纳米科技简介
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（1） 特殊的光学性质 ： 当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有
的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态 都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，由此可见，金属纳米 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。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电 等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此 外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等。
• 相当于人发直径的1/10万。形象地讲，一纳米的物 体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般 。这就是纳米长度的概念。
• 它很可能成为本世纪的主导技术。美国科学技术委 员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业 革命的核心。
2021/3/15
纳米科技
定义：
纳米科技是指在纳米尺度(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。
2021/3/15
纳米材料及其性质
合成的纳米线TEM图片
2021/3/15
纳米陶瓷技术
纳米弹簧
纳Βιβλιοθήκη Baidu材料及其性质
①表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所 占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。表 面原子数的增加导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随 纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称 为表面效应。
100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
Grain size (nm)
粒径在10 nm以下，将迅速增加 表面原子的比例。当粒径降到 1nm时，表面原子数比例达到约 90%以上，原子几乎全部集中到 纳米粒子的表面。
2021/3/15
纳米金属颗粒可做 固体火箭燃料
纳米材料及其性质
②小尺寸效应
2021/3/15
纳米科技发展历程
• 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言 ，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人 类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最 早的梦想。
• 20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的 构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述 精密机械加工。
• 1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可 称量十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不 久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。
2021/3/15
1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、 绘出中国轮廓图。
纳米轴承
2021/3/15
纳米存储器
纳米齿轮
纳米材料及其性质
纳米科技简介
纳米科技进展
1
纳米科技
2
纳米材料及其特性
3
纳米科技应用
4
纳米科技带来的负面影响
2021/3/15
纳米科技
➢ 在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米， 说明了我们对这个世界认知的粗浅。
➢ 以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类 认知推向毫米层次。
➢ 第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代， 毫米不够用了，毫米的千分之一———微米诞生了。
➢ 随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，只有进 入另一个层次———纳米层次，才会有更大的突破。
➢ 我国著名科学家钱学森曾指出，纳米左右和纳米以下的结构 是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而 将引起21世纪又一次产业革命。
2021/3/15
纳米科技
纳米
• 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒 的尺度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）；
纳米材料，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子 ，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通 常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典 型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的 介观系统。
它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道 效应，库仑阻塞效应。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。
当物质小到1-100nm(10-9–10-7m)时，其量子效应、物 质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生 质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原 于的奇异现象。
纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米 尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具
有特定功能的产品。
• 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微 镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产 生了积极的促进作用。
• 1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会
议，并正式创办了《纳米技术》杂志，标志着纳米科学的诞 生。
2021/3/15
纳米科技发展历程
• 1991年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之 一，强度却是钢的十倍。
• 1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、 德国、美国夏威夷、瑞典举行。
• 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯 坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面 用36个氙原子排出“IBM”之后，中科院物理所操纵原子成功 写出“中国”二字。
• 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用 这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现有计算 机提高成千上万倍的量子计算机。
2021/3/15
纳米科技
性质：
纳米技术是一个崭新的高科技学科群，它包 含纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米 机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学 等，是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴 科学技术。 随着纳米科技的发展，人们越来越 认识到，纳米科技在诸多领域有着良好的应用前 景，它将对人类产生深远的影响。
从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境 与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米 材料具有极高的表面活性，易与其它原子结合。纳米颗粒表 现出来的高催化活性和高反应性。
2021/3/15
①表面效应
The number ratio of surface to total atom (%)
的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态 都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，由此可见，金属纳米 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。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电 等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此 外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等。
• 相当于人发直径的1/10万。形象地讲，一纳米的物 体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般 。这就是纳米长度的概念。
• 它很可能成为本世纪的主导技术。美国科学技术委 员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业 革命的核心。
2021/3/15
纳米科技
定义：
纳米科技是指在纳米尺度(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。
2021/3/15
纳米材料及其性质
合成的纳米线TEM图片
2021/3/15
纳米陶瓷技术
纳米弹簧
纳Βιβλιοθήκη Baidu材料及其性质
①表面效应
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所 占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。表 面原子数的增加导致了性质的急剧变化。这种表面原子数随 纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称 为表面效应。
100 80 60 40 20 0 0
10
20
30
40
50
Grain size (nm)
粒径在10 nm以下，将迅速增加 表面原子的比例。当粒径降到 1nm时，表面原子数比例达到约 90%以上，原子几乎全部集中到 纳米粒子的表面。
2021/3/15
纳米金属颗粒可做 固体火箭燃料
纳米材料及其性质
②小尺寸效应
2021/3/15
纳米科技发展历程
• 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言 ，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人 类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最 早的梦想。
• 20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的 构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述 精密机械加工。
• 1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可 称量十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不 久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。
2021/3/15
1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、 绘出中国轮廓图。
纳米轴承
2021/3/15
纳米存储器
纳米齿轮
纳米材料及其性质
纳米科技简介
纳米科技进展
1
纳米科技
2
纳米材料及其特性
3
纳米科技应用
4
纳米科技带来的负面影响
2021/3/15
纳米科技
➢ 在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米， 说明了我们对这个世界认知的粗浅。
➢ 以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类 认知推向毫米层次。
➢ 第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代， 毫米不够用了，毫米的千分之一———微米诞生了。
➢ 随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，只有进 入另一个层次———纳米层次，才会有更大的突破。
➢ 我国著名科学家钱学森曾指出，纳米左右和纳米以下的结构 是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而 将引起21世纪又一次产业革命。
2021/3/15
纳米科技
纳米
• 1nm=10-9m，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒 的尺度一般定义为10-7—10-10m内（0.1—100nm）；
纳米材料，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子 ，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通 常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典 型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的 介观系统。
它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道 效应，库仑阻塞效应。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。
当物质小到1-100nm(10-9–10-7m)时，其量子效应、物 质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生 质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原 于的奇异现象。
纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米 尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具
有特定功能的产品。
• 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微 镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产 生了积极的促进作用。
• 1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会
议，并正式创办了《纳米技术》杂志，标志着纳米科学的诞 生。
2021/3/15
纳米科技发展历程
• 1991年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之 一，强度却是钢的十倍。
• 1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、 德国、美国夏威夷、瑞典举行。
• 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯 坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面 用36个氙原子排出“IBM”之后，中科院物理所操纵原子成功 写出“中国”二字。
• 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用 这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现有计算 机提高成千上万倍的量子计算机。
2021/3/15
纳米科技
性质：
纳米技术是一个崭新的高科技学科群，它包 含纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米 机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学 等，是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴 科学技术。 随着纳米科技的发展，人们越来越 认识到，纳米科技在诸多领域有着良好的应用前 景，它将对人类产生深远的影响。
从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境 与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米 材料具有极高的表面活性，易与其它原子结合。纳米颗粒表 现出来的高催化活性和高反应性。
2021/3/15
①表面效应
The number ratio of surface to total atom (%)