevery18months.

19462001DNA计算和量子计算QuantumComputing2.纳米武器称雄未来战场间谍草机器苍蝇蚊子导弹蚂蚁士兵麻雀卫星December15,2000“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。3.纳米技术将在生物医学领域称雄纳米生物学(Nanobiology)生物与医学工程诊断与监测基因治疗发展前景纳米生物学(Nanobiology)

以纳米为尺度，研究：(1)细胞内各种细胞器的结构和功能(如线粒体、细胞核)；(2)细胞内外之间及生物体的物质、能量和信息交换；(3)生物反应机理：包括修复、复制和调控等方面的生物过程；(4)根据生物学原理，发展分子工程，包括纳米生物分子机器人和纳米信息处理系统。Bio-TechinActionGoldNanoparticles:

GoldnanoparticlesstuddedwithshortsegmentsofDNAcouldformthebasisofaneasy-to-readtestforthepresenceofageneticsequence(black)inasampleunderstudy.DNAcomplementarytohalfofsuchasequence(red)isattachedtoonesetofparticlesinsolution,andDNAcomplementarytotheotherhalf(blue)isattachedtoasecondsetofparticles.Ifthesequenceofinterestispresentinthesample,itwillbindtotheDNAtentaclesonbothsetsofspheres,trappingtheballsinadenseweb.Thisagglomerationwillcausethesolutiontochangecolor(fromredtoblue)Source:ScientificAmerica基因检测Bio-TechinActionCleverCantilever:

BiologicalsamplescanbescreenedforthepresenceofparticulargeneticsequencesusingsmallcantileversofthetypeemployedinAFM.ThesurfaceofeachcantileveriscoatedwithDNAabletobindtooneparticulartargetsequence.Asampleisthenappliedtothecantilevers.Bindinginducesasurfacestress,whichbendstheaffectedcantileversbynanometers-notmuch,butenoughtorevealthatthebentcantileversfoundtheirspecifictargetsinasample.Source:ScientificAmericaDNA检测Bio-TechinActionImprovedImaging:Improvedornewcontrastagentswoulddetectproblemsatearlier,moretreatablestages.Theymight,forinstance,revealtumors(red)onlyafewcellsinsize.Source:ScientificAmerica早期诊断Bio-TechinActionMagneticTags:Manytestsrevealthepresenceofamoleculeordisease-causingorganismbydetectingthebindingofanantibodytothattarget.Whenantibodieslabeledwithmagneticnanoparticlesbindtotheirtargetonasurface(foreground),briefexposuretoamagneticfieldcausesthereprobescollectivelytogiveoffastrongmagneticsignal.Meanwhileunboundantibodiestumbleaboutinalldirections,producingnonetsignal.Thislastpropertymakesitpossibletoreadtheresultswithoutfirstwashingawayanyprobesthatfailtofindtheirtarget.Source:ScientificAmerica2).激光单原子分子探测术

此术同样具有超高灵敏性，可在含有1000亿亿(1019)个原子或分子的1cm3气态物质中，在单个原子分子层次上准确获取其中一个。按照这一办法，科学家希望对生物体尤其是人体内生物分子的活动进行探测，以找到影响人类健康的某些答案。通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体，及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子(或标志体)，相信已不再是一件遥远的事情。Bio-TechinAction

LatexBeads:

Latexbeadsfilledwithquantumdotsofsinglecolorsglowatnearlythesamewavelengthasthedotsthemselves.Researchershavealsoloadedselectionsofdifferentdotsintosinglebeads.Theiraimistocreateahugevarietyofdistinctlabelsforbiologicaltests.

Source:ScientificAmericaBio-TechinActionNanoBarCodes:Latexbeadsfilledwithseveralcolorsofnanoscalesemiconductorsknownasquantumdotscanpotentiallyserveasuniquelabelsforanynumberofdifferentprobes.Inresponsetolight,thebeadswouldidentifythemselves(and,thus,theirlin