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纳米科技与生活2010年8月内容提要什么是纳米、纳米科技纳米科技的起源纳米材料的奇异特性纳米技术的应用理性对待纳米技术纳米能吃吗？纳米：长度单位；1纳米(1nm)=10-9m.即1纳米等于十亿分之一米纳米是英文nanometre的音译；源自拉丁语“NANO”，意为“矮小”.1纳米约10个氢原子并排起来的长度，相当于万分之一头发的粗细。水分子0.5nm纳米科技:在纳米尺度(1nm到l00nm之间)上研究物质(包括原子,分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术纳米科技研究对象：纳米技术和纳米结构纳米就在身边古代“文房四宝”中的墨水----用碳纳米微粒溶于水形成。蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米磁性微粒（相当于生物罗盘）。人体的牙齿、骨骼都是有含钙的羟基磷灰石(HAP).进一步认识纳米细菌：几微米人体细胞：10-50微米；（1毫米=1000微米；1微米=1000纳米)蛋白质、DNA、RNA、病毒：都在1~100nm的范围光合作用在“纳米车间”进行细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”纳米结构是生命现象中基本的东西纳米科技的起源1959年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为《在末端处有足够的空间》的讲演:“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物质的可能性”“人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就制造出来了。”二战以后，纳米技术在理论上获得突破纳米科技的发展RichardP.Feynman,1959nanotechnology(Taniguchi)1974STM(G.Binnig&H.Rohrer)1981第一届国际纳米科学技术会议1990CNTdiscovered199119811981：宾尼西、罗雷尔世界上第一台扫描隧道显微镜(简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。G.BinnigH.RohrerOmicron低温超高真空STMIBM位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室表征和操纵纳米世界的利器：SPMCSTM——9000型扫描隧道显微镜1.扫描隧道显微镜(STM)扫描隧穿显微镜通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征样品表面探针表面电子云重叠，由于隧道效应逸出电子Uz1)工作原理——对表面间距异常敏感探针与样品间加电压形成隧穿电流sACUI/e扫描隧道显微镜的两种工作模式：恒高度模式恒电流模式STM特点：xy方向0.2nmz方向0.005nm在原子尺度探测具有原子级高分辨率在大气压下或真空中均能工作；无损探测,可获取物质表面的三维图像；可进行表面结构研究,实现表面纳米(10-9m)级加工。sACUI/e扫描隧穿显微镜硅表面硅原子的排列砷化镓表面砷原子的排列碘原子在铂晶体上的吸附2)应用实例扫描隧穿显微镜扫描隧穿显微镜1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不到3nm。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“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。该成就表明，纳米技术从此步入了实用阶段。1993年：中科院北京真空物理实验室扫描隧穿显微镜用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米。DNA1991ijirma：CNT碳纳米管的质量是钢的六分之一，强度是钢的100倍用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。在纳米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新材料。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。基本概念什么是纳米材料纳米材料的奇异特性四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四大效应:小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面效应纳米材料特性取决于制备方法3.纳米材料的奇异特性球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当颗粒尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。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和贮气材料以及低熔点材料。1)表面效应纳米材料的奇异特性随着颗粒尺寸的量变，在一定的条件下会引起颗粒性质的质变。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。3.纳米材料的奇异特性2)小尺寸效应主要影响：1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸2、宽频带强吸收性质3、激子增强吸收现象4、磁有序态向磁无序态的转变5、超导相向正常相的转变6、磁性纳米颗粒的高矫顽力2)小尺寸效应纳米材料的奇异特性(1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色(所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。)金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。随着颗粒尺寸的量变，在一定的条件下会引起颗粒性质的质变。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。(2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。2)小尺寸效应纳米材料的奇异特性(3)特殊的磁学性质鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、水中的趋磁细菌：存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为0.002微米的磁性氧化物颗粒。(4)特殊的力学性质纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具良好的韧性。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，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。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。2)小尺寸效应纳米材料的奇异特性室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从1cm延伸到100cm，其厚度可以从1mm减小到0.01mm。各种元素原子具有特定的光谱线。由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的。对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续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。吸收光谱阙值向短波方向移动(蓝移)，这种现象称为量子尺寸效应。纳米材料的奇异特性3)量子尺寸效应主要影响：1、导体向绝缘体的转变2、吸收光谱的兰移现象3、纳米材料的磁化率4、纳米颗粒的发光现象当温度为1K时，Ag纳米微粒粒径14nm时，Ag纳米微粒变为金属绝缘体。硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。4)宏观量子隧道效应纳米材料的奇异特性纳米技术应用1、纳米技术在陶瓷领域方面的应用2、纳米技术在微电子学上的应用3、纳米技术在生物工程上的应用4、纳米技术在光电领域的应用5、纳米技术在化工领域的应用6、纳米技术在医学上的应用7、纳米技术在其它方面的应用1)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。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。纳米技术的应用4.纳米技术的应用外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能2)在微电子学上的应用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，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。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心4.纳米技术的应用纳米技术的应用用纳米印刷技术形成的纳米柱结构纳米级微电子元件日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍，率先开发新一代微电子元件。这些电子元件呈细长的鬃状结晶形，粗仅20纳米，可使计算机的计算速度、通讯用发光元件的效率数十、数百倍地提高。3)在生物工程上应用分子计算机就是利用分子计算的能力进行信息的处理。凭借着分子纳米级的尺寸，分子计算机的体积将剧减。此外，分子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。纳米技术的应用2008年，日本筑波大学材料科学研究所开发成功一种纳米级计算机，这种计算机采用化学分子结构为模型，不仅能同时在四个方向上接收和传送指令，还能进行分支状连结，模拟人脑进行智能思考。4.纳米技术的应用DNA开关纳米技术的应用3)在生物工程上应用纳米镊子（朗讯公司&牛津大学）碳纳米管“秤”：称量单个原子重量的“纳米秤”称量一个病毒的重量纳米技术的应用3)在生物工程上应用4)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，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。纳米激光器的微小尺寸可使光子限制在少数几个状态上5)在化工领域的应用化妆品抗静电纸导电涂料纳米碳管反应器纳米技术的应用奥运会：“鸟巢”顶棚铺上了一层特殊的纳米防护涂层，这个涂层可耐700摄氏度高温，北京奥运会的奥运锦旗和国旗：使用纳米防护液6)在医学上的应用纳米材料粒子可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。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。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。纳米技术的应用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，作为监测和诊断疾病的手段。DNA分子构成的“纳米蜘蛛”微型机器人仅4nm，用于清除血管垃圾在二维物体表面行走的“纳米蜘蛛”机器人纳米机器人示意图纳米技术的应用6)在医学上的应用7)在其它方面的应用纳米传感器储氢材料（碳纳米管）红外隐身材料超微型机械纳米技术的应用2009年6月：新加坡研制出分子级齿轮，仅1.2nm美国的隐形飞机美国用于军事而研制的纳米机器人的手臂世界上最小的汽车——仅4纳米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。可用作新一代防弹衣的纳米纱线2010年:纳米纱线(防