纳米科学与技术简介
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How big (small) are we talking about?
•10 centimeters
Understanding Size
•1 centimeter
Understanding Size
100 micrometers
Understanding Size
10 micrometers
• 这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇 尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。
• 介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介 观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。（导 体与绝缘体的转变，磁性变化、纳米碳管导电 性等）。
• 从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系 统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微 米体系。 • 纳米体系和团簇就从这种介观范围独立出来， 形成一个单独的领域（狭义的介观领域）。
• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 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100纳米大小。 • 在纳米级别，一些传统的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。 • 但同时科学家们也有一些担忧，这些新材料的 产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这 些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。
• 新华网洛杉矶 2007 年 2 月 18 日电：在旧金山举 行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术 专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首 先保证其安全性。 • • 根据科尔文公布的动物试验数据，小于 100 纳 米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神 经系统 , 从而影响大脑和神经系统的正常运转。
• 介观领域：
• 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年 来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女 地”。三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的 崭新的物理性能。
• 1959 年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾 预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加 以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范 围”。
纳米材料学 Nano-materials Science
王菲菲 物理学院
参考书：
1、纳米技术与纳米材料，张志焜、崔作林著， 国防工业出版社，2000 2、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学出 版社，2001 3、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出版 社，2003 4、Nanoscale Science and Technology, Robert W. Kelsall，John Wiley & Sons Ltd, 2005 5、国外著名杂志：Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotech., Angew. Chim. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Letters
Hale Waihona Puke Baidu
How small is 1 nanometer?
Human Hair 100 m Take 1 slice 100 slices
Take 1 slice
Human Hair
1nm 1000 slices 1 m
一纳米有多小？
从宏观世界到微观世界
跳蚤 头发 红细胞 病毒
Pt/TiO2 催化剂
Understanding Size
• • • • •
难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。 熟悉内容: 了解纳米科学技术发展史。 了解发展纳米科技的意义。 纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。
• 主要英文词汇: • Mesostructure, Macrostructure, Nanostructure, Nanotechnology; nanomaterial, Nanostructure, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.
• 常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。 • 一个直径为3 nm的原子团包含大约900个 原子，几乎是英文里一个句点的百万分 之一，这个比例相当于一条300多米长的 帆船跟整个地球的比例。
• • • •
4.纳米材料的分类(Classification of nanostructures) amorphous, singlecrystalline or polycrystalline 按结构(维度the number of dimensions）分为5类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—尺寸为纳米级 (100 nm)以下的颗粒状物质。 • Systems confined in three dimensions • Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots
• 第一章 纳米科学技术简介 • 第二章 纳米结构单元 • 第三章 纳米材料的检测分析技术 • 第四章 纳米科学的基本理论
• 第五章 纳米微粒的结构与物理化学特性
• 第六章 纳米材料的制备方法
• 第一章纳米科学技术简介
• 教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历 史、进展和趋势。 • 重点内容： • 1、掌握基本概念 • 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米陶 瓷、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组 装体系、自上而下、自下而上 。 • 2、纳米材料与传统材料的差别。 • 3、纳米科技的分类。 • 4、纳米科技的前沿动态。
• HRTEM image • of magnetic iron oxide nanoparticle
• (2) 1 维材料 — 线径为 1—100 nm 的纤维 (管 )。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes. • (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司2005调查报告:
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 10 亿美元，各州又另外投入了4亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 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 5 亿美元，到2003年就增长到35亿美元。
§1.1 纳米科学技术简介 Nanoscale science & technology
• 人类对客观世界的认识分为两个层次： • 一是宏观领域，二是微观领域。 • 宏观领域是指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； • 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无 限的领域。 • 基本粒子：电子、质子、中子等；亚粒子：夸 克。
一、纳米科学技术的基本概念和内涵
• 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。 1 nm=10(-9) m=10 埃。 • 头 发 直 径 ： 50-100 m, 1 nm 相 当 于 头 发 的 1/50000。 • 氢原子的直径为 1埃，所以1纳米等于10个氢原 子一个一个排起来的长度。 • Nanotechnology is the term used to cover the design, construction and utilization of functional structures with at least one characteristic dimension measured in nanometers.
• (摘自：科技日报 2005-01-27)
• ―纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研 究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米 科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米 科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府 所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要 等上数十年时间。 • 报告中，既充满希望又对目前的形势比较谨慎。 • 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物 质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害， 对这方面研究的资金投入明显不够。
• • • •
(5) 纳米孔材料（孔径为纳米级）。 MCM-41; SAB-16; Nanoporous silicon; Activated carbons
• 3.纳米材料(nanomaterials)的定义:
• 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以 下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三 维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或 由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材 料。 “功能”概念，即“量子尺寸效应”。
• The objects may display physical attributes substantially different from those displayed by either atoms or bulk materials.
Understanding Size
1 micrometer
Understanding Size
100 nanometers
Understanding Size
10 nanometers
Understanding Size
•1 nanometer
• 1. 纳米科学技术(Nano-ST): • 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科 技，是研究在千万分之一米 (10–7) 到十亿分之 一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的 运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对 原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为 纳米技术。 • • 2. 纳米科技的主要研究内容: • 创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳 米器件和装臵、探测和分析纳米区域的性质和 现象。（基础，目标，前提）
• 评估报告中提出安全研究资金拨款不足问题， 得到了布什总统的国家科技理事会专家小组的 响应。一些专家表示，每年对纳米科技安全领 域的研究的拨款不足 4000万美元，这一拨款额 度确实太小。同时专家在报告中还表示，每个 机构的科学家都选择有自己独立的项目，缺乏 一个中心方向。 • 国际科学基金会负责人阿尔丁 · 贝曼特表示， “我要说的是，纳米科技研究这一领域错综复 杂，我认为不可能有谁或哪个小型机构的研究 人员能够足够聪明，确定所有存在的风险，确 定研究的优先事项以及制定出所谓的研究策 略。”
• 报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技， 纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可 能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说， 应该像对计算机和通信技术的早期投资一样， 这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示 出其对社会的深远影响的。 • 但报告中也警示，目前对纳米科技研究的投资 也出现一些问题，如政府对于纳米技术研究的 投资缺乏必要的分类和投资的连贯性，而且对 于投入的资金所产生的回报也缺乏一个明确的 评估管理体系。
• 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术 划分为6个分支学科 • （1）纳米电子学、 • （2）纳米物理学、 • （3）纳米化学、 • （4）纳米生物学、 • （5）纳米加工学、 • （6）纳米计量学。 • 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理 论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内 容。
• (4) 体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。 Interfacial properties • a nanocrystalline solid consisting of nanometresized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.
•10 centimeters
Understanding Size
•1 centimeter
Understanding Size
100 micrometers
Understanding Size
10 micrometers
• 这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇 尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。
• 介观领域中产生以相干量子输运现象为主的介 观物理，成为当今凝聚态物理学的热点。（导 体与绝缘体的转变，磁性变化、纳米碳管导电 性等）。
• 从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系 统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微 米体系。 • 纳米体系和团簇就从这种介观范围独立出来， 形成一个单独的领域（狭义的介观领域）。
• 纳米科技研究涉及一系列快速发展的设备和工 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100纳米大小。 • 在纳米级别，一些传统的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。 • 但同时科学家们也有一些担忧，这些新材料的 产生也可能带来新的安全威胁，科学家们对这 些新威胁可能要经过数十年才能完全了解。
• 新华网洛杉矶 2007 年 2 月 18 日电：在旧金山举 行的美国科学促进协会年会上，美国纳米技术 专家科尔文提出，开发和应用纳米技术必须首 先保证其安全性。 • • 根据科尔文公布的动物试验数据，小于 100 纳 米的物质进入动物体内后会侵入大脑和中枢神 经系统 , 从而影响大脑和神经系统的正常运转。
• 介观领域：
• 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年 来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女 地”。三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的 崭新的物理性能。
• 1959 年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾 预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加 以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范 围”。
纳米材料学 Nano-materials Science
王菲菲 物理学院
参考书：
1、纳米技术与纳米材料，张志焜、崔作林著， 国防工业出版社，2000 2、纳米材料与纳米结构，张立德等著，科学出 版社，2001 3、纳米材料和器件，朱静等著，清华大学出版 社，2003 4、Nanoscale Science and Technology, Robert W. Kelsall，John Wiley & Sons Ltd, 2005 5、国外著名杂志：Science, Nature, Nat. Mater., Nat. Nanotech., Angew. Chim. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Nano Letters
Hale Waihona Puke Baidu
How small is 1 nanometer?
Human Hair 100 m Take 1 slice 100 slices
Take 1 slice
Human Hair
1nm 1000 slices 1 m
一纳米有多小？
从宏观世界到微观世界
跳蚤 头发 红细胞 病毒
Pt/TiO2 催化剂
Understanding Size
• • • • •
难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。 熟悉内容: 了解纳米科学技术发展史。 了解发展纳米科技的意义。 纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。
• 主要英文词汇: • Mesostructure, Macrostructure, Nanostructure, Nanotechnology; nanomaterial, Nanostructure, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.
• 常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。 • 一个直径为3 nm的原子团包含大约900个 原子，几乎是英文里一个句点的百万分 之一，这个比例相当于一条300多米长的 帆船跟整个地球的比例。
• • • •
4.纳米材料的分类(Classification of nanostructures) amorphous, singlecrystalline or polycrystalline 按结构(维度the number of dimensions）分为5类： (1) 0维材料quasi-zero dimensional—尺寸为纳米级 (100 nm)以下的颗粒状物质。 • Systems confined in three dimensions • Fullerenes， Colloidal particles • Semiconductor quantum dots
• 第一章 纳米科学技术简介 • 第二章 纳米结构单元 • 第三章 纳米材料的检测分析技术 • 第四章 纳米科学的基本理论
• 第五章 纳米微粒的结构与物理化学特性
• 第六章 纳米材料的制备方法
• 第一章纳米科学技术简介
• 教学目的：了解纳米科技的基本内涵、发展历 史、进展和趋势。 • 重点内容： • 1、掌握基本概念 • 介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米陶 瓷、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组 装体系、自上而下、自下而上 。 • 2、纳米材料与传统材料的差别。 • 3、纳米科技的分类。 • 4、纳米科技的前沿动态。
• HRTEM image • of magnetic iron oxide nanoparticle
• (2) 1 维材料 — 线径为 1—100 nm 的纤维 (管 )。 • Systems confined in two dimensions • Include nanowires, nanorods, nanofilaments and nanotubes. • (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 • Systems confined in one dimension. • include discs or platelets, ultrathin films on a surface and multilayered materials.
• 绪论 (Introduction)
• 美国卢克斯研究公司2005调查报告:
• 2004年美国联邦政府在纳米技术领域投入了 10 亿美元，各州又另外投入了4亿美元。 • 迄今只有很少一些纳米技术产品走向市场，也 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 5 亿美元，到2003年就增长到35亿美元。
§1.1 纳米科学技术简介 Nanoscale science & technology
• 人类对客观世界的认识分为两个层次： • 一是宏观领域，二是微观领域。 • 宏观领域是指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； • 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无 限的领域。 • 基本粒子：电子、质子、中子等；亚粒子：夸 克。
一、纳米科学技术的基本概念和内涵
• 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。 1 nm=10(-9) m=10 埃。 • 头 发 直 径 ： 50-100 m, 1 nm 相 当 于 头 发 的 1/50000。 • 氢原子的直径为 1埃，所以1纳米等于10个氢原 子一个一个排起来的长度。 • Nanotechnology is the term used to cover the design, construction and utilization of functional structures with at least one characteristic dimension measured in nanometers.
• (摘自：科技日报 2005-01-27)
• ―纽约时报”2006年9月26日报道，美国国家研 究委员会在向国会提交的有关美国“国家纳米 科技计划”的一份评估报告中表示，美国纳米 科技研究继续在国际上保持领先，但要使政府 所投入的高达数十亿美元的资金成效显著还要 等上数十年时间。 • 报告中，既充满希望又对目前的形势比较谨慎。 • 但评估报告中也提出警告，处理纳米级别的物 质可能会对我们的健康和环境产生潜在的危害， 对这方面研究的资金投入明显不够。
• • • •
(5) 纳米孔材料（孔径为纳米级）。 MCM-41; SAB-16; Nanoporous silicon; Activated carbons
• 3.纳米材料(nanomaterials)的定义:
• 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以 下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三 维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或 由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材 料。 “功能”概念，即“量子尺寸效应”。
• The objects may display physical attributes substantially different from those displayed by either atoms or bulk materials.
Understanding Size
1 micrometer
Understanding Size
100 nanometers
Understanding Size
10 nanometers
Understanding Size
•1 nanometer
• 1. 纳米科学技术(Nano-ST): • 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科 技，是研究在千万分之一米 (10–7) 到十亿分之 一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的 运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对 原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为 纳米技术。 • • 2. 纳米科技的主要研究内容: • 创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳 米器件和装臵、探测和分析纳米区域的性质和 现象。（基础，目标，前提）
• 评估报告中提出安全研究资金拨款不足问题， 得到了布什总统的国家科技理事会专家小组的 响应。一些专家表示，每年对纳米科技安全领 域的研究的拨款不足 4000万美元，这一拨款额 度确实太小。同时专家在报告中还表示，每个 机构的科学家都选择有自己独立的项目，缺乏 一个中心方向。 • 国际科学基金会负责人阿尔丁 · 贝曼特表示， “我要说的是，纳米科技研究这一领域错综复 杂，我认为不可能有谁或哪个小型机构的研究 人员能够足够聪明，确定所有存在的风险，确 定研究的优先事项以及制定出所谓的研究策 略。”
• 报告中表示，由于纳米科技属于一项基础科技， 纳米技术的进步使得其它一些科技创新成为可 能，对纳米科技研究的投资，从逻辑上来说， 应该像对计算机和通信技术的早期投资一样， 这两项科技也是在早期投资20到40年后才显示 出其对社会的深远影响的。 • 但报告中也警示，目前对纳米科技研究的投资 也出现一些问题，如政府对于纳米技术研究的 投资缺乏必要的分类和投资的连贯性，而且对 于投入的资金所产生的回报也缺乏一个明确的 评估管理体系。
• 1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术 划分为6个分支学科 • （1）纳米电子学、 • （2）纳米物理学、 • （3）纳米化学、 • （4）纳米生物学、 • （5）纳米加工学、 • （6）纳米计量学。 • 其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理 论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内 容。
• (4) 体相纳米材料（由纳米材料组装而成）。 Interfacial properties • a nanocrystalline solid consisting of nanometresized crystalline grains each in a specific crystallographic orientation.