纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发展现状

麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用 最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成 本低，质量好，可靠性强。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳 米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布臵648颗功能不同的纳米卫 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 少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。
• 2008年2月1日 • 亚利桑那州立大学David K. Ferry提出利用纳米线 连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高 计算机的运行速度。
• 利 用 纳 米 磁 学 中 显 著 的 巨 磁 电 阻 效 应 (giant magnetoresistance) 和 很 大 的 隧 道 磁 电 阻 (tunneling magnetoresistance)现象研制的读出磁 头将磁盘记录密度提高30多倍。 • 1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实 验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结 构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列 成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分 离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵 列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。
在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子 排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。
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。
纳米技术与基因疗法的结合
• 瑞典科学家制作的微型医 用机器人，可移动并捡起 肉眼看不见的玻璃珠。 • 用这种微型机器手将果蝇 的染色体基因进行信号移 动，培育出的果蝇多长了 一个胸脯和翅膀，甚至把 果蝇的眼睛和翅膀挪位；
果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王 图中左侧为雌性，右侧为雄性
• 成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。 • 用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副 作用。 • 科学家们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。 • 小型摄像机 ：用于检测消化系统疾病。
“苍蝇飞机”－这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种
探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部 署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。这些 纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还 适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹 发射基地，直接引导导弹攻击目标。 “蚂蚁士兵” －这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比 蚂蚁还要小,但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方 武器装备中,长期潜伏下来。一旦启用,这些“纳米士兵”就会各显 神通:有的专门破坏敌方电子设备,使其短路、毁坏;有的充当爆破 手... 五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习——“战争”发生在2010年， 美国与敌方的飞机、坦克、大炮在战场上频繁调动。就在双方剑拔弩张之 时，天空中出现了许多“苍蝇”、“黄蜂”等“小昆虫”，地面上也拥出 数以万计的“蚂蚁”。这些“小动物”有的在战场上空盘旋，有的则直接 进入敌方的指挥机关、雷达站、弹药库等。 突然间，随着一声巨响，敌方弹药库率先发生爆炸。紧接着，敌方指 挥通信系统也莫名其妙地炸开了花，在前线待命的飞机、坦克和航母，因 接不到指令、失去弹药和能源补给，全都成了废铁。
碳纳米管场发射显示器
1999年韩国，2000年日本制成显示器样管
在化工领域中的应用
1.汽车尾气
含铅汽油中的铅很容易通 过血液长期蓄积于人的肝、 肾、脾、肺和大脑中，从 而导致人的智能发育障碍 和血色素制造障碍等后果。
汽车尾气的处理：加入纳米级的 复合稀土氧化物后，对尾气的净 化特别明显，尾气中的CO、NOx 几乎完全转化。
• A 1990年，美国加州的IBM研究室D.M.Eigler等 人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面 上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。这张 放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当 年最了不起的公司广告，轰动全球。从此开创 了一个崭新的纳米世界。
• 每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的 方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接近 Xe 原子、使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位臵而 不脱离Ni的表面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。
小结：
纳米科技的发展大致可以划分为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。
第二阶段 (1994年前)人们关注的热点是根据奇特 物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：
纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)， 纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)， 复合纳米薄膜(0-2复合)。
“蚊子导弹”－由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可
以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制 造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机 动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的 微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控， 可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、 坦克、飞机、指挥部和弹药库。
• 第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行 人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳 动和生活方式。
纳米清洁工
• 科学家设想制造出负责清扫血 管的纳米机器人（清洁工）， 专门负责清扫血管壁上的胆固 醇、凝血等沉积物，以预防脑 血栓等心血管病；同时也可以 制作出清扫体内癌细胞的机器 人。 • 纳米机器人在清理血管中的有害 堆积物。纳米机器人小到可在人 的血管中自由地游动，对于脑血 栓、动脉硬化等病灶，可以很容 易地予以清理而不用进行危险的 开颅、开胸手术。
• 纳米结构材料首次合成 • 1984 年 ， 德 国 萨 尔 大 学 的 Gleiter教授等人首次采用惰性 气体冷凝法制备了具有清洁表 面的纳米金属粉末，然后在真 空室中原位加压成纳米固体， 并提出了纳米材料界面结构模 型，制备了具有清洁表面的纳 米晶体Pd, Fe, Cu等块状材料。 随后发现TiO2 纳米陶瓷在室温 下出现良好韧性，使人们看到 了改善陶瓷脆性的希望。
Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells. Nature 451, 770-771 (14 February 2008) |
• “纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理 为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功 能分子器件”。
1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原 子”、绘出中国轮廓图。
பைடு நூலகம்
• 1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京 真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走 硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子的 “毛泽东”。在石墨表面刻出线宽 10 nm的 “中国”字符。汉字的大小只有几个纳米 • 白春礼院士 • 1988年4月12日， • 中国第一台计算机 • 控制的STM研制成功。
材料化学工程国家重点实验室
State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering
纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发 展现状
Reporter: Qiang Zhang Tutor: Su Chen Time: 2010-06-21
纳米碳管
• 碳纳米管是直径非常细的中空管状 纳米材料，它能够大量地吸附氢气， 成为许多个“纳米钢瓶” 。 研究表明，约2/3的氢气能够在常 温常压下从碳纳米管中释放出来。 据预测，到2010年，就可以生产出 氢气汽车，只需携带1.5升左右的 储氢纳米碳管，即可行驶500km。
H2
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集成电路
一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有 许多的沟槽，这张片能够清晰的显示出沟槽的 深浅和走向。
纳米机器 人
• 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机 结合体 可注入人体血管内，进行健康检查和疾 病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容 手术、从基因中除去有害的ＤＮＡ，把正常的Ｄ ＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。
• 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具 有特定功能的纳米尺度的分子装置
• 目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆 品问世。
3.走进你家里
• 纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧 化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌 及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。 • 杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可 以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。 对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。
第三阶段 (从1994年到现在)纳米组装研究。
它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元 在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体 系的研究。
二、 纳米科技的应用
• 光电材料 • 环境和能源 • 生物医学 • 航天和航空 • 军事
FROM:
www.nanoforum.org
光电材料
Nanjing University of Technology
纳米技术概念的提出
纳米科技的基本思想是 在分子水平上，通过操 纵原子来控制物质的结 构。
40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作 的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳 米技术思想的来源。
一、纳米材料的研究和发展历程
CPU
SRAM 静态随即存储器
激光唱片
肉眼看激光唱片(Compact Disk, CD)，表面十分光 滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和 突起。
纳米存储器
• 上图：Millipede - 第 一个应用于数据存 储的纳米技术 • 下图：Millipede存储 芯片的实验室原型。
• 英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计 • 芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯 片内部的铜连线。这种转变总有一天会消除芯片 厂商面临的一些大问题。 • 芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的 问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小 一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会 增加电阻，降低芯片的性能。 • 芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从 而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的 缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇 到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可 能成为替代金属连线的解决方案。 预计碳纳米管是理想的导体，它的导电性很可能远远超 过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米 管最终可以用于纳米级的电子线路
2.拯救水资源
• • 特种半导体纳米材料使海水淡化； 纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废 水，降解石油 ……
• 利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有较高 的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。 • 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中， 则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系 中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽 紫外线。
纳米服装
二个月不用洗——信不信由你
在生物医学领域的应用
纳米泵人造红细胞
• 它比体内血液 中的红细胞要 多携带200多 倍的氧气。
血液形态图
纳米药包
• 诺贝尔奖得主斯莫利的预言 ； • 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种 只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药 包的微型芯片； • 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放 到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时， DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关 受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细 胞；
军事方面的应用
• 吸波：纳米ZnO对 雷达电磁波具有 很强的吸收能力， 所以可以做隐形 飞机的重要涂料。
防弹衣
• 因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10—100 倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服 一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的 冲击力。
“麻雀卫星” “蚊子导弹” “苍蝇飞 机”“蚂蚁士兵”——美欲五年装备纳 米武器 “麻雀卫星”－美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比