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纳米科技之国内外研究进展1、掌握基本概念•介观领域、纳米科学技术、纳米材料、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.3.3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(会吗？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。碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器寂寞时抱抱这个枕头•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。量子点发光二极管：不足10nm；不同颜色；电或光激发量子点太阳能电池量子点医疗应用-治疗癌症:•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。•2007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。单晶纳米线的受激发射行为•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。•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。•2008,《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，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