纳米技术及应用

1纳米科技时代2一、纳米技术的由来和发展1959年12月，在美国物理学会年会上，著名物理学家、诺贝尔物理奖得主理查德·费曼教授作了一次非常著名的讲演，题目叫做“自底层构造的丰富结构”。其中有一段话是这样说的：“我认为，物理学的原理并不排斥有一个一个的安排原子来制造东西。这样做，并不违反任何定理，因而在原则上是可以实现的。它在实践中迄今未实现是因为我们太大了。”他还说：“如果我们能按照自己的愿望一个一个的安排原子，将会出现什么……这些物质将有什么性质？这是十分有趣的理论问题。虽然我不能精确回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺度上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质。”现在，理查德·费曼的演讲已被看作是纳米科技基本概念的起源，有人甚至将纳米科技形象的称为“费曼之梦”。31982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，美国IBM公司在镍表面用35个氙原子组成了一个“IBM”图案。4一年之后，他们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。51991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。61993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。71997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。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”。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。8到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额已达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关相关战略或者计划，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，把纳米技术列如新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；美国将纳米技术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。9现在，纳米技术的发展使新的学科领域不断涌现：（1）纳米物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（5）纳米电子学；（7）纳米力学；（8）纳米及电系统；（6）纳米加工学；（4）纳米生物学；…………10二、纳米材料概述几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。mnm9101过渡区--纳米世界以原子、分子为主体------微观世界人类活动的-----宏观世界-----介观世界2、纳米材料是介于微观与宏观之间1、什么是纳米材料纳米（nm）：纳米材料（0.1~100nm）：11三、纳米材料的特性纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。121、表面效应用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为2*10-3微米）进行电视摄像，观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。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。132、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）特殊的光学性质当黄金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，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，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。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元件、红外隐身技术等。14（2）特殊的热学性质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，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0．1～1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。15（3）特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。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。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硬3～5倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。163、量子尺寸效应金属纳米晶粒的能级间距为：NEf34费米势能微粒中的原子数宏观物体：N0电子处于连续变化的能带上，光谱为连续光谱。纳米晶粒：N较小有确定值电子处于分离的能级上，光谱为线状光谱。纳米晶粒能级间间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。174、宏观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。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。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，该粒子仍能穿越这势垒。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。18四、纳米材料的分类纳米材料根据三维空间违背纳米尺度约束的自由度计，可分为：零维：纳米粉末（纳米颗粒、纳米粒子）一维：纳米纤维（纳米丝、那米线、纳米棒、纳米管）二维：纳米薄膜（纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米润滑膜）三维：纳米块体材料（将纳米粉末高压成型或烧结或控制金属液体结晶而得到的）19MorphologiesofZnOnanomarerials20212223241、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。五、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”。252、医学与健康纳米粒子微细结构使其对环境中的化学或物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：26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273、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284、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：295、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。30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”