第六章纳米科技宋启徨

LOGO走进纳米世界主讲：代伟浙师大化学与生命科学学院什么是纳米？什么是纳米科技？InGreek,“nano”meansdwarfReallyreallyreallysmall!!!1nanometer(nm)=10-9mNanoscalegenerallyreferstothesizescaleof1–100nm.一、纳米和纳米科技的概念什么是纳米？纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米纳米结构？纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。纳米技术？是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。即研究100纳米到1纳米范围内物质所具有的特异现象和特异功能，并在此基础上制造新材料，研究新工艺的方法与手段。一纳米有多大？AndromedaGalaxy1022mSun1.4x109mEarth1.2x107mSolarSystem1.2x1013mSingapore4.2x104mby2.3x104mMountEverestHeight8.9x103mRafflesCityHeight2.8x102mApatosaurusLength2.1x101m莱佛士城~3.3mRabbit(Length)~3x10-1mRedBloodCell7x10-6mby10x10-6mVirus(Length)~9x10-7mCarbonAtomCarbonAtomCarbonAtomCarbonAtomCarbon-CarbonBondLength~1.5x10-10mAtom~10-10mNucleus~10-14mCrosssectionofhumanhair~10x10-5mCdSeNanocrystal~3x10-9mHousefly~7.5x10–3mm1000slicesTake1slice1nmHumanHairHumanHair一纳米有多大？什么是纳米科技？•制备优异性能的纳米材料•设计、制备各种纳米器件和装置•探测分析纳米区域的性质和现象transistor1947integratedcircuit‘chip’19592001:100milliontransistorsperchip二.纳米科技概念的提出与发展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。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。---RichardP.Feynman,1959“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”-RichardFeynman(1959)PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!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。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具（扫描隧道显微镜），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。扫描隧道显微镜(STM)1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛·宾尼(G.Binnig)和罗·海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)”简称STM。应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为80年代世界十大科技成就之一。的工作原理将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成“隧道电流”，这种效应就是隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描的结构STM主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。——核心的部件是探头。——电子反馈系统用于产生隧道电流及维持隧道电流的恒定，并控制针尖在样品表面进行扫描。——计算机系统控制全部系统的运转，收集和存贮所获得的图像，并对原始图象进行处理，最后对在图象显示终端显示出的图象拍摄照片。CSTM-9000例：移动铁原子1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字“原子”。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，标志我国在纳米科技领域占有一席之地。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。天梯——碳纳米管绳梯古人曾经幻想，顺着天梯就可以上天了。他们认为，沿着昆仑山顶峰上的大树向上爬，爬到树顶就能进入天庭，这棵树就是上天的天梯。从地面修造一架天梯达到几万千米高的卫星，底部必须是直径358千米粗的柱子，才能支撑得住，才不会被自己的重量压弯，这样的天梯，其底座相当于江苏省的面积那么大。天梯——碳纳米管绳梯建设天梯（20世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬上爬下。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贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—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，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。纳米科技的科学意义1）可制造一种材料，其强度为钢几倍，而重量仅为钢几分之一。2）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。3）可以检测出几个癌细胞。-------克林顿纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术.------克林顿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，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命.------钱学森三、纳米材料的奇异性能纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。小尺寸效应量子效应表面效应界面效应比例（%）表面原子数相对总原子数01020304050纳米粒子由于粒径小，比表面积大，表面原子占有率高，表面活性高.一般规律:10nm，表面原子占有率20%1nm，表面原子占有率99%小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定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。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质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。量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。势垒在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样隧道效应假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，由于电子在空间的运动呈现波性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电