选修课：纳米科技科普教程

四、纳米技术的应用及前景
1、生产与生活 爱清洁的纳米材料
把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻
璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而 永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘， 省去不少洗衣的麻烦。
纳米陶瓷材料
纳米陶瓷材料，具有化学性质稳定、韧性好、耐磨性好、 硬度高及密度小等优点。用纳米陶瓷材料可制得“摔不碎的酒 杯”或“摔不碎的碗”。
原子力显微镜（AFM）是SPM最重要的发展。
扫描电子显微镜
AFM（原子力显微镜）的针尖图像
Co-Al2O3颗粒膜的透射电子显微 镜TEM照片
扫描电子显微镜分 析的玻璃基Co-Al2O3
分析结果 : 重量百 原子百 分比% 分比% 96.888 98.550 3.111 1.449
元素 Al Co
在纳米科技中纳米又有着另一个含意：纳米是一种 思考方式，即人们探索自然、制造产品要向着更小、 更精细和更高效的层次发展，即从微米层次向着纳 米层次发展。
纳米结构的图像
高序石墨原子图像
金团簇图像 扫描范围1μm*1μm
扫描范围1nm*1nm
二、纳米微粒的特性
1. 表面效应
随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说
尺度的探索方面进入到一个全新的领域。

与纳米材料和结构的制备过程相结合，以及与 纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测 技术受到广泛重视 。
扫描探针显微镜
由于这类显微镜都是用探针通过扫描系统来获
取图像，因此统称为扫描探针显微镜（SPM）
目前有扫描隧道显微镜STM，原子力显微镜
（AFM）、近场光学显微镜（NSOM）、激光力 显微镜（LFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力 显微镜（SPFM）等二十多个品种。
超微颗粒的小尺寸效应还表现在 超导电性、介电性能、声 学特性，以及化学性能 等方面 。
三、纳米科技的研究领域
纳米科技：在纳米尺度内研究物质的特征 和相互作用，并用这些特性制造具有特定 功能的产品的高新科技
纳米材料 纳米器件
纳米结构的检测和表征
1. 纳米材料

纳米材料指材料的显微结构至少在一个维度上尺寸 小于100nm，并且具有某些特殊功能的材料。
1993年，继“ＩＢＭ”之后，中国科学院北京 真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国” 二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占 有一席之地。
1991年，碳纳米管被 人类发现，碳纳米管是石 墨中一层或若干层碳原子 卷曲而成的笼状“纤维”， 内部是空的，外部直径只 有几到几十纳米。这样的 材料很轻，但很结实。它 的密度是钢的1/6，而强 度却是钢的100倍。成为 纳米技术的研究热点。
二、纳米微粒的特性
2. 小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理
性质的变化称为小尺寸效应。 （1）特殊的光学性质：金属在超微颗粒状态呈现为黑色， 对光的反射率极低，因此可以制成高效率的太阳能器件、还 可应用于红外隐身科技。 （2）特殊的热学性质：超细微化后熔点将显著降低 （3）特殊的磁学性质：磁性超微颗粒是一个生物磁罗盘 应用：磁盘、磁带、磁卡以及磁性钥匙、磁性液体等 （4）特殊的力学性质：纳米陶瓷材料具有良好的韧性
明表面原子所占的百分数将会显著地增加。 当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧 增长，甚至 1克超微颗粒表面积的总和可高达 100米2，这时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面具有很高的活性，极不稳定，很 容易与其他原子结合，从而产生一些新的效应。 比如空气中金属超微颗粒会迅速氧化燃烧。利用 表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效 催化剂和贮气材料以及低熔点材料。
走进神奇的纳米世界
--先进制造之纳米 ---
主讲人：小殷
荷叶荷花为什么出污泥而不染？
你知道为什么荷叶上的水珠可以自由的滚动而不粘 在叶面上吗？ 你知道为什么古代珍贵的“徽墨”可以经久不褪色 吗？ 黄金一定是黄色而白金（即铂金）一定是白色的吗？ 你知道颗粒很小的金属粉末放在空气中会自然吗？ 洗衣服很麻烦，现代科技能不能制出不会脏的衣服 呢？ 有时候我们真的希望自己能够隐身，真的有隐身衣 吗？它是用什么材料制成的呢？ 在电器商场，售货员在介绍产品时经常会说他们的 产品用的是纳米材料，质量过硬，到底什么是纳米材 料呢？

未来所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷 的特点。

科学家还希望通过对纳米生物学的研究，制造生物分 子器件。

目前，科学家在纳米生物传感器、生物分子计算机、
纳米马达等方面做了重要的尝试
3. 纳米结构的检测和表征
பைடு நூலகம்
扫描探针显微镜（SPM）被形象地称为纳米科
技的“眼”和“手” 。标志着人们在对微观
一些纳米结构的图像
纳米薄膜三维图像
DNA分子三维图像
一些纳米结构的图像
金光栅图像 每格1μm*1μm
一种螺旋结构
一些纳米结构的图像
一种新型纳米材料
1990年，美国IBM公司在镍表面用 35个氙原子组成了一个“IBM”图案。
1991年，美国IBM公司用一氧
化碳分子在镍表面上构造了一
个大头娃娃的分子人，分子人 从头到脚仅有5nm高度。
2、医学与健康
疾病检测指示剂：
纳米粒子微细结构使其对环境中的化学或物理指标的变化 极为敏感，因此可对人体内的病原体作出早预测，如，当肿瘤 只有几个细胞大小时就可以将其检测出来，加以根除。
纳米科技科普内容
一、纳米的概念
二、纳米材料的特点
三、纳米材料的研究领域
四、纳米技术的应用及前景
五、纳米材料的制备方法
六、各国对纳米科技的地位和发展现状
一、纳米的概念
1nm
= 10-9m ，相当于头发粗细的万分之一，1nm的 物体放到乒乓球上，就像乒乓球放在地球上一般。 由几个或几百个原子组成或粒径小于1nm的原子集 合体称为“原子簇”或“团簇”（cluster） 通常 所说的纳米尺度在1-100nm之间

纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、
纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。

纳米材料呈现如下的客观物理、化学特性：
低熔点、高比热容、高热膨胀系数； 高反应活性，高扩散率； 高强度、高韧性、高塑性； 奇特磁性； 极强的吸波性。
2. 纳米器件

从纳米材料出发，或者利用纳米加工科技,制造出具有 特殊功能的产品，即纳米器件。