搜索
§6.6纳米技术§6.6.1纳米科技的基本概念和内涵早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。纳米科学技术基本涵义是在纳米尺寸(10-9～10-7m)范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。纳米科技是研究由尺寸在1～100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学；(2)纳米化学；(3)纳米材料学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学(6)纳米加工学；(7)纳米力学。纳米新科技重要进展：(1)利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子(2)纳米材料的奇异特性(3)纳米生物学——基因工程(4)纳米微机械和机器人§6.6.2纳米技术研究的对象和发展的历史一、纳米技术研究的对象•纳米颗粒限制到1～100nm范围。•纳米材料的基本单元可以分为三类：(i)0维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如量子点、纳米尺度颗粒、原子团簇等；(ii)1维，指在空间有两维处于纳米尺度，如量子线、纳米丝、纳米棒、纳米管等；(iii)2维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如量子阱、超薄膜，多层膜；超晶格等。纳米材料可分为人工制备与天然天然：•天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿•蜜蜂：蜜蜂的体内存在磁性的纳米粒子，具有“罗盘”的导航作用，并利用这种“罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像而判明方向。螃蟹原先并非“横行”运动，而是前后运动，这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒——小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”前进后退。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。大海龟：海龟的头部有磁性的纳米微粒，起导航作用。二、纳米技术发展简史•1000多年前。中国古代墨、染料；•中国古代铜镜表面的防锈层，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜；•1861年，对直径为1～100nm的粒子系统即所谓胶体的研究•1962年，久保及其合作者针对金属超微粒子的研究，提出了著名的久保理论1963年，Uyeda及其合作者用气体冷凝法，对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。1970年，江崎与朱兆祥首先提出了半导体超晶格的概念，张立纲和江崎等在实验中实现了量子阱和超晶格，观察到了极其丰富的物理效应。20世纪70年代末到80年代初，对一些纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究。描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。1984年，德国萨尔大学的G1eiter教授等人首次制备了纳米粒子，加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。随后发现CaF2纳米离子晶体和TiQ2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性，使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径。•1985年，Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇——C601990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程。并决定出版《纳米结构材料》、《纳米生物学》和《纳米技术》的正式学术刊物。纳米材料发展的3个阶段第一阶段(1990年以前)：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。第二阶段(1994年前)：热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料。第三阶段(从1994年到现在)：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料。§6.6.3纳米材料与其他学科的交叉、渗透纳米材料——凝聚态物理纳米材料——半导体材料纳米材料——化学纳米材料——复合材料纳米材料——医学药物§6.6.4纳米材料在高科技中的地位•以单电子隧道效应为基础的单电子晶体管（日本）•高速数据处理提供分子电子器件及阵列（德国）•开始用分子电子器件、量子效应器件开发生物计算机（日本）。•21世纪电子工业的关键材料都具有纳米结构比例芯片中的各个元件之间的耦合，纳米尺寸的开关材料、敏感材料、纳米级半导体/铁电体、纳米级半导体/铁磁体、纳米金属/纳米半导体集成的超结构材料、单电子晶体管材料、用于存储的巨磁阻材料、超小型电子干涉仪所需材料、电子过滤器材料、智能材料、新型光电子材料等。§6.6.5纳米结构和纳米材料的应用一、纳米结构的应用1、量子磁盘与高密度磁存储2、高密度记忆存储元件3、高效能量转化纳米结构(1)高效再生锂电池：(2)太阳能电池：(3)热电转化量子磁盘扫描电镜像4、微型传感器(1)气体传感器(2)红外线传感器(3)湿敏传感器：5、纳米结构高效电容器阵列Au超微粒膜红外传感器超微粒气体感应膜的结构模型二、纳米材料的应用1、陶瓷增韧2、磁性材料(1)巨滋电阻材料：巨磁电阻效应(GMR)是指强磁性材料在受到外加磁场作用时引起的巨大的电阻变化.巨磁电阻效应是1988年法国巴黎大学的AlbertFert和德国的PeterGrünberg教授几乎同时发现的。2007年诺辈尔物理学浆授予这两位“硬盘技术之父”。得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小。(2)新型的磁性液体①旋转轴的动态密封②新型的润滑剂③增进扬声器功率④作阻尼器件(3)新型的磁记录材料磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量．三、在生物和医学上的应用1、利用纳米微粒进行细胞分离2、细胞内部染色：容易分辨各种组织3、表面包敷的磁性纳米粒子在药物上的应用表面载有高分子和蛋白的磁性纳米微粒作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内，在外加磁场的作用下，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。•磁性纳米粒子在分离癌细胞和正常细胞方面经动物临床试验己获成功。包覆聚苯乙烯的Fe3O4纳米微粒分离小鼠骨髓液癌细胞实验示意图四、光学应用1、红外反射材料纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。红外线反射膜的构造主要红外线反射膜的组成、材料、制造方法形式组成材料制造方法金属薄膜Au，Ag，Cu金属真空蒸镀法透明导电膜SnO2，In2O3金属氧化物其他化合物真空蒸镀法溅射法喷雾法多层干涉膜(1)(电介质-电介质)ZnS-MgF2TiO2-SiO2Ta2O3-SiO2有机金属化合物氧化物其他化合物真空蒸镀法CVD法浸渍法多层干涉膜(2)(电介质-金属-电介质)TiO2–Ag-TiO2TiO2-MgF2-Ge-MgF2氧化物金属真空蒸镀法溅射法红外线反射膜的特点金属-电解质复合膜导电膜电解质多层膜光学特性优中良耐热性差良优成本中低高2、优异的光吸收材料(1)紫外吸收•Al2O3粉掺合到稀土荧光粉吸收185nm，提高日光灯管使用寿命。因为这种185nm的紫外光对日光灯管的寿命有影响。•防晒油、•防止塑料、树脂和橡胶类的高聚物老化、•油漆脱落(2)红外吸收：•红外线进行屏蔽•增加保暖作用3、隐身材料五、在其他方面的应用•纳米抛光液•纳米静电屏蔽材料•纳米微粒消毒杀菌•纳米导电浆料•纳米助燃剂、阻燃剂•纳米印刷油墨•提高橡胶耐磨性•改善了玻璃的脆性、•提高Al合金的强度和韧性资料片:纳米材料