第一章-纳米材料与技术-绪论
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• 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 different
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。
• 纳米科技与生物学的结合有望达到逼真的纳米仿生， 实现组织再生、人造蛋白等人工控制的“生物制造”， 以及基于生物大分子的纳米机器与纳米系统。
• 纳米医学(Nanomedicine)：利用纳米科技解决医学问题的边 缘交叉学科，与纳米生物学有许多重叠的领域，其研究内容 十分广泛，涉及纳米药物，纳米医用材料，药物、基因、蛋 白质以及多肽的传递与靶向释放，纳米生物传感器，芯片实 验室（lab-on-a-chip），医用纳米机器人，医学成像以及纳 米毒理学等诸多领域，将给疾病的诊断、监测、治疗以及防 治带来革命性的变化，并有望实现细胞修复、以及电脑与神 经的对接等。
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。
• 纳米粒子可以穿越细胞壁，纳米药物进入细胞后便于生 物降解或吸收，将显著提高治疗效果，同时可以减少药 物用量、降低药物的毒副作用；
• 美国IBM公司首席科学家Armstrong说：“正像20世纪 70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技 术将成为下一世纪信息时代的核心。
(2) 引发认知的革命 • 纳米科技标志着人类认识自然达到了一个新层次，其纳
米尺寸效应使人们认识自然的水平更深入。 • 纳米科技体现了由量变到结构改变再到质变的新的飞跃。 • 纳米科技正在改变哲学上的观念和界限。
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。
• 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
• 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”。
• 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。
• 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。
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UnΒιβλιοθήκη Baiduversity 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。
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。
• 1988年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg分别独立发现了纳米结构多层膜的巨磁电阻效 应，2人因此分享了2007年诺贝尔物理奖。
• 1990年7月，在美国巴尔的摩举办了第一届国际纳米科技 会议，同年英国物理学会开始出版发行第一种专门的纳米 科技类杂志——《Nanotechnology》。
• 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)。
• 1986年，美国人K. Eric Drexler受费曼演讲的启发，对纳 米科技的概念进行了深入的探究与广泛的引伸，首次系统 地阐述了纳米科技的重大意义与美好的前景，出版了第一 部有关纳米科技的书籍《 Engines of Creation ：The Coming Era of Nanotechnology 》。
• 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。
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。
• 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。
Small is different
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。
• 纳米科技与生物学的结合有望达到逼真的纳米仿生， 实现组织再生、人造蛋白等人工控制的“生物制造”， 以及基于生物大分子的纳米机器与纳米系统。
• 纳米医学(Nanomedicine)：利用纳米科技解决医学问题的边 缘交叉学科，与纳米生物学有许多重叠的领域，其研究内容 十分广泛，涉及纳米药物，纳米医用材料，药物、基因、蛋 白质以及多肽的传递与靶向释放，纳米生物传感器，芯片实 验室（lab-on-a-chip），医用纳米机器人，医学成像以及纳 米毒理学等诸多领域，将给疾病的诊断、监测、治疗以及防 治带来革命性的变化，并有望实现细胞修复、以及电脑与神 经的对接等。
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。
• 纳米粒子可以穿越细胞壁，纳米药物进入细胞后便于生 物降解或吸收，将显著提高治疗效果，同时可以减少药 物用量、降低药物的毒副作用；
• 美国IBM公司首席科学家Armstrong说：“正像20世纪 70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技 术将成为下一世纪信息时代的核心。
(2) 引发认知的革命 • 纳米科技标志着人类认识自然达到了一个新层次，其纳
米尺寸效应使人们认识自然的水平更深入。 • 纳米科技体现了由量变到结构改变再到质变的新的飞跃。 • 纳米科技正在改变哲学上的观念和界限。
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。
• 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
• 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”。
• 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。
• 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。
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UnΒιβλιοθήκη Baiduversity 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。
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。
• 1988年，法国科学家Albert Fert和德国科学家Peter Grünberg分别独立发现了纳米结构多层膜的巨磁电阻效 应，2人因此分享了2007年诺贝尔物理奖。
• 1990年7月，在美国巴尔的摩举办了第一届国际纳米科技 会议，同年英国物理学会开始出版发行第一种专门的纳米 科技类杂志——《Nanotechnology》。
• 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)。
• 1986年，美国人K. Eric Drexler受费曼演讲的启发，对纳 米科技的概念进行了深入的探究与广泛的引伸，首次系统 地阐述了纳米科技的重大意义与美好的前景，出版了第一 部有关纳米科技的书籍《 Engines of Creation ：The Coming Era of Nanotechnology 》。
• 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。
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。
• 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。