纳米科技与人类生活的未来

纳米科技与人类生活的未来报告人：刘祖武教授前言人类即将要进入新的纳米时代，作为一个中国的大学生对纳米科学、纳米材料以及它对人类社会进程的影响应当有一定的了解。至少应当搞清以下几个问题：1.什么叫“纳米”、纳米科学和“纳米材料”？2.纳米材料有哪些特性？为什么会有这些特性？3.粗略了解纳米材料是如何制备的？4.纳米材料有何应用前景及可能存在的问题？一、纳米科技的内涵与发展简史1.什么是纳米科技？纳米科技是80年代末诞生的一种高新技术。它是在纳米尺寸范围内认识和改造世界，通过直接操纵和安排原子进而创造出新物质的全新科学技术。，它的出现标志着人类科学技术发展已进入一个新的时代——纳米科技时代。1.1人类对客观世界的认识可分为两个层次：宏观世界介观世界微观世界∞大－1µm…………分子·原子（Å）－∞小宏观领域：人类用肉眼可见的最小物体（1µm）,至无限大的宇宙天体；微观领域：以原子为最大起点至无限小的三度空间领域；近年来才引起人们极大注意的有待开垦的“处女地”，是在宏观与微观世界间的介观世界，亦称介观领域。在介观世界中，通常定义1～100nm大小的物质体系称为纳米体系。1.2纳米(nanometer)是一个长度单位，代号为“nm”。a.1nm=10Å=10-3µm=10-6mm=10-9mb.H原子的γ=0.529Å，1nm约等于10个H原子排列起来的长度；c.血液中的红血球长度为200～300nm；一般细菌（如大肠杆菌）长为200～600nm；一般病毒为几十纳米。d.头发的直径一般为20000-50000纳米；e.DNA约为2nm2.纳米科技的发展简史2.1近期研究发现：自然界早就存在纳米微粒和纳米固体。a)陨石碎片；b)人与兽类的牙齿；c)蜜蜂腹部存在纳米磁性粒子用以导航；d)螃蟹也有磁性纳米微粒导航，由于地球磁场的几次剧烈倒转，而使它变为横行；e)大海龟也是靠头部的纳米磁性微粒导航。美国佛罗里达海岸产卵英国沿海长大大西洋2.21990年7月在美国巴尔的摩召开第一次国际纳米科学技术会议a)我国中科院真空所等单位出席；b)正式提出纳米材料学、生物学、电子学、机械学的概念；c)决定出版“纳米结构材料”、“纳米生物学”、“纳米技术”正式刊物。2.31992年9月在墨西哥Cancun城召开第一届国际纳米结构材料会议，正式将纳米材料作为材料科学的一个新的分支公布于世。2.41995年我国召开了“材料中的前沿问题”香山科学会议，研究了纳米材料的制备等问题。2.51997年我国又召开了“纳米化学”香山会议，研讨我国纳米化学的发展前景。中科院各有关所、北大、清华、复旦、吉林大学、青岛化工学院等单位应邀参加。2.6著名科学家对纳米技术的期待与预言a)1964年量子力学奠基人薛定锷在“生命是什么”一书中指出“生命活动是由分子机器实现的”。例如酶就是一种分子机器，它能打断化学键而使分子重新组合。DNA可作为存储系统把命令转移到核糖体中，而核糖体这种分子机器可制造蛋白质分子。自然界分子机器普遍存在，导致人们设想能否人工制造出某种分子机器？b)著名诺贝尔奖金获得者费曼提出一个令人深思的问题：“在基因的某一点上仅30个原子就隐藏了不可思议的遗传信息……，如果某一天人们能按自己的意愿排列原子、分子……那将创造生命的奇迹。”如果人类能正常控制细胞畸变、高度、寿命的基因可进行调节那该多好！二、什么叫纳米材料纳米科学是研究介观物质世界及其变化规律的一门科学。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作基本单元构成的材料。1.0维：指在空间的三维尺度均在纳米尺度范围，如纳米颗粒,原子团簇等;2.一维：指在三维空间中有二维在纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；3.二维：指在三维空间中有一维在纳米尺度，如纳米薄膜等。纳米团簇2.1纳米材料基纳米微粒本结构单元人造原子纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆不管是什么纳米材料它们都是由上述纳米结构单元组成的。因为这些结构单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维基本结构单元分别又有量子点、量子线、量子阱之称。2.1.1纳米团簇纳米团簇是一类新发现的化学物质，它是指由几个至几百个原子组成的聚集体，如：Fen，CunSm，C60，C70。纳米团簇与一般分子（如FeSO4）的不同点：a)纳米团簇无一定大小与形状；b)尚未形成规整的晶体；c)都是以化学键紧密结合的聚集体。2.1.2纳米微粒纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于纳米原子簇（Cluster）而小于通常的微粒（1µm），它是介乎单个原子与固态之间的原子集合体。纳米微粒一般在1～100nm之间，有人称它为超微粒子（ultra-fineparticle），肉眼与一般显微镜看不到。2.1.3人造原子（artificilatoms）定义：由一定数量的实际原子组成，其尺寸小于100nm的聚集体称为人造原子，有时又称为量子点。人造原子与原子的主要区别：a)人造原子含有一定数量的真正原子（不是一个）；b)人造原子的形状与对称性是多种多样的，不是像真正原子可以用球形、立方形等来描述；c)人造原子中电子的相互作用比实际原子复杂得多。随着电子数目的增多，电子轨道间距减小；强的库仑排斥和系统的限域效应，泡利不相容原理，使电子自旋朝同样方向。（↑↑）d)实际原子中电子受中心力场的作用作圆周运动；而在人造原子中，电子处于抛物线形势阱中，电子具有向势阱底部下落的趋势，由于库仑排斥作用，部分电子处于势阱上部，弱的束缚使它们具有自由电子的特征。Oxe)往体系中放入或取出一个电子很容易引起电荷涨落。这是局域效应引起的必然结果（体系小，电子少）。2.1.4纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆图2Au纳米管、纳米丝的电子显微镜照片图3单晶纳米GaN丝图4B－SiC纳米丝为芯外包非晶SiO2的同轴纳米电缆2.2纳米材料的制备方法：可分溶胶-凝胶法，气相沉淀法，燃烧法，爆炸法，模板法…等，下面以模板法为例进行介绍：a.用碳纳米管模板法合成GaN纳米丝（直径4～50nm，长25µm）以化学反应式表示的反应机理4Ga(粉)+Ga2O3(粉)1173k3Ga2O(V)……(1)2Ga2O(V)+C+4NH3(V)1173k钢玉坩埚4GaN+H2O(V)+CO(V)+5H2(V)…(2)b.碳纳米管的特性电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受限制，这是由于电子的量子限域效应所致。因此，它的波矢是轴向的三、纳米材料的奇异特性当粒子小至纳米量级（1～100nm）时，其本身具有与宏观粒子不同的量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等许多奇特的性质，在催化、光学、医学、磁学、微电子等领域有着广阔的应用前景。3.1量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，电子能级由准连续变为离散能级；以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。E1E2为什么会发生如此变化？(1)主要原因是粒子变小，原子数变少，（与块体相比）能带相互间的重叠相对减小。nn15(2)根据久保理论，δ＝4/3EF/NV-1所以δ∝1/d3式中N为超微粒子中总的导电电子数；EF为费米能级；δ为能级间隔。奇异的物理特性尺寸的不断减小导致材料特性发生从量变到质变的根本性变化表面效应小尺寸效应量子尺寸效应1厘米1微米100纳米10纳米1纳米0.1纳米包含原子总数:3x1063x10430宽频带强吸收。大块金属具有不同颜色光泽，这表明它们对可见光的吸收频率是不同的。当尺寸小至纳米量级时，各种金属纳米微粉几乎都成黑色，这表明它们对可见光的反射率极低（pt：1％）且宽频带强吸收导致纳米粒子变黑。（这有什么用？）太阳光吸收，防晒，防微波，隐身。吸收光谱普遍存在“蓝移”现象。即与大块材料相比，纳米微粒的吸收带向短方向移动。3.2小尺寸效应当超微颗粒尺寸不断减小后，当减小到可与光波波长德布罗依波等物理量尺寸相当或更小时，则会引起材料宏观物理、宏观化学性质的变化，称为小尺寸效应。纳米材料的mp远低于块状金属，为粉末冶金提供了新工艺。Ex:2nm的Aump600k块状Aump1337k纳米Agmp373k块状Agmp1113k金粒子熔点与粒子大小的关系造成mp下降的原因是因为粒子体积小，表面能高；表面原子悬空键多，熔化时需增加的内能比块体小得多。陶瓷材料通常是脆性，而纳米陶瓷却具有良好的韧性，可做成“摔不碎的陶瓷碗”。这是由于纳米微粒制成的固体材料具有大的界面，而且界面原子排列相当混乱，在外力作用下原子容易迁移，故表现出良好的韧性和一定的延展性。Ag本是优异的良导体，而10～15nm的Ag微粒，变成非导体；氮化硅、二氧化硅是典型的共价键结构，不导电，当尺寸达到15～20nm时，电阻突然大大地降低，变为导体。3.3表面效应定义：表面效应是指纳米粒子的表面原子与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随着增大，从而引起纳米粒子具有一些特殊性能的效应。表1粒子的大小与表面原子数的关系直径nm1510100原子总数N304000300003000000表面原子百分比10040202由于粒径小，表面积急剧变大。粒径nm1052比表面积m2/g90180450由于表面原子数增多，且存在一些悬键，表面能高，故表面原具有很高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。如金属纳米粒子在空气中会燃烧；无机纳米粒子在空气中易吸附气体，并进行反应。3.4库仑堵塞与量子隧穿效应。a.当体系的尺寸进入纳米量级后，体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的。I－V曲线是呈锯齿形的。充入一个电子需要的能量为Ec=e2/2c其中c为小体系的电容。体系越小，则Ec越大。我们称Ec为库仑堵塞能。b.Ec实质上是前一个电子对后一个电子库仑排斥能，这就是导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子传输。通常把小体系中这种单电子输送行为，称为库仑堵塞效应。c.如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的电子加上一个电压，就可通过能量（Ec）到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。d.利用库仑堵塞和量子隧穿效应，就可以设计下一代纳米结构单器件，如单电子晶体管和量子开关。3.5宏观量子隧道效应。微观粒子电子具有波粒二象性，因此它存在隧道效应（即电子具有穿过位壘的能力，可从山的一边自由地到达另一边）。近年来发现某些纳米粒子的宏观物理量如磁化强度、磁通量亦具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。当微电子器件进一步微小化时，必须考虑宏观量子隧道效应。如，集成电路的尺寸接近电子波长时，电子就会通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作，经典电路的极限尺寸约为0.25µm。四、纳米技术的应用前景及发展趋势从整个历史发展过程看，目前它仍处在广泛的深入的基础研究阶段，在许多实际应用方面取得重要的实质性的巨大进展，必将对世界21世纪科技发展产生深入的影响。4.1采用纳米技术，实现了原子操作，为纳米机器的诞生奠定了基础。a.美国商用机器公司（IBM）两科学家利用扫描隧道电子显微镜（STM）直接操作原子，成功地在Ni板上按自己的意志安排原子组合成“IBM”字样。图9为原子操作过程中的STM像。原子操作过程的STM像左图为单个Xe原子静置在Ni表面上的情况；右图为探针“拾”起Xe原子的情景。b.中科院北京真空物理实验室人员使用硅原子堆积的“毛泽东”三个字。原子字“毛泽东”c.扫描隧道显微镜工作原理示意图4.2在生物和医学上的应用。纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径。(1)分离胎儿细胞判断是否有遗传缺陷。妇女怀孕8个星期后，其血液中就开始有非常少量的胎儿细胞，为判断胎儿是否有遗传缺陷，常常采用价格昂贵的并对人体有害的羊水诊断，用纳米微粒很容易将血样中的极少量胎儿细胞分离出来，方法简单，价格便宜，并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。(2)医药“生物导弹”。a.原理：磁性纳米粒子表面涂覆高分子，外部再与蛋白质相结