納米材料基礎(chǔ)第1章納米科技及納米材料緒論納米材料基礎(chǔ)第1章納米科技及納米材料緒論一二請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容整體概述三請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容一二請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容整體概述三請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)納米科技簡(jiǎn)史掌握納米的概念，了解納米科技的形成過(guò)程掃描隧道顯微鏡、富勒烯、巨磁阻效應(yīng)納米科技在世界各國(guó)的發(fā)展概況了解世界主要經(jīng)濟(jì)體的納米科技發(fā)展規(guī)劃美國(guó)NNI計(jì)劃、中國(guó)《納米科技發(fā)展綱要》納米科技的范疇掌握納米尺度、納米科技的基本概念納米尺度、宏觀領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域、納米科技納米科技的研究?jī)?nèi)容理解納米科技主要分支學(xué)科的基本特征納米科學(xué)、納米技術(shù)、納米工程、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米力學(xué)、納米制造納米科技的發(fā)展前景了解納米科技主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景納米科技對(duì)生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、國(guó)防、能源環(huán)境、食品等領(lǐng)域的影響納米材料的定義掌握納米材料的基本概念納米結(jié)構(gòu)單元、納米材料納米材料的發(fā)展歷史了解納米材料科學(xué)與工程的發(fā)展概況納米材料學(xué)、納米材料工程、納米材料發(fā)展的3個(gè)階段納米材料的分類掌握納米材料按維度分類的方法零維、一維、二維、三維納米材料納米材料的研究現(xiàn)狀了解現(xiàn)在納米材料的研究重點(diǎn)納米材料的特性與應(yīng)用了解納米尺度對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生的影響及其應(yīng)用納米尺度的基本物理、化學(xué)效應(yīng)納米材料的安全性了解納米材料的潛在生物毒性及應(yīng)對(duì)方法納米毒理學(xué)、世界主要國(guó)家的納米安全研究計(jì)劃3【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)納米科技簡(jiǎn)史掌握納米There’splentyofroomatthebottom在1959年12月召開的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼教授做了一個(gè)著名的演講——“底部還有很大的空間（There’splentyofroomatthebottom）”，首次提出可以在分子與原子的尺度上加工與制造產(chǎn)品，甚至能夠按照人們的意愿逐個(gè)地排列原子與分子。費(fèi)曼在演講中首次闡述了自下而上（bottom-up）制備材料的思想，即通過(guò)操縱原子、分子來(lái)構(gòu)筑材料，這是人類關(guān)于納米科技最早的夢(mèng)想。4納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用There’splentyofroomattheThere’splentyofroomatthebottom經(jīng)典片段：——Whycannotwewritetheentire24volumesoftheEncyclopediaBritannicaontheheadofapin?——Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsonebyonethewaywewantthem?——Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.5納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用There’splentyofroomatthe1.1納米科技興起1.1.1納米科技的提出納米（nanometer，nm）：計(jì)量長(zhǎng)度的單位；nano是希臘語(yǔ)中“侏儒”的意思，在計(jì)量中表示10-9，納米即10-9m。納秒（nanosecond）=10-9秒我國(guó)過(guò)去一般用毫微米來(lái)表示10-9m，反映了其長(zhǎng)度單位的本質(zhì)特征，即千分之一微米（意譯），但現(xiàn)在普遍采用的是更加簡(jiǎn)潔的納米（音譯），在我國(guó)臺(tái)灣則被譯為奈米。隨著納米科技的研究日益廣泛，現(xiàn)在英文文獻(xiàn)中常常直接用nano來(lái)表示納米。1nm大約是2～3個(gè)金屬原子，或10個(gè)氫原子排列在一起的“寬度”。一般病毒的直徑約60～250nm，紅血球的直徑約6,000～8,000nm，頭發(fā)絲的直徑則約為30,000~50,000nm。

6納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1納米科技興起1.1.1納米科技的提出6納米材料基礎(chǔ)與納米金屬的電阻隨尺寸的下降而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至變成負(fù)值；本是絕緣體的氧化物達(dá)到納米尺度時(shí)，電阻反而下降；10～25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當(dāng)顆粒尺寸小于l0nm時(shí)矯頑力變?yōu)榱?，表現(xiàn)為超順磁性；納米氧化物和氮化物在低頻下，介電常數(shù)增大幾倍，甚至增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)為極大的增強(qiáng)效應(yīng)；納米氧化物材料對(duì)紅外、微波有良好的吸收特性；硅的尺寸達(dá)到納米級(jí)(6nm)時(shí)，在靠近可見光范圍內(nèi)，就有較強(qiáng)的光致發(fā)光現(xiàn)象；多孔硅發(fā)光；在納米氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯中觀察到常規(guī)材料根本看不到的發(fā)光現(xiàn)象。Smallisdifferent

7納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米金屬的電阻隨尺寸的下降而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至變成負(fù)Smallisdifferent8納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用Smallisdifferent8納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用SiSubstrateMetalGateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbonNanotubeFET50nm35nm30nmSiGeS/DStrainedSiliconFutureoptionssubjecttoresearch&changeSiGeS/DStrainedSilicon

90nm 65nm 45nm 32nm 2003 2005 2007 2009 2011+ TechnologyGenerationSource:Intel20nm10nm5nmNanowireManufacturingDevelopmentResearchTransistorResearchResearchOptions:High-K&MetalGateNon-planarTrigateIII-V,CNT,NW9納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用SiSubstrateMetalGateHigh-kTr納米科技的提出1974年，東京理科大學(xué)教授谷口紀(jì)男（NorioTaniguchi）率先提出納米技術(shù)（nanotechnology）一詞，用來(lái)描述原子或分子級(jí)別的精密機(jī)械加工。

1981年，IBM公司蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的GerdKarlBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM），使人類首次直接觀察到原子，為測(cè)量與操控原子、分子等技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，兩人因此與電子顯微鏡的發(fā)明者魯斯卡（E.A.F.Ruska）分享了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。在1985年,賓尼和羅雷爾還與斯坦福大學(xué)的奎特（C.F.Quate）教授合作推出了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy，AFM)。掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscopy，SPM)已成為微區(qū)分析領(lǐng)域的主流設(shè)備之一，成為納米尺度物質(zhì)檢測(cè)的重要手段。1985年，英國(guó)UniversityofSussex的HaroldWalterKroto與美國(guó)RiceUniversityRichardErrettSmalley和RobertFloydCurl合作，發(fā)現(xiàn)了金剛石和石墨之外的第三種穩(wěn)定碳單質(zhì)——由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀富勒烯（fullerene）分子C60”（footballene，bucky-ball），三人因此榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在得到足球狀C60的同時(shí)，還可以得到橄欖球狀的C70，后來(lái)又相繼發(fā)現(xiàn)了Ｃ76、Ｃ84、Ｃ90、Ｃ94等多種有限純碳分子，在自然科學(xué)界引起了強(qiáng)烈的反響。10納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米科技的提出1974年，東京理科大學(xué)教授谷口紀(jì)男（Nori1986年，美國(guó)人K.EricDrexler受費(fèi)曼演講的啟發(fā)，對(duì)納米科技的概念進(jìn)行了深入的探究與廣泛的引伸，首次系統(tǒng)地闡述了納米科技的重大意義與美好的前景，出版了第一部有關(guān)納米科技的書籍《EnginesofCreation：TheComingEraofNanotechnology》。1988年，法國(guó)科學(xué)家AlbertFert和德國(guó)科學(xué)家PeterGrünberg分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)，2人因此分享了2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1990年7月，在美國(guó)巴爾的摩舉辦了第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議，同年英國(guó)物理學(xué)會(huì)開始出版發(fā)行第一種專門的納米科技類雜志——《Nanotechnology》。從此，納米科技引起了全球?qū)W術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛興趣與高度重視，形成了全球性的納米科技研究熱潮，標(biāo)志著納米科技正式誕生。11納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1986年，美國(guó)人K.EricDrexler受費(fèi)曼演講的STM操縱原子構(gòu)成的圖案左上：35個(gè)氙原子組成的“IBM”；左下：48個(gè)鐵原子圍成的柵欄，電子在柵欄里面形成的駐波清晰可見；右：101個(gè)鐵原子組成的漢字“原子”12納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用STM操縱原子構(gòu)成的圖案12納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1.2世界各國(guó)的發(fā)展情況1990年，美國(guó)IBM公司的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子的操縱，用STM移動(dòng)35個(gè)氙原子拼成了“IBM”三個(gè)字母；而美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室推出了一個(gè)只有跳蚤大小但“五臟俱全”的納米機(jī)器人。1991年，日本NEC公司的科學(xué)家飯島澄男（SumioIijima）發(fā)現(xiàn)了碳納米管，單壁碳納米管的密度只有鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍；IBM公司則成功操縱CO分子排列出一個(gè)卡通人的圖形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子的操縱。1992年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米鈷粒子鑲嵌在銅膜中構(gòu)成的顆粒膜具有巨磁電阻效應(yīng)；中國(guó)科學(xué)院真空物理實(shí)驗(yàn)室采用STM在硅單晶表面搬遷原子，形成“中國(guó)”的漢字圖案；日本日立制作所研制成功了可在室溫下工作的單電子存儲(chǔ)器，可在極微小的晶粒中封入一個(gè)電子用來(lái)存儲(chǔ)信息。13納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1.2世界各國(guó)的發(fā)展情況1990年，美國(guó)IBM公司的1993年，IBM公司用STM操縱鐵原子，用48個(gè)鐵原子在銅表面組裝成了一座“鐵原子?xùn)艡凇?，柵欄的半徑僅7nm左右，銅表面的電子就像關(guān)在柵欄里的羊群一樣逃不出去，形成電子駐波。1994年，美國(guó)開始著手研制“麻雀衛(wèi)星”、“蚊子導(dǎo)彈”、“蒼蠅飛機(jī)”以及“螞蟻士兵”等，納米技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域逐漸顯現(xiàn)威力。1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。14納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1993年，IBM公司用STM操縱鐵原子，用48個(gè)鐵原子在銅為了在21世紀(jì)繼續(xù)保持美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位并保障美國(guó)的國(guó)家安全，2000年1月21日，美國(guó)總統(tǒng)克林頓在加州理工學(xué)院正式宣布NationalNanotechnologyInitiative（NNI計(jì)劃），整合美國(guó)各相關(guān)機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)對(duì)納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)研發(fā)工作的協(xié)調(diào)，將納米科技視為下一次工業(yè)革命的核心，認(rèn)為納米科技將對(duì)二十一世紀(jì)早期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響。該計(jì)劃于2000年11月得到美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)。美國(guó)政府在2001財(cái)政年度對(duì)納米科技的投資比上年猛增近1倍，達(dá)到4.97億美元。日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等主要發(fā)達(dá)國(guó)家以及歐盟分別出臺(tái)了各自的納米計(jì)劃，韓國(guó)政府2001~2003年間相繼制定了《促進(jìn)納米科技10年計(jì)劃》、《促進(jìn)納米技術(shù)開發(fā)法》與《納米技術(shù)開發(fā)實(shí)施規(guī)則》；我國(guó)臺(tái)灣自1999年開始也相繼制定了《納米材料尖端研究計(jì)劃》與《納米科技研究計(jì)劃》。俄羅斯、加拿大、澳大利亞、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰國(guó)、埃及、土耳其等國(guó)家也對(duì)納米科技發(fā)展進(jìn)行了部署，全球總計(jì)已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)制定了戰(zhàn)略性的納米科技計(jì)劃。15納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用為了在21世紀(jì)繼續(xù)保持美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位并保障美國(guó)的國(guó)家我國(guó)的納米科技計(jì)劃我國(guó)先后成立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會(huì)；2001年7月發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要(2001～2010)》：“有所為、有所不為，總體跟進(jìn)、重點(diǎn)突破”近期目標(biāo)以納米材料及其應(yīng)用為主，中、長(zhǎng)期目標(biāo)瞄準(zhǔn)納米生物和醫(yī)療技術(shù)、納米電子學(xué)和納米器件。希望在納米科學(xué)前沿取得重大進(jìn)展，在納米技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉綜合和持續(xù)創(chuàng)新能力的納米科技骨干隊(duì)伍。在納米科技基礎(chǔ)建設(shè)方面，要建立具有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展公用平臺(tái)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、納米科技信息網(wǎng)絡(luò)和科研開發(fā)網(wǎng)絡(luò)，形成若干各具特色的、具有國(guó)際一流水平的納米科技創(chuàng)新基地，構(gòu)筑國(guó)家納米科技研究與開發(fā)創(chuàng)新體系。注重自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、市場(chǎng)需求，講究多學(xué)科交叉融合以及科技創(chuàng)新與體制創(chuàng)新相結(jié)合，以期大幅度提高納米科技創(chuàng)新能力，促進(jìn)納米科技成果實(shí)用化或產(chǎn)業(yè)化，造就一批具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的納米高科技骨干企業(yè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，使我國(guó)在納米科技領(lǐng)域的整體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，并在若干方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。16納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用我國(guó)的納米科技計(jì)劃我國(guó)先后成立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、全球在納米科技研究、開發(fā)和商業(yè)化方面的投資近年來(lái)一直呈持續(xù)、高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2007年全球投入納米科技領(lǐng)域的資金已達(dá)到了139億美元，其中美國(guó)、歐洲、日本的份額大致相同。美國(guó)NNI計(jì)劃在2009財(cái)政年度的投入已達(dá)到16.576億美元；日本作為開展納米科技研究最早的國(guó)家，其政府將納米科技視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵，在資金投入上僅次于美國(guó)；歐盟堅(jiān)信納米科技作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，對(duì)于促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。歐盟將納米科技列入其科研框架計(jì)劃的優(yōu)先主題領(lǐng)域，并不斷追加經(jīng)費(fèi)預(yù)算，在第六科研框架計(jì)劃中對(duì)納米科技的投入為13億歐元，而在第七框架計(jì)劃（2007～2013年）中增加到34.75億歐元。德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等歐盟國(guó)家各自對(duì)納米科技也投入了大量資金，其投入總和已超過(guò)了歐盟。從世界各國(guó)對(duì)納米科技的投入來(lái)看，在公共投入方面，美國(guó)與歐洲的基本相當(dāng)，日本第三，而在企業(yè)投入方面，美國(guó)第一、日本次之、歐洲第三。俄羅斯憑借其強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究實(shí)力，計(jì)劃在2007年~2010年撥款80億美元發(fā)展納米科技，并且成立了俄羅斯國(guó)家納米科技公司（Rusnano），計(jì)劃到2015年將向其累計(jì)投入約110億美元的巨額資金。17納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用全球在納米科技研究、開發(fā)和商業(yè)化方面的投資近年來(lái)一直呈持續(xù)、1.2納米科技的內(nèi)涵1.2.1納米科技范疇長(zhǎng)期關(guān)注的兩個(gè)領(lǐng)域：1）宏觀領(lǐng)域，其下限一般為肉眼通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡可以直接觀察的最小尺度，即亞微米級(jí)，向上則延伸到天體、星系直到浩瀚無(wú)垠的宇宙，從尺度上看是有下限而沒(méi)有上限，遵循牛頓力學(xué)定律是宏觀領(lǐng)域的基本特征；2）微觀領(lǐng)域，其上限為單個(gè)的分子、原子，向下則為各種基本粒子，有上限而沒(méi)有下限，在微觀領(lǐng)域起主要作用的是量子力學(xué)規(guī)律。納米領(lǐng)域：介于宏觀領(lǐng)域與微觀領(lǐng)域之間，屬于費(fèi)曼所預(yù)言的還有很大空間的“底部”。18納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.2納米科技的內(nèi)涵1.2.1納米科技范疇18納米材料基納米科技（Nanotechnology）的基本特點(diǎn)：具有比較明確的尺度特征。NNI計(jì)劃中對(duì)Nanotechnology的定義：納米尺度上的科學(xué)、工程與技術(shù)。Nanotechnology的兩種含義：（1）納米科技—廣義；（2）納米技術(shù)—狹義。納米科技：納米科學(xué)（nanoscience）、納米技術(shù)（狹義的nanotechnology）以及納米工程（nanoengineering）的統(tǒng)稱，是研究、開發(fā)、利用納米尺度物質(zhì)的一門新型的應(yīng)用型學(xué)科，具有多學(xué)科交叉的特征。19納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米科技（Nanotechnology）的基本特點(diǎn)：具有比較納米尺度按照對(duì)尺度范圍的一般認(rèn)定，納米尺度范圍應(yīng)包含亞納米，即介于0.1nm～100nm之間。亞納米尺度：與微觀領(lǐng)域有明顯的重疊，而且有專門用來(lái)描述微觀領(lǐng)域分子、原子大小的尺度單位埃（1?=0.1nm），因此，現(xiàn)在一般認(rèn)為納米科技的尺度范圍是1nm～100nm。已發(fā)現(xiàn)尺度小于1nm的納米材料：C60的直徑為0.7nm、最細(xì)的單壁碳納米管的直徑僅為0.33nm，所以也有一些學(xué)者建議將納米科技的尺度范圍定義為0.1nm～100nm。NNI計(jì)劃中認(rèn)為納米尺度范圍約為1nm～100nm。研究納米科技，不僅要探索物質(zhì)在納米尺度上所表現(xiàn)出來(lái)的各種現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律，更重要的是要能夠制取、表征與利用納米尺度的物質(zhì)。20納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米尺度按照對(duì)尺度范圍的一般認(rèn)定，納米尺度范圍應(yīng)包含亞納米，1.2.2納米科技研究?jī)?nèi)容納米科技關(guān)注物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的新現(xiàn)象與新規(guī)律納米科技：納米尺度上的新概念、新理論、新原理、新方法與新用途的一門新型的、多學(xué)科交叉的應(yīng)用型學(xué)科。納米科技的研究?jī)?nèi)容概述：（1）納米科學(xué)：探索與發(fā)現(xiàn)物質(zhì)在納米尺度上所表現(xiàn)出來(lái)的各種物理、化學(xué)與生物學(xué)現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律，尤其是原子、分子以及電子在納米尺度范圍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為納米科技產(chǎn)品的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。（2）納米技術(shù)：主要包括納米尺度物質(zhì)的制備、復(fù)合、加工、組裝以及測(cè)試與表征，實(shí)現(xiàn)納米材料、納米器件與納米系統(tǒng)在原子、分子尺度上的可控制備，為納米科技的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。（3）納米工程：包括納米材料、納米器件、納米系統(tǒng)以及納米技術(shù)設(shè)備等納米科技產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工藝、制造、裝配、修飾、控制、操縱與應(yīng)用，推動(dòng)納米科技產(chǎn)品走向市場(chǎng)、有效地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)。21納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.2.2納米科技研究?jī)?nèi)容納米科技關(guān)注物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)納米科技領(lǐng)域的主要分支學(xué)科納米物理學(xué)(Nanophysics)：主要研究物質(zhì)在納米尺度上的物理現(xiàn)象及其表征，主要內(nèi)容包括納米固體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)，以及電磁、光電、磁光等性能之間的轉(zhuǎn)換特征。已派生出納米電子學(xué)(Nanoelectronics)、納米光電子學(xué)(Nanooptoelectronics)、納米磁學(xué)（Nanomagnetics）、納米光子學(xué)（Nanophotonics）或納米光學(xué)(Nanooptics)以及納米電磁學(xué)(Nanoelectromagnetics)等分支學(xué)科。納米物理學(xué)注重發(fā)掘納米科技在計(jì)算機(jī)、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，將對(duì)信息技術(shù)以及能源技術(shù)等產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。納米化學(xué)(Nanochemistry)：主要研究納米尺度范圍的化學(xué)過(guò)程及相關(guān)效應(yīng)，重點(diǎn)是納米材料、納米結(jié)構(gòu)以及納米體系的化學(xué)合成與修飾?；谠印⒎肿拥淖韵露系暮铣煞椒ㄊ羌{米化學(xué)關(guān)注的焦點(diǎn)，以分子自組裝為代表的納米組裝體系的設(shè)計(jì)與應(yīng)用已成為研究的熱點(diǎn)。。納米材料學(xué)(Nanomaterials)：研究?jī)?nèi)容包括納米材料的成分/結(jié)構(gòu)、合成/加工、性能以及使用效能等四個(gè)方面。22納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米科技領(lǐng)域的主要分支學(xué)科納米物理學(xué)(Nanophysics納米生物學(xué)(Nanobiology)：主要利用納米科技的思想、工具以及材料等來(lái)研究、解決生物學(xué)問(wèn)題，在分子水平上深入揭示細(xì)胞內(nèi)部各種納米尺度單元的結(jié)構(gòu)和功能，以及細(xì)胞內(nèi)部、細(xì)胞內(nèi)外之間以及整個(gè)生物體的物質(zhì)、能量和信息交換機(jī)制。屬生物學(xué)與物理學(xué)、材料學(xué)、有機(jī)合成化學(xué)以及工程學(xué)交叉形成的新興學(xué)科。納米結(jié)構(gòu)是生命現(xiàn)象中的基本單元之一，比如牙釉質(zhì)是一種納米陶瓷、骨骼是典型的無(wú)機(jī)/有機(jī)納米復(fù)合材料，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞與反饋等過(guò)程屬于納米尺度范圍的控制與操縱，遺傳基因序列原子級(jí)精確的自我復(fù)制則屬分子自組裝范疇，而核糖體可視為按照基因密碼的指令來(lái)排列氨基酸順序制造蛋白質(zhì)分子的納米機(jī)器。納米科技與生物學(xué)的結(jié)合有望達(dá)到逼真的納米仿生，實(shí)現(xiàn)組織再生、人造蛋白等人工控制的“生物制造”，以及基于生物大分子的納米機(jī)器與納米系統(tǒng)。23納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米生物學(xué)(Nanobiology)：主要利用納米科技的思納米醫(yī)學(xué)(Nanomedicine)：利用納米科技解決醫(yī)學(xué)問(wèn)題的邊緣交叉學(xué)科，與納米生物學(xué)有許多重疊的領(lǐng)域，其研究?jī)?nèi)容十分廣泛，涉及納米藥物，納米醫(yī)用材料，藥物、基因、蛋白質(zhì)以及多肽的傳遞與靶向釋放，納米生物傳感器，芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip），醫(yī)用納米機(jī)器人，醫(yī)學(xué)成像以及納米毒理學(xué)等諸多領(lǐng)域，將給疾病的診斷、監(jiān)測(cè)、治療以及防治帶來(lái)革命性的變化，并有望實(shí)現(xiàn)細(xì)胞修復(fù)、以及電腦與神經(jīng)的對(duì)接等。納米力學(xué)(Nanomechanics)：主要研究納米尺度物體的力學(xué)性質(zhì)，是由經(jīng)典力學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)、固體物理學(xué)、材料科學(xué)與量子化學(xué)相互交叉形成的應(yīng)用型學(xué)科，已形成了納米摩擦學(xué)（Nanotribology）、納米流體學(xué)（Nanofluidics）與納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS，nanoelectromechanicalsystems）等分支，將為納米器件與納米系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制造提供基礎(chǔ)支持。24納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米醫(yī)學(xué)(Nanomedicine)：利用納米科技解決醫(yī)學(xué)問(wèn)納米制造(Nanomanufacturing，Nanofabrication)：研究?jī)?nèi)容包括納米產(chǎn)品及生產(chǎn)工藝的數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)模擬與設(shè)計(jì)，從納米到宏觀等不同尺度的分級(jí)制造，多尺度的整合以及工具的開發(fā)等多個(gè)方面，尤其重視生產(chǎn)過(guò)程的可靠性與穩(wěn)定性。納米制造（Nanomanufacturing）是美國(guó)NNI計(jì)劃中優(yōu)先資助的5大領(lǐng)域之一，美國(guó)已建立了國(guó)家納米制造網(wǎng)絡(luò)(NNN，NationalNanomanufacturingNetwork)。Nanofabrication是一個(gè)使用頻率更高的術(shù)語(yǔ)，在NNI計(jì)劃中被描述為功能性納米結(jié)構(gòu)或納米部件的制作，屬于典型的納米尺度范圍的制造與加工，是多尺度納米制造中的“納米環(huán)節(jié)”。過(guò)去國(guó)內(nèi)常把Nanofabrication譯為納米加工，但是與納米制造并沒(méi)有明確的界定，從國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大研究計(jì)劃“納米制造的基礎(chǔ)研究”2009年重點(diǎn)支持的5個(gè)領(lǐng)域來(lái)看，趨向于把二者統(tǒng)稱為“納米制造”。25納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米制造(Nanomanufacturing，Nanofab1.2.3納米科技的發(fā)展前景醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：藥物制備、藥物傳遞、疾病診斷以及器官替換與再生等將發(fā)生根本性的改進(jìn)。納米粒子可以穿越細(xì)胞壁，納米藥物進(jìn)入細(xì)胞后便于生物降解或吸收，將顯著提高治療效果，同時(shí)可以減少藥物用量、降低藥物的毒副作用；納米藥物巨大的表面積可以攜帶多種功能基團(tuán)，實(shí)現(xiàn)藥物治療與療效跟蹤的同步進(jìn)行；利用納米顆粒的多孔、中空、多層等結(jié)構(gòu)特性，可作為藥物載體實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋控制。通過(guò)納米微?？梢詫?shí)現(xiàn)細(xì)胞分離、細(xì)胞內(nèi)部染色、靶向給藥與靶向治療等;納米粒子可以作為“搬運(yùn)工”把編碼某種癌細(xì)胞毒素的DNA植入體內(nèi)，抑制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)。納米尺度的生物活性物質(zhì)可以用來(lái)修復(fù)或替換生物組織;納米生物傳感器可實(shí)現(xiàn)癌細(xì)胞等重癥病變的早期原位診斷、監(jiān)測(cè)與治療；納米機(jī)電系統(tǒng)則可快速識(shí)別病區(qū)，清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，還可以吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞等。對(duì)DNA螺旋束上的堿基對(duì)進(jìn)行改性，可以制成具有三維結(jié)構(gòu)的納米級(jí)“元件”，進(jìn)而組裝成可用于體內(nèi)傳遞藥物、修復(fù)組織的納米器件。26納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.2.3納米科技的發(fā)展前景醫(yī)學(xué)領(lǐng)域：藥物制備、藥物傳遞、信息技術(shù)領(lǐng)域：信息存儲(chǔ)量、處理速度以及通信容量等將得到大幅度提高。納米材料的宏觀量子隧道效應(yīng)決定了電子器件的微型化存在極限，納米信息技術(shù)將基于納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)、制造納米量子器件，包括納米陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系等。采用“自下而上”的方法來(lái)構(gòu)筑新穎的納米電子系統(tǒng)，突破硅基半導(dǎo)體的尺寸限制，使集成電路的集成度進(jìn)一步提高，并最終實(shí)現(xiàn)由單原子或單分子構(gòu)成的可在常溫下使用的各種納米電子器件，使信息采集和信息處理功能產(chǎn)生革命性的變化。新型的納米材料與器件，如蛋白質(zhì)二極管、單電子碳納米管晶體管、石墨烯等，將有望接替紅火了將近半個(gè)世紀(jì)的硅基半導(dǎo)體，使計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度與存儲(chǔ)容量再上一個(gè)臺(tái)階，不僅使掌上電腦成為現(xiàn)實(shí)，而且將產(chǎn)生計(jì)算速度與存儲(chǔ)容量提高上萬(wàn)倍的超級(jí)計(jì)算機(jī)。網(wǎng)絡(luò)帶寬將顯著提高，出現(xiàn)集傳感、數(shù)據(jù)處理與通訊為一體化的智能系統(tǒng)。27納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用信息技術(shù)領(lǐng)域：信息存儲(chǔ)量、處理速度以及通信容量等將得到大幅度國(guó)防領(lǐng)域：光、機(jī)、電、磁等系統(tǒng)高度集成的微型化、智能化武器裝備。一枚小型運(yùn)載火箭就可以發(fā)射上千顆的重量不足0.1千克的納米衛(wèi)星；可以悄無(wú)聲息地潛入敵人內(nèi)部的如蚊子般的微型導(dǎo)彈；功能齊全如蒼蠅般大小的間諜飛機(jī)，可以承擔(dān)偵查及作戰(zhàn)任務(wù)、破壞力驚人的“螞蟻士兵”；可以單兵攜帶的電子戰(zhàn)系統(tǒng)；對(duì)生物、化學(xué)、核武器以及炸藥等高度敏感的便攜式探測(cè)系統(tǒng)?；诩{米粒子的武器裝備隱身技術(shù)；常規(guī)武器在納米材料的幫助下的打擊與防護(hù)能力得到顯著提高；虛擬訓(xùn)練與虛擬戰(zhàn)爭(zhēng)系統(tǒng)的仿真程度得到極大的提高。有望徹底變革未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)的面貌和形態(tài)28納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用國(guó)防領(lǐng)域：光、機(jī)、電、磁等系統(tǒng)高度集成的微型化、智能化武器裝能源與環(huán)境領(lǐng)域：能源的生產(chǎn)效率與使用效率顯著提高、而能源的消耗將逐漸減少，同時(shí)新能源的成本不斷降低。太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、風(fēng)能等非礦物質(zhì)可再生能源將得到廣泛應(yīng)用，有效降低溫室氣體的排放，緩解全球氣候危機(jī)，光電轉(zhuǎn)化效率成倍提高、而成本更低的納米結(jié)構(gòu)薄膜太陽(yáng)能電池正在逐漸取代多晶硅電池。用納米材料處理廢氣、廢水以及固體廢棄物的綠色環(huán)境技術(shù)將得到廣泛應(yīng)用。含納米材料的汽車尾氣凈化催化劑、氣缸內(nèi)催化凈化劑、石油脫硫催化劑以及煤炭助燃催化劑的使用將大大降低有害氣體的排放；納米過(guò)濾技術(shù)以及納米吸附材料可顯著提高廢水處理的效率，而納米光催化技術(shù)在空氣凈化、自凈化、廢水處理等領(lǐng)域都有重要的作用。納米技術(shù)將有助于促進(jìn)環(huán)境污染的有效控制，同時(shí)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置的靈敏度也會(huì)大大提高，被污染的環(huán)境也將可以到有效的修復(fù)。在水資源開發(fā)利用方面，納米結(jié)構(gòu)過(guò)濾膜和分子篩等環(huán)境友好型納米凈水材料將廣泛用于水處理和海水淡化，為人類提足夠供的潔凈水，有效緩解全球性的水資源危機(jī)。29納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用能源與環(huán)境領(lǐng)域：能源的生產(chǎn)效率與使用效率顯著提高、而能源的消食品領(lǐng)域：通過(guò)納米包覆、納米加工等方法處理，使食品的質(zhì)地、味道與加工性得到改善，食品的儲(chǔ)存期更長(zhǎng)，營(yíng)養(yǎng)成分在體內(nèi)的傳遞以及吸收可以得到有效控制，在保持食物美味的同時(shí)大幅降低脂肪、膽固醇等成分的攝入量，可消除肥胖、降低心血管病發(fā)病率；出現(xiàn)交互式的、營(yíng)養(yǎng)豐富的智能食品。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)將呈現(xiàn)精細(xì)化與高效率的特征，單位生產(chǎn)力的農(nóng)作物產(chǎn)量得到顯著提高。制造業(yè)：以產(chǎn)品的微型化與功能的高度集成為發(fā)展方向，制造成本將不斷降低，而生產(chǎn)效率不斷提高。據(jù)預(yù)測(cè)，到2015年，納米科技產(chǎn)品的全球市場(chǎng)規(guī)模將突破3萬(wàn)億美元，成為市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品。30納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用食品領(lǐng)域：通過(guò)納米包覆、納米加工等方法處理，使食品的質(zhì)地、味1.3納米材料1.3.1納米材料的定義我國(guó)《納米材料術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T19619-2004），從納米尺度、納米結(jié)構(gòu)單元與納米材料等3個(gè)層面對(duì)納米材料進(jìn)行了定義。（1）納米尺度：1nm到100nm范圍的幾何尺度；（2）納米結(jié)構(gòu)單元：具有納米尺度結(jié)構(gòu)特征的物質(zhì)單元，包括穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造原子團(tuán)簇、納米晶、納米粒子、納米管、納米棒、納米線、納米單層膜及納米孔等；（3）納米材料：物質(zhì)結(jié)構(gòu)在三維空間至少有一維處于納米尺度，或由納米結(jié)構(gòu)單元組成的且具有特殊性質(zhì)的材料。31納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3納米材料1.3.1納米材料的定義31納米材料基礎(chǔ)關(guān)于納米材料定義的討論結(jié)構(gòu)：在材料科學(xué)中是多尺度的，涉及從原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)到宏觀結(jié)構(gòu)等多個(gè)層次。e.g.晶胞——構(gòu)成晶體材料的“物質(zhì)單元”納米材料反映的是材料外觀尺度的特征納米材料的簡(jiǎn)單定義：三維外觀尺度中至少有一維處于納米級(jí)（約1~100nm）的物質(zhì)以及以這些物質(zhì)為主要結(jié)構(gòu)單元所組成的材料。納米材料的兩種主要類型：1）具有納米尺度外形的材料，即狹義的“納米材料”，它包括原子團(tuán)簇、納米粒子、納米線、納米管、納米薄膜等；2）具有納米結(jié)構(gòu)的材料（nanostructuredmaterials）：以納米結(jié)構(gòu)單元作為主要結(jié)構(gòu)組分所構(gòu)成的材料，常被簡(jiǎn)稱為納米結(jié)構(gòu)材料。注意區(qū)別：結(jié)構(gòu)材料(structuralmaterials)指的是一類主要利用其力學(xué)性能的工程材料，而納米結(jié)構(gòu)材料的性能并不限于力學(xué)領(lǐng)域，不僅有結(jié)構(gòu)材料、還包括各種功能材料。在《納米材料術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)》中，把力學(xué)性能得到顯著改善的納米材料稱為結(jié)構(gòu)納米材料(nanostructuralmaterials)。32納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用關(guān)于納米材料定義的討論結(jié)構(gòu)：在材料科學(xué)中是多尺度的，涉及從原1.3.2納米材料的發(fā)展歷史古人的“無(wú)意之作”：在2000多年前的希臘——羅馬時(shí)期，古埃及人掌握了一種把頭發(fā)染黑的技術(shù)，其機(jī)理是通過(guò)原位反應(yīng)的方式，在頭發(fā)的皮質(zhì)層及表層形成了平均粒徑約5nm的方鉛礦納米粒子。我國(guó)古代收集蠟燭的煙灰作為墨的原料，所作字畫可以歷經(jīng)千年而不褪色，原因在于所使用的原料實(shí)際上為納米級(jí)的碳黑；我國(guó)古代的銅鏡不生銹，是因?yàn)楸砻嬗幸粚蛹{米氧化錫薄膜起到了防銹層的作用。公元4世紀(jì)古羅馬的萊格拉斯雕花玻璃酒杯（LycurgusCup），在反射光下呈綠色、在透射光下則呈紅色，源于在玻璃杯的內(nèi)層形成了微量的金、銀納米粒子。33納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3.2納米材料的發(fā)展歷史古人的“無(wú)意之作”：33納米納米材料的發(fā)展歷史古人的納米材料作品左：王羲之的“喪亂帖”，1300多年前流傳到日本；右：萊格拉斯杯34納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米材料的發(fā)展歷史古人的納米材料作品34納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)1857年，法拉第制備出了紅色的納米金溶膠，1861年膠體化學(xué)建立，各種不過(guò)不同方法制備膠體粒子，但是對(duì)其獨(dú)特性能缺乏認(rèn)識(shí)。到20世紀(jì)中期，先后開發(fā)了輝光放電、氣相蒸發(fā)等方法，制備出多種超細(xì)粒子。1962年，東京大學(xué)的久保亮五（R.Kubo）教授為了解釋超細(xì)金屬粒子的能階不連續(xù)性，提出了超細(xì)粒子的量子限域理論。重要的里程碑1963年，上田良二（RyoziUyeda）通過(guò)在純凈惰性氣體中用蒸發(fā)冷凝法制備了幾納米到幾百納米的金屬顆粒，并用透射電鏡對(duì)其形貌和晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。70年代末到80年代初，美國(guó)的W.R.Cannon等利用激光輔助制備了可燒結(jié)的Si3N4、SiC等非氧化物納米陶瓷粉體。1984年德國(guó)的H.

Gleiter等通過(guò)氣體蒸發(fā)冷凝獲得了納米鐵粒子，在真空下原位壓制成納米塊體材料，并首次提出了“納米材料”的概念。35納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1857年，法拉第制備出了紅色的納米金溶膠，1861年膠體化1987年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Siegel等制備出了納米TiO2粉體及陶瓷，一系列的研究表明，以納米粉體為原料制備陶瓷，不僅燒結(jié)溫度大大降低，而且陶瓷的韌性得到了明顯的改善。突破性進(jìn)展80年代末，對(duì)單一的納米晶或納米相材料就行了大量的研究，不僅探索了制備各種不同類型納米微粒、納米塊體與納米薄膜的方法，而且納米材料的結(jié)構(gòu)、性能及表征方法等也得到了廣泛的研究。1990年，在首次召開的國(guó)際納米科技會(huì)議上，正式把納米材料學(xué)定為材料科學(xué)的一個(gè)分支。納米材料學(xué)科的正式誕生1994年，在波士頓召開的美國(guó)材料研究學(xué)會(huì)（MRS）秋季會(huì)議上正式提出了納米材料工程的概念，標(biāo)志著納米材料正式進(jìn)入應(yīng)用研究領(lǐng)域。納米材料科學(xué)與工程成為材料科學(xué)與工程學(xué)科的一個(gè)完整的分支學(xué)科，屬于納米科技與材料科學(xué)與工程的交叉學(xué)科，而納米材料則成為一種新型的先進(jìn)材料。36納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1987年美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Siegel等制備出了納米Ti納米材料的研究的三個(gè)發(fā)展階段：第一階段：1990年以前，納米顆粒、薄膜和納米塊體材料的制備、表征，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。研究對(duì)象局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相(nanocrystallineornanophase)材料。第二階段：1990～1994年，主要探索納米復(fù)合材料的合成及物性。關(guān)注的熱點(diǎn)是利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料（nanocompositematerails），通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展納米復(fù)合薄膜。第三階段：1994年以來(lái)，主要研究納米組裝體系(nanostructuredassemblingsystem)、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料體系。強(qiáng)調(diào)按人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝、創(chuàng)造新的納米體系，實(shí)現(xiàn)人們所希望的特性?；咎攸c(diǎn)是以納米粒子、納米線、納米管等為基本單元在一維、二維和三維空間組裝、排列成納米結(jié)構(gòu)體系，包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系等，這類材料也稱作納米尺度的圖案材料(patterningmaterialsonthenanoscale)，以DNA為代表的分子納米材料及其組裝體系成為近期的研究熱點(diǎn)。37納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米材料的研究的三個(gè)發(fā)展階段：第一階段：1990年以前，納米1.3.3納米材料的分類按成分分類：納米金屬材料、納米陶瓷材料、納米半導(dǎo)體材料、納米高分子材料與納米復(fù)合材料；按性能分類：結(jié)構(gòu)納米材料、納米磁性材料、納米壓電材料、納米鐵電材料、納米光子學(xué)材料、納米發(fā)光材料、納米催化材料等；按用途分類：納米電子材料、納米生物材料、納米建筑材料、納米隱形材料等等。納米材料的主要特征在于其外觀尺度，從三維外觀尺度上對(duì)納米材料進(jìn)行分類是目前流行的納米材料分類方法，可分為零維納米材料、一維納米材料、二維納米材料和三維納米材料（表1.1）。其中零維納米材料、一維納米材料和二維納米材料可作為納米結(jié)構(gòu)單元組成納米固體材料、納米復(fù)合材料以及納米有序結(jié)構(gòu)。38納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3.3納米材料的分類按成分分類：納米金屬材料、納米陶表1.1納米材料的分類基本類型尺度、形貌與結(jié)構(gòu)特征實(shí)例零維納米材料三維尺度均為納米級(jí)，沒(méi)有明顯的取向性，近等軸狀。原子團(tuán)簇（atomcluster），量子點(diǎn)（quantumdot），納米粒子（nanoparticle）一維納米材料單向延伸，二維尺度為納米級(jí)，第三維尺度不限。納米棒（nanorod），納米線（nanowire），納米管（nanotube），納米晶須（nanowhisker），納米纖維（nanofiber），納米卷軸（nanoscroll），納米帶（nanobelt）單向延伸，直徑大于100納米，具有納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)纖維（nanostructuredfiber）二維納米材料一維尺度為納米級(jí)，面狀分布。納米片（nanoflake），納米板（nanoplate），納米薄膜（nanofilm），納米涂層（nanocoating），單層膜（monolayer），納米多層膜（nanomultilayer）面狀分布，厚度大于100納米，具有納米結(jié)構(gòu)。納米結(jié)構(gòu)薄膜（nanostructuredfilm），納米結(jié)構(gòu)涂層（nanostructuredcoating）三維納米材料包含納米結(jié)構(gòu)單元、三維尺寸均超過(guò)納米尺度的固體。納米陶瓷（nanoceramics），納米金屬（nanometals），納米孔材料（nanoporousmaterials），氣凝膠（aerogel），納米結(jié)構(gòu)陣列（nanostructuredarrays）由不同類型低維納米結(jié)構(gòu)單元或低維納米結(jié)構(gòu)單元與常規(guī)材料復(fù)合形成的固體。納米復(fù)合材料（nanocompositematerials）39納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用表1.1納米材料的分類基本類型尺度、形貌與結(jié)構(gòu)特征實(shí)例零維1.3.4納米材料研究現(xiàn)狀國(guó)際著名出版商愛思唯爾(Elsevier)集團(tuán)主辦的《MaterialsToday》于2008年評(píng)選出了過(guò)去50年間材料科學(xué)領(lǐng)域的10大進(jìn)展與納米材料直接相關(guān)：掃描探針顯微鏡（2）（括弧內(nèi)為排名，下同）巨磁電阻效應(yīng)（3）美國(guó)國(guó)家納米科技計(jì)劃（5）碳納米管（8）發(fā)展到了納米尺度的領(lǐng)域：國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖（1）半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管（4）碳纖維強(qiáng)化塑料（6）鋰離子電池材料（7）軟刻蝕（9）超材料（10）40納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3.4納米材料研究現(xiàn)狀國(guó)際著名出版商愛思唯爾(Els碳納米材料繼富勒烯與碳納米管之后，2004年曼徹斯特大學(xué)A.K.Geim等又發(fā)現(xiàn)了由單層碳原子構(gòu)成的石墨烯(Graphene)，石墨烯的厚度僅相當(dāng)于一個(gè)碳原子，具有非凡的電子、熱學(xué)和力學(xué)性能，不僅是迄今為止最薄的一種材料，而且是最為牢固、室溫下電子傳遞速度最快的材料，有可能代替硅用于未來(lái)的超級(jí)計(jì)算機(jī)。最近IBM的科學(xué)家研發(fā)了一種用石墨烯制作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其柵極長(zhǎng)度為240納米，截止頻率達(dá)100GHz，已超過(guò)了柵極長(zhǎng)度相同的最先進(jìn)硅晶體管的截止頻率（40GHz）。圖1-3三種典型碳納米材料的結(jié)構(gòu)示意圖從左到右依次為：富勒烯（C60）、碳納米管、石墨烯41納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用碳納米材料繼富勒烯與碳納米管之后，2004年曼徹斯特大學(xué)A.北京時(shí)間10月5日下午5點(diǎn)45分，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)2位科學(xué)家安德烈·蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃肖羅夫（KonstantinNovoselov）因在二維空間材料石墨烯（graphene）方面的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)而獲獎(jiǎng)。42納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用北京時(shí)間10月5日下午5點(diǎn)45分，2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭納米材料的制備幾乎所有用來(lái)制備材料的物理、化學(xué)方法都發(fā)展出制備納米材料的工藝；氣相法、液相法得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，由于機(jī)械化學(xué)法、非晶晶化法等工藝的發(fā)展，固相法也占據(jù)了一席之地。激光、微波、等離子體、電子束、離子束、超聲波、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、超重力場(chǎng)等多種物理手段被廣泛地應(yīng)用于輔助制備各種納米材料與納米結(jié)構(gòu)。研究重點(diǎn)：納米材料的可控制備與應(yīng)用，通過(guò)采用合理的工藝，精確控制納米材料的成分、顯微結(jié)構(gòu)、粒度與形貌等特征，使納米材料具有人們所需要的性能。關(guān)注：納米材料的微觀結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及化學(xué)穩(wěn)定性等特征。43納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米材料的制備幾乎所有用來(lái)制備材料的物理、化學(xué)方法都發(fā)展出制零維納米材料金屬納米粒子、半導(dǎo)體納米粒子、陶瓷納米粒子以及量子點(diǎn)的可控制備取得了長(zhǎng)足的進(jìn)展。納米粒子的表面進(jìn)行有機(jī)或無(wú)機(jī)包覆改性：控制納米粒子在制備與加工過(guò)程中長(zhǎng)大及團(tuán)聚。消除顆粒表面的電荷效應(yīng)、有效防止團(tuán)聚，在通過(guò)燒結(jié)等高溫過(guò)程制備納米結(jié)構(gòu)塊體或薄膜材料時(shí)可以抑制顆粒的長(zhǎng)大，有利于納米粒子與高分子材料復(fù)合。近來(lái)研究的熱點(diǎn)：在電子信息、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景的過(guò)渡金屬納米粒子與貴金屬納米粒子。44納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用零維納米材料金屬納米粒子、半導(dǎo)體納米粒子、陶瓷納米粒子以及量一維納米材料研究重點(diǎn)：納米管與納米線，碳納米管：大批量制備與高效分離、純化仍然是亟待解決的難題。最近的進(jìn)展包括一步合成碳納米管、把單層碳納米管加工成所需要的任意形狀、微波輔助純化單壁碳納米管、利用DNA序列分揀出特殊碳納米管等。氮化硼納米管、二氧化鈦納米管以及各種納米線的制備與應(yīng)用研究方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。研究熱點(diǎn)：一維納米材料在復(fù)合材料中的應(yīng)用，納米管、納米線、納米纖維等增強(qiáng)復(fù)合材料的研究進(jìn)展很快，已進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域。最近，浙江大學(xué)與美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校合作，成功合成了世界上最小的具有碳納米管結(jié)構(gòu)的富勒烯C90，其直徑為0.7納米，長(zhǎng)度為1.1納米，具D5h高度對(duì)稱，結(jié)構(gòu)完美、能在空氣中穩(wěn)定存在。C90兼具富勒烯和單壁碳納米管的某些雙重性質(zhì)，將在太陽(yáng)能利用以及納米計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。45納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用一維納米材料研究重點(diǎn)：納米管與納米線，45納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用二維納米材料二維納米結(jié)構(gòu)單元：納米片石墨烯：也被看作一種超材料，當(dāng)前的研究熱點(diǎn)包括大規(guī)模、低成本制備高質(zhì)量的石墨烯，以及石墨烯內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及其性能。除石墨烯以外，對(duì)于其他納米片材料的研究的成果較少，其中具有馬賽克結(jié)構(gòu)的氧化錳、氫氧化鈷納米片為構(gòu)筑具有有序結(jié)構(gòu)的材料提供了新的途徑。二維納米材料：主要集中在功能型納米結(jié)構(gòu)薄膜與涂層上，一般是在傳統(tǒng)材料表面涂覆一層具有光電轉(zhuǎn)換、吸波、光催化等功能的納米顆粒或者納米纖維，已在太陽(yáng)能電池、武器隱身以及環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用。46納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用二維納米材料二維納米結(jié)構(gòu)單元：納米片46納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用三維納米材料納米塊體材料的研究重點(diǎn)結(jié)構(gòu)型三維納米材料：利用納米尺寸效應(yīng)大幅度提高材料的力學(xué)性能。納米結(jié)構(gòu)金屬及合金主要是利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無(wú)位錯(cuò)或低位錯(cuò)密度區(qū)域提高其硬度與強(qiáng)度，如納米結(jié)構(gòu)塊體銅材的硬度比常規(guī)材料高50倍、屈服強(qiáng)度高12倍；納米陶瓷材料，則著重提高斷裂韌性、降低脆性，如納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍。功能型三維納米材料：在傳感器、燃料電池電極、催化劑載體、信息存儲(chǔ)等很多領(lǐng)域都有著重要的作用。目前的制備方法主要有膠體自組裝、高分子相分離以及控制化學(xué)刻蝕等，但這些方法的適用領(lǐng)域狹窄、實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜，制造三維納米結(jié)構(gòu)的全面解決方案還有待開發(fā)，納米模版法等提供了新的途徑。47納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用三維納米材料納米塊體材料的研究重點(diǎn)47納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用Bottom-up從原子、分子以及納米結(jié)構(gòu)單元出發(fā)，采用自下而上的方式構(gòu)筑納米材料及器件。掃描探針顯微技術(shù)：研究單個(gè)原子及分子操縱的機(jī)理、單個(gè)原子及分子與基底的相互作用、單個(gè)分子層面上的物理或化學(xué)過(guò)程、以及納米結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的表征等，以期按人們的意愿操縱原子或分子制造納米器件。納米組裝體系：納米陣列體系、納米嵌鑲體系、納米顆粒膜和納米粒子——介孔組裝體系等。自組裝：制備超分子，各種取向性好、有序性高、性能擇優(yōu)定向的納米結(jié)構(gòu)，開發(fā)出各種無(wú)機(jī)、有機(jī)以及無(wú)機(jī)/有機(jī)復(fù)合自組裝體系。分子納米材料和器件：從分子設(shè)計(jì)出發(fā)，以化學(xué)的方式構(gòu)筑分子納米材料，實(shí)現(xiàn)分子納米材料的可控組裝與性能調(diào)控，進(jìn)而推動(dòng)其在納米器件中的應(yīng)用。分子納米材料的研究?jī)?nèi)容主要包括具有光、電、磁等特性的分子的設(shè)計(jì)、分子納米材料的合成與組裝、表征與性能、基礎(chǔ)理論與計(jì)算機(jī)模擬，并延伸到納米電子與光電子器件、以及納米生物與醫(yī)學(xué)等應(yīng)用領(lǐng)域。48納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用Bottom-up從原子、分子以及納米結(jié)構(gòu)單元出發(fā)，采用自下1.3.5納米材料特性與應(yīng)用納米材料的特性：納米結(jié)構(gòu)單元尺度與電子的德布羅意波長(zhǎng)、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度以及激子玻爾半徑等物理特征尺寸相當(dāng)，電子被局限在極小的納米空間內(nèi)，平均自由程變短、局域性和相干性增強(qiáng)，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶消失，能級(jí)分裂轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散能級(jí)，量子尺寸效應(yīng)顯著，使納米體系的光、電、熱、磁等物理性質(zhì)表現(xiàn)出了許多與常規(guī)材料不同的新特性。隨著粒徑減小到納米尺度，晶體的周期性邊界條件被嚴(yán)重破壞，納米體系的化學(xué)性質(zhì)與化學(xué)平衡體系也出現(xiàn)很大的差別。納米粒子表面原子所占比例顯著增加，表面層附近的原子密度減小，鍵態(tài)嚴(yán)重失配，表面出現(xiàn)非化學(xué)平衡、非整數(shù)配位的化學(xué)價(jià)，表面臺(tái)階和粗糙度增加，出現(xiàn)許多活性中心，可作為高活性的吸附劑和催化劑，在氫氣貯存、有機(jī)合成和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。49納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3.5納米材料特性與應(yīng)用納米材料的特性：49納米材料基礎(chǔ)納米材料的發(fā)展方向：更輕、更高、更強(qiáng)更輕：利用納米材料制備體積更小而性能不變甚至更好的器件，使器件更為輕巧。比如借助于微米級(jí)的半導(dǎo)體制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的小型化，并使計(jì)算機(jī)得以普及，而納米級(jí)的半導(dǎo)體制造技術(shù)則正在使掌上電腦成為現(xiàn)實(shí)。無(wú)論從節(jié)約資源還是降低能源消耗來(lái)看，這種“小型化”的效益都是十分驚人的。更高：納米材料有更高的光、電、磁、熱等性能，更強(qiáng)：納米材料有著更強(qiáng)的力學(xué)性能(如強(qiáng)度和韌性等)，對(duì)于陶瓷而言，納米化是增強(qiáng)陶瓷韌性的有效途徑。納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域：包括電子元器件、光電子器件、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、資源環(huán)境以及能源動(dòng)力等諸多領(lǐng)域（表1.2）。50納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米材料的發(fā)展方向：更輕、更高、更強(qiáng)50納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用表1.2納米材料的一些特性及其應(yīng)用分類納米材料的特性應(yīng)用力學(xué)高強(qiáng)度、高硬度、高塑性、高韌性、低密度、低彈性模量納米金屬陶瓷高性能刀具，用于高壓、真空、腐蝕等極端環(huán)境的納米陶瓷熱學(xué)高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熔點(diǎn)高效光熱轉(zhuǎn)換、低溫?zé)Y(jié)光學(xué)反射率低、吸收率大、吸收光譜藍(lán)移紅外傳感器件，紅外隱身技術(shù)，高效光熱、光電轉(zhuǎn)換，吸波，光通信，光存貯，光開關(guān)，光過(guò)濾，光致發(fā)光，非線性光學(xué)元件，光折變材料電學(xué)高電阻、量子隧道效應(yīng)、庫(kù)侖堵塞效應(yīng)納米電子器件、導(dǎo)電漿料、電極、超導(dǎo)體、量子器件、壓敏和非線性電阻磁學(xué)強(qiáng)軟磁性、高矯頑力、超順磁性、巨磁電阻效應(yīng)磁記錄、磁光記錄、磁流體、永磁材料、吸波材料、磁光元件、磁存儲(chǔ)、磁探測(cè)器、磁致冷材料化學(xué)高活性、高擴(kuò)散性、高吸附性、光催化活性、催化劑、催化劑載體、抗菌、空氣凈化、汽車尾氣凈化、廢水處理、自清潔生物高滲透性、高表面積、高度仿生、藥物載體、靶向給藥、藥物篩選、抗癌、人工骨、納米孔基因測(cè)序、芯片實(shí)驗(yàn)室51納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用表1.2納米材料的一些特性及其應(yīng)用分類納米材料的特性應(yīng)用1.3.6納米材料的安全性納米微粒具有極高的化學(xué)活性，其環(huán)境釋放量和進(jìn)入人體的可能性將隨著納米材料的廣泛應(yīng)用而顯著增加。吸入粒子會(huì)損害肺部、動(dòng)脈內(nèi)壁和心血管系統(tǒng)，人的發(fā)病率和死亡率與生活環(huán)境中大氣顆粒物的濃度及尺寸密切相關(guān)，小于2.5μm的顆粒的增加導(dǎo)致死亡率顯著增加。倫敦大霧過(guò)后兩周內(nèi)有4000多人突然死亡，研究結(jié)果顯示其主要是由于空氣中細(xì)小的納米微粒大量增加造成的。納米材料安全性問(wèn)題：1997年，英國(guó)牛津大學(xué)和蒙特利爾大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)防曬霜中的二氧化鈦／氧化鋅納米顆粒能引發(fā)皮膚細(xì)胞中的自由基，破壞DNA。巴基球可以在土壤中毫無(wú)阻礙地穿越，很容易被蚯蚓吸收，并通過(guò)食物鏈進(jìn)入魚的體內(nèi)，巴基球會(huì)導(dǎo)致幼魚的腦部損傷以及基因功能的改變；52納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.3.6納米材料的安全性納米微粒具有極高的化學(xué)活性，其環(huán)納米材料安全性問(wèn)題：碳納米顆粒(35nm)可經(jīng)嗅覺神經(jīng)直接進(jìn)入腦部；金納米顆?？赏ㄟ^(guò)胎盤屏障由母體進(jìn)入到胎兒體內(nèi)；硒化鎘納米顆粒(量子點(diǎn))可在人體中分解，由此可能導(dǎo)致鎘中毒；磁性納米顆粒物在小鼠的血管內(nèi)會(huì)逐漸變大，并將血管堵塞，最后導(dǎo)致小鼠死亡；碳納米管進(jìn)入大鼠和小鼠肺部后，會(huì)以一定的方式進(jìn)入肺泡，并長(zhǎng)期仍停留，在低濃度下都可導(dǎo)致肺部肉芽腫的形成，但是并沒(méi)有伴隨在通常情況下由石棉和無(wú)機(jī)粉塵形成的肉芽腫所特有的炎性癥狀；大鼠在含有20nm聚四氟乙烯顆粒的空氣中生活15min，就導(dǎo)致大多數(shù)大鼠在4h內(nèi)死亡；對(duì)氧化鋯、二氧化鈦和二氧化鈰等極難溶解的納米微粒以及氧化鋅、氧化鐵和磷酸三鈣鹽等可適度溶解的納米微粒與已知部分有毒和無(wú)毒物質(zhì)進(jìn)行比較研究表明，氧化鋅、氧化鐵等納米微粒具有特殊的生物毒性反應(yīng)，對(duì)人體和嚙齒動(dòng)物細(xì)胞具有類似石棉的毒性。53納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米材料安全性問(wèn)題：碳納米顆粒(35nm)可經(jīng)嗅覺神經(jīng)直接進(jìn)提問(wèn)與解答環(huán)節(jié)Questionsandanswers提問(wèn)與解答環(huán)節(jié)添加標(biāo)題添加標(biāo)題添加標(biāo)題添加標(biāo)題此處結(jié)束語(yǔ)點(diǎn)擊此處添加段落文本.您的內(nèi)容打在這里，或通過(guò)復(fù)制您的文本后在此框中選擇粘貼并選擇只保留文字添加標(biāo)題添加添加添加標(biāo)題此處結(jié)束語(yǔ)點(diǎn)擊此處添加段落文本.謝謝您的觀看與聆聽Thankyouforwatchingandlistening謝謝您的觀看與聆聽納米材料基礎(chǔ)第1章納米科技及納米材料緒論納米材料基礎(chǔ)第1章納米科技及納米材料緒論一二請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容整體概述三請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容一二請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主要敘述內(nèi)容整體概述三請(qǐng)?jiān)谶@里輸入您的主【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)納米科技簡(jiǎn)史掌握納米的概念，了解納米科技的形成過(guò)程掃描隧道顯微鏡、富勒烯、巨磁阻效應(yīng)納米科技在世界各國(guó)的發(fā)展概況了解世界主要經(jīng)濟(jì)體的納米科技發(fā)展規(guī)劃美國(guó)NNI計(jì)劃、中國(guó)《納米科技發(fā)展綱要》納米科技的范疇掌握納米尺度、納米科技的基本概念納米尺度、宏觀領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域、納米科技納米科技的研究?jī)?nèi)容理解納米科技主要分支學(xué)科的基本特征納米科學(xué)、納米技術(shù)、納米工程、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米醫(yī)學(xué)、納米力學(xué)、納米制造納米科技的發(fā)展前景了解納米科技主要應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景納米科技對(duì)生物醫(yī)學(xué)、信息技術(shù)、國(guó)防、能源環(huán)境、食品等領(lǐng)域的影響納米材料的定義掌握納米材料的基本概念納米結(jié)構(gòu)單元、納米材料納米材料的發(fā)展歷史了解納米材料科學(xué)與工程的發(fā)展概況納米材料學(xué)、納米材料工程、納米材料發(fā)展的3個(gè)階段納米材料的分類掌握納米材料按維度分類的方法零維、一維、二維、三維納米材料納米材料的研究現(xiàn)狀了解現(xiàn)在納米材料的研究重點(diǎn)納米材料的特性與應(yīng)用了解納米尺度對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生的影響及其應(yīng)用納米尺度的基本物理、化學(xué)效應(yīng)納米材料的安全性了解納米材料的潛在生物毒性及應(yīng)對(duì)方法納米毒理學(xué)、世界主要國(guó)家的納米安全研究計(jì)劃59【本章教學(xué)要點(diǎn)】知識(shí)要點(diǎn)掌握程度相關(guān)知識(shí)納米科技簡(jiǎn)史掌握納米There’splentyofroomatthebottom在1959年12月召開的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)上，著名物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主理查德·費(fèi)曼教授做了一個(gè)著名的演講——“底部還有很大的空間（There’splentyofroomatthebottom）”，首次提出可以在分子與原子的尺度上加工與制造產(chǎn)品，甚至能夠按照人們的意愿逐個(gè)地排列原子與分子。費(fèi)曼在演講中首次闡述了自下而上（bottom-up）制備材料的思想，即通過(guò)操縱原子、分子來(lái)構(gòu)筑材料，這是人類關(guān)于納米科技最早的夢(mèng)想。60納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用There’splentyofroomattheThere’splentyofroomatthebottom經(jīng)典片段：——Whycannotwewritetheentire24volumesoftheEncyclopediaBritannicaontheheadofapin?——Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsonebyonethewaywewantthem?——Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.61納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用There’splentyofroomatthe1.1納米科技興起1.1.1納米科技的提出納米（nanometer，nm）：計(jì)量長(zhǎng)度的單位；nano是希臘語(yǔ)中“侏儒”的意思，在計(jì)量中表示10-9，納米即10-9m。納秒（nanosecond）=10-9秒我國(guó)過(guò)去一般用毫微米來(lái)表示10-9m，反映了其長(zhǎng)度單位的本質(zhì)特征，即千分之一微米（意譯），但現(xiàn)在普遍采用的是更加簡(jiǎn)潔的納米（音譯），在我國(guó)臺(tái)灣則被譯為奈米。隨著納米科技的研究日益廣泛，現(xiàn)在英文文獻(xiàn)中常常直接用nano來(lái)表示納米。1nm大約是2～3個(gè)金屬原子，或10個(gè)氫原子排列在一起的“寬度”。一般病毒的直徑約60～250nm，紅血球的直徑約6,000～8,000nm，頭發(fā)絲的直徑則約為30,000~50,000nm。

62納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1納米科技興起1.1.1納米科技的提出6納米材料基礎(chǔ)與納米金屬的電阻隨尺寸的下降而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至變成負(fù)值；本是絕緣體的氧化物達(dá)到納米尺度時(shí)，電阻反而下降；10～25nm的鐵磁金屬微粒矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當(dāng)顆粒尺寸小于l0nm時(shí)矯頑力變?yōu)榱?，表現(xiàn)為超順磁性；納米氧化物和氮化物在低頻下，介電常數(shù)增大幾倍，甚至增大一個(gè)數(shù)量級(jí)，表現(xiàn)為極大的增強(qiáng)效應(yīng)；納米氧化物材料對(duì)紅外、微波有良好的吸收特性；硅的尺寸達(dá)到納米級(jí)(6nm)時(shí)，在靠近可見光范圍內(nèi)，就有較強(qiáng)的光致發(fā)光現(xiàn)象；多孔硅發(fā)光；在納米氧化鋁、氧化鈦、氧化硅、氧化鋯中觀察到常規(guī)材料根本看不到的發(fā)光現(xiàn)象。Smallisdifferent

63納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米金屬的電阻隨尺寸的下降而增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至變成負(fù)Smallisdifferent64納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用Smallisdifferent8納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用SiSubstrateMetalGateHigh-kTri-GateSGDIII-VSCarbonNanotubeFET50nm35nm30nmSiGeS/DStrainedSiliconFutureoptionssubjecttoresearch&changeSiGeS/DStrainedSilicon

90nm 65nm 45nm 32nm 2003 2005 2007 2009 2011+ TechnologyGenerationSource:Intel20nm10nm5nmNanowireManufacturingDevelopmentResearchTransistorResearchResearchOptions:High-K&MetalGateNon-planarTrigateIII-V,CNT,NW65納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用SiSubstrateMetalGateHigh-kTr納米科技的提出1974年，東京理科大學(xué)教授谷口紀(jì)男（NorioTaniguchi）率先提出納米技術(shù)（nanotechnology）一詞，用來(lái)描述原子或分子級(jí)別的精密機(jī)械加工。

1981年，IBM公司蘇黎士實(shí)驗(yàn)室的GerdKarlBinnig和HeinrichRohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM），使人類首次直接觀察到原子，為測(cè)量與操控原子、分子等技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，兩人因此與電子顯微鏡的發(fā)明者魯斯卡（E.A.F.Ruska）分享了1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。在1985年,賓尼和羅雷爾還與斯坦福大學(xué)的奎特（C.F.Quate）教授合作推出了原子力顯微鏡(AtomicForceMicroscopy，AFM)。掃描探針顯微鏡（ScanningProbeMicroscopy，SPM)已成為微區(qū)分析領(lǐng)域的主流設(shè)備之一，成為納米尺度物質(zhì)檢測(cè)的重要手段。1985年，英國(guó)UniversityofSussex的HaroldWalterKroto與美國(guó)RiceUniversityRichardErrettSmalley和RobertFloydCurl合作，發(fā)現(xiàn)了金剛石和石墨之外的第三種穩(wěn)定碳單質(zhì)——由60個(gè)碳原子構(gòu)成的足球狀富勒烯（fullerene）分子C60”（footballene，bucky-ball），三人因此榮獲1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在得到足球狀C60的同時(shí)，還可以得到橄欖球狀的C70，后來(lái)又相繼發(fā)現(xiàn)了Ｃ76、Ｃ84、Ｃ90、Ｃ94等多種有限純碳分子，在自然科學(xué)界引起了強(qiáng)烈的反響。66納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用納米科技的提出1974年，東京理科大學(xué)教授谷口紀(jì)男（Nori1986年，美國(guó)人K.EricDrexler受費(fèi)曼演講的啟發(fā)，對(duì)納米科技的概念進(jìn)行了深入的探究與廣泛的引伸，首次系統(tǒng)地闡述了納米科技的重大意義與美好的前景，出版了第一部有關(guān)納米科技的書籍《EnginesofCreation：TheComingEraofNanotechnology》。1988年，法國(guó)科學(xué)家AlbertFert和德國(guó)科學(xué)家PeterGrünberg分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)多層膜的巨磁電阻效應(yīng)，2人因此分享了2007年諾貝爾物理獎(jiǎng)。1990年7月，在美國(guó)巴爾的摩舉辦了第一屆國(guó)際納米科技會(huì)議，同年英國(guó)物理學(xué)會(huì)開始出版發(fā)行第一種專門的納米科技類雜志——《Nanotechnology》。從此，納米科技引起了全球?qū)W術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛興趣與高度重視，形成了全球性的納米科技研究熱潮，標(biāo)志著納米科技正式誕生。67納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1986年，美國(guó)人K.EricDrexler受費(fèi)曼演講的STM操縱原子構(gòu)成的圖案左上：35個(gè)氙原子組成的“IBM”；左下：48個(gè)鐵原子圍成的柵欄，電子在柵欄里面形成的駐波清晰可見；右：101個(gè)鐵原子組成的漢字“原子”68納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用STM操縱原子構(gòu)成的圖案12納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1.2世界各國(guó)的發(fā)展情況1990年，美國(guó)IBM公司的科學(xué)家首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子的操縱，用STM移動(dòng)35個(gè)氙原子拼成了“IBM”三個(gè)字母；而美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室推出了一個(gè)只有跳蚤大小但“五臟俱全”的納米機(jī)器人。1991年，日本NEC公司的科學(xué)家飯島澄男（SumioIijima）發(fā)現(xiàn)了碳納米管，單壁碳納米管的密度只有鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍；IBM公司則成功操縱CO分子排列出一個(gè)卡通人的圖形，實(shí)現(xiàn)了對(duì)分子的操縱。1992年，美國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米鈷粒子鑲嵌在銅膜中構(gòu)成的顆粒膜具有巨磁電阻效應(yīng)；中國(guó)科學(xué)院真空物理實(shí)驗(yàn)室采用STM在硅單晶表面搬遷原子，形成“中國(guó)”的漢字圖案；日本日立制作所研制成功了可在室溫下工作的單電子存儲(chǔ)器，可在極微小的晶粒中封入一個(gè)電子用來(lái)存儲(chǔ)信息。69納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1.1.2世界各國(guó)的發(fā)展情況1990年，美國(guó)IBM公司的1993年，IBM公司用STM操縱鐵原子，用48個(gè)鐵原子在銅表面組裝成了一座“鐵原子?xùn)艡凇?，柵欄的半徑僅7nm左右，銅表面的電子就像關(guān)在柵欄里的羊群一樣逃不出去，形成電子駐波。1994年，美國(guó)開始著手研制“麻雀衛(wèi)星”、“蚊子導(dǎo)彈”、“蒼蠅飛機(jī)”以及“螞蟻士兵”等，納米技術(shù)在國(guó)防領(lǐng)域逐漸顯現(xiàn)威力。1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。70納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用1993年，IBM公司用STM操縱鐵原子，用48個(gè)鐵原子在銅為了在21世紀(jì)繼續(xù)保持美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位并保障美國(guó)的國(guó)家安全，2000年1月21日，美國(guó)總統(tǒng)克林頓在加州理工學(xué)院正式宣布NationalNanotechnologyInitiative（NNI計(jì)劃），整合美國(guó)各相關(guān)機(jī)構(gòu)的力量，加強(qiáng)對(duì)納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)研發(fā)工作的協(xié)調(diào)，將納米科技視為下一次工業(yè)革命的核心，認(rèn)為納米科技將對(duì)二十一世紀(jì)早期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響。該計(jì)劃于2000年11月得到美國(guó)國(guó)會(huì)批準(zhǔn)。美國(guó)政府在2001財(cái)政年度對(duì)納米科技的投資比上年猛增近1倍，達(dá)到4.97億美元。日本、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等主要發(fā)達(dá)國(guó)家以及歐盟分別出臺(tái)了各自的納米計(jì)劃，韓國(guó)政府2001~2003年間相繼制定了《促進(jìn)納米科技10年計(jì)劃》、《促進(jìn)納米技術(shù)開發(fā)法》與《納米技術(shù)開發(fā)實(shí)施規(guī)則》；我國(guó)臺(tái)灣自1999年開始也相繼制定了《納米材料尖端研究計(jì)劃》與《納米科技研究計(jì)劃》。俄羅斯、加拿大、澳大利亞、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰國(guó)、埃及、土耳其等國(guó)家也對(duì)納米科技發(fā)展進(jìn)行了部署，全球總計(jì)已有50多個(gè)國(guó)家和地區(qū)制定了戰(zhàn)略性的納米科技計(jì)劃。71納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用為了在21世紀(jì)繼續(xù)保持美國(guó)在經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位并保障美國(guó)的國(guó)家我國(guó)的納米科技計(jì)劃我國(guó)先后成立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會(huì)；2001年7月發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要(2001～2010)》：“有所為、有所不為，總體跟進(jìn)、重點(diǎn)突破”近期目標(biāo)以納米材料及其應(yīng)用為主，中、長(zhǎng)期目標(biāo)瞄準(zhǔn)納米生物和醫(yī)療技術(shù)、納米電子學(xué)和納米器件。希望在納米科學(xué)前沿取得重大進(jìn)展，在納米技術(shù)開發(fā)及其應(yīng)用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉綜合和持續(xù)創(chuàng)新能力的納米科技骨干隊(duì)伍。在納米科技基礎(chǔ)建設(shè)方面，要建立具有國(guó)際先進(jìn)水平的國(guó)家納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展公用平臺(tái)和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)、納米科技信息網(wǎng)絡(luò)和科研開發(fā)網(wǎng)絡(luò)，形成若干各具特色的、具有國(guó)際一流水平的納米科技創(chuàng)新基地，構(gòu)筑國(guó)家納米科技研究與開發(fā)創(chuàng)新體系。注重自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、市場(chǎng)需求，講究多學(xué)科交叉融合以及科技創(chuàng)新與體制創(chuàng)新相結(jié)合，以期大幅度提高納米科技創(chuàng)新能力，促進(jìn)納米科技成果實(shí)用化或產(chǎn)業(yè)化，造就一批具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的納米高科技骨干企業(yè)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)跨越式發(fā)展，使我國(guó)在納米科技領(lǐng)域的整體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，并在若干方面具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。72納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用我國(guó)的納米科技計(jì)劃我國(guó)先后成立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、全球在納米科技研究、開發(fā)和商業(yè)化方面的投資近年來(lái)一直呈持續(xù)、高速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，2007年全球投入納米科技領(lǐng)域的資金已達(dá)到了139億美元，其中美國(guó)、歐洲、日本的份額大致相同。美國(guó)NNI計(jì)劃在2009財(cái)政年度的投入已達(dá)到16.576億美元；日本作為開展納米科技研究最早的國(guó)家，其政府將納米科技視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵，在資金投入上僅次于美國(guó)；歐盟堅(jiān)信納米科技作為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，對(duì)于促進(jìn)其經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、創(chuàng)造更多的就業(yè)機(jī)會(huì)。歐盟將納米科技列入其科研框架計(jì)劃的優(yōu)先主題領(lǐng)域，并不斷追加經(jīng)費(fèi)預(yù)算，在第六科研框架計(jì)劃中對(duì)納米科技的投入為13億歐元，而在第七框架計(jì)劃（2007～2013年）中增加到34.75億歐元。德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)等歐盟國(guó)家各自對(duì)納米科技也投入了大量資金，其投入總和已超過(guò)了歐盟。從世界各國(guó)對(duì)納米科技的投入來(lái)看，在公共投入方面，美國(guó)與歐洲的基本相當(dāng)，日本第三，而在企業(yè)投入方面，美國(guó)第一、日本次之、歐洲第三。俄羅斯憑借其強(qiáng)大的基礎(chǔ)研究實(shí)力，計(jì)劃在2007年~2010年撥款80億美元發(fā)展納米科技，并且成立了俄羅斯國(guó)家納米科技公司（Rusnano），計(jì)劃到2015年將向其累計(jì)投入約110億美元的巨額資金。73納米材料基礎(chǔ)與應(yīng)用全球在納米科技研究、開發(fā)和商業(yè)化方面的投資近年來(lái)一直呈持續(xù)、1.2納米科技的內(nèi)涵1.2.1納米科技范疇長(zhǎng)期關(guān)注的兩個(gè)領(lǐng)域：1）宏觀領(lǐng)域，其下限一般為肉眼通過(guò)普通光學(xué)顯微鏡可以直接觀察的最小尺度，即亞微米級(jí)，向上則延伸到天體、星系直到浩瀚無(wú)垠的宇宙，從尺度上看是有下限而沒(méi)有上限，遵循牛頓力學(xué)定律是宏觀領(lǐng)域的基本特征；2）微觀領(lǐng)域，其上限為單個(gè)的分子、原子，向下則為各種基本粒子，有上限而沒(méi)有下限，在微觀領(lǐng)域起主要作用的是量子力學(xué)規(guī)律。納米領(lǐng)域：介于宏觀領(lǐng)