纳米科技导论-1自然界中的纳米结构--修改
第一章 纳米科学技术导论
纳米材料的特性 介电限域效应
介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域 场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时， 就产生折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射 场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。
一般来说，过渡金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限 域效应，纳米颗粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线 性等会有重要影响。
按晶体状态分类 • 纳米晶体 • 纳米非晶体
按材料物性分类
• • • •
纳米半导体 纳米磁性材料 纳米非线性光学材料 纳米铁电体
（非线性介电行为，在一些电介质晶体中，晶胞的结构 使正负电荷重心不重合而出现电偶极矩，产生不等于零的 电极化强度，使晶体具有的自发极化性质称为铁电性。）
• 纳米超导材料 • 纳米热电材料（1823年发现的塞贝克效应和1834年 发现的帕尔帖效应）
奇异现象。
• 主要包括：量子化效应、量子隧道效应、小
尺寸效应、表面效应、非定域量子相干效 应 ，量子涨落与混沌，多体关联效应和非线 性 效应等等)
纳米材料的特性
量子尺寸效应
随着粒子中原子数的减少，金属 Fermi能级附近 的电子能级由连续状态分裂为分立状态，能级的 平均间距与粒子中的电子数成反比，在能级间距 大于热能、磁能、静电能、光子能量以及超导态 的凝聚能时，就会产生与宏观物体不同的所谓量 子效应(Quantum Effect)，被科学界称做Kubo效 应。
J. Am. Chem. Soc.（125, 2003, 14996-14997）
(4) 3维纳米材料——纳米相材料。 • a nanocrystalline solid consisting of nanometre-sized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.
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谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。——西班牙
37、我们唯一不会改正的缺点是软弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子
纳米科技导论-1自然界中的纳米结构-修改
46、法律有权打破平静。——马·格林 47、在一千磅法律里，没有一盎司仁 爱。— —英国
48、法律一多，公正就少。——托·富 勒 49、犯罪总是以惩罚相补偿；只有处 罚才能 使犯罪 得到偿 还。— —达雷 尔
50、弱者比强者更能得到法律的保护 。—— 威·厄尔
纳米材料的结构特征
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝·费尔
彼得·格林贝格尔
纳米材料的结构特征
纳米材料的机构特征
一、自然界中的纳米结构与纳米材料 二、纳米材料概论 三、纳米材料的分类
3.1、纳米微粒 3.2、纳米固体 3.3、纳米纤维 3.4、纳米薄膜
一、 自然界中的纳米结构与纳米材料
从纳米科技发展历史的角度来讲，1861年随着胶体化 学的建立，科学家们才开始对直径为1-100 nm的粒子 体系进行研究工作；真正有意识进行纳米粒子实验的 是20世纪30年代日本人为了军事目的进行的“沉烟实 验”,1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼发 表了重要演讲，提出了纳米技术的设想，之后纳米材 料和纳米科技得到了蓬勃的发展。但是，“纳米”并 不是人类的专利，早在宇宙诞生之初，它们就存在了。
纳米材料的晶界组元
晶界组元：纳米材料中 晶界占有很大的体积分 数，因而，对纳米材料 来说，晶界不仅仅是一 种缺陷，更重要的是构 成纳米材料的一个组元， 即晶界组元，是评定纳 米材料的一个重要参数。
（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位
于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。
纳米热电材料
纳米储能材料
3.1、纳米微粒 定义尺度
颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数 处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺 寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超 越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限， 所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。
纳米科技导论,徐国财精华版
1.纳米科学与技术（Nano-ST）是研究由尺寸在0.1～100nm之间的物质组成的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。
2.1纳米(nm)=10-3微米(μm)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)=10埃3.纳米材料的定义指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。
4.纳米材料的分类：纳米材料的基本单元按维数（结构）可以分为三类：(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，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，如超薄膜、多层膜、超晶格等．因为这些单元往往具有量子性质，所以零维、一维和二维基本单元又分别有量子点、量子线和量子阱之称。
按组成分类金属纳米材料，无机非金属纳米材料，有机和高分子纳米材料，复合纳米材料；根据化学成分，纳米材料可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷和纳米高分子。
5.纳米材料的特点：（1）至少有一维处于0.1～100nm；（2）因具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、或宏观量子隧道效应等引起光学、热学、电学、磁学、力学、化学等性质发生十分显著的变化。
否则，不能称之为纳米材料6.自然界的纳米技术★人体和兽类的牙齿★海洋中的生命粒子★蜜蜂的―罗盘‖－腹部的磁性纳米粒子★螃蟹的横行－磁性粒子―指南针‖定位作用的紊乱★海龟在大西洋的巡航－头部磁性粒子的导航★荷花出污泥而不染等7.为什么会有这种“荷叶效应”？●用传统的化学分子极性理论來解释，不仅解释不通，恰恰是相反。
●从机械学的粗糙度、光洁度角度來解释也不行，因为它的表面光洁度根本达不到机械学意义上的光洁度（粗糙度），用手触摸就可以感到它的粗糙程度。
原來在荷叶叶面上存在着非常复杂的多种纳米和微米级的超微结构。
蜡质结晶＋细微结构→荷叶效应在超高解析度电子显微镜下可以清晰看到：在荷叶叶面上布满着一個挨一個隆起的“小山包”在山包上面長滿絨毛，在“山包”頂則又長出一個個饅頭狀的“碉堡”凸頂。
纳米科技导论
纳米科技导论微米科技在20世纪70年代以来的信息科学中占有中心地位，新兴纳米科技在新的21世纪信息科学中将起革命性的作用。
纳米材料将是21世纪新兴材料科学和技术发展的一个新的方向。
大量研究证明，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、电子显微学等，都是与纳米尺度密切相关的研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行更深入研究，可能会有新的发现与新的突破新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。
1.纳米科技的基本理论纳米技术器件比宏观物体小，但比分子大，属于一个独特的中尺度领域。
在这一领域中，物质的性质是由经典物理学与量子力学的复杂结合所支配的。
只有认识了在纳米尺寸占支配地位的物理学原理之后，科学家们才能够做出可靠的、优质的纳米器件。
通过建造一些不寻常的、复杂的原子系统并探测它们的奇特行为，科学家逐步发现中尺度的法则。
掌握了纳米科技的科学原理，就能理解R．Feynman的远见：在纳米世界中大自然为人们留下了足够广阔的用武之地，使科学家能创造出无数纳米实用器件以造福于人类。
2.纳米级芯片纳米科技可以使电子芯片的电路尺寸不断缩小。
新的纳米技术电子器件可能取代传统的硅电子技术。
不久的将来，用纳米管或某种纳米新奇材料来制造电子器件，可能使芯片性能不断提高，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造的成本。
纳米技术所制造的电子器件可以融人一些将会揭示生物细胞(微型机器)之奥秘的新颖装置中。
在硅时代之后、纳米计算机诞生之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途。
为了探测细胞的活性，只需要相当少调用半导体材料制作的纳米标记，它将利用半导体量子点作为生物实验、药物研究、诊断化验以及其他种种应用场合中的标记。
尖端的纳米科技研究。
1981年C．B5nnig和H．R。
hrer发明了扫描隧道显微镜，1986年荣获诺贝尔物理学奖，为科学技术的发展开创了纳米科技新领域。
纳米科技导论论文
纳米纤维——蜘蛛丝陈沁3120102850 医药1202摘要：蜘蛛丝是一种具有特殊品质的材料，迄今为止人类还无法生产出像它那样具有超强强度和弹性极强的化合物。
自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。
如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。
关键词：蜘蛛丝，生物材料，纳米纤维，应用蜘蛛网常常出现在长久没有清扫的房间角落。
对于普通人而言,蜘蛛网并不是什么了不起的东西,用扫帚轻轻一拂,蛛网就被扫掉了。
但是蜘蛛丝本身确实是大自然的奇迹。
自然界中的蜘蛛丝直径有100纳米左右,是真正的纯天然纳米纤维。
如果用蜘蛛丝制成和普通钢丝绳一样粗细的绳索,可以吊起上千吨重的物体,其强度能与钢索相媲美。
除了用于捕捉飞虫外,几乎所有的蜘蛛都还用蛛丝作为指路线、安全绳、滑翔索。
蜘蛛的腹部通常有几种腺体,被称为吐丝器。
各种腺体产生不同类型蛛丝,腺体顶端有喷丝头,其上有数千只小孔,喷出的液体一遇空气即凝结成黏性强、张力大的蛛丝。
通常,1000根蛛丝合并后比人的头发丝还要细1/10。
蜘蛛在整个生命过程中会产生许多不同的丝，它的柔韧性和弹性都很好，耐冲击力也很强。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能，是一种目前已知弹性和强度最高的天然动物纤维。
首先蜘蛛丝很细而强度却很高,它比人发还要细而强度比钢丝还要大。
其次它的柔韧性和弹性都很好,耐冲击力强。
无论是在干燥状态或是潮湿状态下都有很好的性能。
蜘蛛丝网还有很好的耐低温性能。
由于蜘蛛丝是由蛋白质构成,是生物可降解的,把这些优良的性能集中在同一种人造纤维上就目前来说几乎是不可能的。
蜘蛛丝是从蜘蛛的分泌出来，蜘蛛的腹腔里有许多丝浆，它的尾端有很小的孔眼。
结网的时候，蜘蛛便将这些丝浆喷出去。
丝浆一遇到空气，就凝结，且富有粘性和惊人的强度。
每根蜘蛛丝的抗拉强度是钢材的2倍，弹性也比人造纤维好得多。
比如，蜘蛛网可以延伸到原长的10倍，而尼龙一旦延展到原长的20％就会发生断裂无论什么飞虫，一撞到网上就别想再跑掉。
纳米科技导论论文
纳米科技导论结业论文纳米科技在环境方面的应用纳米技术是20世纪80年代迅速发展起来的一门交叉性综合学科，包括纳米材料和纳米结构两部分。
纳米科学是指研究尺寸范围在1~100 nm 之内的物质所具有的物理、化学性质和功能的科学。
纳米技术则是一种利用单个原子、分子制造物质的科学技术，它是一种以纳米科学为理论基础，制造新材料、新器件，研究新工艺的方法，大致涉及以下7个分支：纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米机械学（制造工艺学）、纳米加工及表征，每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当代尖端高新技术的结晶，并且主要以物理、化学等的围观研究理论为基础，以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个原理深奥、科技尖端、内容极广的学科群。
纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1~100 nm）调制的各种固体超细材料，包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒、一维调制的纳米多层膜、二维调制的纳米微粒膜（涂层）和三维调制的纳米相材料。
纳米材料研究的是目前材料科学研究的一个热点，纳米材料是纳米技术应用的基础，其相应发展起来的纳米技术则被公认为是21世纪最具前途的科研领域，它将被广泛的应用于生活的各个方面。
我接下来将要讨论的是关于环境科学方面的应用。
水源受到重金属污染，是世界各国长久以来面临的一个难解问题，不仅影响经济发展，更有害于人类的身体健康。
要想纯化受到重金属污染的水源十分困难，其成本也十分高昂。
新加坡生物工程与纳米技术研究院（IBN）开发出一种方法，利用有机溶剂提取水溶液中的金属离子。
这种方法就可以改善环境，清洁受到重金属污染的水源。
JBN小组是通过将金属盐水溶液和十二胺（DDA）乙醇溶液混合，成功地将水溶液中的金属离子快速转移到有机介质之中。
金属离子会与DDA绑定，然后与有机溶剂一起被提取出来。
这种有机溶剂的沸点很低，很容易蒸发，因此可以通过蒸馏法移除。
纳米科技导论-1自然界中的纳米结构--修改
这个原理也是“莲花效 应”
池塘中的溜冰者——水黾
小型水生昆虫水黾被喻为 “池塘中的溜冰者”，因 为它不仅能在水面上滑行， 而且还会像溜冰运动员一 样在水面上优雅地跳跃和 玩耍。它的高明之处是， 既不会划破水面，也不会 浸湿自己的腿。
水黾行与水面的的秘诀
• 研究小组在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有 数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。 这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状 纳米结构的构槽，吸附在构槽中的气泡形成气 垫，这些气垫阻碍了水滴的浸润，宏观上表现 出水黾腿的超疏水特性（超强的不沾水的特 性）。正是这种超强的负载能力使得水黾在水 面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的 水流中也不会沉没。
• 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性 呢？ 对于一个疏水性的固体表面来说，当表 面有微小突起的时候，有一些空气会被“关 到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与 空气接触，与固体直接接触面积反而大大减 小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗 糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150 度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。 即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动 的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁” 的能力。这种接触角大于150度的表面就被称 为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触 角仅大于90度。
超疏水表面的概念 Contact angle CA > 150
Liquid
Gas Solid
低表面能物质修饰的粗糙表面
超疏水表面（superhydrophobic）是指与水的接触角（液 滴在物体表面上所形成的半球形液面与物体表面之间的夹 角）大于150度的表面，由于疏水、不吸收这些表面就能 自洁（比如莲叶），我们通常对纳米科技的应用预想就是 防水防污。
纳米材料的结构特征
纳米Cr微粒的外形
几种典型的纳米金属微粒的晶体惯态
3.2纳米固体
纳米固体材料是一类有广阔应用前景的新型材料,它是由纳米量级的 超细微粒压制烧结而成的人工凝聚态固体。这种材料具有新型的固 态结构,其性质与处于晶态或非晶态的同种材料大不一样,因此将它 称为纳米固体材料。1963年，日本名古屋大学教授田良二首先用蒸 发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。1984年由德国H.格莱特教 授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体(Cu、Pa、Ag和Fe)。 同年美国阿贡实验室研制成TiO2纳米固体。 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒 所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大 块材料高1014-1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。
由于制备方法不同，纳米微粒不仅粒径不同，而且形状也不同。例如，对于纳米Cr 微粒，当直径小于20纳米时，微粒基本是球形，并且成链条形状，如图（a）所示。 对于大于20纳米的 微粒，他的二维形态是正方形或矩形，如图（b）所示。 Cr 而对于粒子大于20纳米的 微粒，他的截面呈六边形，如图（c）所示。 Cr
纳米结构的巨磁电阻材料： 磁场导致物体电阻率改变的 现象称为磁电阻效应，对于一般金属其效应常可忽略。但 是某些纳米薄膜具有巨磁电阻效应。在巨磁电阻效应发现 后的第6年，1994年IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出 磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍。
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝· 费尔和德国科学家彼得· 格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
纳米纤维的分类：
纳米纤维与传统的纤维材料一样，按 其来源来分类，有以下几种 天然纳米纤维 有机纳米纤维 金属纳米纤维 陶瓷纳米纤维等。 天然纤维中，直径在纳米尺度的代表是蜘 蛛丝。
第一章 纳米科学技术导论
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。
举例：纳米电子器件
微米级的信息技术在21世纪会走到尽头，进一步发展会受到物理 学的局限。
电子器件小到100纳米时，量子效应就会起到很重要的作用，利 用量子效应而工作的纳米器件需要用全新的理论和方法来构建（ 例RTD）。 与微电子器件相比, 量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低 耗(能耗降为1/1000)、高效、高集成度、经济可靠、信息存储量 大(一张5英寸光盘上可以存储30个北京图书馆的全部藏书) 。
纳米材料的分类 按结构(维度the number of dimensions）分为4类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米 级(100 nm)以下的颗粒状物质。
• Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots
纳米材料的特性 介电限域效应
介电限域效应是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引 起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域 场强的增强。当介质的折射率对比微粒的折射率相差很大时， 就产生折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射 场强明显增加，这种局域场强的增强称为介电限域。
纳米科技导论
纳米科技导论纳米技术的发展与应用【摘要】2l世纪人类进入了一个科技发展的新纪元，高新技术的发展引起的技术革命浪潮将对人类经济社会的发展产生巨大的影响。
重视研究高新技术特别是纳米技术的发展对经济社会变革的影响，对于中国在新世纪制定正确的科技发展政策，促进科技和经济社会的全面进步有着非常重要的意义。
【关键词】纳米技术，科学，产业革命，发展应用，成果一、什么是纳米技术纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分子创制新物质的技术，是研究尺寸范围在1一100nm之间的物质的组成。
这个极其微小的空间，正好是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间。
在这样的一个尺度空间，由于量子效应、物质的局域性及巨大的表面和界面效应，使物质的很多性能发生质变。
这些变化渗透到各个工业领域后，将引导一轮新的工业革命。
纳米技术所追求的最终目标，正像Feynman当年预言的那样，就是要使人类能够按照自己的意愿任意地操纵单个原子和分子，并在对自然界物质的本质进行深入探讨和研究的基础之上，按照人们的期望，在原子和分子的水平上设计和制造全新的物质。
纳米技术是一门以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，是现代科学（量子力学、分子生物学等）和现代技术（微电子学技术、计算机技术、高分辨显微技术、核分析技术等）结合的产物。
纳米技术在不断渗透到现代科学技术的各个领域的同时，形成了许许多多的与纳米技术相关的新兴学科，如纳米医学、纳米机械学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术，纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。
但是，我们不要把纳米技术仅仅看作是纳米材料，也不能把纳米材料仅仅理解为是纳米粉体。
纳米粉体仅仅是纳米材料的一个内涵，实际上纳米丝、纳米管、纳米线、纳米电缆、纳米薄膜、三维纳米块体、复合材料等等都是纳米材料，范围相当广。
纳米科技导论-0概论--修改
与电子器件相比，量子器件具有高 速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降 低1000倍)、高效、高集成度、经济可 靠等优点。因此，纳米电子学的发展， 可能会在电子学领域中引起一次新的 电子技术革命，从而把电子工业技术 推向更高的发展阶段。
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9米。 • 纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm） 的微小结构。 • 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(10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构 成的材料 • 在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术 称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原 子、分子制造物质的技术。 • 纳米科学：在纳米尺度上研究材料的制备及其性 质、现象的科学。 • 纳米科学技术（简称纳米科技）：制造和研究纳 米尺度（10-9 ～10-7m）的器件和材料的科学技术。
绪论
• 纳米技术主要包括四个方面的内容
• 纳米技术包含下列四个主要方面： 第一方面是纳米材料，包括制备和 表征。纳米材料是纳米科技发展的重要 基础。纳米材料是指材料的几何尺寸达 到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材 料。
•
其主要类型为：纳米颗粒与粉体、 纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、 纳米块材。在纳米尺度下，物质中电 子的特性（量子力学性质）和原子的 相互作用将受到尺度大小的影响，如 能得到纳米尺度的结构，就可能控制 材料的基本性质如熔点、磁性、电容 甚至颜色，而不改变物质的化学成份。
第四方面是纳米电子学，包括基于 量子效应的纳米电子器件、纳米结构 的光/电性质、纳米电子材料的表征， 以及原子操纵和原子组装等。 如现有的硅和砷化镓器件的响应速 度最高只能达到10～12秒，功耗最低 只能降至1微瓦。而量子器件在响应速 度和功耗方面可以比这个数据优化 1000～10000倍。
纳米结构
第十二章纳米结构著名的诺贝尔奖获得者查德·费曼早就提出了一个令人深思的问题：“如何将信息储存到一个微小的尺度？令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题，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……，如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹。
”今天，纳米结构的问世以及它所具有的奇特的物性正在对人们生活和社会的发展产生重要的影响，费曼的预言已成为世纪之交科学家最感兴趣的研究热点。
纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵一个重要的分支学科，由于该体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系，因而成为人们十分感兴趣的研究热点。
20世纪90年代中期有关这方面的研究取得重要的进展，研究的势头将延续到21世纪的初期。
所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维、二维、三维体系。
这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米尺寸的孔洞。
我们知道，以原子为单元有序排列可以形成有自身特点的，相对独立的一个新的分支学科。
关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法，根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系；二是纳米结构自组装体系和分子自组装体系。
所谓人工纳米结构组装体系，按人类的意志，利用物理和化学的方法人为地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维、三维的纳米结构体系，包括我们以前提到过的纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。
这里人的设计和参与制造起到决定性的作用，就好像人们用自己制造的部件装配成非生命的实体（例如，机器、飞机、汽车、人造卫星等）一样，人们同样可以形成具有各种对称性的和周期性的固体，人们也可以利用物理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量子线。
以纳米尺度的物质单元作一个基元按一定的规律排列起来形成一维、二维、三维的阵列称之为纳米结构体系，由于它具有纳米微粒的特征，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等特点，又存在由纳米结构组合引起的新的效应，如量子耦合效应和协同效应等。
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宋代周敦颐(yi)在《爱莲说》 中写道“予独爱莲之出淤泥而不 染”。一千年后的今天，人们已经 可以从科学的角度解释莲这种“出 淤泥而不染”的特性。与之相关的 “仿生超疏水性表面”的研究已成 为化学模拟生物体系研究中的一个 新领域。
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浸润性是固体表面的重要特征之一,它由 表面的化学组成和微观形貌共同决定。超 亲水和超疏水特性是表面浸润性研究的主 要内容。所谓超疏水（憎水）表面一般是 指与水的接触角大于150度的表面。人们对 超疏水表面的认识，主要来自植物叶—— 荷叶表面的“自清洁”现象。比如，水珠 可以在荷叶的表面滚来滚去，即使在上面 浇一些污水，也不会在叶子上留下污痕。 荷叶这种出污泥而不染的特性被称作“自 清洁”效应。
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一般来说, 超疏水性表面可以通过两种方 法来制备：一种是在疏水材料表面上构建粗 糙结构；另一种是在粗糙表面上修饰低表面 能的物质。比如材料学家们可以通过表面处 理仿生制备了碳纳米管阵列、碳纳米纤维、 聚合物纳米纤维等多种超疏水性表面。关于 超疏水表面的研制方法总结起来主要有：熔 融物的固化、刻蚀、化学气相沉积法、阳极 氧化法、乳液聚合、相分离法以及模板法等。 但是这些方法涉及复杂的化学物质和晶体生 长，实验条件比较苛刻，成本高，还不能进 行工业化生产，因而其实际应用受到限制。 同时这些制备方法对基体的要求比较高，还 不能推广到工程材料表面。
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近年来利用超疏水表面减阻的研究越来越 受研究者的重视。如利用超疏水硅表面进 行减阻研究中发现，减阻可达30%-40%。 利用改性硅橡胶和聚氨酯树脂为主，添加 低表面能无机填料或有机填料，在制成的 双组分涂料的疏水表面减阻的实验中发现， 在相对较低的流速时，其最大表面减阻可 达30%，但随着流速的增加这种减阻效果 下降，原因归于表面粗糙度的影响。目前， 有关这方面的研究有待进一步深入。
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自然界里具有“自清洁”能力的植 物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之 类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自 清洁”效应除了保持表面的清洁外， 对于防止病原体的入侵还有特别的意 义。因为即使有病原体到了叶面上， 一沾水也就被冲走了。所以象荷花这 样的植物即使生长在很“脏”的环境 中也不容易生病，很重要的原因就是 这种自清洁能力。
水黾腿部的细节图
多层刚毛结构
整个身体在水 面上
水黾腿的疏水力
a
b
1mm
c
d
10μm e f
10μm
Nature 2004, 432, 36
10μm
200nm
a
b
侧面图
俯视图
Nature 2004, 432, 36
胶原蛋白
聚苯乙烯
电子显微镜下的荷叶表面
电子显微镜下的荷叶表面，可见小突包。
超双疏阵列碳纳米管薄膜
电纺丝技术制备类荷叶表面结构
实验装置和实验过程
a)
b)
c)
d)
◆
纺丝结构的电镜照片和浸润性质.
• 穿不脏的衣服
经拒水拒油技术处理过的 服装面料，在织物表面形成 犹如水在荷叶上滚动效果的 疏水功能，同时具有防油的 特性，并且经处理过的面料 仍然保持原织物的原有特性 （透气性、柔软性等），处 理后的服装更容易清洗。
超疏水表面制备方法
• 人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了， 但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的 表面来。通过对自然界中典型的超疏水性 表面——荷叶的研究发现，在低表面能的 固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结 构对超疏水性起重要的作用。基于这些原 理，科学家们就开始模仿这种表面。现在， 关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的 报道。
超疏水表面的概念 Contact angle CA > 150
Liquid
Gas Solid
低表面能物质修饰的粗糙表面
超疏水表面（superhydrophobic）是指与水的接触角（液 滴在物体表面上所形成的半球形液面与物体表面之间的夹 角）大于150度的表面，由于疏水、不吸收这些表面就能 自洁（比如莲叶），我们通常对纳米科技的应用预想就是 防水防污。
荷叶表面微米级的粗糙度
乳头Papillae 5-9 mm
莲花Lotus
荷叶表面微米级结构上的纳 米级分级结构
荷花总是一尘不染的原因
• 通过电子显微镜，我们可以观察到莲叶表面存在着 多重纳米和微米级的超微结构。荷叶表面上有一些 微小的蜡质颗粒，并覆盖着无数尺寸约10 个微米的 突包，每个突包的表面又布满了直径为几百纳米的 细绒毛。使突包间的凹陷部分充满空气，这样就紧 贴叶面形成一层只有纳米级厚的空气层，从而使得 在尺寸上远大于这种结构的灰尘、雨水等落在叶面 上后，不会大范围直接接触叶面，而要隔着一层极 薄的空气，并且其能接触的点也只是叶面上若干个 凸起的点。
• 为什么这样的“粗糙”表面能产生超疏水性 呢？ 对于一个疏水性的固体表面来说，当表 面有微小突起的时候，有一些空气会被“关 到”水与固体表面之间，导致水珠大部分与 空气接触，与固体直接接触面积反而大大减 小。由于水的表面张力作用使水滴在这种粗 糙表面的形状接近于球形，其接触角可达150 度以上，并且水珠可以很自由地在表面滚动。 即使表面上有了一些脏的东西，也会被滚动 的水珠带走，这样表面就具有了“自清洁” 的能力。这种接触角大于150度的表面就被称 为“超疏水表面”，而一般疏水表面的接触 角仅大于90度。
超疏水表面的应用
• 超疏水表面在工农业生产和人们的 日常生活中都有着极其广阔的应用前 景。荷叶的“自清洁”功能启发了人 们将超疏水表面应用到日常的自清 技术中。例如：它可以用来防雪、防 污染、抗氧化以及防止电流传导等。 如果建筑物的外墙、露天的广告牌等 表面像荷叶一样，就可以保持清洁。
超疏水表面在减阻中的应用
荷叶效应——超疏水性原理
• 尽管人们很早就知道荷叶表面“自清洁” 效应，但是一直无法了解荷叶表面的秘密。 直到20世纪90年代，德国的两个科学家首 先用扫描电子显微镜观察了荷叶表面的微 观结构，认为“自清洁”效应是由荷叶表 面上的微米级乳突以及表面蜡状物共同引 起的。其后中科院化学所的江雷等人对荷 叶表面微米结构进行深入分析，发现荷叶 表面乳突上还存在纳米结构，这种微米与 纳米结构同时存在的二元结构才是引起荷 叶表面“自清洁”的根本原因。
这个原理也是“莲花效 应”
池塘中的溜冰者——水黾
小型水生昆虫水黾被喻为 “池塘中的溜冰者”，因 为它不仅能在水面上滑行， 而且还会像溜冰运动员一 样在水面上优雅地跳跃和 玩耍。它的高明之处是， 既不会划破水面，也不会 浸湿自己的腿。
水黾行与水面的的秘诀
• 研究小组在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有 数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。 这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状 纳米结构的构槽，吸附在构槽中的气泡形成气 垫，这些气垫阻碍了水滴的浸润，宏观上表现 出水黾腿的超疏水特性（超强的不沾水的特 性）。正是这种超强的负载能力使得水黾在水 面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的 水流中也不会沉没。