第五讲___纳米科技的发展与未来 PPT课件
纳米科技-5 PPT课件
5.2.2 种豆得瓜
由于蜘蛛丝的特性，它是制造外科手术缝合线和防 弹背心的理想材料。但是蜘蛛和蚕不同，很难进行大 规模的人工饲养，而要在化工厂中造出有蛛丝特性的 人造纤维，人类目前的技术与工艺均无可能。美国陆 军和加拿大的 Nexia 公司联手研制了一种叫“生物钢 材”（ Biosteel ）的人造蜘蛛丝。他们采用了基因工 程的办法，将蜘蛛的基因植进入山羊细胞的DNA中， 培育出了能在乳汁中分泌蜘蛛丝蛋白的新品种山羊 （图 2 ），使“生物钢材”的大规模生产成为可能。 人们期望用其来制造防弹背心，或组合成牢固的复合 材料用于宇航和汽车工业。总之，基因工程让我们 “种豆得瓜”了。
纳米科技的发展将揭开生物系统的结构特征在纳 米尺度上的许多奥秘，同样将给人类无限的启迪，又 给分子仿生学注进了新的活力，分子仿生学将是纳米 科技与分子生物学结合的科学。分子仿生学将在纳米 层次上研究、模仿生物体的特殊结构、细胞生命过程 的各个环节，以分子水平上的生物学原理为参考原型， 研制、设计各种各样的可在纳米尺度上进行控制的 “纳米机器人”，开发建筑学、医学、军事科学、纺 织业、农业、环保事业及人民日常生活等所需要的材 料或功能器件。本章仅介绍两例，以体会分子仿生学 在21世纪可能为人类带来的巨大影响。
5.2 蜘蛛丝的纳米尺度奥秘
大家都见过蜘蛛和蜘蛛网吧，都见过蜘蛛怎样捕获猎物吧。 在树丛、草丛、旧屋子等处的一个什么角落里，蜘蛛织好一张 大网，就躲在一边“守株待兔”，静候误入歧途的小飞虫。只 要一只糊里糊涂的小飞虫撞到蜘蛛网上，它就被粘住了，再也 无法逃遁。求生的本能使那只被粘住的小飞虫还要挣扎一番， 这种“震动”很快就被蜘蛛腿上的振动感受器发现了，闻讯后 蜘蛛立刻赶往“出事”地点。等见到“美味”时，蜘蛛干的第 一件事是用它那象喷壶样的有许多小喷嘴的丝囊喷出许多丝将 这只倒霉的、自投罗网的飞虫捆绑牢，然后用毒牙咬住猎物注 射麻药，待被麻醉的“美味”不动了，蜘蛛才悠哉悠哉地饱食 一顿美餐。 蜘蛛网具有自然界里独一无二的悬索结构（图 1），能造出 这样的结构，关键在于蜘蛛丝具有特异的性能。
《纳米技术》PPT课件
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纳米
“纳米”是长度单位，1nm=10-9m
即1纳米等于十亿分之一米，大约等于10个氢原子并排起 来的长度，相当于万分之一头发的粗细。纳米正好处于原 子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏 观世界的中间地带，被称为介观世界。
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纳米技术
纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8m)到亿分之一米 (10-9m)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学 问；同时在这一尺度范围内对原子、分子或原子团、分子 团进行操纵和加工使其形成所需要的物质称为纳米技术。
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光 辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
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科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷 在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成 纳米陶瓷，它也可以具有韧性；纳米材料还具有超塑性， 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。
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虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等
诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强
腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作
用，具有广阔的应用前景。
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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。
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超微型计算机
随着微电子技术的不断发展，集成度越来越 高，计算机信息存储芯片越来越小，而存储量却 越来越大，信息容量比现有光盘高100万倍，整个 美国国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小 的芯片中。
《纳米大科学》PPT课件
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1 纳米世界里的大科学
纳米科学与技术简称纳米科技，是一 项新兴的科学研究，纳米科技值得一搏，
但不是每个参入者都有把握赌赢。
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1.1 人类对自然界的认识
人类对自然世界的认识始于宏观物体又溯源于原
子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入细
致的研究。
客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二
纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具
备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论受到了 挑战。
纳米科技是现代科学和先进技术结合的产物，
它不仅为人类提供新颖的装置，而且在物理学、化 学、生物学、材料学、矿物学等领域中有广阔的前 景，对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意 义。
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1.3 纳米科学与技术的未来
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。
纳米微粒的结构研究，将促使物理学、化学、材料科
学、矿物学工作者认识改造完客整版观ppt 世界进入一个新层次，6 将 使自然科学和技术等向更高层次发展。
1.4 纳米物质结构
纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是
尺度范围内物理、化学等特性确定。
原子是组成物质的基本单位，原子的不同方式排列使自
然界多姿多彩。
1959年，美国物理学家理查德·费曼设想，在原子和分
子水平上操纵和控制物质。完整版ppt
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纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅
含几十个到几万个原子的纳米微粒，把它作为基本 单元，适当排列成一维的量子线、二维的量子面、 三维的纳米固体。
微米科技在二十世纪七十年代以来的信息科学中占有
纳米科学概论PPT(完整版)
神奇的纳米世界
靓丽的纳米世界
单根碳纳米弹簧
扫描隧道显微镜下的纳米团簇 酷似大力神杯的硅纳米结构
NANOGEAR
“麻雀卫星”
质量不足10千克，各种部件全 部用纳米材料制造，一枚小型 火箭一次就可以发射数百颗。 若在太阳同步轨道上等间隔地 部署648颗功能不同的“麻雀卫 星”，就可以保证在任何时刻对 地球上任何一点进行连续监视， 即使少数失灵，整个卫星网络 的工作也不会受影响。
假如您掌握了纳米技术，您将应用在哪些方面？并简述理由。
科学的商品化
将“知识”转化为“经济”
NANOSCIENCE: Thinking about small to do big things
碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人
Science, , 322, 238 -242.
金纳米颗粒由102个金 原子和44个硫醇分子 组成，其中，金原子排 列成球状。
Nature 1991, 354, 56
纳米管做成的“纳米秤”
令人惊奇的是，最近 、中 国、法国和巴西科学家用精 密的电子显微镜测量纳米管 在电流中出现的摆频率时， 发现可以测出纳米管上极小 微粒引起的变化，从而发明 了能称量亿亿分之二百克的 单个病毒的“纳米秤”。这 种世界上最小的秤，为科学 家区分病毒种类，发现新病 毒作出了贡献。
特殊的光学性质
当 （Au）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。事实上，所有的金属 在纳米颗粒状态都呈为黑色。尺越小，颜色愈黑，银 白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
特殊的电学性质
介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导 体的介电行为（介电常数、介电损耗）及压电特性同 常规的半导体材料有和很大的不同。
第五讲 纳米科技的发展与未来
10-15米一个飞米，可以分辨出组成质子和中子的夸克；
10-16米一百阿米，更进一步看清夸克（一个夸克的大小 为10-19米，即0.1个阿米左右）。
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一、纳米科技的意义和发展的过程
纳米是处于宏观世界和微观世界之间的衔接点、交界点。 1纳米＝10-9米，十亿分之一米、1m m的百万分之一 光年–公里–米–厘米–毫米–微米–纳米–皮米–飞米–阿米
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一、纳米科技的意义和发展的过程
（二）纳米科技的定义
纳米科技至少有四个提法。
1、纳米科技是微加工领域
指将纳米定位为微加工技术的极限，即通过纳米技术的加 工，人工的形成纳米大小的结构这样的一种技术。 通过超精细加工制作的微机电装臵纳米装臵。
2、纳米科技是材料领域
指将制备纳米颗粒的技术以及由此引起的材料性能的改变 称为纳米，即纳米材料。
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纳米材料的奇特效应 主要表现为限域效应
二、纳米科技的研究领域
如纳米碳管比重为钢的1/6，强度是钢的100倍，具有极 高的抗拉强度和热稳定性，有非常好的弹性，用途非常广泛。 包括： 制造抗冲击车身、抗震建筑材料、抗震建筑物、非常柔 软且防弹强度很好的防弹衣； 美国通用汽车公司将碳纳米管加入塑料部件中； 以纳米管为基础制造的发光、显示产品； 超灵敏传感器等。 如纳米氧化物能在电场作用下改变显示颜色，可用于广 告版、防晒化妆品、面漆、荧光管、高速公路标志等。 纳米结构具有自洁净功能（仿荷叶原理），具防水、防 雾、不沾尘土，可用于玻璃、陶瓷、服装等。
主要依靠发展新的技术、新型检测仪器； 扫描探测技术，包括隧道显微镜、原子力显微镜、磁力 显微镜等。
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二、纳米科技的研究领域
4、表征检测、研究的实例
发现新现象，建立新理论。如量子幻影（量子蜃景）现 象：排成圆圈的39个钴原子里面放一个磁化的钴原子，则其 对称位臵出现完全相同的幻影，如果位臵变换就无此现象；它 能实现量子信息的无线传输。 通过一个一个对原子的操纵，构建具体的化合物。如美 国康奈尔大学，利用扫描隧道显微镜针尖，在低温下生成了一 个铁与两个—氧化氮的特定化合物。
纳米科技的发展及未来的发展方向
纳米科技的发展及未来的发展方向一、引言纳米科技是指在纳米尺度（1纳米=10的负9次方米）上进行研究和应用的科技领域。
随着科技的进步和人类对材料和技术的需求不断增加，纳米科技逐渐成为当代科技发展的热点领域。
本文将重点探讨纳米科技的发展历程、应用领域以及未来的发展方向。
二、纳米科技的发展历程纳米科技的起源可以追溯到20世纪50年代，当时物理学家理查德·费曼首次提出了“有趣的问题”——在纳米尺度上是否存在新的物理现象。
随后，随着扫描隧道显微镜的发明和纳米材料的制备技术的不断改进，纳米科技逐渐成为科学界和工业界的关注焦点。
在过去的几十年里，纳米科技取得了许多重要的突破。
例如，纳米颗粒的制备技术使得药物可以更准确地传递到病变部位，从而提高了药物治疗的效果。
此外，纳米材料在能源存储和转换、电子器件、光学等领域也发挥着重要作用。
纳米科技的发展不仅推动了材料科学的进步，还对医学、环境保护、信息技术等领域产生了深远的影响。
三、纳米科技的应用领域1. 医学领域纳米科技在医学领域的应用前景广阔。
纳米颗粒可以用于药物传递，通过控制药物的释放速率和靶向性，提高药物的疗效并减少副作用。
此外，纳米技术还可以用于生物传感、疾病诊断和治疗、组织工程等领域。
2. 环境保护纳米技术在环境保护方面也有很大的潜力。
纳米材料可以用于污水处理、空气净化和废物处理等领域，提高处理效率和降低能源消耗。
此外，纳米材料还可以用于环境监测和污染物检测，提高环境监测的准确性和灵敏度。
3. 信息技术纳米科技对信息技术的发展也有着重要的影响。
纳米材料可以用于创造更小、更快的电子器件，提高计算机的性能和存储密度。
此外，纳米技术还可以用于显示技术、传感器、量子计算等领域，推动信息技术的创新和进步。
四、纳米科技的未来发展方向1. 纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术是纳米科技发展的基础。
未来，需要进一步研究和开辟高效、低成本的纳米材料制备技术，以满足不同领域对纳米材料的需求。
纳米科技的发展与未来
和质量。
新能源开发与利用策略优化
01
纳米材料在太阳能电池中的应用
通过纳米结构的设计和优化，提高太阳能电池的转换效率和稳定性。
02
纳米储能材料在电池中的应用
利用纳米材料的优异储能性能，提高电池的容量和循环寿命。
03
纳米催化剂在燃料电池中的应用
通过纳米催化剂降低燃料电池的活化能，提高燃料利用率和电池性能。
04
生物医学领域中的纳米科技应用
药物输送与治疗方法改进
纳米药物载体
靶向药物
利用纳米颗粒作为药物载体，实现药 物的精准输送，提高药物的生物利用 度和治疗效果。
利用纳米技术将药物定向输送到病变 部位，提高治疗效果，降低对正常组 织的损伤。
缓释药物
通过纳米技术制备缓释药物，使药物 在体内缓慢释放，延长药物作用时间， 减少副作用。
THANKS
感谢观看
纳米器件具有高性能、低功耗、高集成度等优势。例如，纳米晶体管具有更高 的开关速度和更低的功耗；纳米传感器具有更高的灵敏度和更快的响应时间。
系统设计方法与挑战
设计方法
纳米系统设计方法包括自顶向下和自底向上两种。自顶向下 方法从系统需求出发，逐步细化到纳米器件设计；自底向上 方法则从纳米器件出发，构建复杂的纳米系统。
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纳米生物材料
利用纳米技术制备生物相容性良好的生物材料， 用于组织工程和再生医学中的细胞培养和组织修 复。
细胞与纳米材料相互作用
研究细胞与纳米材料之间的相互作用机制，为组 织工程和再生医学提供新的治疗策略。
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仿生纳米结构
模仿天然组织的纳米结构，设计具有特定功能的 仿生纳米结构，用于组织工程和再生医学中的组 织修复和替代。
环境领域
纳米科技的发展及未来的发展方向
纳米科技的发展及未来的发展方向纳米科技是一门研究和应用纳米尺度（即纳米米级或百万分之一毫米）材料和器件的科学和技术领域。
纳米科技的发展在过去几十年里取得了巨大的进展，并在许多领域中展示了巨大的潜力。
本文将详细介绍纳米科技的发展历程、应用领域以及未来的发展方向。
一、纳米科技的发展历程纳米科技的概念最早可以追溯到1959年，当时物理学家理查德·费曼在一次演讲中提出了“有很多的空间在底下”这一观点，即通过控制和操作原子和分子的尺度，可以创造出全新的材料和器件。
随后，随着扫描隧道显微镜等纳米尺度测量技术的发展，纳米科技逐渐成为一个独立的学科领域。
自20世纪80年代以来，纳米科技取得了长足的发展。
在纳米材料方面，研究人员成功地合成了一系列纳米颗粒、纳米线、纳米管等材料，并发现了许多独特的物理和化学性质。
在纳米器件方面，纳米技术已经应用于电子器件、传感器、储能设备等领域，取得了显著的成果。
此外，纳米科技还在生物医学、能源、环境等领域展示了巨大的应用潜力。
二、纳米科技的应用领域1. 电子器件：纳米技术已经在电子器件中得到广泛应用。
纳米材料的独特性质使得电子器件可以更小、更快、更强大。
例如，纳米晶体管可以实现更高的电流密度和更低的功耗，纳米存储器件可以实现更大的存储容量和更快的读写速度。
2. 生物医学：纳米技术在生物医学领域的应用已经取得了显著的成果。
纳米材料可以用于药物传递、生物成像、诊断和治疗等方面。
例如，纳米颗粒可以被用作药物的载体，通过调控其大小和表面性质，可以实现药物的定向传递和释放。
此外，纳米材料还可以用于生物成像，通过纳米探针可以实现对生物体内部结构和功能的高分辨率成像。
3. 能源：纳米科技在能源领域的应用也具有巨大的潜力。
纳米材料可以用于太阳能电池、燃料电池、储能设备等方面。
例如，纳米材料的高比表面积可以提高太阳能电池的光吸收效率，纳米材料的高催化活性可以提高燃料电池的效率，纳米材料的高离子传输速率可以提高储能设备的充放电速度。
纳米科技的发展及未来的发展方向
纳米科技的发展及未来的发展方向纳米科技是指在纳米尺度（即1到100纳米之间）上进行研究和应用的科学技术领域。
纳米科技的发展已经引起了广泛的关注，因为它具有革命性的潜力，可以在各个领域带来巨大的改变和创新。
本文将探讨纳米科技的发展历程、应用领域以及未来的发展方向。
一、纳米科技的发展历程纳米科技的概念最早可以追溯到1959年，当时物理学家理查德·费曼在一次演讲中提出了“有足够的空间在那里”这个观点。
然而，纳米科技的真正发展始于1981年，当时埃里克·德雷克斯勒和戴维·斯托克尔在IBM实验室成功地将30个铁原子排列成了一个“IBM”字样的结构。
自那时以来，纳米科技取得了长足的发展。
研究人员通过不断改进纳米材料的合成方法和表征技术，成功地制备出了一系列具有特殊性质和应用潜力的纳米材料，如纳米颗粒、纳米管、纳米线等。
同时，纳米科技的研究范围也逐渐扩大，涉及材料科学、生物医学、能源、环境等多个领域。
二、纳米科技的应用领域1. 材料科学领域：纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，可以用于制备高性能的材料。
例如，纳米颗粒可以用于制备高效的催化剂、传感器和电池材料；纳米管和纳米线可以用于制备高导电性和高强度的材料。
2. 生物医学领域：纳米技术在生物医学领域有着广泛的应用。
纳米粒子可以用作药物载体，通过调控其大小、形状和表面性质，实现药物的靶向输送和控释；纳米材料还可以用于生物成像、疾病诊断和治疗等方面。
3. 能源领域：纳米科技在能源领域有着重要的应用价值。
纳米材料可以用于制备高效的太阳能电池、燃料电池和储能材料；纳米结构也可以改善传统能源的利用效率，如提高燃煤发电厂的燃烧效率和减少汽车尾气排放。
4. 环境领域：纳米科技可以提供解决环境问题的新途径。
纳米材料可以用于污水处理、废气治理和土壤修复等方面；纳米传感器可以实时监测环境污染物的浓度和分布。
三、纳米科技的未来发展方向1. 纳米电子学：随着电子器件尺寸的不断缩小，纳米电子学成为了一个重要的研究方向。