1、,纳米正向我们走来,主讲：温华盛,2001.6.10,您好！,同学们好！ 愿高科技冲浪专题讲座伴您度过愉快的时光。,2001. 6.10 E-mail：,什么是纳米？什么是纳米科技？,纳米（nm）如同厘米、分米和米一样，是度量长度的单位，具体地说，一纳米等于十亿分之一米，20纳米相当于1根头发丝的三千分之一。将一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。,纳米到底是什么,纳 米,我们把度量单位按大小排列如下： 米厘米毫米微米纳米1米等于1000个毫米，1毫米等于1000个微米，1微米等于1000个纳米。纳米约4倍原子大小，万分之一头发粗细。,纳米到底是什么,从纳米的尺度上看分子世界
2、，美丽如此。,什么是纳米科技,纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。,一般的来讲，宏观世界讲的就是微米以上的世界；那么微观世界讲的是原子这个尺度，原子这个尺度是01个纳米。那么就出现了介观物理研究的尺度从1个纳米到100个纳米之间这样的一个结构和物理性质。,这个世界既不同于宏观世界，也不同于微观世界，因为它的性质是完全不一样的。比如说，水可能是我们最熟悉的东西，我们每天都离不开水，我们知道油与水是不相溶的，无论宏观尺度上的水和微观尺度上的水都是和油不相溶的，你没有办法把它混在一起。但是如果到了纳米尺度上，也就是说在这个介观世界里，它就能够溶，并且溶得非常好，成为热
3、力学的稳定相。不管它温度变化也好，振动也好，里头加一点化学原料也好，它都能够是稳定的 。,当物质颗粒小到纳米量级后，这种物质就可被称为纳米材料。神奇的是同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接用原子和分子来构造具有特定功能的产品。,什么是纳米科技,这种技术有没有科学根据呢,众所周知，分子不变，分子的排列组合方式发生变化就会产生新的物质。,例如，葡萄糖和果糖在有机化学中，同属分子组成相同、原子数目相同的同分异构体，它们都是由碳、氢、氧三种元素组成的，分子式都是C6H12O8
4、，但由于原子的空间排列不同，使它们性质相悖，葡萄糖具有醛和多元醇，果糖就没有。,又如，同是碳分子C，因排列组合不同可以是硬度最高的金刚石（立方晶体），也可以构成很软的工业原料石墨（六方片状晶体）。在高温高压下让石墨的原子排列改变成立方晶体时，石墨就会发生质变成为金刚石。,再如，乙醇和甲醚，元素的种类和数量都相同，分子式都是C2OH6，但由于二者的原子空间排列的次序不同，导致二者成为彼此不同的物质（二者的分子结构如图所示）,还有，7个基本音乐符号，经作曲家的创造，既能组成雄浑、美妙的旋律，也能组成使人意志消沉的靡靡之音；木头、砖头劳动加工后就构成房屋；26个英文字母，由于不同的排列组合，可以构成
5、不同的字、词，并且还能进一步构成宏篇巨著，流行千古。,田忌赛马、两军对垒、体育大赛、结构调整，排列组合之妙无处不在。,纳米科技正是充分运用排列组合之妙的高新技术。就是在微观环境下，操纵原子、分子或原子团、分子团进行重新排列组合，使其形成人们所需要的功能各异的新物质的一种新技术。这种技术来源于科学家的创新思维。,美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼曾经提出：过去，人类用宏观的机器来制造体积较大的机器，再用这个较大的机器制造更小的机器，这样一步步达到分子的限度。,“为什么我们不可以从另一个方向出发以达到我们的要求呢？”“物理学的规律不排除一个原子、一个分子地制造物质的可能性。”当年，他曾幻想在原
6、子和分子水平上操纵和控制物质。而纳米科技的诞生使费曼的幻想正在变为现实。,当物质颗粒小到纳米量级后，这种物质就可被称为纳米材料。神奇的是同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化，其物理性能与化学性质便会产生意想不到的巨变。纳米科技以空前的分辩率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接用原子和分子来构造具有特定功能的产品。,什么是纳米科技,可是，原子实在是太小了。连看都看不见，怎么去操纵它呢？,原子确实是用肉眼无法看见的。这就需要借助仪器来开拓我们的视野。就在80年代初期，IBM公司在世界上第一次研制成功表面分析仪器扫描隧道显微镜（STM），使人类第一次能够观察到单个原子或分子的
7、排列状态。它给我们提供了对纳米结构进行测量和处理的“眼睛”。,那么用什么来操纵原子呢？当然也不能用我们的手指来“抓”，也得借助仪器来延伸我们的双手，这就是扫描探针。1990年，当IBM公司的科学家成功地用“扫描探针”把35个氙原子移动位置，按照人的意志组成了IBM三个字母的时候，人们欢呼：人类可以搬动原子啦！,如今人们正操纵一个个纳米颗粒，任意组合成各种类型的大分子，装配成功能各异的新产品，为人、类创造更多的物质文明。纳米技术的诞生，使人们对非生物体，以及生物体的微观世界运动规律进行研究应用，极大地提高了人类改造世界的能力。过去，有两句话叫“可上九天揽月，可下五洋捉鳖”，现在还要加上一句：“可
8、入分子钻探！”,将来人们可以用纳米技术一个一个地 将原子组装起来，制成各种纳米机器。,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,H,C,C,C,C,O,O,乙醇,液体，能以任何比例同水相溶,甲醚,气体，几乎不溶于水,科学技术是人类文明的推进器。纳米技术的诞生和运用，将使人类社会生产和生活发生巨大变化。,纳米科技将给人类带来什么样的影响呢？,猜一猜,首先，纳米技术的运用将极大地促进生产力的发展。据统计，全球的纳米技术的年产值已经达到500亿美元，到2010年，全球纳米技术创造的年产值将达到14400亿美元，相当于目前法国一年的GDP。专家认为：谁能在这场遍及全球的“纳米决战”中抢占一席之地，纳
9、米技术就能为谁带来滚滚财源。相信在 21世纪，纳米技术会把人类文明推向一个更高阶段。,其次，纳米技术的运用将改变产品结构。科学技术是人类文明的推进器。纳米技术的诞生和运用，将使人类社会生产和生活发生巨大变化。,纳米科技将给人类带来什么样的影响呢？,猜一猜,表现在哪里呢,表现二,表现一,表现三,纳米技术通过控制纳米级的原子、分子，生产出人们所需要的各种性能优良的全新材料和产品。材料是产品的物质保障，而纳米材料性能优异，如它使物质具有超塑性，可大大延展，经纳米技术处理的铜丝，在常温下其轧制长度可以从1厘米延展到100厘米（增长100倍！），其厚度可以从1毫米减少到0.02毫米（50倍）。,表现一,
10、表现二,陶瓷是中国的特产，但脆性大、易破碎，经过纳米技术处理后，可以用来代替优质钢做发动机零件。,表现三,纳米技术可以使重达30吨的巨型计算机小型化到装入口袋之中；纳米技术的电视可以像壁毯一样挂在墙上；化纤布料应用纳米技术加入少量金属微粒，可以防止产生静电；食品制造采用纳米技术，可以帮助人们提高肠胃吸收功能；如果把纳米微粒加入护肤品中，可以防止紫外线辐射；它还可以加衬在灯泡里，节省电能，提高发光率；采用纳米技术可以制造出体积在1微米以下肉眼看不到的微型机器人，把它输入到人体的任何部位为人类动手术，切除病灶；所以，纳米技术将带来新材料、新产品像泉水一样涌流的时代。,哇，实在是太捧了！,化妆品很难
11、让皮肤吸收，因为它的吸收要通过汗腺或者通过皮肤的一些淋巴组织来完成，而真正能够渗透进皮肤里的有效成分不到实际涂抹的万分之一。 如果我们把有效成分，比如说中药的有效成分变成纳米的水颗粒，那么就简单了。这样的水颗粒可以直接进入皮肤去治疗。同样是擦护肤用品，现在要擦上一两个月才开始见效了，到那个时候就有可能擦上10分钟，就会有明显的感觉。,纳米产品赏析,纳米化妆品,纳米技术也可以应用于医学上。现在的心脑血管疾病是人类的第一大杀手。心脑血管疾病主要的问题就是富营养之后，血管壁上脂肪沉积。以前有人梦想做一个机器人进到动脉里头去，这个机器人要微米尺度就行，让它进去像清道夫一样，把这些血管内壁的油脂清理干净
12、。但是这个东西到现在也没有实现。,纳米产品赏析,纳米药,如果用纳米技术来做这件事，就变得非常容易。比如说中药的有效成分中有很多是能够治疗心脑血管疾病的，像亚麻酸、亚油酸。如果我们把这种东西纳米化之后，来清理我们的血管，就有可能做到。 因为它的物理活性也就是它的表面积，尺度下降了三个数量级，它的物理活性表面积就提高了六个数量级，六个数量级就是一百万倍，也就是说它的物理活性提高了这么多，其疗效就会提高一百万倍。本来要吃进去一吨的中药汤，这时候只需要把中药汤提炼成一克，注射到血液当中去，就可以了。这不是神话。,中国是在世界上第一个做出纳米布的国家，是中科院化学所做出来的。什么是纳米布？比如用水相把丙
13、纶纤维包起来，里头都是一些丙纶纤维的丙纶的纳米颗粒，是液相的。然后我们把丙纶纤维已经拉出来的纤维，织好的布，在这个溶液里浸一下，它就会在纤维的表面上形成凸凹不平的纳米结构。水溶液当中的丙纶颗粒液滴就会附着在表面上，然后我们经过光照处理一下，它就会和纤维本体结合在一起，形成纤维表面的在20个纳米左右这么一个结构。,纳米产品赏析,纳米布,这种结构有什么特点呢？它会失去和液体的亲和性，就是它成为双疏材料，即疏水又疏油。于是，当我们把油或水往这种布上倒，都不会浸湿它，也不会玷污它。 其实，荷叶天然地就具有这样的性质。水滴从来都浸不湿荷叶，就是因为荷叶上长着据说是700个纳米尺度的一些绒毛，绒毛非常密，
14、我们肉眼看很难分辨出来。但是用手摸能感觉到一种绒绒的东西。这个东西就让荷叶失去了水对它的浸润性。具有这样特点的这种布就带有了自洁性。如果我们用这种材料做成衣服，就会防水。如果用这种材料处理玻璃，做成表面凸凹不平的结构，看起来没有任何问题，但不会结雾，不会沾水。,纳米产品赏析,可以乱真的“纳米人工骨”,一种全新的骨置换材料将取代现有冰冷的金属和脆弱的塑料等材质，用几乎可以以假乱真的效果为病人送去福音。这种高科技产物纳米人工骨，2001年1月08日已由四川大学生物医学工程学科博士生导师李玉宝教授研制成功，并顺利通过国家863项目组验收。纳米人工骨作为几乎与人骨特性相当的“类人骨”，具有广泛的应用前
15、景。李教授纳米人工骨的研制成功，目前在国际上尚属首例，其成果已可进入产业化实施阶段。,纳米产品赏析,纳米级武器可能称雄战场,当今，越来越多的国内外专家学者把目光聚焦纳米技术，认为是21世纪的前沿战略科技领域。据美国五角大楼的武器专家预计，5年内第一批由微型武器组成的“微型军”将诞生并服役，10年内可望大规模部署，届时随着纳米技术的飞跃发展，未来战争将可能由数不清的具有各种功能的袖珍武器称雄天下。,“间谍草”是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，可侦测出百米以外坦克、车辆等出动时产生的震动和声音，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物。,如苍蝇般大小的机
16、器虫它既可为飞机、火炮和步兵武器投放，也可人工放置在敌信息系统和武器系统附近，大批机器“苍蝇”可在某地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取量。如再在它上面安上某种极小的弹头，“苍蝇”会变成“蜇人的马蜂”。,微型间谍飞行器长约15厘米，能持续飞行一小时，航程可达16公里。它能够在建筑物中飞行或附着在设备上，一般雷达难以发现。可在黑夜拍摄出清晰的红外照片，并将敌目标告知己方导弹发射基地，指引导弹实施攻击。 日前，德国已制造出一架只有黄蜂大小的直升机，重量不到05克，能升空130毫米，其发动机只有削尖了的铅笔尖儿大，但转速可达每分钟10万次。,微型攻击机器人其形状各异、大小不等，大的像鞋盒，小
17、的则如硬币，可执行排雷、攻击破坏敌方电子系统和搜集情报信息等任务。 纳米卫星由于体积小、重量轻，可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，即可监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。目前，我国清华大学已于去年开始研制纳米卫星（TBNS1），重量设计小于10千克，按计划将于2001年发射升空。,由于纳米武器装备所用材料少，成本极其低廉，纳米级战争将不仅成为全新样式的战争，而且还是十足的低耗战争。,纳米技术生活用纸面世,先进的纳米技术现在已成功地应用于生活用纸领域。北京安美尔集团与中国纺织大学采用纳米技术共同研制的抗菌卫生巾、卫生护垫等个人卫生用品现已正式推向市场。,这种抗菌个人生活用
18、品原料采用的是安美尔集团总工程师舒军和中国纺织大学教授戴承渠共同发明的抗菌复合纤维。它利用先进的纳米技术进行粉碎成粒径30毫米的超微颗粒与合成纤维原料共混在一起制成的，具有强大的抗菌功能。这种抗菌原料对人体非常安全。经我国中华预防医学会认证，该产品与同类产品相比较分散性更好，抗菌能力更强，安全性可靠，吸水性强，透气性好。,纳米产品赏析,纳米技术可望使秦兵马俑永葆本色,中国西北大学纳米材料研究所所长祖庸透露，他们的最新研究发现，利用溶胶与凝胶相结合的方法把新研制的纳米材料制成一种透明的胶体，涂在文物表面，可以形成一种“无机膜”，使文物完全与外界隔离，可以有效地排除虫菌对文物的侵蚀，有利于文物的长
19、期保护，可使已有两千多年历史的秦兵马俑告别霉菌侵扰。,纳米产品赏析,在文物的周围涂上这种纳米材料，还有利于降低空气中有害气体的含量。同时，新型纳米“无机膜”除了可以对陶质文物进行有效保护以外，还可用于丝绸和书画等文物的保护。,我国纳米电子学应用研究取得新进展,由兰州大学提交的用纳米材料制备高效太阳能电池和超薄大平面显示器场发射阴极材料原型的两项应用拟研制项目，日前通过中国科学院等家科研部门的专家论证，进入后期试制研究阶段。该项目的成果将使具有国际先进水平的高科技产品进入普通人的生活成为现实。兰州大学力虎林教授率领的研究小组在国内首次运用多孔阳氧化铝模板技术，制备出高度定向、分立有序的碳纳米管场
20、发射阴极材料。图为在电子显微镜下，多孔阳氧化铝模板中如头发丝状的纳米管。,纳米产品赏析,图为在电子显微镜下，多孔阳氧化铝模板中如头发丝状的纳米管。,我国纳米科技成果一览,近年来，我国科学家在纳米科技领域屡创佳绩，世界权威科学刊物或者相关国际会议上，中国人频频在纳米领域“露脸”，让世界为之瞩目。,年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。年，美国科学杂志上刊登了我国科学家的论
21、文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金从四氯化碳制成金刚石。”,近年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。,年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。不
22、久前，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。,纳米材料用于纺织品，经过独特的工艺处理，将紫外线隔离因子引入纤维中，能起到防紫外线、阻隔电磁波，具有无毒、无刺激，不受洗涤、着色和磨损等影响的作用，可以有效保护人体皮肤不受辐射伤害。现在我国的西安、广东、山东已有厂家研制成功“纳米服装”，有的已投入规模生产。,一种全新的骨置换材料将取代现有冰冷的金属和脆弱的塑料等材质，用几乎可以以假乱真的效果为病人送去福音。这种高科技产物纳米人工骨
23、，2001年1月08日已由四川大学生物医学工程学科博士生导师李玉宝教授研制成功，并顺利通过国家863项目组验收。 纳米人工骨作为几乎与人骨特性相当的“类人骨”，具有广泛的应用前景。李教授纳米人工骨的研制成功，目前在国际上尚属首例，其成果已可进入产业化实施阶段。,中国科学家日前2001年01月08日研制出直径只有06纳米的有机材料，从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”，继续保持着从1996年起就保持的国际领先地位。 06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），其信息容量比现有光盘高100万倍。按照这一密度，可将美国国会图书馆的所有信息存放在一块
24、方糖大的盘上。,全球首颗纳米眼球将在蓉诞生 四川大学生物医学工程学科博士生导师李玉宝教授将研制出一种用纳米材料制成的动人工眼球，这种眼球不仅可以像真眼睛一样同步移动也可以通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩世界。据称，这一技术目前在全世界也是首屈一指。,自人类第一个晶体管问世以来，其尺寸每月缩小两倍，到如今的“奔四”仅有多纳米；预计到年晶体管的尺寸将只有几十个纳米，那么这种超高密度集成线路的元件之间用什么连接呢？这是世界科学界共同面临的一道难题。 国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组，日前成功合成出只有头发丝万分之一细的纳米级同轴电缆，为解决这一难题提供了有效途径。,我
25、国纳米科技成果一览,由兰州大学提交的用纳米材料制备高效太阳能电池和超薄大平面显示器场发射阴极材料原型的两项应用拟研制项目，2001年1月03日通过中国科学院等五家科研部门的专家论证，进入后期试制研究阶段。该项目的成果将使具有国际先进水平的高科技产品进入普通人的生活成为现实。这是兰州大学力虎林教授（右）率领科研小组成员进行进一步研究。,再次，纳米技术将改变我们的生活方式。,未来学家预测，纳米技术在未来的2030年内，将从根本上改变人类的处境。比如，环境污染是世界性的难题。灰尘、嗓音、水污染是人类生命的三大杀手。采用纳米技术可以把灰尘、垃圾分解成原子、分子。再把这些原子组装成餐巾、肥皂及各种有用产
26、品，真正实现“无废物生产”。人类将采用纳米技术在火星上制造出大气，使那里形成适合人类居住的空间；采用纳米技术制造的超轻型材料，将使人类幻想的太空旅行变为现实；如果未来“纳米医学”能够在细胞老化或坏死时，一个分子一个分了地制造出新细胞，进行更换，那么，人类的寿命就不是现在的70岁，而是可以达到120岁月，甚至更长！,迎接纳米时代,面对踏着青春的脚步扑面而来的纳米科技我们又应该怎么办呢？,一些国家竞相制订战略计划，投入巨资抢占纳米战略高地。继人类基因组计划之后，美国将“纳米技术计划”视为下一次工业革命的核心。日本把纳米技术列入新5年科技基本计划的研究开发重点。西欧对纳米技术的投入也已达数亿美元，还
27、将纳米技术列入欧盟2002至2006年科研框架计划。印度则公开宣称：要像重视抓软件一样重视纳米技术的研究。,我国也不甘人后，早在80年代就开始搞基础与应用研究，已将纳米技术研究列入国家“攀登计划”、“863”计划和“火炬计划”等，国家科技部、中国科学院和国家自然科学基金会等部门纷纷在立项和资金上对纳米研究给予支持。全国对纳米科技领域资助的总经费大约为700万美元，我国涉及纳米技术的企业已有100多家。中国科学院将纳米材料的研发列入知识创新试点工程首批20个重大项目之一。,迎接纳米时代,大千世界,从一幢摩天大楼,一 台 计 算 机,到一块奶油蛋糕,一 支 口 红 ,每一件实物都是由原子和分子组成的,因此纳米技术可以无孔不入,真是小小纳米定乾坤,谢谢！,纳米，为我们展示了一个绚丽多姿的世界 。让我们携手迈进纳米新时代！,
