纳米技术与生活1

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纳米技术应用
1 、纳米技术在陶瓷领域方面的应用 2 、纳米技术在微电子学上的应用 3 、纳米技术在生物工程上的应用 4 、纳米技术在光电领域的应用 5 、纳米技术在化工领域的应用 6 、纳米技术在医学上的应用 7、纳米技术在其它方面的应用
纳 米 技 术 的 应 用
4. 纳米技术的应用
1) 在陶瓷领域的应用 随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此 来克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金属一样的柔韧性 和可加工性。许多专家认为,如能解决单相纳米陶瓷的烧 结过程中抑制晶粒长大的技术问题,则它将具有高硬度、 高韧性、低温超塑性、易加工等优点。
二战以后,纳米技术在理论上获得突破
纳米科技的发展
Richard P.Feynman,
nanotechnology
(Taniguchi)
STM
(G.Binnig & H.Rohrer)
1959
1974
1981
CNT discovered 1991
第一届国际纳米科学技术会 1990
1981
1981:宾尼西、罗雷尔世界上第一台扫描隧道显微 镜(简称STM),1986年获诺贝尔物理奖。
金属铬变成铬黑。) 金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l %,大约几微 米的厚度就能完全消光。
纳 2) 小尺寸效应 米 (2) 特殊的热学性质 材 固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后 料 却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例 如,银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点可低于100℃。 的 奇 异 (3) 特殊的磁学性质 特 鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、水中的趋磁细菌:存在超微的磁性 性 颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。
进一步认识纳米
细菌:几微米 人体细胞:10-50微米; (1毫米=1000微米; 1微米=1000纳米) 蛋白质、DNA、RNA、病毒:都在1~100nm的范 围 光合作用在“纳米车间” 进行 细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳 米机械”,细胞象一个“纳米工厂” 莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应” 纳米结构是生命现象中基本的东西
1纳米约10个氢原子并排起来的长度,相当于万分之一头发的粗细。 水分子0.5nm
纳米科技:在纳米尺度(1nm到l00nm之间)上研究物质
(包括原子,分子的操纵)的特性和相互作用,以及利
用这些特性的多学科交叉的科学和技术
纳米科技研究对象:纳米技术和纳米结构
纳米就在身边
古代“文房四宝”中的墨水----用 碳纳米微粒溶于水形成。 蜜蜂、海龟不迷路----体内用纳米 磁性微粒(相当于生物罗盘)。 人体的牙齿、骨骼都是有含钙的 羟基磷灰石(HAP).
扫 1993年:中科院北京真空物理实验室 描 隧 穿 显 微 镜
用扫描隧道显微镜的针尖将原子 一个个地排列成汉字, 汉字的大小只有几个纳米。
DNA
1991 ijirma:CNT
碳纳米管的质量是钢的六分之 一,强度是钢的100倍 用纳米碳管建成的地月载人电 梯构想图
基 本 概 念
什么是纳米材料
z
I Ue
C / As
—— 对表面间距异常敏感 通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征
C / As 扫 I Ue 描 隧 扫描隧道显微镜的两种工作模式: 穿 恒电流模式 恒高度模式 显 微 镜
STM特点: xy方向 0.2nm 在原子尺 具有原子级高分辨率 z 方向 0.005nm 度探测 在大气压下或真空中均能工作; 无损探测, 可获取物质表面的三维图像; 可进行表面结构研究, 实现表面纳米(10-9m) 级加工。
纳米激光器的微小尺寸可使光子限制在少数几个状态上
纳 米 技 术 的 应 用
5) 在化工领域的应用
化妆品
抗静电纸 导电涂料
纳米碳管反应器
奥运会:“鸟巢”顶棚铺上了一层特殊的纳 米防 护涂层,这个涂层可耐 700 摄氏度高温,
北京奥运会的奥运锦旗和 国旗:使用纳米防护液
纳 6) 在医学上的应用 米 纳米材料粒子可使药物在人体内的传输更为方便,用数 技 层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌 术 细胞或修补损伤组织。 的 使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能 应 通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 用
纳米科技与生活
2010年8月
内容提要
什么是纳米、纳米科技 纳米科技的起源 纳米材料的奇异特性 纳米技术的应用 理性对待纳米技术
纳米能吃吗?
纳米:长度单位; 1纳米(1nm)=10-9m. 即1纳米等于十亿分之一米


纳米是英文nanometre的音译;源自拉丁语“NANO”,意为“矮小”.
G.Binnig
H.Rohrer
Omicron 低温超高真空STM
IBM 位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室
表征和操纵纳米世界的利器:SPM
1. 扫描隧道显微镜(STM)
CSTM——9000型扫描隧道显微镜
扫 1) 工作原理 描 隧 穿 样品表面 电子云重叠,由于 显 探针表面 隧道效应逸出电子 微 镜 探针与样品间加电压 形成隧穿电流 U
分子计算机就是利用分子计算的能力进行信息的处理。凭借 着分子纳米级的尺寸,分子计算机的体积将剧减。此外,分 子计算机耗电可大大减少并能更长期地存储大量数据。
2008年,日本筑波大学材料科学研究所开发成功一种纳 米级计算机,这种计算机采用化学分子结构为模型,不 仅能同时在四个方向上接收和传送指令,还能进行分支 状连结,模拟人脑进行智能思考。
四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、 表面原子比例大 四大效应: 小尺寸效应、量子尺寸效应、宏 观量子隧道效应、表面效应 纳米材料特性取决于制备方法
纳 米 材 料 的 奇 异 特 性
3. 纳米材料的奇异特性 1) 表面效应
球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的 立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。 随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子 所占的百分数将会显著地增加。 直径大于 0.1微米的颗粒表 面效应可忽略不计,当颗粒尺寸小于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 平方米,这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大 块物体的表面是十分不同的。 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。
3. 纳米材料的奇异特性 2) 小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变,在一定的条件下会引起颗粒性 质的质变。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。
主要影响: 1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 2、宽频带强吸收性质 3、激子增强吸收现象 4、磁有序态向磁无序态的转变 5、超导相向正常相的转变 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力
纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。在纳 米量级(1~100nm)内调控物质结构制成的具有特异性能的新 材料。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它 将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、 力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不 同。
纳米材料的奇异特性
纳米级微电子元件 日本日立中心实验室利用半导体材料砷化 镍,率先开发新一代微电子元件。这些电子元 件呈细长的鬃状结晶形,粗仅20纳米,可使计 算机的计算速度、通讯用发光元件的效率数十、 数百倍地提高。
用纳米印刷技术形成的纳米柱结构
纳 米 技 术 的 应 用
4. 纳米技术的应用
3) 在生物工程上应用
纳 3) 量子尺寸效应 米 各种元素原子具有特定的光谱线。由无数的原子构成固体时, 材 单独原子的能级就并合成能带,由于电子数目很多,能带中能 料 级的间距很小,因此可以看作是连续的。 的 对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言,大块材料 奇 中连续的能带将分裂为分立的能级;能级间的间距随颗粒尺寸 异 减小而增大。吸收光谱阙值向短波方向移动(蓝移),这种现象 称为量子尺寸效应。 特 性
主要影响: 1、导体向绝缘体的转变 硅晶体是不发光的,但纳米硅却会发光 2、吸收光谱的兰移现象 3 、纳米材料的磁化率 4、纳米颗粒的发光现象 当温度为1K时, Ag纳米微粒粒径< 14nm时,Ag纳米微粒变为金属绝缘体。
纳 米 材 料 的 奇 异 特 性
4) 宏观量子隧道效应
电子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。
磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依 靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为0.002 微米的磁性氧化物颗粒。
纳 2) 小尺寸效应 米 (4) 特殊的力学性质 材 纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具良好的韧性。 料 美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。 的 研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸 奇 钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属 异 硬3~5倍。 特 室温下的纳米铜丝经过轧制,其长度可以从1cm延伸到 100cm,其厚度可以从1mm减小到0.01mm。 性
纳米科技的起源
1959年费曼在美国物理学会年会上发表了一 篇题为《在末端处有足够的空间》的讲演: “物理学的规律不排除一个原子一个原子地制 造物质的可能性”
“人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的 技术后,能按自己的愿望人工合成物质 的那一天也就为期不远了。 只要按化学家的要求把原子放在指定的 位置,所需的物质就制造出来了。”
纳 2) 小尺寸效应 米 材 随着颗粒尺寸的量变,在一定的条件下会引起颗粒性 料 质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变 的 化称为小尺寸效应。 奇 (1) 特殊的光学性质 异 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有 特 的富贵光泽而呈黑色(所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑 性 色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,
外墙用的建筑陶瓷材料则具有自清洁和防雾功能
纳 米 技 术 的 应 用
4. 纳米技术的应用
2) 在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按 照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处 理信息的能力,实现信息采集和处理能力的革命性突破,可 以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳 米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米 材料后,可以缩小成为"掌上电脑"。纳米电子学将成为下世 纪信息时代的核心
扫 2) 应用实例 描 隧 穿 显 微 镜
硅表面硅原子的排列
碘原子在铂晶体上的吸附
砷化镓表面砷原子 的排列
扫 描 隧 穿 显 微 镜
1990年,美国国际商用机器公司(IBM)阿尔 马登研究中心科学家,经22小时的操作,把35个 氙原子移动到位,组成IBM三个字母,加起来不 到3nm。
பைடு நூலகம்
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 3) 在生物工程上应用 技 术 的 应 用
DNA开关
纳 3) 在生物工程上应用 米 技 纳米镊子(朗讯公司&牛津大学) 术 碳纳米管“秤”:称量单个原子重量的“纳米 的 应 秤” 用 称量一个病毒的重量
4) 在光电领域的应用 纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在 光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器 件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上, 可使其能力提高10倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米 孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。
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