纳米技术的发展过程

S.Xie2001.5.16Nanotech1S.Xie2001.5.16Nanotech2提纲1.纳米技术的发展过程2.纳米技术的研究领域3.纳米技术前景的展望4.国内外纳米技术的发展状况S.Xie2001.5.16Nanotech31.纳米技术的发展过程纳米技术的定义目前人类研究的物质世界的最大尺度：1025米（～10亿光年）最小尺度：10－19米纳米(nm)：10－9米纳米技术：研究结构尺寸在1～100nm范围的物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。当物质小到10－9～10－7米时，由于量子效应和巨大的表面和界面效应，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子的新颖的物理、化学和生物学等特性。S.Xie2001.5.16Nanotech41.纳米技术的发展过程概念的提出与发展•1959.12.29诺贝尔物理奖得主R.Feyman在其演讲“There’splentyofroomatthebottom”中提出人类如能在原子/分子的尺度上加工材料，将有新的发现。那时，化学将成为根据人类的意愿逐个地准确放置原子的问题。•1974年TANIGUCHI最早使用nanotechnology一词描述精细机械加工。•70年代后期MIT的德雷克斯勒教授提倡纳米技术研究但多数主流科学家持怀疑态度。•80年代初STM和AFM等微观表征和操纵技术的发明和使用推动了纳米技术的快速发展。•1990.7第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际STM显微学会议同时在美国Baltimore举行。•Nanotechnology和Nanobiology国际专业刊物相继问世。S.Xie2001.5.16Nanotech51.纳米技术的发展过程纳米技术的科学意义•在宏观和微观的理论完善后，在介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，充满了原始创新的机会。纳米技术是多学科交叉融合，不能规为任何一门传统的学科领域，有可能取得创新性的突破，是新技术发展的源头。•人类认识领域新疆界的开拓。新理论、新发现建立的新观念将给社会带来观念上的变革。•为可持续发展理论提供物质与技术保证。产品的微型化、高性能化和与环境友好化将大大节约资源和能源，促进生态环境的改变。S.Xie2001.5.16Nanotech61.纳米技术的发展过程纳米技术将引发一场新的工业革命•2010年现在的微电子器件芯片的线宽将达到0.1～0.07nm，小于此尺寸，器件应按新原理设计。其性能将大大提高，这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。•生命科技也面临在纳米技术影响下的变革。纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，它将使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。S.Xie2001.5.16Nanotech72.纳米技术的研究领域纳米材料纳米动力学纳米生物学和纳米药物学纳米电子学S.Xie2001.5.16Nanotech82.纳米技术的研究领域纳米材料•“超微粒子”；制备与表征•得到纳米尺度的结构，可控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容、颜色等，而不改变物质的化学成分。如陶瓷可硬度更高又不脆裂…•以新原理和新结构可构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料－－生物材料和仿生材料。S.Xie2001.5.16Nanotech92.纳米技术的研究领域纳米动力学（nanodynamics)•主要是微机械和微电机，或总称MEMS;MOEMS•用于微型传感器和执行器，光纤通信系统，无线通信，医疗和诊断仪器等。•检测准原子尺度的微变形和微摩擦。S.Xie2001.5.16Nanotech102.纳米技术的研究领域纳米生物学和纳米药物学•如在SiO2表面的插指形电极做生物分子间的互作用实验；磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。•用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料。•新药物，微米尺寸的细粉约有半数不溶于水，但如粒子为纳米尺寸，则可融于水。S.Xie2001.5.16Nanotech112.纳米技术的研究领域纳米电子学（Nanoelectronics）•纳米电子/光电子器件•纳米结构的光/电特性•纳米电子材料的表征，原子操纵和原子组装等。纳米器件：达到更小、更快、更冷包括共振隧道器件，量子级联激光器，量子阱激光器，量子干涉器件等S.Xie2001.5.16Nanotech123.纳米技术前景的展望材料和制备微电子和计算机技术环境和能源医学与健康生物技术航空航天国家安全S.Xie2001.5.16Nanotech133.纳米技术前景的展望材料和制备•在纳米尺度上通过精确控制尺寸和成分来合成材料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点。•实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。微电子和计算机技术•纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，存储器容量提高1000倍；研制集成纳米传感器系统。S.Xie2001.5.16Nanotech143.纳米技术前景的展望环境和能源•环境处理技术；纳孔材料（孔径~1nm），有序纳孔材料和纳米膜材料（孔径~10～100nm）用来消除水和空气中的污染。•绿色能源；如成倍提高太阳能电池的能量转换效率。医学与健康•新药物在人体内传输更方便，用纳米粒子包裹的智能药物可在体内主动搜索和攻击癌细胞或修补损伤组织。•可防止人工器官的排斥反应，研制耐用的与人体友好的人工组织、器官复明、复聪器件。•疾病早期诊断的纳米传感器系统。S.Xie2001.5.16Nanotech153.纳米技术前景的展望生物技术•在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其它功能。•生物仿生化学药品，生物可降解材料。•动植物的基因改善和治疗•测定DNA的基因芯片等S.Xie2001.5.16Nanotech163.纳米技术前景的展望航空航天•增加有效载荷，成指数倍地降低耗能。•低能耗、抗辐照的高性能计算机及其它测控电子设备•抗热障、耐磨损的纳米涂层材料•微型航天器、“纳卫星”等国家安全•纳米电子器件在信息控制方面应用：提高预警、导弹拦截的快速反应能力。•纳米机械学和微小机器人的应用：提高部队的灵活性和增加战斗的有效性。•纳米材料使武器装备的耐腐蚀性、吸波性和隐蔽增强。S.Xie2001.5.16Nanotech174.国内外纳米技术的发展状况发达国家在纳米技术领域的部署发达国家在纳米技术领域的发展水平国内纳米技术的发展状况S.Xie2001.5.16Nanotech184.国内外纳米技术的发展状况发达国家在纳米技术领域的部署美国：2001年1月21日，克林顿总统宣布了国家纳米技术倡议NNI，NationalNanotechnologyInitiative，并在2001财年中增加26亿美元，其中4.95亿给NNI。美国政府认为，今天的纳米技术就如同50年代的晶体管，其科研和产业化将促进美国经济的持续发展。增强国家科技竞争力，节约资源和能源，纳米技术是开发未来微型武器的技术基础，是国防工业的未来。－－LeadingtotheNextIndustrialRevolution•参加机构：NSF,DOD,DOE,NIH,NASA,DOCNIST•协调机构：IWGN（TheInteragencyWorkingGrouponNanosience,EngineeringandTechnology）•优先支持5个方面：基础研究，创新性应用研究，成立10个纳米研究中心基础和网络；基础设施；人才培训及纳米技术可能引起的伦理、法律和社会问题的研究。S.Xie2001.5.16Nanotech194.国内外纳米技术的发展状况发达国家在纳米技术领域的部署德国：拟建立或改组6个政府与企业联合的研发中心，并启动国家级研究计划。法国：最近将投资8亿法郎建立有6万平米、拥有3500人的微米/纳米技术发明中心。配备最先进的仪器设备，扶植建立创新企业和申请专利。日本：80年代初投巨资，91年设施了为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究计划。目前，每年2亿美元推动新的研究中心建设和国家级研究计划。英国：制定了包括机械、光学、电子学等领域的8个项目的纳米技术研究计划。S.Xie2001.5.16Nanotech204.国内外纳米技术的发展状况发达国家在纳米技术领域的发展水平•美国在合成、化学品和生物方面领先。•日本纳米器件和复合纳米结构方面占优势。•德国在纳米材料、纳米测量技术和超薄膜研发有很强优势。•欧洲在纳米分散剂，涂层和新型仪器占优。当前纳米技术的基本特征•已达到一个高度竞争和具有很大推动力的水平，有不平常的高度和波及各方面的挑战。•科技部门必须明确知道纳米技术的作用和贡献。•向纳米技术的研发的投资对社会的回报将是巨大的，而且有战略上的重要性。S.Xie2001.5.16Nanotech214.国内外纳米技术的发展状况国内纳米技术的发展状况•有较深的认识•“八五”“九五”中科技部，自然科学基金，中科院等在“攀登计划”“973”计划等立项重点、重大项目。已投约700万美元。•有一支精干的研究队伍，中科院有关研究所，北大、清华、中国科技大学、南京大学、复旦大学等。•在纳米碳管、纳米材料的若干领域有很好的成果。集中在纳米材料的合成、扫描探针显微学、分子电子学等硬件要求不高的一些领域，与国际水平总体上有较大差距，尤其是在纳米器件上。中科院金属所的纳米铜，晶粒30nm，是常规铜的几十万分之一，表现了室温下的超塑延展性。变形50多倍而无裂纹…•有可能赶上，目前涉及纳米科技的企业有100多家。S.Xie2001.5.16Nanotech224.国内外纳米技术的发展状况克林顿总统：“我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技术倡议，即在原子和分子水平上操纵物质的能力，价值为5亿美元。试想一下这些可能性：材料将10倍于钢而重量只有其数分之一；国会图书馆内所有的信息可以压缩到一块方糖那样尺寸的器件之中；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们的目标可能需要20年或更长的时间才能达到，但这恰恰是为什么联邦政府要再此起重要作用的原因。”S.Xie2001.5.16AdvanceinOptoelectronics谢谢！Thankyou!