纳米科学与技术第一章

纳米科学与技术

NanoscaleScience&Technology材料科学与工程学院李桂村第二实验楼312房间E-mail:guicunli@参考书：1、纳米技术与纳米材料，张志焜、崔作林著，国防工业出版社，20002、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学出版社，20013、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出版社，20034、NanoscaleScienceandTechnology,RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,20055、国外著名杂志：Science,Nature,Nat.Mater.,Nat.Nanotech.,Angew.Chim.Int.Ed.,J.Am.Chem.Soc.,Adv.Mater.,NanoLetters第一章纳米科学技术简介第二章纳米结构单元第三章纳米材料的检测分析技术第四章纳米科学的基本理论第五章纳米材料的制备方法第六章纳米微粒的结构与物理化学特性第一章纳米科学技术简介教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历史、最新进展和趋势。

重点内容：1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米陶瓷、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装体系、自上而下、自下而上。2、纳米材料与传统材料的差别。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。

难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。熟悉内容:了解纳米科学技术发展史。了解发展纳米科技的意义。

纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。主要英文词汇:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.绪论(Introduction)美国卢克斯研究公司2005调查报告:2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10亿美元，各州又另外投入了4亿美元。迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到5亿美元，到2003年就增长到35亿美元。(摘自：科技日报2005-01-27)“纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要等上数十年时间。但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害，对这方面研究的资金投入明显不够。纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工业流程，要求对单一的原子或分子簇进行加工处理，这些材料通常只有1纳米到100纳米大小。在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技，纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说，应该像对计算机和通信技术的早期投资一样，这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示出其对社会的深远影响的。但同时科学家们也有一些担忧，这些新材料的产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。新华网洛杉矶2007年2月18日电：在旧金山举行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首先保证其安全性。根据科尔文公布的动物试验数据，小于100纳米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神经系统,从而影响大脑和神经系统的正常运转。

2008年3月，据英国《新科学家》杂志报道，纳米材料、转基因农作物、人造病毒和仿生机器人等25个因素将严重威胁未来的地球环境，纳米材料居榜首。2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品：1、纳米啤酒瓶—纳米复合材料米勒醇酒公司采用黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材料用于食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一样对人体无害。2、纳米防弹衣“首选防弹衣”公司使用Nanorepel纳米材料制造新型防弹衣，具有更出色的防御安全性能。在子弹击中人体的瞬间，这种纳米防弹衣纤维层表面的有机分子薄层将冻结加固，锁定子弹的作用力于防弹衣表面，作用力将扩散至身体更广的范围，从而缓冲子弹对人体的伤害。3、纳米电池日常充电电池中，锂离子从钴酸锂正极快速地穿过隔膜抵达碳负极，这种传统充电电池功率较低，很快就会耗完电，使用时还很容易着火或爆炸。美国MIT的常业明教授采用新型纳米材料—磷酸铁锂代替正极，可以大幅改善充电电池的性能。目前，一些公司现已开始使用这种纳米电池应用于高功率电器和仪器，这种电池很可能将安装在雪佛莱电动汽车，该款汽车将于2010年上市。4、金纳米微粒用于遗传基因测试Verigene医疗系统采用金纳米微粒涂层的DNA分子鉴别关键性的蛋白质和重要基因，仅仅按一下按钮便能进行复杂的血液测试，完成医学诊断。5、纳米等级汽车光泽剂如果汽车使用普通光泽剂，涂上之后会出现漩涡状痕迹，或者出现难看的光泽或雾状结构。汽车美容公司“神鹰1号”称，使用纳米等级巴西棕榈蜡将永远保持清洁。由于棕榈蜡微粒非常小，它们呈现出透明状。它们的分子尺寸大小能够填充细微的瑕疵。目前，防晒霜制造商在生产防晒霜时也采用了纳米等级的氧化锌。6、纳米太阳能电池板太阳能电池的价格非常昂贵，其原因是它们很难制造。多数太阳能电池是在真空室制造的。目前，纳米太阳能技术可将太阳能电池技术实现得更加便捷，该技术可以在廉价金属薄片上打印纳米微粒，制造出可打印的太阳能电池板。目前的太阳能电池受到多方面限制，比如相对较低的产电效率（15%左右）和较高的制造成本。在传统太阳能电池中，一个光子只能精确释放出一个电子。一种可能的改进就是，利用半导体纳米晶体来制造新型太阳能电池。在一些半导体纳米晶体材料中，一个光子可以释放出两到三个电子，这也就是所谓的“雪崩效应”。在这种情况下，太阳能电池理论上的最大效率可以达到44%。此外，它们的造价更便宜。2008年5月，荷兰LaurensSiebbeles教授证实，硒化铅(PbSe)纳米晶体中确实会发生雪崩效应。Nano

Lett.,2008,8(6),pp1713–1718。7、金纳米微粒女性验孕纸

女性验孕纸测试条码上覆盖抗体的一些金纳米微粒可以快速锁定绒毛膜促性腺激素,从而使验孕测试更加快速有效。8、纳米网球威尔逊体育用品公司采用由纳米科技公司InMat研制的纳米技术制造出高端双核网球，这种黏性纳米微粒技术将使网球更加坚硬、使用时间更长。但是美国网球爱好者们并不想购买价格昂贵的网球，威尔逊公司不得不停止这种纳米网球的制造生产。

9、纳米止血绷带美国加州大学圣塔芭芭拉分校化学家莎拉－贝克等意识到铝矽酸盐纳米微粒可引起人体自然的凝血进程，并已经使用铝矽酸盐纳米微粒测试了患者的凝血功能。这种纳米绷带已申请了专利权，预计在战场上可以止住严重的伤口流血，能够有效地挽救战场上的受伤士兵。***§1.1纳米科学技术简介

Nanoscalescience&technology人类对客观世界的认识分为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体；微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。基本粒子：电子、质子、中子等。介观领域：在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”，三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。这个领域包括了从微米(1-100μ

m)、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。(导体与绝缘体的转变，顺磁性和铁磁性变化、纳米碳管导电性等)。从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。纳米体系和团簇从这种介观范围独立出来，形成一个单独的领域(狭义的介观领域)。一、纳米科学技术的基本概念和内涵纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1nm=10(-9)m=10埃。头发直径：50-100m,1nm相当于头发的1/50000。如图氢原子的直径为1埃，所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。Nanotechnologyisthetermusedtocoverthedesign,constructionandutilizationoffunctionalstructureswithatleastonecharacteristicdimensionmeasuredinnanometers.Howsmallis1nanometer?

HumanHair一纳米有多小？跳蚤头发红细胞病毒从宏观世界到微观世界Pt/TiO2

催化剂DNA2nm单壁碳管1.4nmC600.7nmUnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize1.纳米科学技术(Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。2.纳米科技的主要研究内容:创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。(基础，目标，前提)1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为6个分支学科（1）纳米电子学、（2）纳米物理学、（3）纳米化学、（4）纳米生物学、（5）纳米加工学、（6）纳米计量学(定位、测长等)。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。3.纳米材料(Nanomaterials)的定义:把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸在1-100纳米范围的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒；其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。量子尺寸效应有些人对纳米材料真正的本质存在着某种程度的误解，不切实际的商业宣传导致了市场“炒作”现象。有的商家甚至通过长度单位的换算将微米或亚微米材料宣传为纳米材料。常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。4.纳米材料的分类(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按结构(维度thenumberofdimensions）分为5类：(1)0维材料quasi-zerodimensional—三维尺寸为纳米级(100nm)以下的颗粒状物质。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1维材料—线径为1—100nm的纤维(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2维材料—厚度为1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。ananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation.(5)纳米孔材料(孔径为纳米级)。MCM-41;SAB-15;Nanoporoussilicon;ActivatedcarbonsMCM-41Activatedcarbons6,9,20,26nmSAB-15按组成（component）分类金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料、……复合纳米材料：无机纳米粒子与有机高分子复合材料、无机半导体的核壳结构量子阱(超晶格)材料…………从应用的角度看，纳米材料可以分为两大类：一类距现在的应用相对较远，如纳米量子结构、量子器件等，但是这类材料和器件的发展将大大拓展和深化人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料及器件，将导致信息、能源、环境、医疗、生物与农业等领域的技术变革。如芯片另一类具有现实的应用，并且在传统产业的改造和高新技术的发展过程中起到了重要的作用。如纳米复合材料如碳纳米管增强Cu。5.纳米材料的新性质：当物质小到1~100nm(10-9~10-7m)时,由于其巨大的表面及界面效应,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。(如量子化效应，非定域量子相干效应，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线性效应等等)6.纳米科技的最终目标：直接利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。(如纳米尺度上的能带、费米能级及逸出功特意味着什么?)7.纳米材料与传统材料的主要差别：第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。尺寸第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。比如物体的强度、韧性、比热、导电率、扩散率等完全不同于或大大优于常规的体相材料。性能目前我们实验室的主要研究内容：A制备纳米尺寸范围材料的相关技术液相法：如沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、聚合法、化学镀法。气相法：如蒸发法、电弧法、化学气相沉积法、微弧氧化法。B分析、观察、检测纳米体系物质的相关技术如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度仪，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可见光吸收光谱，荧光光谱，热分析，磁性仪等。C纳米体系物质的物理性能如小尺寸效应，隧道效应，表面效应，量子尺寸效应，光、电、热、磁效应等。D纳米体系物质的化学性能纳米金属粒子、半导体粒子等,如化学活性、催化性能、稳定性、生物活性等。E纳米体系物质的应用如Nano-Pd/Al2O3，CO助燃剂；Nano-TiO2：抗菌，光催化，自清洁；碳纤维：吸波，聚苯胺：化学传感器；V2O5：锂电池正极材料等。二、纳米科技的分类纳米科技从研究内容上可以分为三个方面：1.纳米材料2.纳米器件3.纳米尺度的检测和表征1.纳米材料纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础。主要类型为：团簇、纳米颗粒与粉体，纳米碳管和一维纳米材料，纳米薄膜，纳米块材等纳米材料的制备技术、原理及性质。纳米材料的研究包括两个方面：一、系统地研究纳米材料的微结构和谱学特征,通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。二、发展新型纳米材料。例如：纳米陶瓷。目前，纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中,如何做到均匀化、分散化、稳定化。根据性质设计各种特殊功能纳米材料。2.纳米器件纳米科技的最终目的是以原子分子为起点,去制造具有特殊功能的产品。因此,纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。----微米时代(微米技术)Moore(Intel创始人)定律：芯片上晶体管数量每18个月将会增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效应，特征尺寸在50nm以下的器件难以工作。目前，32nm(2009)。所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。有人预计，目前微米级的信息技术在21世纪会走到尽头，进一步发展会受到物理学的局限。根据美国半导体协会的预计，那时整个器件的尺度可以小到100纳米，而电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件。这时就需要用全新的理论和方法来构建新的纳米器件。与微电子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降为1/1000)、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量大(在一张不足巴掌大的5英寸光盘上，至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书)等优点。纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。制造纳米产品的技术路线可分为两种：

“自上而下”(topdown)：是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。如：切割、研磨、蚀刻、光刻印刷等。特点：尺寸从大到小“自下而上”(bottomup)

：是指以原子分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求,降低环境污染。如化学合成、自组装、定位组装等。Theuseofbottom-upandtop-downtechniquesinmanufacturing3纳米尺度的检测和表征纳米尺度的检测与表征：在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。包括：在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、热、光学等特性。纳米空间的化学反应过程、物理传输过程。研究原子分子的排列组装与奇异物性的关系。纳米技术发展的典型代表扫描隧道电子显微镜1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根据电子的隧道效应发明了扫描隧道电子显微镜(ScanningTunnelingMicroscope,STM)，获1986年诺贝尔物理奖。目前，人们可以利用扫描隧道电子显微镜来观察原子、分子和直接操纵安排原子。Z轴分辨率达到0.01nm。至今，具有最高的分辨率。世界上第一台扫描隧道显微镜(STM)A1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子，使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。在Xe原子搬迁后，又实现了分子的搬迁排列。在铂单晶的表面上、将吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬迁排列起来、构成一个身高仅5nm的世界上最小的人的图样。用来构成这图样的CO分子间距离仅为0.5nm,人们称它为"一氧化碳小人"。来自同一实验室的科学家又用铁原子排列在铜表面上组成了汉字“原子”两字。汉字的大小只有几个纳米。用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个Fe原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时向圆内传播的电子相互干涉形成干涉波。B1991年，日本日立研究室实验了在室温下用STM移去二硫化钼晶体表面上的一些原子，进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“Peace91”的字样，其每个字母的尺寸均小于1.5纳米。C1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了(线宽2nm)硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米。白春礼院士1988年4月12日，中国第一台计算机控制的STM研制成功。这些技术的突破对于高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。光刻技术线宽为几百纳米。***§1.2纳米科学技术发展史一、纳米材料及纳米技术的自然存在1人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶组成。2天体陨石的碎片和海洋中存在亚微米胶体粒子。3蜜蜂的定向。英国科学家发现，蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向。1975年磁性细菌，体内有一排磁性粒子。细菌体内的纳米指南针螃蟹横行

4海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航。5螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱。6莲花效应—莲花出污泥而不染荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。每个乳突是由许多直径为200纳米左右的突起组成的。7壁虎飞檐走壁。每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。8蝴蝶翅膀上炫目的色彩。蝴蝶翅膀由两层仅有3至4微米厚的鳞片组成，上面一层鳞片像微小的屋瓦一样交替，每个鳞片的构造也很复杂。而下一层则比较光滑。蝴蝶翅膀这种井然有序的安排形成了所谓的光子晶体。

动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机器，就是人们熟知的蛋白质。而细胞则可以说是由这些纳米机器在组装而成的微米机器。二、纳米技术的人工造就1、无意识的方面：人工制备纳米材料至少追溯到5000多年前。中国古代利用松枝燃烧收集炭黑作为墨的原料(中国古代字画历经千年而不褪色)，是最早的纳米材料。中国古代铜镜表面形成氧化锡或二氧化锡晶状纳米薄膜。这层膜不论是一氧化锡，还是二氧化锡，均呈酸性，是惰性物质，即与酸碱很难发生作用，因而有很好的防锈蚀性能。早在2000多年前，古希腊人和古罗马人就已经利用在纤维核心上形成黑色硫化铅的纳米晶体，来染黑白色的头发和羊毛。2006年，Leveque用Ca(OH)和PbO处理头发模拟了这一过程。用电子显微镜观察其横断面，可以看到微小的铅成分积聚在皮质层和表皮层内；再进一步放大可以发现，微纤维内聚集着硫化铅晶体。因此得出的结论可以肯定，颜色来自于微纤维以及微纤维之间的表皮层和皮质层内聚集着的5纳米大小硫化铅纳米晶体。用Ca(OH)和PbO处理头发Nano

Lett.2006,10,22150h6h72h5nm的结晶硫化铅是如何获得的，2000年前配制化妆品的化学家就已经懂得应用纳米技术了么？古代的人还不知道我们现代意义上的纳米科技，对纳米材料的使用可能只是个偶然事件。因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒。他们只知道这样的工艺所做的工件好。但毫无疑问，他们已经通过经验上的积累无意中使用了纳米技术。2、有意识的制作：

1959年12月，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼作了“There‘sPlentyofRoomattheBottom”的报告：“我认为物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且在原则上是可以实现的”。《在底部还有很大空间》“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureate约1861年，胶体化学的建立(ColloidChemistry)，科学家就开始了对于直径1~100nm的粒子系统，即所谓胶体的研究。但是当时并没有意识到在这个尺寸范围是人们认识世界的一个新层次，而只是从化学的角度研究，并没有从纳米材料的角度或其特殊性能作为重点。英国化学家ThomasGraham最早使用胶体术语。1932年，德国的Ruska发明了世界上第一台透射电子显微镜(TEM)，为探索微观物质世界打下了基础。1986年诺贝尔物理奖。到1998年，透射电子显微镜的分辨率已达到1.3埃。而用光学显微镜是看不到纳米尺寸的物体的。但是透射电子显微镜只能看，不能搬动原子。20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。1929年，Kchlshuthe用A1、Cr、Cu、Fe等金属作电极，在空气中产生弧光放电，得到了15种金属氧化物的溶胶。同年，Welesley等人开始对超微颗粒进行X光射线实验研究。1940年，Ardeume首次采用电子显微镜对金属氧化物的烟状物进行观察。1945年，Balk提出在低压惰性气体中获得金属超微粒子的方法。现在看来，20世纪上半叶的研究特点是，人类已经有意识地把纳米微粒作为研究对象来探索纳米体系的奥秘。3、自觉地研究(理论研究的开始)人们自觉地研究纳米微粒，始于上个世纪60年代，并开始发现纳米尺寸物体的特殊性能。20世纪50年代末，Aharonov

和Bohm预计，在微米、亚微米(纳米材料尺寸上限)的细小体系中，一束电子分成两束，以形成不同的位相，重新相遇后会产生电子波函数相干现象，从而导致电导的波动性。60年代初，Chambers等人用实验观察到了电子束的波动性，证明了Aharonov的预言。久保理论1961年，久保(Kubo)

针对金属超微粒子的研究提出了久保理论---超微粒子的量子限域理论。随着粒子中原子数的减少，Fermi能级附近的电子能级由连续状态分裂为分立状态，能级的平均间距与粒子中的电子数成反比，在能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量以及超导态的凝聚能时，就会产生与宏观物体不同的所谓量子效应(QuantumEffect)。

被科学界称做Kubo效应。气体蒸发冷凝法制得纳米微粒

1963年，Uyeda通过金属在高纯惰性气体中蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并用透射电子显微镜研究了单个颗粒金属的形貌和晶体结构。提出纳米颗粒的定义是：用电子显微镜才能看到的颗粒称为纳米微粒。半导体超晶格1970年，江畸等考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念。是将两种(或两种以上)组分不同或导电类型不同的极薄(几埃到几百埃)半导体单晶薄膜交替外延生长在一起而形成的周期性结构材料。利用分子束外延技术制备了能隙大小不同的半导体多层膜，在实验中实现了量子阱和超晶格，成为半导体物理中热门的领域。发现半导体隧道效应，1973诺贝尔物理奖。4、系统研究(久保理论日臻完善）70年代末到80年代初，人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒费密面附近电子能级状态的久保理论日臻完善。在用量子尺寸效应理论解释超微颗粒的某些特性时获得成功。1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词，即“纳米加技术”，并用于精细机械加工，原意为公差在纳米尺度的加工技术。70年代末，美国MIT的Cannon等人发明了激光驱动气相合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末(Si、SiC、Si3N4)，从此，人类开始了规模生产纳米材料的历史。1977年美国MIT德雷克斯勒(时为大学生)提出,可以制作模拟活细胞的生物分子的人工类似物---分子装置。即用原子建造无机机器，并称之为纳米科技。他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。当时多数主流科学家对此的反应是：一派胡言！但巴基球的诞生使研究人员开始着手做这件事。他想，为什么不建造有自行复制能力的机器呢？一台机器会变成两台，两台变成四台，然后再变成八台……这样无穷地变下去。被德雷克斯勒称为装配工的小型机器人会给饥饿的人生产无穷数量的食物，或者为无家可归的人建造无数的房屋，它们还可以在人的血管里游戈并修复细胞，从而可以防止疾病和衰老。

分子纳米技术（MNT）-“灰古”（greygoo）世界STM的发明1981年，G.Binning和H.Rohrer博士（IBM的）发明了扫描隧道电子显微镜，使得人类首次在大气及常温下观察到了原子。这是到目前为止，表面分析最精密的仪器。分辨率达到0.01nm,可以直接观察到原子，且能搬动原子。纳米结构材料首次合成1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd,Fe,Cu等块状材料。随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。NanostructuredmaterialsC60等富勒烯（Fullerence）1985年，Smalley(2005.10去世)、Curl、英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析发现了由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C60。1996年诺贝尔化学奖见下图。Fullerenes–1985(1996)RobertF.CurlJr.RichardE.SmalleySirHaroldW.Kroto纳米多晶体1987年，美国Argon实验室Siegel博士用惰性气体原位加压法制备出来了纳米晶材料TiO2多晶体，发现超韧性陶瓷。1994年曾到我院讲学。巨磁电阻效应1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，称为巨磁电阻效应(GiantMagneto-Resistive，GMR)。有趣的是，就在3年前，德国格林贝格尔教授在具有层间反平行磁化的铁/铬/铁三层膜结构中也发现了完全同样的现象。阿尔贝·费尔和彼得·格林贝格尔因分别独立发现巨磁阻效应而获得2007年诺贝尔物理学奖。1990年，费曼指出：纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件。1990年，L.T.Canham发现了多孔硅在室温下的光致发光现象，而传统块状硅不发光。纳米物质特有的现象。1991年，日本NEC基础研究实验室的饭岛教授(S.Iijima)在利用透射电子显微镜分析电弧放电产物时，发现多壁纳米碳管；Y.Ando随后，他还发现了仅由单层碳原子石墨层层卷曲而成的单壁纳米碳管。纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法。第二阶段(1994年前)人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，复合纳米薄膜(0-2复合)。

第三阶段(从1994年到现在)纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装成的一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。这些物质单元包括纳米微粒、团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管及纳米尺寸的孔洞为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类:一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物理和化学的方法人工将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。人工组装已经不满足于简单地在物体表面搬运原子构造图形，新的趋势是能够对体相的物体实现三维的纳米调控，采用一种双光子吸收技术，利用非线性光学效应超越了普通光刻技术的衍射极限，成功获得了120nm高分辨率的三维结构。2001年日本科学家就成功地制备了总长仅10μm的微米牛。用该技术制备的微型机器可能穿透人体最细的血管，并用于临床治疗。

NATURE412(2001):697-698

微米牛所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。纳米自组装体系、人工纳米结构组装体系越来越受到人们的关注，称为纳米尺度的图案材料(patterningmaterialsonthenanometerscale)。伯克利国家实验室在Nature上指出：纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。纳米结构的自组装在自然界里是一种相当普遍的现象，从闪闪发光的贝壳到致密坚实的骨骼。美国《商业周刊》上曾经有这样一段精彩的描述：在圣巴巴拉加州大学的一间化学实验室里，鲍鱼准确无误地铺下一层超薄有机基质。在这层基质上，她把连结在一起的方解石晶体按原子逐个排列好。这两层物质构成一个精巧的晶格。鲍鱼经过几百万年的进化获得了一种形式奇特的分子机器来构筑她的外壳。这种机器使当今最好的制造工具相形见拙。在图中，砖由片状CaCO3(文石)组成，而灰浆由大分子如结构蛋白质和多糖组成它们在片基周围形成一片薄膜。这种设计赋予鲍鱼壳极大的结构强度，从而减少破裂的危险。第一届纳米科学技术会议1990年7月，在美国巴尔德摩召开了国际第一届纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。NanostructuredMaterials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召开了第一届纳米结构材料会议。我院张志焜和崔作林参加。80年代以来，各国已投入大量人力，物力开展纳米超微粒的研究，如美国、日本。美国的政策：从1999年开始,美国政府把纳米科技研究列入21世纪前10年11个关键领域之一。2000年美国总统克林顿宣布将以4.95亿美元投入全美纳米科技计划。美国总统科技助理写信给国会称:纳米技术将与信息技术或生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导下一场工业革命(leadingtothenextindustrialrevolution)，应把它放在科学技术的最优先地位(toppriority)。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。碳管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。STM3）可以检测出几个癌细胞。

----克林顿

我国的发展情况1995年，我国召开“材料中的前沿问题研讨”香山科学会议，纳米材料的制备为主题之一。1997年，我国召开纳米化学香山会议，研讨我国的纳米化学的发展。2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。国际纳米科技发展态势和特点

2002-2006

一、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划(一)发达国家和地区雄心勃勃为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了国家级的纳米技术计划，其宗旨是开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作。2003年11月，通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。

日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域。欧盟在2002～2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。

(二)新兴工业化经济体瞄准先机

韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布《促进纳米技术开发法》，2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年计划结束进入世界前5位。中国台湾自1999年开始，制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标建立产业竞争优势。

(三)发展中大国奋力赶超中国政府在2001年7月就发布了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。南非科技部2005年度开始执行一项国家纳米技术战略。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。二、世界各国纳米科技发展各有千秋

(一)在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下

2000~2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本(12.76%)、德国(11.28%)、中国(10.64%)和法国(7.89%)列在其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国三年累计论文总数都超过了1000篇。(二)申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头美国专利商标局2000～2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国(1454项)，日本(368项)和德国(118项)。60%、16.46%和5.28%。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。专利反映了研究成果实用化的能力。在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。(三)就整体而言纳米科技大国各有所长

美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5~10年有望商业化。虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术未来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1/10，两三年内即可进入批量生产阶段。日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段。欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。***§1.3发展纳米科技的意义费曼：1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。还设想“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言—小尺寸大世界。量子动力学

1965诺贝尔奖。1991年：IBM的首席科学家Armstrong曾预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代初以来微米技术已经起的作用那样。”克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。

钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将使21世纪又一次产业革命。”1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海·罗雷尔：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。1993年，Rohrer博士写信给江泽民主席。他写道：“我确信纳米科技已经具有了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地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。”

这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用。纳米技术的应用及其前景纳米科技的重要进展表现在以下几个方面：[1]直接操纵原子方面：日本科学家成功将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现原子三维空间的立体搬迁。1991年，IBM的科学家制造了超快的氙原子开关。可能将美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3cm的硅片上。纳米刻蚀：目前微电子技术中最细刻度为几分之一微米，即激光光列。如果把搬迁原子的位置按照电路的方式搬迁，便可以用STM进行纳米级的刻蚀。我国已能用STM刻出10nm的细线。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出高密度记录技术，在一张邮票大小的衬底上可以记录下400万页报纸的内容。二是可用分子束外延技术制造出三维纳米量子器件。[2]新材料的出现传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，其应用受到限制。纳米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金属一样的柔韧性和可加工性(理想)。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。也就是说，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。要制备纳米陶瓷，关键需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的韧性形变。并发现纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。英国著名科学家莱恩Cahn在Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”纳米陶瓷的应用：摔不碎的陶瓷，防弹玻璃。设计新型复合材料碳纳米管/高分子复合材料----高强度材料模拟生物功能设计新型材料鲍鱼壳鲍鱼壳牙质腱大多数材料在朝一个方向拉伸时，另一个方向就会变细变窄，如橡皮筋。可以用泊松比(Poisson’sratio，侧向收缩比例与实际伸长比例的比值)来定量描述。2008年4月美国Baughman等利用古老的造纸方法—烘干纤维浆来制造上述的纳米管薄层。实验用的“浆”是单壁碳管和多壁碳管的混合物。Science，Vol.320,pp.504碳纳米管薄层(也称巴克纸)能够在均匀压缩时，长度和宽度同时增加。随着多壁碳管在薄层中的增加，薄层的泊松比会从0.06突然跃变为-0.20，即这种材料具有负的泊松比。新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫圈、压力传感器和化学传感器等。

2008年3月，美国哈佛—麻省理工罗伯特·兰格和杰弗里·卡普教授开发出一种具有弹性的、可生物降解的胶贴。该胶贴的灵感来自壁虎的足部，这种胶贴，也是依靠纳米尺度的柱体和化学胶水制成的，它是第一个能呈现出良好黏性强度和动物安全性的胶贴。这种胶贴由一种能嵌药物的可生物降解弹性体制成。为制作这种胶贴，将液态聚合物注入遍布200nm-500nm宽凹孔的微型硅模，然后再用具有生物相容性的葡聚糖胶水对模化变硬的聚合物进行旋涂。当胶贴被使用时，毛细管的力量将组织拉入柱体间的空间，这些柱体具有一些微弱的电荷引力，这样葡聚糖胶就黏附在组织蛋白上。这种胶贴能取代外科手术的缝线及缝钉，也可制成药物控释贴片直接安放在包括心脏在内的器官上。[3]纳米技术在微电子学上的应用

纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。它包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标：是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。美国威斯康星大学马克斯·拉加利等人已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。美国普林斯顿NEC研究所和赖斯顿大学的科学家研究发现，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗，轻而柔软，结实的材料用作防弹背心。它是理想的导体，导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。

英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计2006年，芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。90年代把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。2008年2月1日亚利桑那州立大学DavidK.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。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。用碳纳米管做绳索，是惟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。如果用它做成地球—月球的电梯，人们在月球定居就很容易了。利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应和很大的隧道磁电阻现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构磁盘，长度为40nm的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。

[4]纳米技术在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件的性能大大提高。美国桑迪亚国家实验室发现：纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件。麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。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2003年5月1日，IBM宣布成功开发出了由单分子碳纳米管构成的最小发光元件。《Science》IBM开发的发光元件为直径1.4nm的纳米管状单分子，可发出波长1.5μm的光。这一波长的光广泛应用于光通信领域。直径不同的纳米管会产生波长不同的光。将该发光元件嵌入3引脚晶体管内部，并在晶体管栅极部分施加低电压后，在纳米管的两端(源极和漏极之间)产生了电流。由于这是在同时具有双极性的元件上进行的，能够同时向一个碳纳米管的源极中注入负电荷(电子)，向漏极中注入正电荷(空穴)。当电子和空穴在纳米管中相遇时，电荷发生中和后就会发光。五光子纠缠态理论潘建伟：在量子物理学及量子信息学的交叉实验领域做出了一系列研究成果，并成为首个被欧、美两大物理学会同年评入2003年度国际物理学十大进展的中国科学家。《自然》杂志发表评论时说，“尽管五粒子纠缠以及终端开放的量子态隐形传输的实现非常困难，但是中国科学技术大学的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举，他们的实验方法将在量子计算和网络化的量子通信中有重要的应用”。[5]纳米技术在化工领域的应用纳米粒子作为光催化剂的优点。首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。如用添加0.1~0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。TiO2纳米粒子具有光催化作用，用于污水处理、空气净化等。TiO2薄膜具有超亲水和自清洁功能，可以用作防雾涂层和自清洁陶瓷。分子筛(纳米)反应器分子筛具有独特的孔状结构，大的比表面、较高的机械强度做成纳米反应器。该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和反应中间体的运动，这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅MCM-41材料为基，利用液晶模板技术，在纳米尺度上实现有机/无机离子的自组装反应。其特点是孔道大小均匀，孔径可以在5~10nm内连续可调，具有很高的比表面积和较好的热稳定性，使其在分子催化、吸附与分离等过程，展示了广阔的应用前景。同时，这类材料在较大范围内可连续调节其纳米孔道结构，可以作为纳米粒子的微型反应容器。碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。---纳米反应器清华大学的范守善教授利用SiO2气体与N2在碳纳米管中反应生长出Si3N4纳米线，其径向尺寸为4~40nm。还制备出了GaN纳米线。1998年与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长，大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。2007年7月美国Grimes在(NanoLetters)上发文称，由自动排列、垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜，可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。

photographshowingthecolorvariationinthesamplesasafunctionofironcontent.2009年2月，Grimes在Nanoletters报道了“水变油”实验：向钢管内通入二氧化碳和水蒸气，用纳米管薄膜覆盖住仪器的后部，然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入。“当阳光照射在纳米管上时，纳米管释放出高能量的载荷子，使得水分子分解为氢氧自由基和氢离子。二氧化碳分解后的产物—氧气、一氧化碳和氢气后，就反应生成了甲烷和水。”在整个反应后期，铜和铂催化作用明显，但由于铂的价格昂贵，如何减少铂含量而使得催化效果不变，仍值得研究。试验所用的设备

[6]纳米技术在生物学上的应用

每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用DNA分子计算技术有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈密顿路径问题”。分子计算机目前处于理想阶段，但几种生物分子已经被考虑制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。DNA不仅是生命遗传信息的承载者，未来还可能充当纳米级“电线”，用于制造超微电子设备。2007年6月日本大阪大学产业科学研究所发现电流可以通过DNA流动。研究发现：电流通过横跨DNA双链之间的碱基流动，而不是像人们想象的那样沿双螺旋链流动。用人工方法合成含10个至100个碱基的一些DNA片断，将它们分别固定在玻璃基板上。在DNA的一端添加光增感剂，而另一端添加荧光色素。用紫外线从玻璃基板的相反一侧照射DNA，可以观察到光增感剂产生正电荷，正电荷通过碱基移动到附着有荧光色素的一端，正电荷和荧光色素反应后，荧光消失。此外，如果4种碱基排列的顺序被改变，电流的速度也有所变化。[7]纳米技术在医学上的应用

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