第二講納米材料第1頁，共101頁。人類科技發(fā)展紿終朝兩個目標奮斗：一個是向著越來越大、越遠的宏觀世界進軍，發(fā)明了望遠鏡向著世界的廣度進軍，探索宇宙的起源和進化；另一個是向著越來越小、越深的微觀世界發(fā)展，發(fā)明了各種顯微鏡、粒子加速器，向著分子、原子、原子核、基本粒子的微觀層次不斷地探索物質起源和結構。2第2頁，共101頁。19世紀末到20世紀初，人們對微觀世界的認識已延伸到十分微小的層次．時間已縮短到納(n)秒(10-9秒)、皮(p)秒(10-12秒)和飛(f)秒(10-15秒)的數(shù)量級。描述這些微觀體系的學科相繼建立，如原子核物理、粒子物理、量子力學等。在向著這兩個極端目標無盡的征途中，人們驀然回首，發(fā)現(xiàn)我們對原子、分子和宏觀物體之間的中間領域，即納米領域，卻尚未認識和開拓。量子力學原子核物理粒子物理3第3頁，共101頁。20世紀60年代人類社會進入了一個被稱為“后工業(yè)社會”、“信息社會”、“新經濟社會”、“知識社會”等擁有多種名稱的社會?？茖W家已經在新材料和新加工技術的開發(fā)中創(chuàng)造新的社會文化。在材料科學的積累和進步中，以及在探測材料組織設備的不斷更新和完善的基礎上，信息與通訊材料、電子材料、光子材料正創(chuàng)造著“信息時代”；通信電纜

Co超級存儲材料

單分子自旋態(tài)控制4第4頁，共101頁。航空航天材料、高聚物、復合材料等也開創(chuàng)了“太空時代”；航天密封用氫化丁腈橡膠航天復合管航天線材航空軸承5第5頁，共101頁。醫(yī)學材料、高級陶瓷、生物材料、轉基因食物、克隆材料又開啟了“生命復制時代”等等。各種生物材料基因測序6第6頁，共101頁。

在信息、航空、生命等不同領域的背后，人們都可以納米材料的身影。納米材料出現(xiàn)許多既不同于宏觀體系，也不同于微觀體系的奇異性能，而且這個領域才是對人類自身關系最密切的物質層次，于是人們集中精力開展納米科技的研究。納米材料7第7頁，共101頁。

納米科學技術的出現(xiàn)標志著人類改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，人類科學技術已進入一個新的納米科學技術時代，人類即將從“毫米文明”和“微米文明”邁向即將到來的“納米文明”。毫米文明微米文明納米文明8第8頁，共101頁。以納米技術為代表的新興科技將給人類帶來第三次工業(yè)革命，納米技術的發(fā)展將推動信息、材料、能源、環(huán)境、生物、農業(yè)、國防等領域的技術創(chuàng)新，給傳統(tǒng)產業(yè)帶來極大的變革，進而為人類創(chuàng)造出許多新材料、新產品，徹底改變人們千百年來形成的生活習慣和生產模式。納米技術必將成為21世紀科技發(fā)展的領頭羊。9第9頁，共101頁。納米的定義10第10頁，共101頁。1、納米的定義納米(nanometer)是一種幾何尺寸量度單位，簡寫為nm1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m1納米是1米的10億分之一人類DNA形態(tài)(方框邊長為10nm)11第11頁，共101頁。在原子物理中使用埃(?)作為計量單位1?=10-10m，1nm=10?1nm=1000皮米pm(picometre)1pm=1000飛米fm(femtometre)1fm=1000阿米am(attometre)氫原子直徑為1?1nm=10個氫原子一個挨一個排起來的長度納米是一個極小的尺寸單位C-H化合物中的原子排列方框邊長為1nm12第12頁，共101頁。以長度米為坐標單位，人類所研究物質世界尺度大小比較。約10億光年人類已觀察到的宇宙大致范圍約10億光年可看到銀河系的全貌1000億千米可看到冥王星的完整軌道1萬千米可分辨地球的一部分13第13頁，共101頁。1千米可分辨城市居民區(qū)的建筑排列10米可看清在足球場上的人1厘米可分辨皮膚表面皺紋的局部100微米可分辨人體細胞、大小約17微米14第14頁，共101頁。1微米可看到聚集的染色體100納米可分辨染色體的兩部分1納米可分辨DNA的分子結構100皮米看到電子云籠罩下的原子輪廓1nm=1000皮米15第15頁，共101頁。100飛米可以從整體上分辨出原子核10飛米可看清原子核中的質子和中子1飛米可分辨出組成質子和中子的夸克100阿米進一步看清夸克，大小為10-10米16第16頁，共101頁。納米尺寸的量度人的身高10億nm人頭發(fā)的直徑60,000-80,000nm血液中的紅血球6,000-9,000nm細菌2,000-3,000nm病毒尺寸幾十nm微觀尺度示意圖紅細胞病毒17第17頁，共101頁。納米材料的定義18第18頁，共101頁。在納米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和由它們構成的納米薄膜和固體?，F(xiàn)在，廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍內，或以它們作為基本單元構成的材料。19第19頁，共101頁。按維數(shù)、納米材料的基本單元可分為：

零維在空間三繼尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等；一維指在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；二維指在三維空間中有—維在納米尺度，如超薄膜、多層膜、超晶格等。因為這些單元往往具有量子性質，所以，對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點、量子線和量子阱之稱。20第20頁，共101頁。納米Au顆粒JanaetalAdv.Mater.2001,13,1389

納米氧化鈷顆粒納米Au線21第21頁，共101頁。1μm1μm1μm1μmFe2O3納米帶及其組裝的陣列Wen,etal.J.Phys.Chem.B

2005,109,215.22第22頁，共101頁。一維金納米線金納米線擁有良好的電、熱、機械等特性，在納米電子學領域具有廣闊的應用前景。利用高能重離子轟擊聚合物薄膜形成離子徑跡，經過化學蝕刻獲得重離子徑跡模板，采用電化學沉積的方法將金填充到納米尺度的孔道中，制備出不同晶體結構、直徑小到20納米的金納米線陣列。第23頁，共101頁。

美國佛羅里達大學科研人員最新研制出了一種新型由許多碳素納米管C60組成的納米薄膜，它的質量比鋼輕10倍，但強度卻是鋼的250倍。這種新型材料用途廣泛，可用于航空、軍事、太空以及日常生活等各個領域。二維碳素納米薄膜24第24頁，共101頁。熟悉的納米材料25第25頁，共101頁。最早的人工納米材料—墨著名的文房四寶中的墨就包含碳的納米微粒。我國古代的勞動人民早就掌握了用簡單方法獲得納米材料。2000多年前，他們用石蠟做成蠟燭，用光滑的陶瓷在蠟燭火焰的上方收集煙霧，經冷凝后變成很細的碳粉。這種碳粉不但是制墨的原料，而且還可以用做染料。26第26頁，共101頁。用這種方法獲得的碳粉實際上就是納米粉體。我們的祖先并不知道納米材料的概念，也沒有任何手段來分析這些納米顆粒，他們卻知道用這種方法獲得的超細碳粉所做成的墨具有良好的性能。色澤細膩附著力強經久不變27第27頁，共101頁。古代松煙制墨圖28第28頁，共101頁。早期的墨，是用天然色料合膠而成。漢代起，才用松煙制墨。長沙馬王堆西漢墓出土的帛畫使用了當時的墨作為顏料，歷經2000多年仍然色澤清晰新石器時代陶器紋飾29第29頁，共101頁。

我國最著名的墨是安徽徽墨。制作墨汁或黑墨的主要原料是煙炱，就是煙凝結成的黑灰。制墨時所用的黑灰越細，墨的保色時間越長?；漳眉{米級大小的松煙炱（即所謂“精煙徽墨”）、樹膠、少量香料及水份制成，書寫的毛筆字有光澤且能保持較長時間不褪色。安徽徽墨30第30頁，共101頁。人工納米涂層

中國古代銅鏡表面的防銹層，經檢驗證實為納米氧化錫顆粒構成的—層薄膜；湖北江陵出土的勾踐劍到今天仍然鋒利，沒有銹蝕，這也歸功于劍身表面的氧化物納米涂層。雖然當時人們并不知道涂層是由肉眼根本看小到的納米顆粒構成，但卻懂得使用它們來保護自己的工具。勾踐劍銅鏡31第31頁，共101頁。天然納米材料—觀音土

在微觀上，觀音土究竟什么樣？科學家們發(fā)現(xiàn)觀音土其實是一種天然的納米孔材料。32第32頁，共101頁。

硅藻土是硅藻這種單細胞藻類生物留下來的遺體，殼壁由非晶二氧化硅和果膠組成，殼縫為125納米左右。對殼壁上點紋、線紋觀察后發(fā)現(xiàn)，它們都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20-100納米。所以硅藻土是天然的納米孔材料。提純、改性后的硅藻精土在處理城市污水等方面已表現(xiàn)出獨特的性能。硅藻土過濾片33第33頁，共101頁。生物中的納米結構和納米材料

生物多樣性及其復雜性的來源，不是主要決定于組成它的原于和分子，而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結構，以及納米尺度上的生命運動規(guī)律。自然界中早就存在納米微粒和納米結構，只是我們沒有注意到而已。34第34頁，共101頁。自潔的荷花

周敦頤的《愛蓮說》中對荷花有一句深刻的描寫，至今仍然膾炙人口：“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”。從這兩句描寫中可以看出，古人已經發(fā)現(xiàn)荷葉具有很強的自潔作用，其表面可以不粘附泥土和水珠。正是荷葉的干凈清爽在很大程度上襯托出了荷花的美麗。35第35頁，共101頁。今天人們發(fā)現(xiàn)，荷葉葉面部具有較強的疏水性，灑在葉面上的水會自動聚集成水珠，水珠的滾動把落在葉面上的塵土污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈，這就是著名的“荷葉自潔效應”。荷葉自潔效應36第36頁，共101頁。荷葉為什么能出污泥而不染？為什么會有這種“荷葉效應”?從荷葉的基本化學成分來看，荷葉是由葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的碳水化合物組成，擁有豐富的-OH、-NH等極性基團。這些極性基團在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污漬，因此用傳統(tǒng)的化學分子極性理論來解釋是行不通的。37第37頁，共101頁。有些科普書中是這樣解釋的：“出水荷葉上濺了水滴，由于荷葉上有細毛，水不能吸附在荷葉上”。荷葉上有細毛這一點，憑手感就能察覺，但其表面根本達不到機械學意義上的粗糙度，因而從機械學的粗糙度來解釋也不行。38第38頁，共101頁。兩位德國科學家經過長期觀察研究，終于揭開荷葉自潔奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到，在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的“山包”，“山包”的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。荷葉葉面微觀結構（100微米）39第39頁，共101頁。

這些“山包”又是由許多直徑為200nm左右的突起組成的。這樣就在“微米結構”上再疊加上“納米結構”，在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數(shù)“小山”。荷葉小突起再放大后見到的納米結構

40第40頁，共101頁。在“小山”之間的凹陷部分充滿著空氣，這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄，只有納米級厚度的空氣層。這就使得在尺寸上遠大于這種結構的灰塵、雨水等降落在葉面上面，只能同葉面上“山包”的凸頂形成幾個點接觸，在“山頭”間跑來跑去，卻不能進入到荷葉內部。于是荷葉便有了疏水的性能。水滴在自身的表面張力作用下形成球狀，水球在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這就是荷葉能自潔的奧妙所在。41第41頁，共101頁。要制備具有荷葉效應的自清潔超疏水表面材料還有很長的路要走，而中國的研究人員在正確的方向上取得了很有意義的進展。中國科學家采用一種普通的塑料——聚苯乙烯微球——制備出一種具有超疏水性質的塑料薄膜。多孔微球和納米纖維復合材料42第42頁，共101頁。海洋的真正主人

浩瀚的海洋就是一個龐大越微粒的聚集場所。原先認為海洋中非生命的亞微米的粒子(0.4—1.0μm)具有很豐富的濃度．約為106—107/毫升，最近威爾斯等人在南太平洋發(fā)現(xiàn)小于120nm的海洋膠體粒子的濃度至少是這種亞微米粒子的3倍。這些納米粒子才是真正的海洋主人，對海洋的運動、海洋中的各種生命等有著重要影響。通過對這些納米粒子的研究，可以獲取海洋、生命的起源以及獲取開發(fā)海洋資源的信息。43第43頁，共101頁。戀家的蜜蜂

蜂窩是有許多規(guī)整的六邊形蜂房組成，蜜蜂居住在其中。科學家發(fā)現(xiàn)，每只蜜蜂都有屬于自己的蜂房。雖然每個蜂房的形狀幾乎完全相同，但蜜蜂相互之間不會“走”錯房間。六邊形的蜂房采蜜的蜜蜂44第44頁，共101頁。最近，英國科學家發(fā)現(xiàn)蜜蜂的腹部存在磁性納米粒子，這種磁性顆粒一方面具有指南針功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境在自己頭腦里的圖像并判明方向，為其活動導航；另一方面具有存儲器功能，當蜜蜂靠近自己的蜂房時，它們就把周圍環(huán)境的圖像儲存起來，外出采蜜歸來就啟動這種記憶，實質就是把自己儲存的圖像與所看到的圖像進行對比和移動，當兩個圖像完全一致時．它們就明白又回家了。45第45頁，共101頁?！皺M行”的螃蟹

螃蟹以其獨特的“橫行”方式成為生物界中一道別致的風景。橫行的螃蟹46第46頁，共101頁。生物科學家最近研究指出，螃蟹原先并不是象現(xiàn)在這樣橫行運動，而是像其他生物一樣前后運動。這是因為億萬年前的螃蟹第一對蟹螯里有幾顆用于定向的磁性納米微粒，就象是幾只小指南針。螃蟹的祖先靠這種“指南針”堂堂正正地前進后退，行走自如。但是，由于地殼劇烈運動，地球的磁場發(fā)生多次劇烈的倒轉，使螃蟹體內的小磁粒失去了原來的定問作用，于是使它失去了前后行動的功能，變成了橫行。

47第47頁，共101頁。全球定位的海龜

美國科學家一直對東海岸佛羅里達的海龜進行了長期研究．發(fā)現(xiàn)海龜通常在佛羅里達的海邊上產卵，幼小的海龜為了尋找食物通常要到大西洋的另一側靠近英國的小島附近的海域生活。從佛羅里達到這個島嶼的海面再回到佛羅里達來回的路線不一祥．相當于繞大西洋一圈，需要5—6年的時間。遷徙的海龜48第48頁，共101頁。這樣準確無誤地航行靠什么導航？為什么海龜遷移的路線總是順時針的?最近美國科學家發(fā)現(xiàn)海龜?shù)念^部有磁性的納米微粒，它們就是憑借這種納米微粒準確無誤地完成幾萬里的遷移。海龜?shù)倪w移49第49頁，共101頁。“頑固”的牙齒

人類和動物的牙齒是由定向的羥基磷灰石納米纖維與膠質基體復合而成，這種具有納米結構的材料硬度很大，相當耐磨，極耐腐蝕。所以，這無疑是上天給人類和動物最好的恩賜。此外，動物的某些骨骼、筋、軟骨、皮以及部分昆蟲的表皮等也都是納米復合材料。牙齒微觀形貌藍田遺址中發(fā)現(xiàn)的牙齒50第50頁，共101頁。通過對自然界中的納米材料和納米結構進行研究，我們可以得到相當大的啟發(fā)。我們能否模仿荷葉表面的結構，制造出應用于生活的各種各樣的疏水材料來？我們能否從生物體內的納米粒子得到啟發(fā)，為我們設計納米尺度的新型導航器提供有益依據(jù)？要達到上述目的，必須要了解納米材料，了解納米材料的獨特性能。生物中的納米結構和納米材料小結51第51頁，共101頁。納米材料與納米技術的發(fā)展史52第52頁，共101頁。

要了解納米材料，首先應從了解納米材料的出現(xiàn)和發(fā)展歷史開始。根據(jù)時間，我們可以將納米材料的發(fā)展大致分為三個階段：孕育萌生階段探索研究階段應用開發(fā)階段53第53頁，共101頁。孕育萌生階段

人類開始制造和使用納米材料應該是2000多年前我們中國人開始使用燃燒蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料以及用于作色的染料開始的；1861年，隨著膠體化學的建立，科學家們開始對直徑為1—100nm的粒子系統(tǒng)進行研究；但當時的化學家們并沒有意識到在這樣一個尺寸范圍是人們認識世界的一個新的層次，而只是從化學的角度作為宏觀體系的中間環(huán)節(jié)進行研究。第54頁，共101頁。1959年12月29日,在加州理工學院發(fā)表了一篇題為“Thereisaplentyofroomsatthebottoms”(科學研究還遠未到盡頭)的演說，思索“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子，將會產生怎樣的奇跡?”，并指出用這種方法制備的材料將具有特殊性能。著名物理學家、諾貝爾物理獎(1964年)獲得者---Richard.Feynman(理查德.費曼)55第55頁，共101頁。20世紀60年代，科學家開始有意識地把納米粒子作為研究對象來探索納米體系奧秘。1962年，Kubo(久保)研究發(fā)現(xiàn)金屬超微粒子與塊體材料的熱性質不同，并針對金屬超微粒費米面附近的電子能級狀態(tài)分布提出了著名的久保理論，也就是超微顆粒的量子限制理論或量子限域理論，從而推動實驗物理學家向納米尺度的微粒進行探索。56第56頁，共101頁。l963年，R.Voyda及其合作者發(fā)展了所謂的氣體冷凝法，即通過在純凈的惰性氣體中的蒸發(fā)和冷凝過程獲得較干凈的超微粒，并對單個金屬微粒的形貌和晶體結構進行了電鏡和電子衍射研究。氣體冷凝法制備納米材料示意圖57第57頁，共101頁。1974年，日本學者Taniguchi首次提出了“Nanotechnology”(納米科技)一詞，1981年德國科學家H.Gleiter提出了“Nanostructureofsolids”(固體納米結構)的概念，并發(fā)展了具有納米晶粒尺寸和大量界面的各種特殊性能的材料。70年代未80年代初，對納米微粒結構、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究。久保理論也日臻完善．在用量子尺寸效應解釋超微粒子某些特性方面獲得成功。58第58頁，共101頁。1981年，美國IBM公司在瑞士蘇黎世實驗室的G.Binning教授和H.Rohrer博士發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscopy)，簡稱STM。STM設備外貌和原理圖59第59頁，共101頁。STM是目前為止進行表面分析的最精密的儀器之一，可以直接觀察到原子。它的橫向分辨率可以達到0.1nm，縱向分辨率達到0.01nm，并且還具有操縱原子的功能。這使理查德?費曼的預言僅過了12年就成為現(xiàn)實，兩位發(fā)明人也因此獲得了1984年諾貝爾物理獎。60第60頁，共101頁。STM的發(fā)明不僅意味著人們可以直接觀察到原子、分子，而且還能夠利用STM直接操縱和安排原子和分子，這代表著納米科技的誕生，在人類科學史上是一個巨大的進步。

利用STM進行原子表面修飾和單原子操縱61第61頁，共101頁。探索研究階段

STM誕生迅速將人類推進到納米材料的探索研究階段。STM誕生后不久，美國IBM的兩名科學家就開始利用STM直接操作原子，成功地在鎳板上將35個氙原子按自己的意志安排原子組合成“IBM”宇樣；此后日本在室溫下進行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“Peace’的字樣。氙原子組成的IBM字樣62第62頁，共101頁。1987年美國阿貢實驗室的席格爾等人用惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備金紅石結構的納米氧化鈷陶瓷致密度達95％。與粗晶氧化鈷陶瓷比較，對應同樣燒結溫度，納米陶瓷硬度均高于常規(guī)陶瓷；對應同樣的硬度值納米TiO2燒結溫度可降低幾百度。納米陶瓷粉與塊體63第63頁，共101頁。1990年7月在美國巴爾的摩召開了國際第一屆納米科學技術學術會議，正式把納米材料科學作為材料科學的一個新的分支公布于世，正式提出納米材料學、納米生物學、納米電子學和納米機械學的概念，這標志著納米材料學作為一個相對比較獨立學科的誕生。64第64頁，共101頁。1991年IBM的O.Eigler利用STM快速重復地在Ni表面同一位置上“拾”起或“放”下一個氙原子，原則上創(chuàng)造了速度為二百億分之一秒的單原子雙級開關裝置。這為原子級的計算機開關器件的誕生創(chuàng)造了條件。專家們預計，達一突破性的納米新科技研究工作將可能使美國國會圖書館的全部藏書存儲在一個直徑為0.3m的硅片上。美國國會圖書館Si基片65第65頁，共101頁。1991年，美國海軍實驗室的一個研究組提交了一篇理論性文章，預計了一種碳納米管的結構，但當時認為近期內不可能合成，因而文章未予以發(fā)表。同年1月,日本筑波NEC實驗室的Ijima(飯島澄男)用高分辨電鏡就觀察到碳納米管。

上圖為碳納米管理論模型下圖為STM觀察到的碳納米管照片66第66頁，共101頁。與此同時，莫斯科化學物理研究所的研究人員也獨立發(fā)現(xiàn)了碳納米管和納米管束。單壁碳納米管是由美國IBM的Bethume(伯森)等人發(fā)現(xiàn)。每個單壁管側面由碳原子六邊形組成，長度一般為幾十納米至微米級，兩端由碳原子的五邊形封頂。單壁碳納米管67第67頁，共101頁。多層碳納米管一般是由幾個到幾十個單壁碳納米管同軸組成，管間距在0.34nm左右。多層碳納米管68第68頁，共101頁。碳納米管奇特的物理性質1)純C60固體是絕緣體，用堿金屬摻雜之后就成為具有金屬性的導體，適當?shù)膿诫s成分可以使C60固體成為超導體。同時，C60固體還在低溫下呈現(xiàn)鐵磁性。69第69頁，共101頁。2)碳納米管具有獨特的電學性質，這是由于電子的量子限域所致，電子只能在單層石墨片中沿納米管的軸向運動，徑向運動受到限制。經計算表明，有1/3的小直徑碳納米管具有金屬性質，而其余的具有半導體性質。此外，碳納米管的電導高于Cu，在低溫下，電導隨外加磁場的變化出現(xiàn)漲落現(xiàn)象。70第70頁，共101頁。3)碳納米管不僅具有良好的導電性能,還是目前最好的導熱材料，同時，碳納米管活性很高，普通的閃光就能使其燃燒。4)納米碳管具有十分優(yōu)良的力學性能。碳納米管的質量只有相同體積鋼的六分之一,但抗張強度卻比鋼高100倍，比鈦高10倍；由懸臂粱振動測量結果，碳納米管的楊氏模量高達1012Pa左右；延伸率達百分之幾，具有好的可彎曲性。71第71頁，共101頁。碳納米管的巨大應用前景1)納米尺度電子元件可在兩個共軸納米管或納米管結的基礎上來制造設計，元件同時具有金屬和半導體性質。2)納米碳管優(yōu)異的導熱性能使它成為今后計算機芯片的熱點,也可用于發(fā)動機、火箭等的各種高溫部件的防護材料。碳納米管電子元件72第72頁，共101頁。3)碳納米管可用于電子探針或顯示的針尖及場發(fā)射。碳納米管與其他材料形成的復合材料電導大大增強，噴在表面可做導電漆或涂層。它也可作為晶體管的發(fā)射極。用于場發(fā)射使用的碳納米管50μm750μm150μm20μm7.5μm250μm73第73頁，共101頁。4)碳納米管優(yōu)異的力學性能可使它們用作復合材料的增強劑，用做復合材料、防磨涂料、潤滑劑、液體表而保護劑等。如果摻入樹膠，這種納米管可在分子等級上與樹膠混合形成高強度樹膠，用于制作小型精密機械用樹膠齒輪，也可用于制作不易破損的輕型透明樹膠基片。74第74頁，共101頁。碳納米管強度高、重量輕，最有前途的用途莫過于將制作太空升降機的纜繩。這是因為纜繩的長度是從太空下垂到地面的距離，目前世界上除了碳納米管，沒有任何材料能夠支撐這種長度纜繩自身的重量。到那時，人類到外太空旅行將是一件輕而易舉的事情。太空梯75第75頁，共101頁。5)碳納米管的特殊結構在燃料電池和化工催化上也有很大用途。碳納米管的空腔是很好的貯氫場所。碳納米管具有很大的比表面積，由其形成的有序納米孔洞厚膜不但能用于鋰離子電池，而且在此厚膜孔內填充電催化的金屬或合金后可用來電催化O2分解和甲醇的氧化。6)碳納米管甚至可以用來制作納米齒輪，為制備納米機械打下基礎。76第76頁，共101頁。目前人們已經合成出了WS2、MoS2、BN、TiO2、NiCl2、類酯體、肽以及定向排列的氮化碳等納米管，納米管的出現(xiàn)豐富了納米材料研究的內涵，為合成組裝納米材料提供了新的發(fā)展和機遇。77第77頁，共101頁。中國科學院于1991年召開了我國首次“納米科技發(fā)展戰(zhàn)略研討會”。會上，中國科學院上海原子核研究所的青年學術小組作了“面向21世紀的高新科技——納米科學技術”的主題報告。當時對納米材料，國家科技部已經安排了基礎研究重大項目進行研究，但對納米科技的整體研究尚未安排國家級的計劃。所以，在某種意義上說，該次會議標志著我國真正啟動了納米科技研究。78第78頁，共101頁。中科院真空物理實驗室的研究人員于1993年用STM在Si重構表面上開展原子操縱研究，通過針尖與樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成一定規(guī)則的圖形，形成“中國”等字樣。79第79頁，共101頁。中科院化學所用掃描隧道顯微鏡在石墨晶體表面刻寫的中國地圖，線條寬度為納米級。這些技術的突破是我國納米科技的重大進展，在高密度信息儲存、納米電子器件、量子器件、新型材料的組成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應用。同時也標志我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。80第80頁，共101頁。應用開發(fā)階段1994年在美國波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程。它是在納米材料研究的基礎上進行納米合成、納米添加發(fā)展新型材料，并對傳統(tǒng)材料進行改性，擴大納米材料的應用范圍，形成基礎研究和應用研究并行發(fā)展的新局面。隨后，綱米材料及其技術開始蓬勃發(fā)展，產業(yè)化步伐加快，市場不斷擴大，世界競爭態(tài)勢逐漸形成。81第81頁，共101頁。1996年，中國科技大學謝毅利用苯熱合成法制備出平均粒度為30nm的氮化鎵粉體。1997年，清華大學范守善教授制備出直徑為3-50nm、長度達微米級的氮化鎵納米棒,首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，

提出碳納米管限制反應的概念。1999年,他與美國斯坦福大學戴宏杰教授合作，

實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。82第82頁，共101頁。1997年，美國紐約大學科學家發(fā)現(xiàn)，DNA(脫氧核糖核酸)可用于建造納米層次上的機械裝置，這是繼碳納米管后又一可制作納米機械的材料。DNA納米機械裝置83第83頁，共101頁。1998年,中國科技大學錢逸泰院士的研究組用催化熱解法，從四氯化碳制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金”。CCl4結構金剛石結構84第84頁，共101頁。1999年巴西和美國科學家用碳納米管制備了世界上最小的“秤”。具體操作是先將電流通人碳納米管，再觀測碳納米管的振動頻率，由此計算出碳管的強度和柔韌性。后來，他們將一個納米顆粒放在碳納米管的一個頂端，再重復進行上述實驗時發(fā)現(xiàn)，由于重量發(fā)生了變化，使得碳納米管的振動頻率也隨之發(fā)生了相應的變化，從而測算出納米顆粒的重量。納米天平85第85頁，共101頁。2000年，中科院沈陽金屬所的盧柯小組利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。而且他們還發(fā)現(xiàn)納米銅的室溫超塑延展性，獲得納米金屬銅室溫壓延伸率高達5000％的超塑性現(xiàn)象，展示無空隙納米材料的變形機制。δ=0%δ=200%

δ=600%δ=2000%δ=5100%

86第86頁，共101頁。美國IBM公司首席科學家Amstrong(阿姆斯特朗)說；“正像70年代微電子技術產生了信息革命一樣，納米科學技術將成為下一世紀信息時代的核心”。著名科學家錢學森也預言“納米和納米以下的結構是下一階段科技發(fā)展的一個重點，將是21世紀的又—次產業(yè)革命?！彪m然納米新技術目前處于基礎研究階段，但納米科技必將成為21世紀科學的前沿和主導。87第87頁，共101頁。各國的納米技術發(fā)展規(guī)劃美國自1991年開始，把納米技術列入了“政府關鍵技術”、“2005年戰(zhàn)略技術”日本在6年前實施了為期10年，耗資2.25億美元的納米技術研究開發(fā)計劃德國在1993年提出了今后10年重點發(fā)展的9個領域關鍵技術，其中4個領域涉及納米技術中國“863規(guī)劃”、“九五規(guī)劃”和“十五規(guī)劃”均將納米技術研究列為重點項目，并成立了國家納米技術研究指導委員會。中科院于2000年10月30日宣布成立納米科技中心，從事納米技術及相關研究。第88頁，共101頁。納米材料的特性89第89頁，共101頁。納米材料在力、熱、磁、光等方面的特性是由納米材料具備的特殊效應決定的：小尺寸效應；表面效應；量子尺寸效應；宏觀量子隧道效應；90第90頁，共101頁。特殊效應物理性能改變應用領域小尺寸效應磁有序向無序轉變磁性材料、超導材料電子能級間隙增大，電阻增大導電材料、絕緣材料力學性能的強韌化陶瓷材料、金屬材料等離子共振頻率改變屏蔽材料表面效應原子表面活性增加化工催化、能源材料熔點下降粉末冶金材料量子效應紅外吸收帶寬化且向短波方向移動光吸收材料出現(xiàn)新的發(fā)光現(xiàn)象光電子材料宏觀量子隧道效應某些宏觀物理性能可貫穿勢壘磁性材料、電子材料特殊效應對物理性能的影響及其應用91第91頁，共101頁。（1）小尺寸效應超細微粒的尺寸與光