选修课：纳米科技科普教程素材

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？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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扫描范围1nm*1nm金团簇图像扫描范围1μm*1μm二、纳米微粒的特性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。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。1.表面效应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。二、纳米微粒的特性三、纳米科技的研究领域纳米材料纳米器件纳米结构的检测和表征纳米科技：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。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。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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。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:元素重量百分比%原子百分比%Al96.88898.550Co3.1111.449一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。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。1、生产与生活把透明疏油、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。四、纳米技术的应用及前景纳米陶瓷材料爱清洁的纳米材料纳米陶瓷材料，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”。2、医学与健康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。疾病检测指示剂：研究表明，矿物中药制成纳米粉末后，药效大幅度提高，并具有高吸收率、剂量小的特点；还可利用纳米粉末的强渗透性将矿物中药制成贴剂或含服剂，避开胃肠吸收时体液环境与药物反应引起不良反应或造成吸收不稳定；也可将难溶矿物中药制成针剂，提高吸收率。纳米矿物中药：无痛型微型针按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、按排材料，这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术是纳米科学的重要基础。放在指尖上的400支排列整齐的无痛型微型针3、微电子和计算机技术用纳米粉末制成的磁记录材料，可使磁带和软硬磁盘的记录密度提高数十倍，并能大幅度改善它们的保真性能。纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、可见光--红外线隐形材料和结构式隐形材料、手机辐射屏蔽材料。高性能磁记录材料吸波材料4、航天和航空纳米粉末具有极强的储能特性，将其作为添加剂加入燃料中可大大提高燃烧率。将一些纳米粉末添加到火箭的固体燃料推进剂中，可大幅度提高燃料的燃烧热、燃烧效率，改善燃稳定性。有研究表明，向火箭固体燃料中加入0.5%纳米铝粉或镍粉，可使燃烧效率提高10%-25%，燃烧速度加快数十倍。“太空电梯”的绳索如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。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。高效助燃剂：5、军事“麻雀”卫星美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，重量不足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纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。“蚊子”导弹由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。这是一种微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。“蚂蚁士兵”纳米科技目前取得的成果举例量子计算机—运算速度提高一亿倍纳米电缆—高密度集成器的连接导线纳米镊子—纳米机械的得力工具纳米医学—攻克疑难杂症的曙光1、物理方法：真空冷凝法，物理粉碎法，机械球磨法2、化学合成方法：气相沉积法，沉淀法，水热合成法，溶胶凝胶法，微乳液法五纳米材料的制备方法纳米科技的内涵真正的纳米技术必须具备两个条件,二者缺一不可：一是纳米尺寸；二是自然界里所没有的新物性。六、纳米科技的地位和发展现状人们公认影响21世纪的三大科技是：信息技术、生物技术和纳米技术。其中纳米技术又以其突出的交叉性和集成性，影响到信息技术和生物技术的发展，它们三者的交叉、综合将诞生集大成的纳米生物技术或纳米生物信息技术。在人们极大地提高了获取和处理社会信息的能力之后，便会转向对生命信息的探索。图7中交叉领域即纳米电子学、纳米生物技术等将是今后影响人类社会的制高点，因为它们关系到国家安全、公共卫生和人类的健康和长寿。图7三大高科技及其交叉领域美国：“70年代重视微米技术的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为新世纪的先进国家”从20世纪80年代开始，美国、日本每年斥资几亿美元于纳米科技的研发，我国每年投入近千万美元1995年，各国纳米科技的领先程度排名：日本、德国、美国、英国和北欧、中国和法国由于研究条件的限制，我国的研究工作只能集中在一些硬件条件要求不太高的领域，属世界首创的具有独立知识产权的成果还很少，在纳米产业方面，国内还处于起步阶段。国内外纳米科技的发展现状我们身边的纳米现象荷叶荷花为什么出污泥而不染？最近，科学家们揭开了奥秘：荷叶的表面上有许多微小的突起(图2)，突起的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个突起是由许多直径为200纳米左右的突起组成的。原来在“微米结构”上再迭加上“纳米结构”，就在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数“小山”，“小山”与“小山”之间的“山谷”非常窄，小的水滴只能在“山头”间跑来跑去，却休想钻到荷叶内部。于是荷花便有了疏水的性能。荷叶的表面微观结构（标尺：100微米）1.3用徽墨写出的毛笔字为什么光泽好？同学，你练习过写毛笔字吧？我国的汉字是至今通行的世界上最古老的文字。从甲骨文经过金文、大篆(zhuan)、小篆、草书、隶(li)书、楷书、行书发展到今天的汉字，已有3000多年的历史，在全世界还找不出第二种。汉字的优点之一是本身具有巨大的美感，是世界上能成为书法艺术品的最主要文字。用毛笔和黑墨创造书法艺术是我中华文化的一绝。电视剧《乾隆王朝》中，和珅让管家刘全用后写的假信换回了几年前向山东巡抚国泰通风报信的真书函，弄得国泰面对假信，虽有隐情却无法申辩，只好被砍头。乾隆暗示十格格，自已已从假信笔墨的新色彩识破了和珅的调包计。在这剧中，导演借乾隆之口向观众传送了一个知识：我国安徽省出产的著名徽墨能保持毛笔字有光泽且较长时间不褪色。制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱（注：音tai）。烟炱是什么？它就是烟凝结成的黑灰。制墨时所用的黑灰越细，墨的保色时间越长。徽墨用纳米级大小的松烟炱（即所谓‘精烟徽墨’）（见图4徽墨及图5墨字）和树胶及少量香料及水分制成，所以很名贵。图5王羲之《夜乱贴》（局部）图4徽墨―精烟墨从使用火开始，我们的祖先就同黑灰打交道了。从距今180万年前的山西芮城，170万年前的云南元谋，80万年前的陕西蓝田，60万年前的北京周口店山洞里，都发现了碳灰，而碳灰的尺度大大小小，其中就有纳米级大小的颗粒，甚至于在灰烬中已有今天才认识的碳纳米管和巴基球（C60）。我国的汉字青春常在，是否同我们祖先最早懂得使用火有必然的联系呢？少年成就未来未来取决科技作业：写一份与学