1、第12章 当代物理前沿,本章要点： 1、 超导材料、纳米材料、光导纤维的性质及应用；2、 声学的基本理论及应用； 3、 激光原理及激光技术的应用； 4、 原子能及其和平利用。,现代物理学的内容是极其广泛的，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞生到无尽的未来。物理学取得的成就是极为辉煌的，它本身以及它对各个自然学科、工程技术部门的相互作用深刻地影响着人类对自然的基本认识和人类的社会生活。今天的物理学是一门充满生机和活力的科学，它对当代以及未来的高新科技的进步和相关产业的建立和发展提供了巨大的推动力。而且，近三四十年来的一些物理学研究的重要成果在现代科技中已属于非常基本的内容，了
2、解这些内容已成为培养21世纪人才的基本科学素养的一部分。本章仅就超导、纳米、光纤、声学、激光、原子能六个当代物理前沿专题作一介绍，以拓展同学们的知识面与视野。,12.1 超导电性,我们知道，自由电子沿某一特定方向运动就在物体中形成了电流。但导体有电阻，电阻存在，使一部分电能转变为热能损耗掉了。人们曾有一个梦想：找到没有电阻的导体材料，则电流经过时不受阻力，没有热损耗，那就具有很高的应用价值。这一梦想于1911年由荷兰科学家卡末林昂纳斯(H.K.Onnes,1853-1926)发现汞的超导现象而实现！ 超导电性是在人类发展低温技术并不断地在新的温度范围里研究物质的物理性质的过程中发现的。19世纪
3、末，低温技术获得了显著的进展。1877年氧气被首先液化，液化温度90K，随后人们又液化了液化温度是77K的氮气。1898年杜瓦(JDewar)第一次把氢气变成液氢，液化温度为20K，他发明了以他的名字命名的杜瓦瓶。1906年， 卡末林昂纳斯液化了最后一个“永久气体”氦气，获得4K的低温，这是当时所能达到的最低温度，为在极低温条件下探索各种物质的物理性质创造了必要条件，当然也为三年后卡末林昂纳斯发现超导电性奠定了实验基础。图121就是超导电性的发现者卡末林昂纳斯。,图12-1超导电性的发现者卡末林.昂纳斯,12.1.1超导体的基本性质,零电阻效应 随着低温技术的进展，1911年卡末林昂纳斯决定研
4、究一下在他们所达到的新低温区液氦温区内金属电阻的变化规律。他选择了汞，想知道它在尽可能低的温度下其电阻的变化行为。他发现：当温度降低时，汞电阻先是平缓地减小，但出人意料的是在4.2K附近电阻突然降为零。图122是汞的电阻随温度的变化关系。（纵坐标是该温度下汞电阻与0C时电阻的比值。）,图12-2汞的零电阻效应,卡末林昂纳斯指出：在4.2K以下汞进入了一个新的物态，在这新物态中汞的电阻实际变为零。他把这种电阻突然降为零而显示出具有超传导电性的物质状态定名为超导态。而把电阻发生突变的温度称为超导临界温度或超导转变温度，用 表示。此后，他们又发现了其它许多金属有超导电性。如1913年发现了锡在3.6
5、9K时，也有零电阻现象。,2.完全抗磁性,1933年，德国物理学家迈斯纳（W.Meissner）和奥森菲尔德（R.Ochsenfeld）对锡单晶球超导体做磁场分布测量时发现：当置于磁场中的导体通过冷却过渡到超导体时，原来进入此导体中的磁力线会一下子被完全排斥到超导体之外，如图12-3所示，超导体内磁感应强度变为零，这表明超导体是完全抗磁体，超导体的这种现象称为迈斯纳效应。,正常态 超导态图12-3迈斯纳效应,迈斯纳效应和零电阻效应是超导体的两个独立的基本属性，衡量一种材料是否有超导电性，必须看是否同时有零电阻和迈斯纳效应。,3存在临界磁场 前面我们已经知道了当温度高于临界温度时，超导态被破坏而
6、变成正常态，即有电阻的状态。通过实验还发现，超导电性也可以被外加磁场所破坏。在低于的任一温度下，当外加磁场强度小于某一临界值时，超导电性可以保持；当外磁场超过某一数值的时候，超导电性会被突然破坏而转变成正常态。我们将称作临界磁场。实验表明：对一定的超导体，临界磁场是温度的函数，达到临界温度了时，临界磁场为零。,4.存在临界电流 实验还表明，如果在不加磁场的情况下在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，为破坏超导电性所需要的电流称作临界电流 。在临界温度下，临界电流为零。,5.同位素效应超导体的临界温度 与其同位素质量 有关。 越大， 越低，这称为同位素效应。 与 有近似关系： =常数。,
7、12.1.2 高温超导体,所谓高温超导体是相对传统超导体而言的。传统超导体必须在液氦温度42K下工作，而铜氧化物超导体是可以在液氮温度77K下工作的，通常称之为高温超导体。由于传统超导体转变温度很低，这给超导的应用带来了极大的困难。如何提高材料的Tc以及寻求高Tc材料的超导体，自从超导电性被发现以来，一直是科学家们的研究课题。,1986年以前，人们发现周期表中相当一部分元素在各种不同的条件下出现超导电性，超导体种类繁多。40年代初，人们发现了第一个转变温度较高的超导体氮化铌NbN，其Tc15K。50年代以后，又发现了多种高临界温度超导材料，如V3Si、Nb3Ge等,此间超导临界温度纪录一直在缓
8、慢地提高。直到1973年，在Nb3Ge薄膜中得到了23.2K的最高临界转变温度纪录。此后该纪录再未被打破，一直到1986年柏诺兹(J.G.Bednorz，1950-)和缪勒(K .A .Muller,1927-)首次发现LaBaCuO(镧钡铜氧化物)陶瓷材料中存在35K的超导转变，为超导体的研究开辟了崭新的道路，将超导体从金属、合金和化合物扩展到氧化物陶瓷。陶瓷材料在常温下一般是绝缘体，在低温下一下子变成了超导体，大大出乎人们的意料，改变了从金属和合金中寻找超导材料的传统想法。中国科学院物理研究所、美国休斯敦大学和日本东京大学的科学工作者重复了Bednorz和Muller的结果，并用Sr置换B
9、a，将提高到4050K。1987年，中国科学院宣布，由赵忠贤领导的科研组已将钇钡铜氧化物（YBaCuO）的提高到92.8K以上，从而实现了转变温度在液氮温区的突破。虽然新型超导体的转变温度还远没有达到室温，但在液氮温区实现超导也是极大的飞跃。由于液氮与液氦相比，价格便宜100倍，冷却效率高63倍，且氮十分安全，故大大扩展了超导的应用前景，使沉闷了半个多世纪的超导界一下子变得气氛活跃起来。为此，柏诺兹和缪勒共同获得诺贝尔物理学奖。,12.1.3BCS 理论,超导电性量子理论是巴丁(J.Bardeen)、库柏(L. K .Cooper)和施瑞弗(J.R.Schrieffer)在1957年提出的,被
10、称为Bcs超导微观理论。按照此理论，在超导体中两个自旋相反以及动量大小相等、方向相反的电子对之间有很强的关联作用（吸引作用），且胜过电子间的排斥，使两个电子结成对（称为库柏对）。在超导体中导电的不是自由电子，而是库柏对。该理论成功地指明了电子通过交换虚声子形成库柏对，定性地描述了能隙、热学和电磁性质。 当考虑被绝缘体隔开的两个超导体，即超导体绝缘体超导体，绝缘体通常对于从一种超导体流向另一超导体的传导电子起阻挡层的作用。若阻挡层足够薄，则由于隧道效应，电子具有相当大的概率穿越绝缘层。当超导隧道结的绝缘层厚度只有10埃左右时，将发生一种奇异的约瑟夫森隧道电流效应，即库柏电子隧道效应，电子对穿过势
11、垒时仍保持着配对状态。,12.1.4 超导材料的应用,超导态是物质的种独特的状态，它的新奇特性，立刻使人想到要将它们应用到技术上去。开展应用问题的研究可以追溯到本世纪二十年代，人们对超导应用的热情总是比研究超导机理更高。超导体的零电阻效应显示其具有无损耗输运电流的性质，因而在工业、国防、科学研究的大工程上有着广泛的应用。大功率的发电机、电动机如能实现超导化，将大大降低能耗并使其小型化；如将超导体应用于潜艇的动力系统，可以大大提高它的隐蔽性和作战能力；在交通运输方面，负载能力强、速度快的超导悬浮列车和超导船的应用，都依赖于磁场强、体积小、重量轻的超导磁体。此外，超导体在电力、交通、国防、地质探矿
12、和科学研究(回旋加速器、受控热核反应装置)中都有很多应用。,1.超导材料在强电方面的应用在超导电性被发现后首先应用于制作导线，目前最常用的制造超导导线的材料是传统超导体NbTi(铌钛合金)与Nb3Sn合金，现在已能大规模生产。在l T的强磁场下，输运电流密度达103Amm3以上。而截面积为1mm2的普通导线为了避免融化，电流不能超过1A一2A。超导线圈已用于制造发电机和电动机线圈、高速列车上的磁悬浮线圈、轮船和潜艇的磁流体和电磁推进系统，以及用于高能物理受控热核反应和凝聚态物理研究的强场磁体，这些物理研究需要很强的磁场，这样的磁场可由超导磁体提供，一些特殊的设备如果没有超 导磁体就不能使用。中
13、国科学院合肥等离子体研究所已建造了使用超导磁体的用于研究受控热核反应的托卡马克装置HT7，见图12-4。,目前，应用超导体产生的强磁场，已研制出磁悬浮列车。列车运行时，超导磁体在地面环中产生强大感应电流，由于超导体磁场与环中感应电流相互作用，使车辆悬浮起来，因而车辆不受地面阻力影响，可实现高速运行，车速高达500公里/小时。若使超导磁悬浮列车在真空隧道中运行，完全消除空气阻力影响，车速可提高到1600公里/小时。,图12-4 托卡马克装置,2 . 超导材料在弱电方面的应用 根据交流约瑟夫森效应，利用约瑟夫森结可以得到电压的精确值。它把电压基准提高了两个数量级以上，并已被确定为国际基准。约瑟夫森
14、效应的另一个基本应用是超导量子干涉仪(SQUID)。用SQUID为基本元件可制作磁强计、磁场梯度计、检流计、伏特计、温度计、重力仪及射频衰减仪等装置，具有灵敏度高、噪声低、响应快、损耗小等特点。 约瑟夫森结还有在计算应用上的巨大潜力，它的开关速度可达10-12 s，比半导体元件快1000倍左右，而功耗仅为微瓦级，比半导体元件小1000倍。超导芯片制成的超导计算机，速度快、容量大、体积小、功耗低。,3.高温超导体的应用 从原则上说，高温超导器件可比传统超导器件在更高的温度下工作，高温超导体的特有性质可用于研制未知的新器件。 由铋、锶、钙、铜和氧构成的高温超导材料已制成超导导线，比常规铜线运载电流
15、大100倍。我国第一根铋系高温超导输电电缆于1998年研制成功，运载电流达到1200安培。 利用溅射、脉冲激光沉积、金属有机化学沉积等技术已能制备高质量的YBCuO(亿钡铜氧化物超导体)薄膜和高温超导多层膜，薄膜技术的发展为高温超导电子学器件的研制提供了先决条件。这种薄膜特别适用于蜂窝电话基地电台的滤波器，经其过滤的信号保持原来强度而提高了信噪比，而常规的铜滤波器使信号强度降低，难以与噪音区别。1996年，这种薄膜进入市场。,由于高温超导体具有较低的表面电阻和较高的工作温度，高温超导无源微波器件的研制获得了巨大的成功。例如滤波器，谐振器，延迟线等，这些器件可望在今后几年里变为商品面市，为全球通
16、讯服务。 综上所述，我们看到在人类的生活中已得到了超导电技术带来的诸多好处，我们还将看到超导电技术会越来越广泛地造福于人类。如解决人类未来能源的基本技术是受控热核反应，而实现这一点必须使用无损耗的超导磁体。因此人类的未来离不开超导电技术及其相关技术的发展。,12.2 纳米技术,在当代，随着高新技术的发展，材料和器件的微型化成为一个重要的发展方向，这样在从宏观走向微观的过程中，出现了介于宏观与微观之间的纳米层次。它要在纳米尺度空间内，研究电子、原子和分子的特性及运动规律，从而实现人类按自己的意志直接操纵单个原子，重新认识和改造客观世界，这确实是让人激动的事情。纳米科学是目前最核心和前沿的科学，纳
17、米材料被誉为跨世纪的材料。,12.2.1 纳米材料,纳米是nanometer的译名，用nm(1nm=10-9m)表示。纳米尺度为0.1100nm，比原子尺寸略大（约为几十个原子排列起来那么长），大约相当于一根头发丝直径的万分之一。 纳米材料是指几何尺寸为纳米量级的微粒或由纳米大小的微粒在一定条件下加压成型得到的固体材料。故纳米材料又称超微颗粒材料，其颗粒的大小范围为0.1100纳米，约为原子半径的1103倍。,1.超微颗粒的奇异特性 把宏观的大块物体细分为超微颗粒后，将显示出许多奇异的特性，在光学、热学、电磁学、力学及化学等方面的性质与大块物体相比有很大的差别。当颗粒尺寸达到纳米数量级的小颗粒
18、在保持新鲜表面的情况下压制成块状固体或沉积成膜时，会产生许多异常的物理现象。这些奇异性质的产生主要来自于小尺寸效应、表面效应和量子效应,（1）小尺寸效应 当颗粒的尺寸小于可见光波波长时，对光的反射率低于1，于是均失去原来的光彩而呈黑色。又如磁性颗粒在小到一定的尺寸时，会丧失磁性。 （2）表面效应 球形颗粒的表面积与半径的平方成正比，其体积与半径的立方成正比，故表面积与体积之比与半径成反比，颗粒半径越小，这比值越大。例如一个边长为1米的立方体，它的表面积为6平方米，若将此立方体切割成边长为1毫米的立方体，再按原样堆成边长为1米的立方体，此时体积没变，但切割后各小立方体的表面积之和为6000平方米
19、，比原来增大1000倍。表面积增大，活性就增强，因此超微粉末很容易燃烧和爆炸。另外，表面积增大，表面原子占总原子数的百分数将会显著地增加。,（3） 量子效应 量子力学已成功地揭示了原子能级结构，由无数的原子构成固体时，由于原子间的相互作用使单独原子的价电子能级合并成能带，能带理论阐明了宏观的导体、半导体和绝缘体之间的区别。对介于原子、分子和大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带变窄，逐渐还原为分立的能级，能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当温度较低时，原子分子的热运动能以及电场能或者磁场能比平均的能级间距还要小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，这就是量子效应。例如，在低
20、温条件下，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，比热可出现反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动等。,2纳米材料的类型 （1）颗粒型 随着社会的信息化，信息储存量大、信息处理速度高，要求录音带录像带和磁盘等磁性记录介质的记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用20纳米左右的超微磁性颗粒制成的金属磁带，磁盘已开始商业化。具有记录密度高，低噪音的特点。 （2）纳米固体材料 纳米固体材料是指由超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。这种材料具有巨大的颗粒间界面，从而使得纳米材料具有高韧性。 （3）颗粒膜材料 颗粒膜材料是将某种颗粒嵌于不同材料
21、的薄膜中所生成的复合薄膜。通过改变两种组分的比例以及改变颗粒膜中的颗粒大小与形态，可控制膜的特性。,12.2.2 纳米加工与原子操纵,纳米技术的创始人是物理学家、诺贝尔奖获得者理查得.费思曼，他大胆提出“用原子搭积木”的想法，设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。他的设想包括以下几点：如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么小的地方；计算机如何微型化；重新排列原子，若有朝一日能按自己的主观意愿排列原子，世界将会发生什么？在纳米尺度上的原子与在体块材料中的原子的行为表现有什么不同？即有些什么新颖的性质以及千奇百怪的效应？其关键点在于如何操纵原子、分子。,1.移动原子 移动原子的工具是扫描
22、隧道显微镜STM，它是一种新型的表面分析工具，是根据量子力学的隧道贯穿效应制成的。它实际上就是一个由电子计算机操纵控制的长探针，探针一头很细，只有几个原子的厚度。利用探针和材料平面间的电流，可逐个地把原子吸起来并放置到其他地方。下面，以STM移动氙原子的过程为例。 用STM针尖移动吸附在金属表面上的氙（Xe）原子。当针尖距氙原子较远时，不产生 影响。当把针尖向氙原子逼近到相距约0.3纳米时，在针尖与原子之间产生一个吸引力，其大小约等于原子与金属基底之间的吸附力，但又不足以使氙原子脱离基底表面而吸附到STM针尖上。这时，移动针尖，就会拖着氙原子在表面滑动。滑动到预定的位置后，再把针尖移离氙原子，
23、氙原子就留在了预定的位置,这样可使原子按我们设想方案重新进行排布。通过扫描隧道显微镜操纵氙原子用35个原子排出的“IBM”字样，如图12-5所示。,2.纳米加工 利用STM可人为地制造出某些表面现象，进行表面刻蚀及修饰工作。利用计算机控制STM的针尖，在某些特定部位加大隧道电流或使针尖尖端直接接触到表面，使针尖作有规律的移动，就会刻出有规律的痕迹，形成有意义的图形或文字。图12-6所示的是用纳米加工的五环图案。因此，STM对于研究高密度信息储存技术，具有重要意义。原子尺度的操纵技术在高密度信息存储、纳米级电子器件、新型材料的组成和物种再造等方面，将有非常重要和广泛的应用前景，它是公认的21世纪
24、高新技术。,图12-5用原子排出的IBM,12-6用纳米加工的五环,3单分子操纵 当前，单原子操纵移位技术进一步发展为单个 分子的探测、操操纵和人工合成新分子等技术， 它远比单原子操纵复杂。1991年IBM公司的 “拼字”科研小组创造出了“分子绘画”艺术。这是 他们利用STM把一氧化碳分子竖立在铂表面上， 构成分子间距约0.5纳米的“分子人”。这个“分子 人”从头到脚只有5纳米，堪称世界上最小的人 形图案。 目前科学家从操纵小分子扩展至大分子乃至生物大分子。在分子世界里，人们首先关注的是决定人类遗传性状的大分子DNA。第一张DNA分子的STM图像于1989年问世。1990年，中科院上海研究所与
25、上海细胞生物学研究所及前苏联科学院分子生物学研究所合作，首次获得了一种新的DNA构型平行双链DNA的STM图像。,图 12-7“分子人”,12.2.3 C60与碳纳米管,1举世瞩目的C60 过去一直相信自然界中只存在两种碳的同素异形体：金刚石和石墨。然而，1985年柯尔（R.F.Curl,1933-）斯莫利（R.E.Smalley，1943）和克罗托（H.W.Kroto，1939）发现了碳的第三种稳定的同素异形体，这就是C60。它的正式名称是巴基敏斯特富勒烯，简称巴基球或足球烯。其结构如图12- 所示。C60分子是由60个碳原子组成的笼状大分子，其分子直径约0.17纳米；其结构是由12个正五边
26、形（边长称为长键，为0.146纳米）和20个六边形（其中短键长为0.139纳米）组成的32面体，共有60个顶角，每个顶角上占据一个碳原子，C60分子模型正好是一个足球。,这种封闭型的C60分子，本身的化学键已经饱和，没有空键，所以由C60分子构成的固体就不需要其他原子（如氢）来填补其表面的化学键，是纯碳结构。 C60晶体不导电，是一种新型的半导体材料。C60可以承受各向同性的静态压力达20万个大气压。C60超导体是现在所有的有机物超导体中转变温度最高的，具有较大的临界电流、临界磁场。掺杂金属原子的C60超导报道最引人注目。有人预测，随着碳分子族的进一步加大，通过掺杂，有可能发现室温超导体。这将
27、是超导技术上的一大突破，C60超导体有着十分广阔的应用前景。,图12-8 C60分子的足球模型,2碳纳米管 贵比黄金、细赛人发的“超级纤维”碳纳米管，实际上和金刚石、石墨同属于一个家族。作为近年来材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视。碳纳米管,是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。 碳纳米管于1911年由日本科学家合成问世，随后又发现了它的一些特殊性质，并加以应用。1992年，发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而
28、呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。,12.24纳米技术的应用,1.在陶瓷领域方面的应用
29、陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。,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。要制备纳米陶瓷，这就需要解决：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。科学家指出，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%的范性形变。并且发现，纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的
30、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。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。,2 在微电子学上的应用 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。纳米电子学的最终目标是
31、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。目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。并且，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。,美国威斯康星大学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，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。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MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智
32、能型微型电脑带来希望。 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为本世纪信息时代的核心。,3在生物工程上的应用 生物分子是很好的信息处理材料，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。虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，
33、并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。,到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为：要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。,4在化工领域的应用 (1)在催化方面的应用 催化剂在许
34、多化学化工领域中起着重要的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子用于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。,(2)在涂料方面的应用 纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可
35、获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。 纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3 、TiO2 等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。,(3) 在其它精细化工方面的应用 精细化工是一个巨大的工业领域，产
36、品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特魅力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。,5在医学上的应用 随着纳米技术的发展，在医学上该技术也开始崭露头脚。研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在1520nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，
37、作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米 SiO2 微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。,研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而
38、解，从而将使医学研究发生一次革命。,6在分子组装方面的应用 利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。目前主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究。虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍然是一大难关。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制
39、纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”，该算盘的算珠由球状的C60分子构成。美国佐治亚理工学院的研究人员利用碳纳米管制成了一种崭新的“纳米秤”，能够称出一个石墨微粒的重量，并预言该秤可以用来称取病毒的重量,12.3 光导纤维,12.3.1 光及其特性,我们知道，光是一种电磁波。可见光部分波长范围是： 390760nm。大于760nm部分是红外光，小于390nm部分是紫外光。光纤中应用的是：850，1300，1550三种。 因为光在不同物质中的传播速度是不同的，所以光从一种物质射向另一种物质时，在两种物质的交界面处会产生折射和
40、反射。而且，折射光的角度会随入射光的角度变化而变化。当入射光的角度达到或超过某一角度时，折射光会消失，入射光全部被反射回来，这就是光的全反射。不同的物质对相同波长光的折射角度是不同的(即不同的物质有不同的光折射率)，相同的物质对不同波长光的折射角度也是不同的。光纤通讯就是基于以上原理而形成的。,12.3.2 光纤,1. 光纤结构： 光纤结构呈同心圆柱状，一般分为三层：中心高折射率玻璃芯(芯径一般为50或62.5m)，中间为低折射率硅玻璃包层(直径一般为125m)，最外是加强用的树脂涂层。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。,2. 数值孔径 入射到光纤端面的光并不能全部被光
41、纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度就称为光纤的数值孔径。光纤的数值孔径大些对于光纤的对接是有利的。不同厂家生产的光纤的数值孔径不同(AT&TCORNING)。,3. 光纤的传输模式 光线以某一特定角度射入光纤端面，并能在纤芯与包层的界面上形成全反射传输时，称为光的一个传播模式。若光纤的纤芯直径d较大，则在由数值孔径确定的入射角度范围内，可允许光以多个特定的角度射入光纤端面，并在光纤中传播。此时，我们称光纤中有多个模式，并把这种能传输多个模式的光纤称为多模光纤。如果光纤的纤芯直径d较小，只允许与光纤轴方向一致的光线传播，即只允许光的一个模式沿光纤的轴线传播。我们把这一个模式称
42、为基模，把只允许传输一个基模的光纤称为单模光纤。,4. 光纤的种类 上已述，按光在光纤中的传输模式可分为： 单模光纤和多模光纤。 多模光纤：中心玻璃芯较粗(50或62.5m)，可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重。例如：600MB/KM的光纤在2KM时则只有300MB的带宽了。因此，多模光纤传输的距离就比较近，一般只有几公里。 单模光纤：中心玻璃芯较细(芯径一般为9或10m)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但其色度色散起主要作用，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。,5.常用光
43、纤规格 单模： 8/125m， 9/125m ， 10/125m 多模： 50/125m 欧洲标准， 62.5/125m 美国标准 工业，医疗和低速网络： 100/140m， 200/230m 塑料： 98/1000m 用于汽车控制。,12.3.3 均匀折射率光纤导光原理 光线是怎样在光纤中传播的呢?我们讨论光在均匀折射率光纤中的传播情形。在均匀折射率光纤中，光是依靠在纤芯和包层两种介质分界面上的全反射向前传播的。射入光纤的光线有两种，一种是穿过光纤纤芯轴线的光线，叫子午光线，如图12- 9 (a)所示，子午光线在光纤内沿锯齿形的折线前进；另一种斜光线，它不穿过纤芯的轴线。如图129(b)所示
44、，从光纤的端面上看，斜光线的传播轨迹呈多边形折线状。,图12-9 均匀折射率光纤中光线的传播,12.3.4 光纤制造与衰减：,1. 光纤制造：现在光纤制造方法主要有：管内CVD(化学汽相沉积)法，棒内CVD法，PCVD(等离子体化学汽相沉积)法和VAD(轴向汽相沉积)法。,2. 光纤的衰减：造成光纤衰减的主要因素有：本征，弯曲，挤压，杂质，不均匀和对接等。 本征是光纤的固有损耗，包括瑞利散射，固有吸收等；弯曲是光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉造成的损耗；挤压是光纤受到挤压时产生微小的弯曲而造成的损耗；杂质是光纤内杂质吸收和散射在光纤中传播的光，造成的损失；不均匀是光纤材料的折射率不均匀
45、造成的损耗；对接是光纤对接时产生的损耗，如：不同轴(单模光纤同轴度要求小于0.8m)，端面与轴心不垂直，面不平，对接心径不匹配和熔接质量差等。,12.3.4 光纤的应用,光纤在通信等领域具有日益广泛的应用。人类社会现在已发展到了信息社会，声音、 图象和数据等信息的交流量非常大。以前的通讯手段已经不能满足现在的要求，而光纤通讯以其独特的优点得到广泛应用。其应用领域遍及通讯、交通、工业、医疗、教育、航空航天和计算机等行业，并正在向更广更深的层次发展。光及光纤的应用正给人类的生活带来深刻的影响与变革。下面简略介绍光纤通信。 各种电信号对光波进行调制后，通过光纤进行传输的通信方式，称光纤通信。光纤通信
46、不同于有线电通信，后者是利用金属媒体传输信号，光纤通信则是利用透明的光纤传输光波。虽然光和电都是电磁波，但频率范围相差很大。一般通信电缆最高使用频率约924兆赫，光纤工作频率在10141015 Hz之间。,光纤通信系统的基本组成见图12-10，它包括发送机、光缆、中继器和接收机。发送机主要由光源及其相关的驱动电路组成，接收机主要由光检测器、放大器和信号恢复电路组成。中继器负责放大和整形信号，而光缆作为最主要的部件之一，用于传输光信号。一根光缆中通常包括若干根像头发丝一样细的光纤和多种光纤保护层，用于远距离通讯的光缆中甚至还包含金属导线，以便用来对放大光信号的中继器供电。,图12-10 光纤通信
47、系统的基本组成,光纤通信最主要的优点是：（） 容量大。光纤工作频率比目前电缆使用的工作频率高出89个数量级，故所开发的容量很大。(） 衰减小。光纤每公里衰减比目前容量最大的通信同轴电缆的每公里衰减要低一个数量级以上。（） 体积小，重量轻。同时有利于施工和运输。（） 防干扰性能好。光纤不受强电干扰、电气化铁道干扰和雷电干扰，抗电磁脉冲能力也很强，保密性好。（） 节约有色金属。一般通信电缆要耗用大量的铜、铝或铅等有色金属。光纤本身是非金属，光纤通信的发展将为国家节约大量有色金属。（） 成本低。目前市场上各种电缆金属材料价格不断上涨，而光纤价格却有所下降。这为光纤通信得到迅速发展创造了重要的前提条件
48、。光纤通信首先应用于市内电话局之间的光纤中继线路，继而广泛地用于长途干线网上，成为宽带通信的基础。光纤通信尤其适用于国家之间大容量、远距离的通信，包括国内沿海通信和国际间长距离海底光纤通信系统。目前，各国还在进一步研究、开发用于广大用户接入网上的光纤通信系统。 随着光纤放大器、光波分复用技术、光弧子通信技术、光电集成和光集成等许多新技术不断取得进展，光纤通信将会得到更快的发展。,12. 4 声学,我们人类生活在一个充满声音的世界里。在空气中的某一物体一旦发生振动，它就会引起物体周围媒质的运动，这种运动会一直向远处扩散开来。当这种振动传到我们耳朵里时，会引起鼓膜的同样的振动，再传到大脑的听觉神经
49、，我们便有了声音的感觉。声音实质是一种机械振动的传播。 声学是研究机械振动在弹性媒质(气体、液体或固体)中传播规律的学科。具体地说，就是研究声波的产生、传播、接收和效应。声学是一门古老而又年轻的学科。它的起源可追溯到古代人类对于听觉、语言、音乐等的认识。我国人民很早就从事乐器制造和乐律的研究。夏商时期就有了铜制的铃、钟、编钟、皮制的鼓等多种乐器。现代声学的研究始于17世纪牛顿力学形成和发展以后，人们认识到声音是媒质中传播的机械波，从而把声学现象和机械运动统一起来。到19世纪70年代，物理学家瑞利的声学理论这部经典声学著作问世，使声学成为物理学中一门严谨的相对独立的分支学科。,20世纪以来，声学的研究对象已从“可听声”延伸到人耳无法听到的次声和超声、特超声，其应用范围已遍及国民经济各个部门及国防和人类的日常生活。并且，声学与其它学科互相结合互相渗透，形成了不少独特的边缘学科。如水声学、电声学、环境声学、激光超声、语言合成、语言识别、超声诊断和超声医学等。声学技术在许多领域中有着重要的应用。譬如，随着声信号的编码、解码技术；声信号的压缩、传输技术；声控电话、语音识别、语音合成等领域的发展，IP电话、汉英、汉日简单口语翻译系统都已走向市场。声学应用领域在不断扩大，并日益深入千家万户。,
