纳米技术PPt课件.pdf

1、2010-10-12 1 公共选修课 纳米技术 1 任课教师： 富 鸣 Tel： 51688605 Email: 王女士今天去转街，在一小摊上见一 老板正在出售纳米鞋垫，于是王女士就顺 口问了一句，“什么是纳米啊？” 老板的回答很干脆，“纳米就是从大 米中提出来的一种很小的东西，这东西具 有很好的保健作用，五元一双，你拿一双 吧！” 媒体把“纳米”炒得热火朝天。一个种 植专业户老农也听说了，向村里“专家” 打听：“电视报纸整天说现在纳米可吃香 了，好多科学家也在研究。连股市都有什 么纳米板块。可我不知道哪儿有纳米种子 卖 年 种它季说 定能卖个 价 卖，一年种上它两季，说不定能卖个好价 钱吧

2、。” 那“专家”悄悄地耳语道：“我刚从县 城买了10斤纳米回来，做了一顿饭，味道 好极了，医生还说纳米能强身健体呢。你 想知道在哪儿卖得到种子？给点信息咨询 费吧。” 授课对象： 有兴趣纳米科学与技术的广大本科生 学时数与课程结业要求 学时数与课程结业要求： 本课程 48学时 结业要求：课程作业报告 如何给成绩？ 1. 纳米技术的基本概念与意义 2. 表征分析技术 3. 纳米材料 4 纳米尺度加工与组装 课程的主要内容 4. 纳米尺度加工与组装 5. 纳米电子学、光子学与器件 6. 纳米生物与仿生纳米结构 7. 纳米科学前沿 8. 纳米经济浪潮 9. 纳米领域非常有趣的一些东西 尺 度 的 1

3、.1 1.1：纳米技术的基本概念 ：纳米技术的基本概念 1.1 1.1：纳米技术的基本概念 ：纳米技术的基本概念 词头 符号 中文名 数值 metre 1m 米 1m=1metre decimetre 1dm 分米 1dm=1/10m=10 1 metre centimetre 1cm 厘米 1cm=1/100m=10 2 metre 的 概 念 millimetre 1mm 毫米 1mm=1/1000m=10 3 metre decimillimetre 1dmm 丝米 1dmm=1/10 4 m=10 4 metre centimillimetre 1cmm 忽米 1cmm=1/10 5

4、m =10 5 metre micrometre 1um 微米 1um=1/10 6 m =10 6 metre nanometre 1nm 纳米 1nm=1/10 9 m =10 9 metre picometre 1pm 微微米 1pm=1/10 12 m=10 12 metre2010-10-12 2 尺 度 的 词头 符号 中文名 数值 tera T 垓、千京、兆 兆 10 12 giga G 京、千兆 10 9 mega M 兆 10 6 kilo K 千 10 3 的 概 念 hecto h 百 10 2 deca da 十 10 deci d 分 10 -1 centi c 厘

5、10 -2 milli m 毫 10 -3 micro u 微 10 -6 nano n 纳、毫微 10 -9 pico p 皮、微微 10 -12 纳米的基本概念米 （统一单位） 常用单位 相应大小 10 25 十亿光年 宇宙大致的范围 10 21 十万光年 银河系的全貌 10 14 一千亿公里 冥王星的完整轨道 10 7 一万公里 分辨出地球的一部分 10 3 一公里 分辨城市建筑物的排列，街区 10 1 十米 看到足球场上运动员 2 厘米 汗毛孔 皮肤表面的皱纹 10 2 一厘米 汗毛孔，皮肤表面的皱纹 10 4 一百微米 分辨细胞 10 6 一微米 看到染色体当中，聚集着染色质 10

6、7 一百纳米 分辨染色质的两个部分 10 9 一纳米 分辨出 DNA 的分子结构 10 10 一百皮米 电子云笼罩下的原子的轮廓 10 13 一百飞米 分辨原子核 10 14 十飞米 原子核中的质子和中子 10 15 一飞米 分辨出组成质子和中子的夸克 10 16 一百阿米 进一步看清夸克 10 19 0.1阿米 一个夸克的大小 纳米太小了 纳米太小了 ，作为计量单位在日常 ，作为计量单位在日常 生活中很少出现。 生活中很少出现。 拿 拿“ “大 大” ”东西头发比，普通头发就有 东西头发比，普通头发就有 6 6万 万8 8万纳米粗； 万纳米粗； 拿小东西原子比，一纳米也就五个原 拿小东西原子

7、比，一纳米也就五个原 排列起来 长度 排列起来 长度 纳米太小了 纳米太小了 ，作为计量单位在日常 ，作为计量单位在日常 生活中很少出现。 生活中很少出现。 拿 拿“ “大 大” ”东西头发比，普通头发就有 东西头发比，普通头发就有 6 6万 万8 8万纳米粗； 万纳米粗； 拿小东西原子比，一纳米也就五个原 拿小东西原子比，一纳米也就五个原 排列起来 长度 排列起来 长度 子排列起来的长度。 子排列起来的长度。 如果人的头发有人的大腿粗，那么一 如果人的头发有人的大腿粗，那么一 个纳米就相当于人的头发那么细； 个纳米就相当于人的头发那么细； 如果一粒芝麻有足球场那么大的话， 如果一粒芝麻有足球

8、场那么大的话， 一个纳米就相当于一粒芝麻那么小。因此， 一个纳米就相当于一粒芝麻那么小。因此， 肉眼是根本看不见纳米级的物体的。 肉眼是根本看不见纳米级的物体的。 子排列起来的长度。 子排列起来的长度。 如果人的头发有人的大腿粗，那么一 如果人的头发有人的大腿粗，那么一 个纳米就相当于人的头发那么细； 个纳米就相当于人的头发那么细； 如果一粒芝麻有足球场那么大的话， 如果一粒芝麻有足球场那么大的话， 一个纳米就相当于一粒芝麻那么小。因此， 一个纳米就相当于一粒芝麻那么小。因此， 肉眼是根本看不见纳米级的物体的。 肉眼是根本看不见纳米级的物体的。 从分子到夸克、轻子的结构层次 层次序列 分 子

9、原子 原子 核 质子、中 子 夸克、轻子 大小数量 10 - 8 10 -10 10 -15 10 -17 10 -19 级（M） 8 0 -9 10 10 10 10 纳米尺度的图片概念 什么是科学？ 科学是关于自然、社会和思维规律的知识体系。 是通过特殊的社会活动而形成的关于自然及其 变化规律的知识体系。 什么是纳米科学？ 纳米科学是关于纳米物质世界的基本知识的认 识和理解，关于纳米物质世界变化规律的掌握 和利用。2010-10-12 3 什么是技术？ 技术是人类为了满足社会需要，运用科学知识， 改造、保护和利用天然资源，创造适宜人类生 存的人工自然环境的方法、技能和工具、手段 的总和。

10、技术为了增强人类的主观能动性，以达到改造 自然的目的。 纳米技术的定义 纳米技术的定义 目前人类研究的物质世界的 目前人类研究的物质世界的 最大尺度： 最大尺度：10 10 25 25 米（ 米（10 10亿光年） 亿光年） 最小尺度： 最小尺度：10 10 19 19 米 米 纳米 纳米(nm) (nm)： ：10 10 9 9 米 米 纳米技术 纳米技术： ：研究结构尺寸在 研究结构尺寸在1 1 100 nm 100 nm 范围的物质 范围的物质 的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科 的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科 交叉的技术。 交叉的技术。 当物质小到 当物质小到10

11、10 9 9 10 10 7 7 米时，由于量子效应和巨 米时，由于量子效应和巨 大的表面和界面效应，性能发生质变，呈现出许 大的表面和界面效应，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 多既不同于宏观物体、也不同于单个孤立原子的 新颖的物理、化学和生物学等特性。 新颖的物理、化学和生物学等特性。 光电、信息 材料 医学 纳米技术属于哪个学科？ 科学 技术 纳米科技 能源 生物 环境 仪器、机械 技术 产业 纳米的词汇 Nano/nanometer/nanometre nanosized,nanoscale,nanostructured, nanowire,nanop

12、article,nanocluster,nanotube nanodot,nanoring,nanoplane,nanomesh til nanomaterial nanolaser 纳米科学 nanoscience 纳米技术 nanotechnology 金属铜是良导体，而纳米铜是绝缘体； 硅是半导体，而纳米硅是良导体； 陶瓷是易碎品，而纳米陶瓷材料可在室温下任意弯 曲； 纳米磁材料的磁记录密度是普通磁材料的10倍； 纳米碳管的强度是钢的100倍；纳米铁材料的断裂 应力比一般铁材料高12倍； 应力比一般铁材料高12倍； 纳米铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸 的减小而增大； 气体通过纳

13、米材料的扩散速度比通过一般材料的扩 散速度快几千倍 1990年美国商业机 器公司借助扫描隧道显微 镜，在一小片镍晶体上用 35个氙原子写出了该公司 名称的缩写字母“IBM” 名称的缩写字母“IBM”， 轰动全球。从此开创了一个崭新的纳 米世界。2010-10-12 4 1991年元旦前夕，日本日立电子公司向公 众展示了一个原子大小的新年祝词 “peace91”（和平91）。每个字母的高度均小于 1.5纳米，它是把硫原子一个一个地从二硫化钼 晶体上轰击出来写成的。美国商业机器公司的 晶体上轰击出来写成的。美国商业机器公司的 “IBM”是在-263下拼出的，而日立公司的祝 词则是在室温下完成的。该

14、成就表明，纳米技术 从此步入了实用阶段。 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 汉字的大小只有几 个纳米。 天梯碳纳米管绳梯 傲立宇宙间，顶 天立地的“第二 巴别塔” 太空电梯 太空电梯 巴别塔 圣经旧约大洪水劫后 诺亚的子孙越来越多 示拿地（古巴比伦附近） 他们拿砖当石头，又拿石漆当灰泥 建造一座城，和一座塔，塔顶通天，为要传扬我们的名， 免得我们分散在全地上 高塔直插云霄 似乎要与天公 比高低 高塔直插云霄，似乎要与天公一比高低 上帝深为人类的虚荣和傲慢而震怒，不能容忍人类冒犯他 的尊严，决定惩罚这些狂妄的人们，就像惩罚偷吃了禁果 的亚当和夏娃一样 如果人

15、类真的修成宏伟的通天塔，那以后还有什么事干不 成呢？ 从地面修造一架金属天梯达到几万千米高 的卫星，底部必须是直径358千米粗的柱子， 才能支撑得住，才不会被自己的重量压弯 这样的天梯，其底座相当于江苏省的面积 天梯 那么大2010-10-12 5 纳米天梯 用纳米碳管组成的纤维织成“纳米绳”。 这种 “纳米绳”虽然很细，但其刚度和硬度都很大， 因为它们是由纳米碳管构成的，而纳米碳管的 直径是一根头发直径的五千分之一，其刚度是 钢材的10倍，其硬度是金刚石的2倍。 目前虽然科学家制成的“纳米绳”的长度还不 目前虽然科学家制成的 纳米绳 的长度还不 长，最长为20厘米，但是相信总有一天，可以 将

16、这种“纳米绳”应用到大跨度桥梁的悬索上， 甚至有朝一日，可以用这种“纳米绳”将位于 宇宙空间的一个发射平台与地面固定起来，形 成一个“人造天梯”。在这个发射平台上发射 卫星可以大大降低发射成本。 1. 纳米技术的基本概念与意义 2. 纳米材料 3. 纳米尺度加工与组装 4 表征分析技术 课程的主要内容 4. 表征分析技术 5. 纳米电子学、光子学与器件 6. 纳米生物与仿生纳米结构 7. 纳米科技前沿 8. 纳米经济浪潮 9. 纳米领域非常有趣的一些东西 1.2 1.2：纳米技术的意义 ：纳米技术的意义 1.2 1.2：纳米技术的意义 ：纳米技术的意义 纳米技术将引发一场新的工业革命 纳米技术

17、将引发一场新的工业革命 2010 2010年现在的微电子器件芯片的线宽将达到 年现在的微电子器件芯片的线宽将达到0.1 0.1 0.07nm 0.07nm， ， 小于此尺寸，器件应按新原理设计。其性能将大大提高， 小于此尺寸，器件应按新原理设计。其性能将大大提高， 这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。 这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。 生命科技也面临在纳米技术影响下的变革。 生命科技也面临在纳米技术影响下的变革。 纳米技术是 纳米技术是21 21世纪经济增长的一个主要的发动 世纪经济增长的一个主要的发动 机，它将使微电子学在 机，它将使微电子学在20 20世纪后半叶

18、对世界的影 世纪后半叶对世界的影 响相形见绌。 响相形见绌。 纳米科技前景的展望 纳米技术在现代科技和工业领域有着 广泛的应用前景。比如，在信息技术 领 域，据估计，再有10年左右的时间， 现 在普遍使用的数据处理和存储技术将 达 到最终极限。为获得更强大的信息处 理 能力，人们正在开发DNA计算机和量子 计 算机，而制造这两种计算机都需要有 控 制单个分子和原子的技术能力。 传 感 器是纳 米技术 应用 的一 个重 要领 域 。 随着 纳米 技术 的进步 ，造 价更 低、 功 能 更 强的 微型 传感 器将广 泛应 用在 社会 生 活 的 各 个方 面。 比 如 ，将 微型 传感 器装在 包

19、装 箱内 ， 可 通 过全 球定 位系 统，可 对贵 重物 品的 运 输 过 程 实施 跟踪 监督 ；将微 型传 感器 装在 输 过 程 实施 跟踪 监督 ；将微 型传 感器 装在 汽 车 轮胎 中， 可制 造出智 能轮 胎， 这种 轮 胎 会 告诉 司机 轮胎 何时需 要更 换或 充气 ； 还 有 些可 承受 恶劣 环境的 微型 传感 器可 放 在 发 动机 汽缸 内， 对发动 机的 工作 性能 进 行 监 视。 在食 品工 业领域 ，这 种微 型传 感 器 可 用来 监测 食物 是否变 质， 比如 把它 安 装 在 酒瓶 盖上 就可 判断酒 的状 况等 。 材料和制备 在纳米尺度上，通 过

20、 精确 地 控制 尺 寸和 成 分 来合成材料单 元 ，制 备 更轻 、 更强 和 可设 计 的材 料，同时具有 长 寿命 和 低维 修 费用 的 特点 ； 以新 原理和新结构 在 纳米 层 次上 构 筑特 定 性质 的 材料 或自然界不存 在 的材 料 、生 物 材料 和 仿生 材 料。 实现材料破坏 过 程中 纳 米级 损 伤的 诊 断和 修 复。 在 陶瓷领 域的应 用 随 着纳米 技术的广 泛应用 在 陶瓷领 域的应 用 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 有像 金 属一 样 的柔 韧 性和 可 加工 性。

21、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 ， 则它 将 具有 高硬度、高韧 性 、低 温 超塑 性 、易 加 工等 优 点。2010-10-12 6 比如： 用纳米材料制 成的纳米材料多功能塑 料，具有抗菌、除味、 防腐、抗老化、抗紫外 线等作用，可用作电冰 箱、空调外壳里的抗菌 除味塑料。 微电子和计算机技术 可以从阅读硬盘上读卡机 以及存储容量 为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片 都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料 后，可以缩小成为“掌上电脑”。 纳米结 构的微处理器的效率提高 1兆倍 并实现太 构的微处理器的效率提高

22、1兆倍 ， 并实现太 比特的存储 器 (提 高 10 00 倍 )； 纳米技术的发展，使微电子和光 电子的结合更加紧密，在光电信息传 输、存贮、处理、运算和显示等方面， 使光电器件的性能大大提高，将纳米 技术用于现有雷达信息处理上，可使 其能力提高10倍至几百倍，甚至可以 将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星 上进行高精度的对地侦察。 如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。 环境和能源 环境科学领域将出现功能独 特的纳米膜。这种膜能够探测到 由化学和生物制剂造成的污染， 并能够对这些制剂进行过滤，从 而消除污染 而消

23、除污染 。 制备孔径l nm 的纳孔材料作为 催化剂的载体，纳米孔材料和纳 米膜材料( 孔 径l 0 l00 nm )用 来 消 除水和空气中的污染；成倍的提 高太阳能电池的能量转换效率。 医学与健康 纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒 子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层 纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动 搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，科研人员 已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离 用金 已经成功利用纳米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。 在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植 后的排斥反应；研究耐用的与人体友好的人工 组织、器官复明和复聪器件

24、；疾病早期诊断的 纳米传感器系统。 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 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。2010-10-12 7 生物技术 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，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

25、作用，它将使单位物质的储存 和信息处理能力提高上百万倍。 在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制 备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等， 在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼 具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和 生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗， 测定DNA 的基因芯片等 测定DNA 的基因芯片等。 航天和航空 纳米器件在航空航天领域的应用，不仅 是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成 指数倍的降低。这方面的研究内容还包括： 研制低能耗、抗辐照、高性能计算机；微型 航天器用纳米集成的测试、控制电子设备； 抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。 采用纳米材料技术对机械关键零部件进 行金属表面

26、纳米粉涂层处理，可以提高机械 设备的耐磨性、硬度和使用寿命 国家安全 由 于 纳米技术对 经济社 会的广 泛渗 透性， 拥有纳 米技 术 知 识产权 和广 泛应用 这些技 术的国 家，将 在国 家经济 安 全 和 国防安 全方 面处于 有利地 位。 通 过 先进的 纳米 电子器 件在信 息控制 方面的 应用 ，将 使 军 队在预 警、 导弹拦 截等领 域快速 反应； 通 过 纳米机 械学 ，微小 机器人 的应用 ，将提 高部 队的 灵 活 性和增 加战 斗的有 效性 ； 灵 活 性和增 加战 斗的有 效性 ； 用 纳 米和微 米机 械设备 控制， 国家核 防卫系 统的 性能 将 大 幅度提 高

27、； 通 过 纳米材 料技 术的应 用，可 使武器 装备的 耐腐 蚀、 吸波性和 隐蔽 性 大大提高 ，可 用 于舰船、 潜艇 和 战斗机等 。 纳米材料: 在纳米量级(1100nm)内调控物质 结构制成的具有特异性能的新材料 四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、 表面原子比例大 1.3：纳米材料的奇异特性 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观 量子隧道效应、表面效应 表面效应 纳 米 材 料表面积 大大增加， 表面结构 也发生很 大 的 变 化。因此 ，与表面状 态有关的 吸附、催 化 以 及 扩散等物 理化学性质 ，纳米材 料与宏观 材 料 有 显著的区 别。 纳 米 材 料的表

28、面 积大、表面 活性强， 在催化领 域 中 前 景良好。 - 纳 米催化剂2010-10-12 8 纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径 变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原 子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时， 微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要 原 就在于直 减少 表 原子数量增多 原因就在于直径减少，表面原子数量增多。 再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表 面积分别为90米 2 /克和180米 2 /克。如此高的比 表面积会出现一些极为奇特的现象， 如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子 会吸附气体等等。 具有

29、很高的活性 纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表 面具有很高的活性。在空气中，纳米金属颗粒 会迅速氧化而燃烧。 利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代 的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。 表 面效应纳米微粒尺寸 d(nm) 包含总原子数 表面原子所占比例 (%) 10 310 4 20 4 410 340 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 2 2.510 280 1 30 99 表 面效应 表面原子数占全部原子数的比例与粒径的关系 界面效应 纳米材料具有非常大的界面。界面的原子排列 是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容 易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展 性，使材料具有新奇的界

30、面效应。 纳米铁材料，可以制成高强度、高韧性的特殊钢 材，强度提高12倍，硬度提高23个数量级。 屈服强度和抗拉强度分别超过1200 MPa和1400 屈服强度和抗拉强度分别超过1200 MPa和1400 MPa。 人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由 磷酸钙等纳米材料构成的。2010-10-12 9 小尺寸效应 由于颗粒 尺 寸 变 小 所 引 起 的 宏 观 物 理 性 质 的 变 化 称 为小 尺寸 效应 。 对纳米颗 粒 而 言 尺 寸 变 小 ，同时 其比 表面 积 对纳米颗 粒 而 言 尺 寸 变 小 ，同时 其比 表面 积 亦 显 著增 加， 从而 产生一 系列 新奇 的性

31、 质。 纳米微粒的基本理论 小尺寸效 应 光吸收显著增加 磁有序态向磁无 序态 、 超导 相向 正 常相转变 纳米颗粒的熔点 降低 特殊的光学性质 所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。 尺寸越小，颜色越黑。 金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于 l%，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的 作用。利用这个特性可以制造高效率的光热 作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、 光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为 热能、电能。 另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身 材料等。 特殊的热学性质 大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细 微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小 于10纳米量

32、级时尤为突出。 例如，金的常规熔点为1064，当其颗粒的尺 寸减小到10纳米时，熔点会降低27，而减小 到2纳米尺寸时的熔点仅为327左右。 特殊的磁学性质 磁性超微颗粒实质上就是一个生物磁罗盘。小尺寸磁性超 微颗粒与大块磁性材料有显著不同，大块纯铁的磁矫顽力 约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到210 -2 微米以下时， 其矫顽力可增加1000倍。 若进一步减小其尺寸，大约小于610 -3 微米时，其矫顽力 反而降低到零 呈现出超顺磁性 反而降低到零，呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高储存密 度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性 钥匙等。 利用超顺磁性

33、，人们已将磁性超微颗粒制成了用途广泛的 磁性液体。 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下一般呈现脆性，由纳米超微颗 粒压制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。呈纳米晶 粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。金属-陶瓷 复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性 质。2010-10-12 10 量子效应 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性 以及化学性能等方面。 大块材料的能带可以看成是连续的，而纳米材料的能带将分裂为 分立的能级。能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电 场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与 宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应

34、。 例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗 粒中电子是奇数还是偶数有关；比热亦会反常变化；光谱线会产 生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。 在低温条件下，对超微颗粒必须考虑量子效应，原有的宏观规律 已不再成立。 纳 米 微 粒的基 本理论 量子尺寸 效应 能 带理论 金属 半导 体 绝缘 体 国 家 中 长期科学 和技术发展 规划纲要 （20062020 年） 中 华 人 民共和国国务院 1.4 1.4 国内外纳米技术的发展状况 国内外纳米技术的发展状况 1.4 1.4 国内外纳米技术的发展状况 国内外纳米技术的发展状况 重 大 科 学研究计划 ： (1)蛋

35、 白质研究 (2)量 子调控研 究 (3)纳 米研究 (4)发 育与生殖 研 究 发达国家在纳米技术领域的部署 发达国家在纳米技术领域的部署 美国： 美国： 2001 2001年 年1 1月 月21 21日，克林顿总统宣布了国家纳米技术倡议 日，克林顿总统宣布了国家纳米技术倡议 NNI NNI， ，National Nanotechnology Initiative National Nanotechnology Initiative，并在 ，并在2001 2001财年中增加 财年中增加 26 26亿美元，其中 亿美元，其中4.95 4.95亿给 亿给NNI NNI。美国政府认为，今天的纳米技

36、术就 。美国政府认为，今天的纳米技术就 如同 如同50 50年代的晶体管，其科研和产业化将促进美国经济的持续发展。 年代的晶体管，其科研和产业化将促进美国经济的持续发展。 增强国家科技竞争力，节约资源和能源，纳米技术是开发未来微型 增强国家科技竞争力，节约资源和能源，纳米技术是开发未来微型 武器的技术基础，是国防工业的未来。 武器的技术基础，是国防工业的未来。Leading to the Next Leading to the Next g g Industrial Revolution Industrial Revolution 参加机构： 参加机构：NSF, DOD, DOE, NIH,

37、NASA, DOC NIST NSF, DOD, DOE, NIH, NASA, DOC NIST 协调机构： 协调机构：IWGN IWGN（ （The Interagency The Interagency Working Group on Working Group on Nanosience,Engineering and Technology Nanosience,Engineering and Technology） ） 优先支持 优先支持5 5个方面：基础研究，创新性应用研究，成立 个方面：基础研究，创新性应用研究，成立10 10个 个 纳米研究中心基础和网络；基础设施；人才培训及

38、纳米技 纳米研究中心基础和网络；基础设施；人才培训及纳米技 术可能引起的伦理、法律和社会问题的研究。 术可能引起的伦理、法律和社会问题的研究。 纳米技术在美国 2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就业机会 能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料 本世纪前10年几个关键领域之一 制定了“国家纳米技术倡议”() 制定了“国家纳米技术倡议”(NNI): 纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学 纳米技术在美国 克林顿总统： 克林顿总统：“ “我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技 我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技 术倡议，即在原子和分子水平上

39、操纵物质的能力，价值为 术倡议，即在原子和分子水平上操纵物质的能力，价值为5 5亿美 亿美 元。试想一下这些可能性：材料将 元。试想一下这些可能性：材料将10 10倍于钢而重量只有其数分之 倍于钢而重量只有其数分之 一；国会图书馆内所有的信息可以压缩到一块方糖那样尺寸的器 一；国会图书馆内所有的信息可以压缩到一块方糖那样尺寸的器 件中 癌病变 有 胞 大 我 件中 癌病变 有 胞 大 我 件之中；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们 件之中；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们 的目标可能需要 的目标可能需要20 20年或更长的时间才能达到，但这恰恰是为什么 年或更长的

40、时间才能达到，但这恰恰是为什么 联邦政府要再此起重要作用的原因。 联邦政府要再此起重要作用的原因。” ” 美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法 案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37 亿美元，用于促进纳米技术的研究开发2010-10-12 11 纳米技术在日本 1962年, 久保(Kubo): 久保理论 国会: 21世纪前20年的立国之本 著名大企业: 纳米实用化技术的计划 三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线 菱 化建了 (富勒烯)纳米碳管 产线 自洁净玻璃、光催化净化水或空气 发达国家在纳米技术领域的部署 发达国家在纳米技术领域的部署 德

41、国： 德国： 拟建立或改组 拟建立或改组6 6个政府与企业联合的研发中心，并 个政府与企业联合的研发中心，并 启动国家级研究计划。 启动国家级研究计划。 法国： 法国： 投资 投资8 8亿法郎建立有 亿法郎建立有6 6万平米、拥有 万平米、拥有3500 3500人的微米 人的微米/ / 纳米技术发明中心。配备最先进的仪器设备，扶植建立创 纳米技术发明中心。配备最先进的仪器设备，扶植建立创 纳米技术发明中心。配备最先进的仪器设备，扶植建立创 纳米技术发明中心。配备最先进的仪器设备，扶植建立创 新企业和申请专利。 新企业和申请专利。 日本： 日本：80 80年代初投巨资， 年代初投巨资，91 91

42、年设施了为期 年设施了为期10 10年、耗资 年、耗资2.25 2.25 亿美元的纳米技术研究计划。目前，每年 亿美元的纳米技术研究计划。目前，每年2 2亿美元推动新的 亿美元推动新的 研究中心建设和国家级研究计划。 研究中心建设和国家级研究计划。 英国：制定了包括机械、光学、电子学等领域的 英国：制定了包括机械、光学、电子学等领域的8 8个项目的 个项目的 纳米技术研究计划。 纳米技术研究计划。 纳米技术在其它国家 韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术 印度：像抓软件产业那样抓纳米科技 德国：把发展纳米技术定位在新能源、新环境， 全面带动纳米技术在各个领域的发展 法国 国家纳米科技中心 纳

43、米产业基金 法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金 世界都在迎接纳米时代的到来 国内纳米技术的发展状况 国内纳米技术的发展状况 有较深的认识 有较深的认识 “ “八五 八五”“ ”“九五 九五” ”中科技部，自然科学基金，中科院等在 中科技部，自然科学基金，中科院等在 “ “攀登计划 攀登计划”“ ”“973 973” ”计划等立项重点、重大项目。已投约 计划等立项重点、重大项目。已投约 700 700万美元。 万美元。 在纳米碳管、纳米材料的若干领域有很好的成果。集中在纳 在纳米碳管、纳米材料的若干领域有很好的成果。集中在纳 米材料的合成 扫描探针显微学 分子电子学等硬件要求不 米材料的合成

44、扫描探针显微学 分子电子学等硬件要求不 米材料的合成、扫描探针显微学、分子电子学等硬件要求不 米材料的合成、扫描探针显微学、分子电子学等硬件要求不 高的一些领域，与国际水平总体上有较大差距，尤其是在纳 高的一些领域，与国际水平总体上有较大差距，尤其是在纳 米器件上。 米器件上。 有可能赶上，目前涉及纳米科技的企业有上千家。 有可能赶上，目前涉及纳米科技的企业有上千家。 纳米产业 近年来，全球纳米相关产品产值飞速增长， 2004年只有130亿美元，2006年纳米中间体为 79亿美元，用纳米技术生产的制成品价值500 亿美元，不过，其占全球制造业的产值比例还 不到0 5 专家预计 纳米技术产业快速

45、增 不到05。专家预计，纳米技术产业快速增 长预计仍将继续，到2014年将达到26万亿美 元，将占制造业总产值的15。 纳米技术的投资状况 2006年以前，各国政府对纳米技术的投资远远 超过企业对纳米研发的投资。2006年后，情况 发生很大变化。当年全球用于纳米技术研发和 工业化的资金估计是118亿美元，其中企业投资 占51 就地区看 美国和日本占纳米基金的 占51。就地区看，美国和日本占纳米基金的 72，但亚洲和其他发展中地区在此领域的投 入增长最快。2010-10-12 12 1.5纳米技术及应用 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺 寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、 电

46、、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。 因此纳米微粒在磁性材料 电子材料 光学材料 因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、 高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等 方面有广阔的应用前景。 一、陶瓷增韧 陶瓷材料在通常情况下呈脆性， 由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材 料有很好的韧性。 因为纳米材料具有较大的界面， 界面的原子排列是相当混乱的， 原子在外力变形的条件下很容易 迁移，因此表现出甚佳的韧性与 延展性。 纳米陶瓷 二、磁性材料方面的应用 巨磁电阻材料 2新型的磁性液体和磁记录材料 瑞典皇家科学院10月日宣布，将诺贝尔物理 奖授予法国科学家阿尔贝费尔和德国科学家彼 得格林贝格尔，以

47、表彰他们发现了“巨磁电阻” 效应。 结合这一技术，只要在“巨磁电阻”效应依然 这 要在 发挥作用的尺度范围之内，人们将能够进一步 将新型的硬盘体积缩小到可能很多人如今无法 想象的程度，并大大提高其容量。“基于这一 原因，巨磁电阻效应可能将带来被人们广泛寄 予厚望的纳米技术领域的第一个真正的实际应 用。” 三、纳米材料在催化领域的应用 催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作 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。 济效益难 提高， 对环境 造成污染

48、 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。纳 米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10 15倍。 1金属纳米粒子的催化作用 贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到 高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在 氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。 烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团 致使双键 烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键 很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打 开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。2010-10-12 13 2半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效应发现以来，一直引起人们的重视， 原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效 农药降解等方面有重要的应用。所谓半导体的光催化效应 是指：在光的照射下，价带电子跃迁到导带，价带的孔穴 把周围环境中的羟基电子夺过来，短基变成自由基，作为 强氧化剂将物质氧化，变化如下：酯、 醇、 醛、 酸、 CO2，完成了对有机物的降