1、纳米科技 华中科技大学材料学院 黄开金 2010年 9月 第一章 纳米革命 讲授的内容： （ 1） “ 纳米 ” 朋友就在身边 （ 2）我们生活在新时代 （ 3）二十一世纪科技的三剑客 （ 4）改造自然界的全新理念 （ 5）用纳米科技改造世界 1、 “ 纳米 ” 朋友就在身边 从物理学的角度看 ， 构成物质世界大楼的基本 “ 砖块 ” ， 只不过 60种基本粒子； 从化学的角度看 ， 构成物质世界大楼的基本 “ 砖块 ” ， 只有周期表上那 110多种左右的元素 ， 而常用的仅 56种 。 但无机 、 有机的物质却有无穷无尽的种类呢 。 为什么大千世界能如此造化 ？ 全是大自然这个魔术师变戏法
2、的手段高 ， 而 “ 奥秘 ” 就藏身于纳米科技中 。 我们身边有 “ 纳米 ” 朋友吗 ？ 有 ！ 多极了 ！ 而且是老朋友了 ， 只不过刚刚认识 。 1.1、 荷花为什么出污泥而不染 ？ 荷叶算是咱们的老朋友了吧 ？ 众所周知 ， 水滴落在荷叶上 ， 会变成了一个个自由滚动的水珠 ， 而且 ， 水珠在滚动中能带走荷叶表面的尘土 (图 1)。 人们因此常称赞荷花出污泥而不染的品格 ， 而且常常用此作比喻 ， 来歌颂战斗在敌人心脏的革命者的伟大情操 。 在电影 “ 与魔鬼打交道的人 ” 中 ，以资本家身份出现的男 、 女主人公家中就挂了一幅荷花图自勉 。 你注意到了吗 ？ 图 1 荷叶上的水珠
3、 荷叶为什么能出污泥而不染 ？ 有些科普书中是这样解释的： “ 出水荷叶上濺了水滴 ， 由于荷叶上有细毛 ， 水不能吸附在荷叶上 ” 。 荷叶上有细毛这一点 ， 凭手感就能觉察 。 但是 ， 毛有多细 ？ 不知道 ！ 当时也不可能进行观察 。 我们能否仿效荷叶造出濺不上水的布料来 ？ 以前也不可能 ！ 连细毛具体什么样都不知道 ， 如何进行模仿 ？ 人们早就希望揭开荷叶具有疏水性能的的奥秘，以便通过模仿荷叶表面的结构，制造出应用于生活的各种各样的疏水材料。 最近 ， 科学家们揭开了奥秘：荷叶的表面上有许多微小的乳突 (图 2)， 乳突的平均大小约为 10微米 ， 平均间距约 12微米 。 而每
4、个乳突是由许多直径为 200纳米左右的突起组成的 。 原来在“ 微米结构 ” 上再迭加上 “ 纳米结构 ” ， 就在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数 “ 小山 ” ， “ 小山 ” 与“ 小山 ” 之间的 “ 山谷 ” 非常窄 ， 小的水滴只能在 “ 山头 ” 间跑来跑去 ，却休想钻到荷叶内部 。 于是荷花便有了疏水的性能 。 图 2 荷叶的表面微观结构（标尺： 100微米） 1.2你听说过观音土吗 ？ 要学好我国历史 ， 就得了解一些村史和家史 。 在村史和家史中 ， 常常听到观音土这个名词 。 在旧社会 ， 穷人在青黄不接时或灾荒年间 ， 常常靠吃观音土活命 。 观音土算是咱们的老朋友了
5、吧 ？ 在微观上 ， 它究竟什么样 ？ 过去谁知道 ！ 最近 ， 中 、 外科学家们都开始关注观音土 ， 因为人们发现观音土其实是一种天然的纳米孔材料 ！ 人造纳米材料有成团 、 难分散 、 不稳定三大困难 ， 而且暂时还不能完全克服 。 自然界的 “ 观音土 ” 没有这三大困难 。 硅藻土是一种叫硅藻的单细胞藻类生物留下来的遗体 。 大约距今 2500万年以前 ， 硅藻曾是地球上的主人 ，几乎有水的地方就有它们的存在 。 后来硅藻死了 ， 它们的残骸沉积到水底被埋藏起来形成了生物沉积岩 ，就是今天所看到的硅藻土 。 从电子显微镜所拍的照片 ，可见硅藻土的各种形态 （ 图 3） 。 它们的形体
6、尺寸一般为几个微米到几十微米 ， 最小也有一微米 。 其壳壁由非晶质二氧化硅 （ SiO2） 和果胶组成 ， 壳缝为 125 纳米左右 。 对壳壁上点纹 （ puncta） 、 线纹 （ stria）和肋纹 （ costa） 观察后发现 ， 原来它们都是整齐排列的小孔 ， 线纹小孔的直径在 20100纳米 。 所以硅藻土是天然的纳米孔材料 。 提纯 、 改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能 。 图 3 左：一种硅藻土的颗粒构造 右：局部放大照片 1.3用徽墨写出的毛笔字为什么光泽好 ？ 同学 ， 你练习过写毛笔字吧 ？ 我国的汉字是至今通行的世界上最古老的文字 。 从甲骨文经
7、过金文 、 大篆 (zhuan)、 小篆 、 草书 、 隶 (li)书 、楷书 、 行书发展到今天的汉字 ， 已有 3000多年的历史 ，在全世界还找不出第二种 。 汉字的优点之一是本身具有巨大的美感 ， 是世界上能成为书法艺术品的最主要文字 。 用毛笔和黑墨创造书法艺术是我中华文化的一绝 。 电视剧 乾隆王朝 中，和珅让管家刘全用后写的假信换回了几年前向山东巡抚国泰通风报信的真书函，弄得国泰面对假信，虽有隐情却无法申辩，只好被砍头。乾隆暗示十格格，自已已从假信笔墨的新色彩识破了和珅的调包计。 在这剧中 ， 导演借乾隆之口向观众传送了一个知识：我国安徽省出产的著名徽墨能保持毛笔字有光泽且较长时
8、间不褪色 。制作墨汁或黑墨的主要原料是 烟炱 （ 注：音 tai） 。 烟炱是什么 ？ 它就是 烟凝结成的黑灰 。 制墨时所用的黑灰越细 ， 墨的保色时间越长 。 徽墨用纳米级大小的松烟炱（ 即所谓 精烟徽墨 ） （ 见图 4徽墨及图 5墨字 ） 和树胶及少量香料及水分制成 ，所以很名贵 。 图 5 王羲之 夜乱贴 （局部） 图 4 徽墨 精烟墨 从使用火开始 ， 我们的祖先就同黑灰打交道了 。 从距今 180万年前的山西芮城 ，170万年前的云南元谋 ， 80万年前的陕西蓝田 ， 60万年前的北京周口店山洞里 ，都发现了碳灰 ， 而碳灰的尺度大大小小 ，其中就有纳米级大小的颗粒 ， 甚至于在
9、灰烬中已有今天才认识的碳纳米管和巴基球 （ C60） 。 我国的汉字青春常在 ， 是否同我们祖先最早懂得使用火有必然的联系呢 ？ 问题与思考 1 荷花疏水的本质是什么 ？ 在微观结构上有何特点 ？ 2 为什么称硅藻土是纳米孔材料 ？ 3徽墨为什么名贵？ 2、 我们生活在新时代 在人类社会发展的漫长过程中 ， 已经历过二次工业革命 。 进入 21世纪以来我们正面临着第三次工业革命的到来 （ 图 6） 。 第一次工业革命： 发生在 18世纪中叶 ， 以蒸汽机为代表 ， 新的动力解放了人类的双手 ， 使人类跨入了以机械代替人力的机械化工业时代 ， 它的标志尺度是 毫米 ， 可以称作毫米技术应用时代
10、。 第二次工业革命： 20世纪以电子技术为代表 ， 它的标志是 微米 技术的应用 ， 使人类进入电气化 、电子化 ， 以计算机和网络通讯为代表的新时代 ， 不仅缩短了人类之间的空间距离 ， 而且部分地解放了人类的脑力劳动 ，促进了生产力的飞速发展 。 第三次工业革命： 21世纪 ， 以纳米技术为代表的新兴科技 ， 将给人类带来第三次工业革命 ， 使人类的生产和科技活动从微米层次深入到 纳米 层次 ， 它将为人类创造出许多新材料 、 新产品；将彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式；将对传统产业带来极大的变革 。 纳米技术将成为 21世纪的科技发展的领头羊 。 第一次工业革命 （毫米时代）
11、 第二次工业革命 （微米时代） 第三次工业革命 （纳米时代） 图 6 三个时代及其标志尺度 3、 二十一世纪科技三剑客 人们公认影响 21世纪的三大科技是： 信息技术 、 生物技术和纳米技术 。 其中纳米技术又以其突出的交叉性和集成性 ， 影响到信息技术和生物技术的发展 ， 它们三者的交叉 、 综合将诞生集大成的纳米生物技术或纳米生物信息技术 。 在人们极大地提高了获取和处理社会信息的能力之后 ， 便会转向对生命信息的探索 。 图 7中交叉领域即纳米电子学 、 纳米生物技术等将是今后影响人类社会的制高点 ， 因为它们关系到国家安全 、 公共卫生和人类的健康和长寿 。 图 7 三大高科技及其交叉
12、领域 信 息 窗 交叉学科： 纳米电子学是一典型的交叉学科，不仅要通晓微电子的知识技术，而且要理解纳米材料，纳米结构的特殊规律性能；要解决两门学科的衔接，融合问题，需要具有多学科知识的，综合性人才。 4、 改造自然界的全新理念 在人类科技发展的历史长河中 ， 始终有两个目标：一个是向着越来越大 、 越远的宏观世界进军 ， 发明了望远镜向着世界的广度进军 ， 探索宇宙的起源和进化；另一个是向着越来越小 、 越深的微观世界发展 ， 发明了各种显微镜 、 粒子加速器 ， 向着分子 、 原子 、 原子核 、 基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构 。 在向着这两个极端目标无尽的征途中 ， 人们蓦然
13、回首 ， 发现我们对在这两端中间的介观层次 ， 即原子分子层次 、 纳米层次 ， 却不甚了解 。 而这个层次才是对人类自身关系最密切的物质层次 ， 于是人们又回过头“ 重整旧山河 ” ， 集中精力开展介观层次的纳米科技的研究 （ 见图 8） 。 图 8 人类探索世界的不同层次 信 息 窗 介观： 介观层次中物质的性质会与宏观大块物质大不相同。以纳米颗粒材料为例，就具有多种特殊性能。这是由于当物质小到纳米尺度时，物质的局域性、巨大的表面和界面效应以及量子效应（电导、热导量子化）大大地改变了大块物质的原有性能，而具有自洁、催化、巨磁阻、高韧性等等的特殊性能。 5、 用纳米科技改造世界 什么是纳米
14、？ 首先纳米是一个空间尺度的单位 。 1个纳米是千分之一微米是几个原子排列起来的长度 ， 是双链 DNA分子的半径大小 ， 是人类头发丝的十万分之一粗细 。 在纳米科技中纳米又有着另一个含意：纳米是一种思考方式 ， 即人们探索自然 、 制造产品要向着更小 、 更精细和更高效的层次发展 ， 即从微米层次向着纳米层次发展 （ 见图 9） 手 10厘米 1厘米 1毫米 100微米 白细胞 10微米 1微米 DNA 100纳米 10纳米 1纳米 图 9 从宏观到介观（纳米） 新 观 点 “纳米 ” 的两个含意： 1、 空间尺度的单位； 2、 思考问题的方式。 什么是纳米科技 ？ 纳米科技是 20世纪 80年代末刚刚诞生，并正在飞速崛起的专门研究 1100纳米之间原子、分子物质层次的结构、组成，和特殊规律性能的高科技；它的最高境界是直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件；是一门多学科交叉和综合的高新科技。
