第一章-纳米材料与技术-绪论
（物理化学专业论文）低维（VIa族化合物）半导体纳米材料的制备及表征
⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位，即米的十亿分之一。
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（１一１００ｍ）或者由它们作为基本单元构成的材料。
广义地说，纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。
１．１．１纳米材料的诞生及其发展早在】８世纪６０年代，随着胶体化学的建立，科学家们就开始了对纳米微粒体系（胶体）的研究。
到２０世纪５０年代末，著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。
他在１９５９年１２月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈０意黑２＝：盏：篙翼盎：见性的报告，并做出了美妙的设想：如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。
随后，１９７７年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术（ｎａｎｏｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ）。
１９８２年Ｂｉｎｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ研制成功了扫描隧道显微镜（ｓ１Ｍ），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。
１９９０年美国ＩＢＭ公司两位科学家在绝对温度４Ｋ的超真空环境中用ｓＴＭ将Ｎｉ（１１０）表面吸附的ｘｅ原子在针尖电场作用下逐一搬迁，⑧浙江大学博士学位论文电子既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。
例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在Ｏ．２５ｕｍ。
目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。
纳米材料科学与技术ppt课件
1.纳米科技概念的提出与发展
引 言：纳米科技的发展史是一个由幻 想到现实的过程，其中不乏里程碑式的 事件(图1)。
2002 2000年年
1997年
1991年
1990 1989年年
1988 1987 年 年
图1 纳米科技发展的里程碑节点 5
什么是纳米？
纳米（Nanometer）是长度的单位
1纳米=10-9m，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。 形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放
是由于分子热运动造成的。纳米粒子形成溶胶时会产生无规则
的布朗运动。布朗运动是影响粒子分散物系(溶胶)动力稳定性的一个原因。
纳米粒子不会稳定地停留在某一固定位置上，不会因重力而发生沉积，另一
方面，可能因相互碰撞而团聚，颗粒由小变大而沉淀。
扩散
是在有浓度差时，由于微粒热运动(布朗运动)而
引起的物质迁移现 象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数(D)
2
1.纳米科技概念的提出与发展
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密 机械加工。
1982年，科学家发明研究纳米的重要工具（扫描隧道显 微镜），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭 示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积 极促进作用。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的 摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。
还设想“如果有朝一日人们能把百科全书储 存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那 么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科 技的预言—小尺寸大世界。
当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为 直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制 造机器而感到惊讶。
绪论-1(1)
4. J. nanosci. nanotech. 2001(美国科学出版社）(If 2.0)
5. Nanoletters
2001 (美国化学会）(10.37)
6. International Journal of Nanoscience, 2002
7. Small
2005（德国Wiley) (6.5)
但日前通常把亚微米 (0.1~1 微米 ) 体系有关 现象的研究称为介观领域。 这样就把纳米体系和团簇从这种狭义的介观 范围独立出来，从而形成纳米体系。 (0.1 （（1）~100nm)
朝永振一郎 施温格
费因曼
1965年诺贝尔物理学奖
1959年，著名的物理学家诺贝尔奖获得者 费曼预言：毫无疑问，当我们得以对细微 尺度的事物加以操作的话，将大大扩充我 们所得到的物性范围。
迈尔《新百科全书》中材料的含义：材料是从原材料中取得的， 为生产半成品、工件、部件和成品的初始物料，如金属、石块、 木料、皮革、塑料、纸、天然纤维和化学纤维等等。
绪
论 — 什么是材料？
材料与物质 (Materials and Matter) 材料可由一种或多种物质组成。 同一物质由于制备方法或加工方法不同可以 得到用途各异、类型不同的材料。
纳米材料与纳米结构
焦 桓
（致知楼1352 jiaohuan@）
化学化工学院
绪
论 — 什么是材料？
Definition:
材料是指具有满足指定工作条件下使用要求 的形态和物理性状的物质。(any solid-state component or device that may be used to address a current or future societal need) 原料中取得生产物质的原料。 材料是制成成品的东西。
nano materials science格式
文章标题：纳米材料科学的发展与应用第一节：纳米材料概述1. 纳米材料定义及特点1) 纳米材料是指至少在一维尺度上具有结构特征尺寸小于100纳米的材料。
这些材料因其尺寸小、表面活性高和量子效应等特点而表现出与传统材料完全不同的物理、化学和生物学特性。
2) 纳米材料的特点包括：量子尺寸效应、表面效应、量子隧穿效应、集成规整性和分形性等。
2. 纳米材料的分类及组成1) 纳米材料可根据形状和结构分为纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米片、纳米膜等种类。
2) 纳米颗粒、纳米线、纳米管等由一维纳米结构组成，纳米片、纳米膜等由二维纳米结构组成。
第二节：纳米材料的制备方法3. 纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法和其他方法。
1) 物理法制备纳米材料的主要方法有：溅射法、气相法、溶剂热法等。
2) 化学法制备纳米材料的主要方法有：溶剂热法、水热法、化学气相沉积法等。
3) 生物法制备纳米材料的主要方法有：生物合成法、生物还原法、酶法等。
第三节：纳米材料应用领域4. 纳米材料在材料科学领域的应用1) 纳米材料在能源材料领域的应用：包括太阳能电池、燃料电池、储能材料等。
2) 纳米材料在电子器件领域的应用：包括纳米晶体管、纳米光电子器件、纳米传感器等。
5. 纳米材料在医学领域的应用1) 纳米材料在生物医学成像方面的应用：包括纳米荧光探针、纳米MRI对比剂等。
2) 纳米材料在药物传递方面的应用：包括纳米药物载体、纳米递送系统等。
第四节：纳米材料在未来的发展6. 纳米材料在信息技术领域的发展趋势1) 纳米材料在信息存储领域的应用：包括纳米存储介质、纳米存储器件等。
2) 纳米材料在信息处理领域的应用：包括纳米量子计算、纳米光子器件等。
7. 纳米材料在环境保护领域的潜在应用1) 纳米材料在水处理领域的应用：包括纳米吸附剂、纳米催化剂等。
2) 纳米材料在空气净化领域的应用：包括纳米滤料、纳米光催化剂等。
结语纳米材料科学是一个快速发展的新兴交叉学科领域，随着纳米材料制备技术和研究手段的不断进步，纳米材料的应用范围也将越来越广泛。
纳米科学与技术第一章
• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 业流程， 业流程 ， 要求对单一的原子或分子簇进行加工 处理， 这些材料通常只有1纳米到 纳米到100纳米大小 。 纳米大小。 处理 ， 这些材料通常只有 纳米到 纳米大小 • 在纳米级别，一些传统材料可以表现出其有价 值的特性，如不同寻常的强度、电导性或者通 过肉眼无法察觉的某些性质，可以通过对不同 纳米级材料间的重新组合制造出新的药物、新 的食品和设备，将对全球经济产生巨大的影响。
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司 美国卢克斯研究公司2005调查报告 调查报告: 调查报告
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了10 年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 亿美元，各州又另外投入了4亿美元 亿美元。 亿美元，各州又另外投入了 亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场， 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 几乎没有盈利，但对纳米技术的前景保持乐观。 • 1997年各国政府对纳米技术的投入总计不到 年各国政府对纳米技术的投入总计不到5 年各国政府对纳米技术的投入总计不到 亿美元， 年就增长到35亿美元 亿美元，到2003年就增长到 亿美元。 年就增长到 亿美元。 • (摘自：科技日报 2005-01-27) 摘自： 摘自
• 2008年美国《探索》杂志列举的9大最佳纳米产品： • 1、纳米啤酒瓶 纳米复合材料 、纳米啤酒瓶—纳米复合材料 • 米勒醇酒公司采用黏土纳米材料 黏土纳米材料制造塑料啤酒瓶， 黏土纳米材料 可保留二氧化碳，不让氧气轻易进入，避免啤酒 变质，而且不易碎裂。但一些消费者关注纳米材 料用于食物包装是否安全 食物包装是否安全，是否它们会像灰尘一 食物包装是否安全 样对人体无害。
纳米材料导论_Ch1_(基本概念)
纳米材料导论
（特性、制备与应用）
Introduction to Nanomaterials: Properties, Synthesis and Applications
社社会会需需求求与与学学科科发发展展
• 2001年3月，美国国家科学技术顾问委员会 （NSTC）在《纳米科技的社会影响-- SOCIETAL IMPLICATIONS OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY》 的报告中对纳米技术在全球的市场容量进行了 预测，在今后10—15年内，每年纳米技术的市 场容量超过一万亿美元。其中，纳米材料和加 工为3400亿美元/年；纳米电子和集成电路为 6000亿美元/年；纳米药物为1800亿美元/年； 纳米催化剂为1000亿美元/年；交通运输（包括 汽车、飞机、铁路、桥梁等）为700亿美元/年。 这些数据显示，纳米材料拥有巨大的市场。
Improvement
主主要要研研究究内内容容
Five R&D categories in nanotechnology: · Nanostructure properties（纳米结构的性能）: Investigate biological, chemical, electronic, magnetic, optical, and structural properties in nanostructures. · Synthesis and processing（合成与加工）: Enable atomic and molecular control of material building blocks to provide the means to assemble and utilize these tailored building blocks for new processes and devices in a wide variety of applications. Extend the traditional approaches to patterning and microfabrication to include parallel processing with proximal probes, stamping, and embossing. Give particular attention to the interface with bionanostructures and bioinspired structures, to multifunctional and adaptive nanostructures, to scaling approaches, and to affordability at commercial scales.
纳米材料课件
纳米材料
Quantum size effect
Bulk Metal
Unbound electrons have motion that is not confined
Close lying bands
Decreasing the size…
Electron motion becomes confined, and quantization sets in
纳米材料
2.纳米固体 纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作为纳米结构材料。
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
纳米材料
纳米固体材料
原子团簇堆压成块体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体。 由原子团簇堆压成的纳米金属材料具有很大的强度和稳定性，以及很强的导电能力，这类材料存在大量晶界，呈现出特殊的机械、电、磁、光和化学性质。
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
纳米材料
6.1.3 纳米材料的特异性能
纳米效应 小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应 纳米材料的特殊性质 当粒子的尺寸减小到纳米量级，由于纳米效应而导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性
*
纳米材料
纳米效应nano effects
小尺寸效应（Small size effect） 当超微粒子的尺寸与光波波长、 德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。
432 100%
559 129%
687 159%
825 191%
第1章纳米科技及纳米材料绪论PPT课件
相关知识 扫描隧道显微镜、富勒烯、巨磁阻效应 美国NNI计划、中国《纳米科技发展纲要》
纳米尺度、宏观领域、微观领域、纳米科技
纳米科学、纳米技术、纳米工程、纳米物理学、 纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、 纳米力学、纳米制造 纳米科技对生物医学、信息技术、国防、能源环 境、食品等领域的影响 纳米结构单元、纳米材料 纳米材料学、纳米材料工程、纳米材料发展的3 个阶段 零维、一维、二维、三维纳米材料
atoms one by one the way we want them? —— The principles of physics, as far as I can see,
do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.
纳米材料的分类 纳米材料的研究现状 纳米材料的特性与应用 纳米材料的安全性
掌握程度 掌握纳米的概念，了解纳米科技的形成过程 了解世界主要经济体的纳米科技发展规划
掌握纳米尺度、纳米科技的基本概念 理解纳米科技主要分支学科的基本特征
了解纳米科技主要应用领域的发展前景
掌握纳米材料的基本概念 了解纳米材料科学与工程的发展概况
特征，即千分之一微米（意译），但现在普遍采用的是更加简 洁的纳米（音译），在我国台湾则被译为奈米。 随着纳米科技的研究日益广泛，现在英文文献中常常直接用 nano来表示纳米。 1nm大约是2～3个金属原子，或10个氢原子排列在一起的“宽 度”。一般病毒的直径约60～250nm，红血球的直径约6,000～ 8,000nm，头发丝的直径则约为30,000 ~50,000nm。
表面纳米化综述
部分）课题申请指南‖中还规定了纳米材料必须具有明确的纳米效应[14]。
由以上可以看出，对于纳米材料，人们最早研究和研究最多的还是纳米粉体或颗粒状材料，尤其
是在合成方法及结构表征等方面做了大量的工作。但要使纳米材料真正走上工程应用，制备出大尺寸
实际上，上述方法不仅制备工艺复杂，生产成本较高，而且所能制备的块体纳米材料在尺寸和形
状上也有一定的局限性，其实际应用必然受到限制。考虑到在大多数服役环境下，材料的失稳多始于
表面，因此只要在材料上制备出一定厚度的纳米结构表层，即实现表面纳米化 (Surface Nanocrystallization-- SNC )，就可以通过表面组织和性能的优化提高材料的整体性能和服役行为[28]。基于这一点，在1999年卢柯和吕坚提出了“表面纳米化”这一新概念[29-31]，该项技术既着眼于当前的科技水平又面向实际工程应用，为利用纳米技术提高传统工程金属材料的性能和使用寿命提供了一
的关注，正在成为纳米材料研究的新热点[9-12]。国际上，把这类材料称为纳米组装材料或者称为纳
米尺度的图案材料（Patterning material on the nanometre scale）。它的基本内涵是以纳米颗粒以及由它
们组成的纳米丝和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，基本包括
纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序的排列。如果说
第1阶段和第2阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点更强调按人们的
意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。
《纳米材料科学导论》课程教学大纲
《纳米材料科学导论》课程教学大纲课程代码：ABCL0409课程中文名称：纳米材料科学导论课程英文名称：Introduction to nanomaterials science课程性质：选修课程学分数：1.5课程学时数：24授课对象：材料化学专业本课程的前导课程：大学物理、物理化学、材料科学基础等一、课程简介纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。
纳米材料科学导论以化学、化工、材料化学、高分子、应用化学、新能源材料与器件等专业对纳米材料感兴趣的高年级本科生为讲授对象，介绍纳米材料科学的基本知识体系。
二、教学基本内容和要求本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。
第零章绪论课程教学内容：纳米科技、纳米材料的概念与发展历史。
课程的重点、难点：纳米材料的概念是重点，难点是纳米材料的发展及纳米功能器件的制备。
课程教学要求：了解纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法。
第一章纳米材料的基本概念与性质课程教学内容：纳米材料的基本概念，纳米微粒的基本性质，电子能级的不连续性，量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应。
纳米微粒的基本性质，纳米微粒的物理特性，纳米微粒的结构与形貌，纳米微粒的热学性质，纳米微粒的磁学性质，纳米微粒的光学性质。
课程的重点、难点：重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。
纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。
微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。
量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。
如何正确的看待纳米技术研究
如何正确的看待纳米技术研究目录一、绪论（一）研究背景（二）国内外研究现状（三）研究的意义和目的（四）研究的方法和内容二、关于纳米技术（一）纳米技术的兴起（二）纳米技术的发展三、各国研究近况和应用领域热点技术（一）纳米技术各国的研究近况（二）纳米技术的热点技术研究1、纳米电子技术2、纳米材料技术3、纳米能源技术4、纳米技术在其他领域研究四、纳米技术的辩证思想研究（一）纳米技术的哲学思考（二）纳米技术的生命伦理道德角度分析（三）关于纳米技术对生命伦理的讨论（四）纳米技术的潜在危害与影响（五）纳米技术在商业领域的哲学反思五、纳米技术的安全体系建立（一）建立纳米技术的标准化（二）建立纳米技术的软性约束（三）建立纳米技术的法律保障（四）用辩证思想看待纳米技术六、结论参考文献致谢本篇论文目录导航：【题目】如何正确的看待纳米技术研究【第一章第二章】关于纳米技术【第三章】纳米技术研究近况和应用领域热点技术【第四章】纳米技术的辩证思想研究【第五章】纳米技术的安全体系建立【结论/参考文献】纳米技术的哲学研究结论与参考文献一、绪论（一）研究背景纳米技术是在新世纪里人们在科技领域发现的一块广阔的新天地。
人类也越来越向微观世界不断探索，人们发现、认识微观世界的水平也提高到了前所未见的新高度。
我国的科学家钱学森也曾经说过，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，纳米技术会是一次新技术的革命，即将引发新一次科技革命。
在这片广阔的新天地里，人们发现了许许多多违背常理的事情，甚至用人们已经掌握的自然科学知识无法解释的现象。
例如：一些绝缘体，在一定的纳米尺度中工作时，可以转变为导体；而在自然状态下纯铁的熔点应该是1534℃，但是在单位体面缩小到10nm 时，熔点可以下降到589℃；而利用纳米技术生产出了纤维纺织材料，可以阻隔雨水和灰尘，但仍具有良好的透气性。
许多的新奇的现象和实验结果引起了科技研究者的广泛关注，充满热情的投入到纳米技术领域中。
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• 本是绝缘体的氧化物达到纳米尺度时，电阻反而下降； • 10～25nm的铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大
1000倍，而当颗粒尺寸小于l0nm时矫顽力变为零，表 现为超顺磁性； • 纳米氧化物材料对红外、微波有良好的吸收特性； • 硅的尺寸达到纳米级(6nm)时，在靠近可见光范围内， 就有较强的光致发光现象；多孔硅发光；
• 纳米制造(Nanomanufacturing，Nanofabrication)：研究 内容包括纳米产品及生产工艺的数学建模、计算机模拟 与设计，从纳米到宏观等不同尺度的分级制造，多尺度 的整合以及工具的开发等多个方面，尤其重视生产过程 的可靠性与稳定性。
• 纳米制造（Nanomanufacturing）是美国NNI计划中优 先资助的5大领域之一，美国已建立了国家纳米制造网 络(NNN，National Nanomanufacturing Network)。
尺度上的科学、工程与技术。 Nanotechnology的两种含义： （1）纳米科技—广义； （2）纳米技术—狭义。
• 纳米科技：
纳米科学（nanoscience）、纳米技术（狭义的 nanotechnology）以及纳米工程（nanoengineering） 的统称，是研究、开发、利用纳米尺度物质的一门新 型的应用型学科，具有多学科交叉的特征。
纳米科技与经济
• 科学 – 发现新材料、提出新方法
• 知识创新 • 将“钱”转化为“知识”
• 技术 – 工业化，纳米材料制备、应用
• 清洁生产工艺 • 商品化技术 • 将“知识”转化为“钱”
1.2.3 纳米科技的发展前景
• 医学领域：药物制备、药物传递、疾病诊断以及器官替 换与再生等将发生根本性的改进。
• 纳米生物学(Nanobiology) ：主要利用纳米科技的思想、 工具以及材料等来研究、解决生物学问题，在分子水 平上深入揭示细胞内部各种纳米尺度单元的结构和功 能，以及细胞内部、细胞内外之间以及整个生物体的 物质、能量和信息交换机制。属生物学与物理学、材 料学、有机合成化学以及工程学交叉形成的新兴学科。
• 在纳米氧化铝、氧化钛、氧化硅、氧化锆中观察到常规 材料根本看不到的发光现象。
Small is differentFra bibliotek宏观领域
{ 客观世界 微观领域
以人的肉眼可见的物体为 最小物体开始为下限，上 至无限大的宇宙天体；
以分子原子为最大起 点，下限是无限小的 领域
介观领域，由于三维尺寸都很细小，出
现了许多奇异的崭新的物理性能。这个领域 包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸的 范围。
• 研究纳米科技，不仅要探索物质在纳米尺度上所表现 出来的各种现象及其内在规律，更重要的是要能够制 取、表征与利用纳米尺度的物质。
1.2.2 纳米科技研究内容
• 纳米科技关注物质在纳米尺度上表现出来的新现 象与新规律
• 纳米科技：纳米尺度上的新概念、新理论、新原 理、新方法与新用途的一门新型的、多学科交叉 的应用型学科。
纳米科技领域的主要分支学科
• 纳米物理学(Nanophysics)：主要研究物质在纳米尺度上 的物理现象及其表征，主要内容包括纳米固体的独特结 构、电学性质、磁学性质、光学性质，以及电磁、光电、 磁光等性能之间的转换特征。纳米物理学注重发掘纳米 科技在计算机、太阳能电池等领域的应用潜力，将对信 息技术以及能源技术等产生深远的影响。
• 纳米力学(Nanomechanics)：主要研究纳米尺度物体的力学 性质，是由经典力学、统计力学、固体物理学、材料科学与 量子化学相互交叉形成的应用型学科，已形成了纳米摩擦学 （Nanotribology）、纳米流体学（Nanofluidics）与纳机电 系统（NEMS，nanoelectromechanical systems）等分支，将 为纳米器件与纳米系统的设计与制造提供基础支持。
• Nanofabrication是一个使用频率更高的术语，在NNI计 划中被描述为功能性纳米结构或纳米部件的制作，属于 典型的纳米尺度范围的制造与加工，是多尺度纳米制造 中的“纳米环节”。
• 过去国内常把Nanofabrication译为纳米加工，但是与纳 米制造并没有明确的界定，从国家自然科学基金委员会 重大研究计划“纳米制造的基础研究”2009年重点支持 的5个领域来看，趋向于把二者统称为“纳米制造”。
1.2.2 纳米科技研究内容
• 纳米科技的研究内容概述： • （1）纳米科学：探索与发现物质在纳米尺度上所表现出
来的各种物理、化学与生物学现象及其内在规律，尤其是 原子、分子以及电子在纳米尺度范围的运动规律，为纳米 科技产品的研发提供理论指导。 • （2）纳米技术：主要包括纳米尺度物质的制备、复合、 加工、组装以及测试与表征，实现纳米材料、纳米器件与 纳米系统在原子、分子尺度上的可控制备，为纳米科技的 应用奠定基础。 • （3）纳米工程：包括纳米材料、纳米器件、纳米系统以 及纳米技术设备等纳米科技产品的设计、工艺、制造、装 配、修饰、控制、操纵与应用，推动纳米科技产品走向市 场、有效地服务于经济社会。
纳米尺度
• 按照对尺度范围的一般认定，纳米尺度范围应包含亚 纳米，即介于0.1 nm～100 nm之间。
• 现在一般认为纳米科技的尺度范围是1 nm～100 nm。 • 已发现尺度小于1nm的纳米材料：C60的直径为0.7nm、
最细的单壁碳纳米管的直径仅为0.33nm，所以也有一 些学者建议将纳米科技的尺度范围定义为0.1 nm～100 nm。 • NNI计划中认为纳米尺度范围约为1 nm～100 nm。
• 从此，纳米科技引起了全球学术界与产业界的广泛兴趣与 高度重视，形成了全球性的纳米科技研究热潮，标志着纳 米科技正式诞生。
1.2 纳米科技的内涵
• 1.2.1 纳米科技范畴 • 纳米科技（Nanotechnology）的基本特点：
具有比较明确的尺度特征。 • NNI计划中对Nanotechnology的定义：纳米
1.1 纳米科技兴起
• 1.1.1纳米科技的提出
• 纳米（nanometer，nm）：计量长度的单位；nano是希腊语中 “侏儒”的意思，在计量中表示10-9，纳米即10-9m。
• 纳秒（nanosecond） = 10-9秒 • 我国过去一般用毫微米来表示10-9m，反映了其长度单位的本质
特征，即千分之一微米（意译），在我国台湾则被译为奈米。 • 现在英文文献中常常直接用nano来表示纳米。
• 纳米化学(Nanochemistry)：主要研究纳米尺度范围的化 学过程及相关效应，重点是纳米材料、纳米结构以及纳 米体系的化学合成与修饰。基于原子、分子的自下而上 的合成方法是纳米化学关注的焦点，以分子自组装为代 表的纳米组装体系的设计与应用已成为研究的热点。
• 纳米材料学(Nanomaterials)：研究内容包括纳米材料的 成分/结构、合成/加工、性能以及使用效能等四个方面。
• 1nm大约是2～3个金属原子，或10个氢原子排列在一起的“宽 度”。一般病毒的直径约60～250nm，红血球的直径约6,000～ 8,000nm，头发丝的直径则约为30,000 ~50,000nm。
Small is different
• 纳米金属的电阻随尺寸的下降而增大，电阻温度系数下 降甚至变成负值；
1.2.3 纳米科技的发展前景
1. 纳米科技的研究意义 (1) 引发生产方式的变革
• 纳米科技将改变生产方式，导致生活方式变革，带领 我们进入崭新的21世纪。
• 钱学森(1991)：“我认为，纳米左右和纳米以下的结 构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命， 从而将在21世纪又是一次产业革命。”
纳米科技的提出
• 1974年，东京理科大学教授谷口纪男（Norio Taniguchi）率 先提出纳米技术（nanotechnology）一词，用来描述原子或 分子级别的精密机械加工。
• 1981年，IBM公司苏黎士实验室的Gerd Karl Binnig和 Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope，STM），使人类首次直接观察到原 子，为测量与操控原子、分子等技术奠定了基础，两人因此 与电子显微镜的发明者鲁斯卡（E. A. F. Ruska）分享了 1986年诺贝尔物理奖。在1985年, 宾尼和罗雷尔还与斯坦福 大学的奎特（C. F. Quate）教授合作推出了原子力显微镜 (Atomic Force Microscopy ，AFM) 。成为纳米尺度物质检 测的重要手段。
• 1985年，英国University of Sussex的Harold Walter Kroto与 美国Rice UniversityRichard Errett Smalley和Robert Floyd Curl合作，发现了由60个碳原子构成的足球状富勒烯 （fullerene）分子C60”（footballene，bucky-ball），三人 因此荣获1996年诺贝尔化学奖。
纳米材料基础与应用
There’s plenty of room at the
bottom
• 在1959年12月召开的美国物理学 会年会上，著名物理学家、诺贝 尔物理学奖得主理查德·费曼教授 做了一个著名的演讲——“底部还 有很大的空间（There’s plenty of room at the bottom）”，首次提 出可以在分子与原子的尺度上加 工与制造产品，甚至能够按照人 们的意愿逐个地排列原子与分子。 费曼在演讲中首次阐述了自下而 上（bottom-up）制备材料的思想， 即通过操纵原子、分子来构筑材 料，这是人类关于纳米科技最早 的梦想。
• 纳米结构是生命现象中的基本单元之一，比如牙釉质 是一种纳米陶瓷、骨骼是典型的无机/有机纳米复合材 料，神经系统的信息传递与反馈等过程属于纳米尺度 范围的控制与操纵，遗传基因序列原子级精确的自我 复制则属分子自组装范畴，而核糖体可视为按照基因 密码的指令来排列氨基酸顺序制造蛋白质分子的纳米 机器。