走進納米世界

什么是納米？什么是納米科技？一、納米和納米科技的概念什么是納米？

納米是一個長度計量單位，1納米=10-9米納米結(jié)構(gòu)？

納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下（1-100nm）的微小結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)？

是指在納米尺度的范圍內(nèi)，通過直接操縱和安排原子、分子來創(chuàng)造新物質(zhì)材料的技術(shù)。即研究100納米到1納米范圍內(nèi)物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能，并在此基礎(chǔ)上制造新材料，研究新工藝的方法與手段。一納米有多大？AndromedaGalaxy1022mSun1.4x109mEarth1.2x107mSolarSystem1.2x1013mSingapore4.2x104mby2.3x104mMountEverestHeight8.9x103mRafflesCityHeight2.8x102mApatosaurusLength2.1x101m萊佛士城AfricanElephantHeight~3.3mRabbit(Length)~3x10-1mRedBloodCell7x10-6mby10x10-6mVirus(Length)~9x10-7mCarbon-CarbonBondLength~1.5x10-10mAtom~10-10mNucleus~10-14mCrosssectionofhumanhair~10x10-5mCdSeNanocrystal~3x10-9mHousefly~7.5x10–3m

HumanHair一納米有多大？什么是納米科技？

制備優(yōu)異性能的納米材料設(shè)計、制備各種納米器件和裝置探測分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象transistor1947

integratedcircuit‘chip’1959

2001:>100milliontransistorsperchip二.納米科技概念的提出與發(fā)展人類能夠用宏觀的機器制造比其體積小的機器,而這較小的機器可以制作更小的機器,這樣一步步達到分子線度,即逐級地縮小生產(chǎn)裝置,以至最后直接按意愿排列原子,制造產(chǎn)品.那時,化學將變成根據(jù)人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。

當2000年人們回顧歷史的時候,他們會為直到1959年才有人想到直接用原子,分子來制造機器而感到驚訝。

---RichardP.Feynman,1959

“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureateHewastalkingaboutnanotechnologybeforethewordexisted!1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機械加工。

1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具（掃描隧道顯微鏡），使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用。

1990年7月，第一屆國際納米科學技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術(shù)的正式誕生。掃描隧道顯微鏡(STM)1981年，美國IBM公司設(shè)在瑞士蘇黎世的實驗室里，物理學家葛·賓尼(G.Binnig)和羅·海雷爾(H.Rohrer)發(fā)明了一種前所未有的新式顯微鏡，他們稱其為“掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)”簡稱STM

。

應(yīng)用這臺顯微鏡人們可以看到原子大小的東西。STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r地觀察單個原子物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學性質(zhì)，被國際公認為80年代世界十大科技成就之一。STM的工作原理將針尖和樣品表面作為兩個電極，當兩者之間的距離足夠小時，在電場的作用下，電子會穿過電極間的絕緣層，形成“隧道電流”，這種效應(yīng)就是隧道效應(yīng)。STM工作時的特點利用針尖掃描樣品表面，通過隧道電流獲取圖像。STM工作方式恒電流掃描恒高度掃描STM的原理示意圖STM的結(jié)構(gòu)STM主要由STM主體、電子反饋系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)及高分辨圖象顯示終端組成?！诵牡牟考翘筋^?！娮臃答佅到y(tǒng)用于產(chǎn)生隧道電流及維持隧道電流的恒定，并控制針尖在樣品表面進行掃描?！嬎銠C系統(tǒng)控制全部系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，收集和存貯所獲得的圖像，并對原始圖象進行處理，最后對在圖象顯示終端顯示出的圖象拍攝照片。CSTM-9000STM例：移動鐵原子1993年，美國科學家在低溫下，用STM針尖將48個鐵原子排成一個圓環(huán)，并且直接觀察到了電子駐波的圖形而后，他們又成功地移動鐵原子寫成了兩個漢字“原子”。鐵原子的移動過程1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字。

1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志我國在納米科技領(lǐng)域占有一席之地。1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10成為納米技術(shù)研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等。天梯——碳納米管繩梯古人曾經(jīng)幻想，順著天梯就可以上天了。

他們認為，沿著昆侖山頂峰上的大樹向上爬，爬到樹頂就能進入天庭，這棵樹就是上天的天梯。從地面修造一架天梯達到幾萬千米高的衛(wèi)星，底部必須是直徑358千米粗的柱子，才能支撐得住，才不會被自己的重量壓彎，這樣的天梯，其底座相當于江蘇省的面積那么大。天梯——碳納米管繩梯建設(shè)天梯（20世紀90年代提出）：同步衛(wèi)星放下由碳納米管制作的繩纜到地球。升降機將沿著這個繩纜爬上爬下。1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，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)在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于—個病毒的重量；此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。

2000年4月，美國能源部桑地亞國家實驗室運用激光微細加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀，該手術(shù)刀可以每秒掃描10萬個癌細胞，并將細胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計算機進行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維.沙因貝格爾博士報道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學的進展是十分迅速的。

到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點；德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。納米科技的科學意義1）可制造一種材料，其強度為鋼幾倍，而重量僅為鋼幾分之一。2）可以將國會圖書館的信息都存儲在一塊方糖大小的存儲器上。3）可以檢測出幾個癌細胞。

-------克林頓納米技術(shù)可能是下個世紀前二十年最重要的技術(shù).

------克林頓

納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會有一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命.

------錢學森

三、納米材料的奇異性能

納米材料的特殊性能是由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生四大效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)（含宏觀量子隧道效應(yīng)）、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學性能。由于納米材料在磁、熱、光、電、催化、生物等方面具有奇異的特性，使其在諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，并已經(jīng)成為當今世界科技前沿的熱點之一。

小尺寸效應(yīng)量子效應(yīng)表面效應(yīng)界面效應(yīng)1.表面效應(yīng)納米粒子由于粒徑小，比表面積大，表面原子占有率高，表面活性高.一般規(guī)律:

10nm，表面原子占有率20%1nm，表面原子占有率99%2.小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學性質(zhì)

（2）特殊的熱學性質(zhì)

（3）特殊的磁學性質(zhì)

（4）特殊的力學性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

3.量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸展庾V闕值向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。4.宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。勢壘在兩塊導電物體之間夾一層絕緣體，若在兩個導體之間加上一定的電壓，通常是不會有電流從一個導體穿過絕緣層流向另一導體的，即：兩個導體之間存在著勢壘，像隔著一座山一樣隧道效應(yīng)假如這層勢壘的厚度很窄只有幾個納米時，由于電子在空間的運動呈現(xiàn)波性，根據(jù)量子力學的計算，電子將穿過而不是越過這層勢壘，從而形成電流。形象地看如同在山腰部打通了一條隧道而火車通過隧道那樣，這種現(xiàn)象在量子力學中稱為隧道效應(yīng)。納米粒子在化學和物理上出現(xiàn)奇異的特性◆熔點降低Au 1064℃2nmAu 327℃Cu 327℃20nmCu 39℃Ag 900℃納米Ag 100℃◆表面積增大，表面能增大

例如Cu粒徑 表面積(m2/g) 表面能(J/mol)100nm 6.6 59010nm 66 59001nm 660 59000◆化學活性高高催化活性的催化劑，與普通催化劑相比，催化活性提高到幾十倍到上百倍經(jīng)固相反應(yīng)可得到新的物種。1各種納米材料的特性蓮花葉子表面

的自我潔凈蓮花葉面表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當遠大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸狀物形成點的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，且毛與毛之間的隙縫極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。所以鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。這種結(jié)構(gòu)還極其通氣。不用洗滌劑的納米服裝2002年，一批高科技服裝面料從實驗室走上了展臺：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等相繼出現(xiàn)，高科技的服裝面料令人耳目一新具有易潔納米涂層的陶瓷摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷強度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米銅四.納米材料應(yīng)用及制備納米材料的應(yīng)用◆陶瓷材料的增韌性：陶瓷材料耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗氧化高溫材料的廣泛的應(yīng)用：例如氣缸內(nèi)襯、汽車點火器等。但也有缺點，可塑性差、韌性差、不易加工。例如納米SiC陶瓷斷裂韌性比普通SiC提高100倍。制備出納米復合陶瓷：德國將20%納米SiC摻入到粗晶α-SiC粉末中，斷裂韌性提高了25%?！艄鈱W上的應(yīng)用：●納米SiO2光導纖維，光傳播快，不失真●紅外吸收和紫外吸收材料，隱身材料

在日常生活和國際上都有主要的應(yīng)用，納米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其復合材料對人體紅外有強烈吸收，可以起到保暖作用，減輕衣服重量，對登山運動員、軍人戰(zhàn)士防寒，以及在軍事上，防止敵人的紅外探測器發(fā)現(xiàn)。

隱身就是隱蔽，把自己外表偽裝起來，紅外探測器可以發(fā)射紅外線，搜索紅外發(fā)射物體，人身就是紅外線的發(fā)射體，現(xiàn)代化戰(zhàn)爭隱身材料占極其重要的地位。1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國戰(zhàn)斗機表面包覆了納米材料（納米材料，Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3納米的硼化物、氮化硼，碳化硼及其復合材料都是隱身材料），吸收寬頻帶的微波，可以逃避雷達的監(jiān)視，而伊拉克的軍事目標沒有這種設(shè)施，失效慘重。美國又研制了納米磁性材料，在一定條件下產(chǎn)生光發(fā)散效應(yīng)，改變光傳播方向，達到擾亂敵人探測的目標。

紫外光吸收：納米TiO2、Al2O3、SiO2、ZnO納米方面對250nm以下的波長有較強的吸收。185nm的短波紫外線對人體健康有損害，而且對日光燈的壽命有影響，若將Al2O3粉末摻入稀土熒光粉中，吸收掉這些有害的紫外光。同理可作防曬劑和化妝品中。

加入高分子材料可作抗老劑，防止高分子材料老化?！翎t(yī)藥上的應(yīng)用

納米磁性材料(Fe3O4)作載體，將醫(yī)藥負載到載體上，注射到人身體內(nèi)，隨血液循環(huán)，定向移動到病變部位，達到定向治療的目的，局部治療效果好。

◆催化方面的應(yīng)用光催化：由水制氫氣、污水處理等。制備出納米光催化自潔凈玻璃，抗菌軍服、病服、納米洗衣機、家具、潔具、廚具、小孩玩具，有很強的自潔凈功能

Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnO、ZnFe2O4`TiO2及TiO2-ZnO，TiO2-SnO2,TiO2-CeO2,TiO2-Fe2O3半導體及半導體復合光催化材料

不同催化劑對丙烯酸降解率的影響

a市售TiO2b普通化學法制備的TiO2/Fe2O3(0.03%)cSCFD制備的TiO2dSCFD制備的TiO2/Fe2O3(0.03%)◆其他納米鑷子：美國哈佛大學前不久研制出納米鑷子，臂寬50nm，長度4

m，可以抓住單個分子(在電壓8.5V下完全可以合攏)(納米管一臂帶正電，一臂帶負電)。日本研制的納米鑷子僅能夾起糖分子。納米鼻：美國斯坦福大學納米碳管制成的納米鼻。在室溫條件下，造價低廉，長僅有3

m，可檢測空氣中NH3、NO2，可用實驗室家庭中有毒氣體的報警。

納米潤滑油納米Cu加入潤滑油中，可使?jié)櫥托阅芴岣?0倍，并有自修復作用。納米金剛石加入潤滑油中磨損程度減9.40~50%，金剛石起到“微軸承“作用，對表面有拋光和強化作用。

納米材料的制備技術(shù)納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學方法兩大類。一、物理方法1真空冷凝法

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。2物理粉碎法

通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。3機械球磨法

采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素、合金或復合材料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。二、化學方法1化學沉淀法共沉淀法均勻沉淀法多元醇沉淀法沉淀轉(zhuǎn)化法

2.化學還原法水溶液還原法

多元醇還原法

氣相還原法

碳熱還原法

3溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠，再制成凝膠，經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子。

溶膠－凝膠法可以大大降低合成溫度。用無機鹽作原料，價格相對便宜。4水熱法水熱法是在高壓釜里的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，采用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，反應(yīng)還可進行重結(jié)晶。水熱技術(shù)具有兩個特點，一是其相對低的溫度，二是在封閉容器中進行，避免了組分揮發(fā)。水熱條件下粉體的制備有水熱結(jié)晶法、水熱合成法、水熱分解法、水熱脫水法、水熱氧化法、水熱還原法等。近年來還發(fā)展出電化學熱法以及微波水熱合成法。前者將水熱法與電場相結(jié)合，而后者用微波加熱水熱反應(yīng)體系。與一般濕化學法相比較，水熱法可直接得到分散且結(jié)晶良好的粉體，不需作高溫灼燒處理，避免了可能形成的粉體硬團聚。

5溶劑熱合成法用有機溶劑代替水作介質(zhì)，采用類似水熱合成的原理制備納米微粉。非水溶劑代替水，不僅擴大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無法實現(xiàn)的反應(yīng)，包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。苯由于其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑，最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù)，溶劑加壓熱合成技術(shù)可以在相對低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。6微乳液法微乳液通常是有表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油類(通常為碳氫化合物)組成的透明的、各向同性的熱力學穩(wěn)定體系。微乳液中，微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒，其大小在幾至幾十個納米間，這些微小的“水池”彼此分離，就是“微反應(yīng)器”。它擁有很大的界面，有利于化學反應(yīng)。這顯然是制備納米材料的又一有效技術(shù)。與其它化學法相比，微乳法制備的粒子不易聚結(jié)，大小可控，分散性好。運用微乳法制備的納米微粒主要有以下幾類：(1)金屬，如Pt，Pd，Rh，Ir[84]Au,Ag,Cu等；(2)硫化物CdS，PbS，CuS等；(3)Ni,Co,Fe等與B的化合物[；(4)氯化物AgCl，AuCl3等；(5)堿土金屬碳酸鹽，如CaCO3，BaCO3，SrCO3；(6)氧化物Eu2O3，F(xiàn)e2O3，Bi2O3及氫氧化物Al(OH3)等。7.高溫燃燒合成法利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學反應(yīng)，體系局部發(fā)生反應(yīng)形成化學反應(yīng)前沿(燃燒波)，化學反應(yīng)在自身放出熱量的支持下快速