纳米科技导论-第一讲

纳米科技导论

王丽电话-mail：wlwx2422@163.com开封市重点实验室20072005开封大学功能材料中心河南省高校工程技术研究中心2009河南省先进碳化硅重点实验室2012新型复合材料院士工作站2013碳化硅制备河南省工程实验室2016

功能材料研究中心从2005年创建，发展到目前拥有省级重点实验室、院士工作站、工程实验室、工程技术研究中心、市级重点实验室等科研平台，并建成一支结构合理素质优良的科研创新团队。考核方式卷面成绩60%平时成绩40%（考勤、作业、调研讨论）上课要求按时上课，不迟到，不早退认真听讲，做好笔记不得在上课期间使用手机（看微信、发信息、玩游戏、看电影）严禁交头接耳，影响他人考勤三次不到，取消考试资格授课主要方面：一、纳米科学与技术概论二、纳米科学与技术研究工具：扫描探针显微镜三、典型纳米结构材料四、典型纳米粉体材料五、聚合物基纳米复合材料六、无机基纳米复合材料七、纳米技术在生物学中的应用八、纳米技术在环保和能源领域的应用九、纳米技术在军事领域的应用十、讨论课参考教材教材（参考书）名称出版社出版年份作者类别纳米科学与技术导论化学工业出版社2006刘焕彬统编教材纳米科技创新与知识图谱科学出版社2013(美)陈炘钧等著;吴树仙,王琛

译教学指导书纳米科学普及出版社2013姜山教学指导书未来10年中国学科发展战略.纳米科学科学出版社2012国家自然科学基金委员会教学指导书教材（参考书）名称出版社出版年份作者类别《纳米材料前沿》丛书化学工业出版社201710位院士20位长江学者杰出青年参考用书碳纳米管科学出版社2013陈会明教学指导书参考教材7/中国纳米网/国家纳米科学中心/中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米科学与技术概论本部分学习目标：1.掌握纳米科学技术的基本概念，例如什么是纳米，什么是纳米科技等；3.了解当前国际上纳米科技发展水平及我国

在此方面所处的位置；2.了解纳米科技的发展历史；4.掌握纳米科学与技术的主要研究领域，及其潜在应用前景；5.理解学习纳米科技的意义。一、纳米科技的概念及发展过程未来科学的发展将是继续向宏观世界和微观世界进军！－－爱因斯坦浩瀚的宇宙，充满神秘和诱惑...

2003年10月15日，我国在酒泉卫星发射中心进行首次载人航天飞行。9时整，“神舟”五号载人飞船发射升空。杨利伟出舱2005年北京时间十二日九时整，搭乘两名航天员的中国第二艘载人飞船神舟六号，在酒泉卫星发射中心中国载人航天发射场由神箭--长征二号F运载火箭发射升空。图为火箭发射升空精彩瞬间费俊龙聂海胜进舱前

翟志刚太空挥舞国旗神七，北京时间2008年9月25日21时10分4秒988毫秒由长征2F火箭发射升空。神七航天员平安出舱2012年6月16日18时37分24秒，火箭发射。神舟九号发射瞬间神舟九号载人飞船飞行员：刘旺、景海鹏、刘洋

神舟九号载人飞船是中国第4艘载人飞船。神舟九号载人飞船第一次将中国女航天员载入天空。2013首次开展中国航天员太空授课活动。16天地通话2016年11月9日，习近平在中国载人航天工程指挥中心，与正在天宫二号执行任务的神舟十一号航天员景海鹏、陈冬通话。神舟十一号飞船于2016年10月17日7时30分在中国酒泉卫星发射中心发射的神舟载人飞船，目的是为了更好地掌握空间交会对接技术，开展地球观测和空间地球系统科学、空间应用新技术、空间技术和航天医学等领域的应用和试验。风云四号星云图原图中国北斗卫星导航系统（英文名称：BeiDouNavigationSatelliteSystem，简称BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，也是继GPS、GLONASS之后的第三个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。

[1]20科学家们不仅要探索宏观世界，还在解密微观世界…深入物质内部的探险，人类希望通过控制原子与分子，在微小的空间内营造一个崭新的王国。这就是20世纪90年代开始兴起的纳米技术（nanotechnology）的王国。纳米是人类加工精度的顶尖尺度，纳米技术是人类制造技术的终极技术，它对人类的意义甚至要远远大于登上月球。纳米技术的兴起将带来一场革命，未来世界将因为纳米技术发生翻天覆地的变化。1、什么是纳米？纳米是一种长度单位，即为10－9米。英文称为nanometer，缩写为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m

1nm大概是10个氢原子紧密排列的长度，比头发宽度要小8万倍。纳米冰箱纳米化妆品纳米遮阳伞纳米洗衣机生活中的实物以纳米为计量单位约10亿光年可观测到的宇宙大致范围1025m1021m

约10万光年可看到银河系的全貌

1000亿公里

可看到冥王星的完整轨道1014m

1万公里可分辨地球的一部分107m

1公里可分辨城市居民区的建筑排列103m101m

10米可看清在足球场上的人

1厘米可分辨皮肤表面皱纹的局部10－2m10－4m

100微米可分辨人体细胞，大小约为17微米10－6m

1微米可看到染色体中聚集的染色质

100纳米

可分辨染色质的两部分10－7m

1纳米可分辨DNA的分子结构10－9m

100皮米

可看到电子云笼罩下的原子轮廓10－10m

100飞米

可以从整体上分辨出原子核10－13m10－14m

10飞米可看清原子核中的质子和中子

1飞米

可分辨出组成质子和中子的夸克10－15m首先，最大的物质要用“光年”（光一年所走过的长度）、“亿光年”来度量，这个层次的东西已经超出了“宏观”的概念，科学家就提出了“宇观”的概念来描述。物质在由大到小的不断变化过程，性质也在发生着不断的变化。其次，就是我们日常生活的“宏观”世界，这个层次的东西一般小到用“微米”去度量，大到用“米”、“千米”去度量。再次，就是分子、原子以及原子核的“微观”世界，这个层次的物质尺度小到0.1nm以下。最后，质子、中子由夸克组成。当物质小到纳米尺度时，传统的力学就无法描述它的行为，要改用量子力学来描述。人们发现，在1～100nm的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。由于这一层次介于微观和宏观之间，科学家就把这一尺度范围称为：“介观”。宏观世界微观世界

纳米世界

天体学地球物理地质学量子力学分子生物学新现象新理论新规律

介观世界2.什么是纳米科学和技术？纳米科学和技术是指在纳米尺度（1～100nm）上研究物质组成体系的运动规律和相互作用，以及在应用中实现特有功能和智能作用的多学科交叉的科学和技术。

当物质小到1~100nm（10-9~10-7m）时，由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面反界面效应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。其基本含意是在纳米尺寸（1～100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新的目的。纳米科技就是研究介于宏观和微观之间，属于介观尺度更接近于微观的部分。是人类非常陌生的领域，有大量的新现象、新规律有待发现，充满了原始创新的机会，是新技术发展的源头。从严格意义上来说，“纳米技术”（nanotechnology）翻译为“纳技术”更为准确，它意味着在分子水平对物体加以控制。表现在长度上是在纳米水平，时间上在纳秒水平，在质量上是在纳克水平。“纳米技术”虽然只强调了“纳米水平”的长度概念，但也可以代表这种技术。3、纳米科技的发展公元前5～前4世纪，古希腊的哲学家德馍克利特很早就提出了“原子”的概念。中国战国时期哲学家庄子提出了“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的命题。最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家，1965年诺贝尔奖获得者理查德·费曼（RichardFeynman）。纳米科技概念的形成与相关的重要事件

1959年，他在一次著名的《ThereisPlentyofRoomattheBottom》（“《在底部还有多大空间》”）的演讲中提出：“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”①纳米科学与技术的提出纳米技术就起源于他的一个重要预言：用大工具制造出适合制造更小工具的小工具，直到得到正好能够直接操纵原子和分子的工具，这可能意味着这样一件事情——精确地按照你的安排去一个个地摆放原子。石墨钻石1974年Taniguchi（唐尼古奇）最早使用

nanotechnology一词描述精细机械加工。他说微米、微米技术、微米加工精度不够，应用纳米技术来加工。②纳米加工技术③扫描隧道显微镜和原子力显微镜的发明

1982年，国际商业机器（IBM）公司苏黎世实验室的葛．宾尼（G．Binning）博士和海．罗雷尔（H．Rohrer）教授及其同事共同研制成功了世界上第一台新型的表面分析仪器——扫描隧道显微镜（scanningtunnelingmicroscope，STM）。

STM使人类第一次能够适时地观察到单个原子在物质表面的排列状态与表面电子行为有关的物理、化学性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广阔的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。为了表彰STM的发明者对科学研究做出的杰出贡献，1986年宾尼和罗雷尔被授予诺贝尔物理学奖。

1986年，葛．宾尼在美国斯坦福大学做访问学者期间，与奎特（C.Quate）教授一起，发明了世界上第一台原子力显微镜（atomicforcemicroscope，AFM）。AFM弥补了STM不能直接观察非导电样品的缺陷。1990.7第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际STM显微学会议同时在美国巴尔的摩行。标志着纳米科学技术的正式诞生。④原子级加工的实现1990年，美国IBM公司的埃格勒博士（D.Eigler）等在4k温度和超真空环境中用STM将Ni表面吸附的Xe原子逐一搬迁，以35个Xe排列成IBM三个字母，每个字母高度仅5nm。世界上最小的IBM商标用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。

用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米。1991年，日本日立中心研究室的科技人员利用STM从MoS2晶体表面上把S原子有规律的轰击出来，留下的空位组成了英文“PEACE91”的字样，并附有日立中心实验室的字头缩写“HCRL”，每个字母高度仅为2nm。1992年，继实现单原子操纵后，Eigler利用STM操纵小分子CO，将28个CO分子在铂金的表面上排布成了世界上最小的“分子人”图像，身高仅5nm，分子间的距离仅0.5nm。用STM实现原子和分子的搬迁、去除、添增，是人类历史上首次实现原子级加工。这些重大事件也验证了1959年费曼博士的预言“化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题”。这些成就也表明，人们在原子、分子水平上对物质控制的能力有了很大的提高，纳米科技走向实用化的步伐又向前迈进了一步。⑤纳米材料的发展

1984年，德国萨尔兰大学首次制备了具有清洁表面的Fe、Cu等纳米粉。

1985年，美国的R.Smalley与同事R.F.Curl和英国的H.Kroto获得了富勒烯C60。

1991年，日本NEC公司的饭岛在制备C60时意外地发现了碳纳米管CNTs。1991年，美国IBM公司制造出第一个原子开关—氙原子开关。这一发现为在原子尺度上生产电子器件奠定基础。⑥纳米电子学的出现

4.纳米技术国际竞争力对比分析①研发政策与资金投入纳米科技领域的全球竞赛已经开始，1997年该领域的全球公共研发投资约为5亿欧元，到2004年已上升到38.5亿欧元。从2000年起，几乎所有的主要技术国家，特别是第三世界的，都增加了纳米技术领域的研发投资。2001年，美国启动国家纳米技术创新计划，引发了经济发达国家竞相开展纳米技术研究计划。在发展经济和解决社会挑战方面，纳米技术均被寄予厚望。欧洲、美国、日本和其他国家/地区的纳米技术投资来源（单位：百万欧元）①研发政策与资金投入2004年各国/地区在纳米技术领域的公共研发投资情况（单位：亿欧元）②研发能力与出版物各国/地区的纳米科技研发机构各国/地区纳米技术出版物的世界份额美国是世界上纳米技术专利注册最为积极的地区，但值得注意的是相当数量的发明人是在亚洲进行研发的（例如美国公司的亚洲研发中心），但却都是以美国公司注册专利。各国家/地区纳米技术专利申请情况③专利④三大主力外的新兴国家各国家/地区纳米技术投资情况④三大主力外的新兴国家各国家/地区纳米技术研发能力5.我国纳米科技的发展概况

2000年11月成立了国家纳米科技协调指导委员会，2001年7月科技部等5部委联合下发了《国家纳米科技发展纲要(2001-2010)》。《纲要》中提出，今后5-10年我国纳米科技发展的主要目标是：在纳米科学前沿取得重大进展，奠定发展基础；在纳米技术开发及其应用方面取得重大突破；逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍。在“十五”期间，拿出10亿元支持纳米科技的发展，设立了纳米专项办公室。国家纳米科学中心在北京成立，国家拨付资金2.1亿元；国家纳米技术及应用工程中心在上海成立，国家拨付资金0.7亿元。中科院将纳米科技纳入知识创新工程，启动了若干重大项目；教育部和国家自然基金委也对纳米科技发展给予了重大支持。在2006年初国务院制定的《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列入了这段时期内基础科学研究的主要方向之一，将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。目前，我国拥有一支比较精干的纳米科技研究队伍，他们主要集中在中国科学院的有关研究所，北京大学、清华大学、中国科技大学、南京大学、复旦大学等国内一批知名高校。我国的纳米科技研究，特别是在纳米材料方面取得了重要的进展，并引起了国际上的关注。1995年，德国科技部就对各国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中，我国在纳米材料方面与法国同列第五等级，前四个等级为日本、德国、美国、英国和北欧。从受资助的项目来看，我国的研究力量主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及极少数纳米技术的应用等方面。但由于条件所限，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的一些领域。虽然我国科学家在碳纳米管、纳米材料的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但国家在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧之间的差距还很大，尤其是在纳米器件方面差距更为明显。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，微米成为新的精度标准，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。的确微米与牛和耕犁毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机.因发明STM获得诺贝尔奖的Heniroler（罗雷尔）1993年参加了在北京组织的第七届STM的国际会议，并受到江泽民总书记接见，他回国以后给江泽民主席写了这样一封信：1997年，全球共发表了约1.3万篇与纳米科学相关的论文。到2016年，已增至15.4万篇，复合年均增长率达14%，高于所有领域平均3.7%的论文复合年均增长率，几乎是其四倍。同期，中国纳米方面的论文产出由1997年的820篇增至2016年的5.2万余篇，复合年均增长率达24%（图1）。

中国纳米白皮书：国之大器，始于毫末二、纳米科技的研究领域

纳米材料纳米器件纳米检测与表征纳米科学技术的功用性很强的三个研究方面：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科学技术的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科学技术研究必不可少的手段，是实验与理论的重要基础。三、纳米科学与技术发展的意义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，人类将承担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。纳米科技将引发一场新的工业革命。摩尔定律：每18个月，计算机芯片集成的晶体管数量将会在原有的基础上翻一番。为了突破信息产业发展的瓶颈，我们必须研究纳米尺度中的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法和新的技术标准。由于量子效应，微电子器件的极限线宽一般认为是70nm。2.纳米科技的发展，是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同的基础。纳米科技不仅仅是一个未来高新技术的问题，它也可以促进传统产业的技术改造。信息科技生命科技纳米科技3.纳米科技影响人类的生活方式和思维方式纳米科技将影响人类生活方式:纳米电子学将使电子计算机的体积愈来愈小，功能愈来愈强大；超高密度海量信息存储能将图书馆里的全部资料装入上衣口袋里，提供随时阅读；加上全球网络通信，学习不受时间、空间限制。全息电视使人有身临其境的感觉，随时可以虚拟旅游、看电影;医生带着流动医院和药房上门服务。纳米科技将影响人类思维方式:

要研究和了解纳米世界，加工制造纳米器件和机器，需要多学科知识，需要洞察力、想像力和欣赏、审美能力，需要形象思维和逻辑思维并重。四、纳米科技应用展望纳米技术具有广阔的应用前景，它对信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域都将产生深远的影响。1.日常生活纳米技术离我们的生活并不遥远，常见的化妆品、涂料、食品、衣物……都可能应用纳米技术。我们可以根据需要在各种产品中加入不同的纳米微粒，改变传统产品的性能。细微之处显神奇的纳米技术正悄然走进寻常百姓的生活中。2.生物医学从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1~100nm的尺度范围，即纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其他的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就像一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。3.微电子领域纳米技术在微电子计算机领域应用的目标为：纳米结构的微处理器，效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器（提高1000倍）。4.航空航天纳米技术在航空航天领域应用广泛，与其他领域相比，相对重要的应用可能有低能耗、抗辐射的高性能计算机；用于小型太空船的纳米仪器；通过使用纳米结构传感器和纳米电子器件，改进航空电子器件，从而进一步发展航空电子学；阻热和耐用的纳米结构涂层。5.环保领域大气污染一直是各国政府需要解决的难题，空气中超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物是影响人类健康的有害气体。而纳米材料和纳米技术有望从源头上最终解决这一难题。含硫燃料在燃烧时会产生二氧化硫气体，所以石油提炼工业中有一道脱硫工艺。纳米钛酸钴就是一种非常好的石油脱硫催化剂，经其催化脱硫的石油硫含量小于0.01%。纳米技术在污水处理中也有较