第六章-纳米材料(概念特性与应用)

1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出, 可以从模拟活细胞的 生物分子的人工类似物 ---分子装置开始研究, 并称之为纳米科技。他 70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。
第一届国际纳米科学技术会议(International conference on nano science and technology) 1990年7月，美国巴尔的摩
纳米直升机
如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组 合，制造纳米机械就容易多了。
美国朗讯科技公司和英国牛津大学的 科学家用DNA(脱氧核糖核酸)制造出 了一种纳米级的镊子，每条臂长只有 7nm 。利用DNA基本元件碱基的配对 机制，可以用DNA为“燃料”控制这 种镊子反复开合。利用它将可以制造 出分子大小的电子电路，使未来的计 算机体积更小，运算速度更快。
纳米陶瓷
具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非 常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几 个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质： 它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导 电性十分怪异.
不同结构碳纳米管的导电性可能呈 现良导体、半导体、甚至绝缘体。 因此它也许能成为纳米级印刷电路 的材料。碳纳米管可能做成纳米开 关，或者做成极细的针头用于给细 胞“打针”等等。
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。
--- Richard P.Feynman,1959
Taniguchi
Eric Drexler
1974年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术(Nanotechnology) 一词描述精细机械加工;
第六章 纳米材料
6.1 纳米科技及纳米材料 6.2 纳米材料的特性及应用 6.3 纳米材料的制备
6.1 纳米科技及纳米材料
纳米概念的提出、建立与发展
1959年，R. P. Feynman发表有关纳米科技的著名演讲 1962年，日本物理学家 Kubo, 建立 Kubo 理论 1974年，日本物理学家 Taniguchi 提出纳米技术（Nanotechnology）
什么是纳米材料(nanomaterial)?
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 (10-9～10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料 。
什么是纳米结构(nanostructure)？
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构 筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。
碳纳米管
太空升降机 由于碳纳米管
的强度高、重量轻，如果把它 做成“太空电梯”缆绳，使缆 绳的长度是从同步轨道卫星下 垂到地面的距离，它也完全可 以经得住自身的重量。到那个 时候，人类到太空旅行将是一 件轻而易举的事情。如果用它 做成地球-月球乘人的电梯，人 们在月球定居就很容易了。
纳米壁挂电视 用纳米有机发
ATP 酶 (adenosinetriphosphatase) 可 催 化
ATP水解生成ADP及无机磷的反应，这
一反应放出大量能量，以供生物体进行
生命过程
ATP酶（分子马达）
美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一 种可以进入人体细胞的纳米机电设备--“纳米直升机”。其中的 生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得 金属推进器的运转速率达到每秒8圈，利用这个能量它们可以在 人的细胞内“飞翔”和“着陆”。这种技术仍处于研制初期， 它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞 内发放药物等医疗任务。
100 m
Take 1 slice
Human Hair
100 slices
Take 1 slice
1nm 1000 slices
1 m
红血球：200-300nm
细菌： 200-600nm
胃幽门 螺杆菌
病毒： 30-100nm
纳米粒子与病毒大小相当
如何区分纳米和伪纳米？
目前市场上炒作的“纳米”主要指纳米材料。
光材料制作的电视屏幕可以象 一幅图画一样卷起来带走。纳 米有机发光材料的特点是材料 既具有柔性，同时可以在电场 的作用下发出各种颜色的光。 用碳纳米管制成电子枪,可点 亮新一代平面显示屏。
纳米固体燃料 实验发现
纳米铜和铝一遇到空气就会 激烈燃烧，发生爆炸，可以 作为未来的固体燃料使火箭 具有更大的推动力。
什么是纳米科技(Nano-ST)？
制造和研究纳米尺度(10-9 ～10-7m)的器件和材料的科学技术。 • 创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料 • 设计、制备各种纳米器件和装置 • 探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关系和机理
纳米科技主要包括:
这7个分支是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它 贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做的工作 有一半以上。应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定 性的作用，因此在纳米科技时代，纳米电子学也将继续对人类社会的发展 起更大的作用。因此在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米 电子学的研究，特别是利用扫描隧道电子显微镜(STM)的相关技术进行超 高密度信息存储的研究。
Earth 1.2 x 107 m
什么是纳米(nanometer)？
• In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。
人高
针头
红血球
分子及DNA
100万 纳米
1千 纳米
20亿 纳米
1 纳米
氢原子 0.1 纳米
一纳米有多小？
Human Hair
科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到 几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与 颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使 得材料的性质发生了意想不到的变化。
陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性， 工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发 动机的理想材料。陶瓷材料在通常情况下 呈脆性； 由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好 的韧性。因为纳米材料具有较大的界面， 界面的原子排列是相当混乱的，原子在外 力变形的条件下很容易迁移，因此表现出 甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更 高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞 得更高。
“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。
当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微 米和亚微米的量级, 电子器件的集成度越来越高， 已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电 子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件 已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是 面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地里， 新的发现，新的成果不断涌现。
“Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.”
- Richard Feynman(1959)
Physics Nobel Laureate
人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器, 而这较小的机器可以制作更小 的机器, 这样一步步达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意 愿排列原子, 制造产品。那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原 子的问题。
衡量纳米材料的两把尺子：
① 颗粒粒径是否介于1个纳米到100个纳米之间的，均匀度怎么样； ② 是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、 量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而 出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而纳米铜则是电的绝缘体； 硅是半导体，而纳米硅则是良导体；陶瓷易碎，而纳米陶瓷既刚又韧，可 以用来制作发动机零件；而纳米纤维既不沾水又不沾油。
纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应 制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳 米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件,在单电子器 件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制， 这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管, 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的 1000-10000分之一。
匪夷所百度文库的DNA镊子
纳米机械产品
• 用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、 微型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝； • 只有蜜蜂大小且能升空的直升机，眼睛几乎看不见的发 动机； • 提供化工使用的火柴盒大小的反应器； • 驰骋未来战场上的纳米武器，如麻雀卫星、蚂蚁士兵、 蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草等。
纳米科技的提出：一个神奇的梦想
人物：Richard. P. Feynman (1965年Nobel物理奖得主)
时间：1959年12月25日
地点：美国加州理工学院
There is a plenty of rooms at the bottom
“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”
什么是纳米科学(nanoscience)？
在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。
什么是纳米技术(nanotechnology)？
在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米 技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质 的技术。
纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器 件技术的发展具有重要影响。纳米技术，就是要做到，从小 到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是 什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上 解决了环保问题。
两种不同的分子在分子之间力 的作用下在溶液中自组装的情 形。由于纳米尺寸非常之小， 纳米机械必须具有自组装、自 我复制等功能。
分子自组装
纳米齿轮
由碳纳米管制作的纳米齿轮
模型，纳米齿轮上的原子清
晰可见。
分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳 米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌 球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分 裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿 微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。
纳米存储器，存储密度可达 每平方厘米10万亿字节。
基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了 利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的 表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示 二进制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的 信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原 子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！
的概念 1981年，德国物理学家 H. Gleiter 提出固体纳米结构（Nanostructure
of Solid）的概念 1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩） 纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学 2000年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系
纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有
效吸收红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的 反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了 隐身作用。
美国F117隐形轰炸机机
美国B2隐形轰炸机
车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成 浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子 来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳 米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米 电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。