1、纳米技术纳米技术杨修春杨修春同济大学材料学院同济大学材料学院1 纳米：纳米：10-9米，是人头发直径万分之一。 纳米技术：纳米技术：是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分子创制新物质的技术，是研究尺寸范围在1一100nm之间的物质的组成，结构和性能的技术。 纳米技术包括：纳米技术包括：纳米物理学、纳米化学、纳米生物学和医学、纳米机械学、纳米电子学、纳米材料学、纳米加工学和纳米力学等 。2Dimensional scale3第一次工业革命第一次工业革命：18世纪中叶，以蒸汽机为代表，毫米技术的应用；它使人们从手工为主的时代跨进了以机械代替人力的工业时代，结束了人类进化以来最漫长
2、的以体力劳动为标志的时代。DB1达波1型 28号 。美国1907年生产 4 第二次工业革命第二次工业革命：20世纪以微电子学技术为代表，微米技术的应用。微米技术使人类进入了计算机和通讯网络的新时代，不仅缩短了人类的空间距离，而且极大地促进了人类生产力的发展。 特征： a top-down fabrication paradigm。 lithography to define patterns on surfaces, etching to remove material, deposition to add material and thus allow complex structures
3、to be made. 5 第三次工业革命：第三次工业革命：纳米尺度介于宏观和微观之间，人们对这一过渡区域的认知还处于起步阶段，有大量的新现象、新规律有待发现，充满了原始创新的机会，是新技术发展的源头。 纳米科技不归属于任何一门传统的学科领域，必须建立新的理论体系。 纳米技术有可能推动产品高性能化、微型化、环境友好、节约能源、资源等方面起到关键的作用。6 信息产业：纳米器件将代替微电子器件，芯片的设计和集成方法将改变；所有的生产线均要进行相应的调整，检测方法、手段、标准都要变化。 生物医学产业：生物计算机，新药。 传统产业：染料、涂料、建材、纺织等行业采用纳米技术，使性能有很大提高，大大提高产
4、品的市场份额。7 美国IBM公司首席科学家Amstrong在1991年曾说：“我相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如微米科技从20世纪70年代初以来所起的作用那样。” 著名科学家钱学森也预言：“纳米科技是21世纪发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是又一次产业革命。” 特征：Bottom-up self-assembly. Structures are built up from atomic- or molecular-scale units into larger and increasingly complex structures-biologica
5、l systems.8纳米技术的发展过程纳米技术的发展过程 1000多年前，中国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早的纳米材料； 中国古代铜镜表面的防锈层，经检验证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。 1861年，随着胶体化学(colloid chemistry)的建立，科学家们开始研究1nm-100nm的粒子系统。9 1959年，美国著名物理学家、1965年诺贝尔物理奖获得者Richard Feynman在当年的美国物理学会年会的发言中曾对未来的物理学作了一个精彩的预言：“如果我们按自己的愿望一个一个地排列原子，将会出现什么呢？这些物质将有什么性质？这是十分
6、有趣的问题。虽然我现在不能精确地回答它，但我决不怀疑当我们能在如此小的尺寸上进行操纵时，将得到具有大量独特性质的物质。”10 1962年，日本物理学家久保亮武(R.Kubo)在研究金属粒子理论中发现，由于超微粒子中原子数目的减少，使得能带中能级间距加大，变为不连续能级，这就是著名的久保效应。 1963年，上田良二及其合作者发展了所谓的气体蒸发-凝聚法(gas evaporation-condensation method)制备超微颗粒，第一次提出超微颗粒概念。11 1974年，日本科学家Taniguchi最早使用纳米技术一词描述精细机械加工。 70年代末，麻省理工学院K. Eric Drexl
7、er提倡纳米技术的研究。 70年代末80年代初，对纳米微粒结构、形态和特性进行了比较系统的研究。久保理论解释超微粒子某些特性方面获得成功。 1981年，随着扫描隧道显微镜(STM)的发明，大大推进了纳米技术的发展。12 1984年原联邦德国萨尔大学格莱教授最早用纳米微粒制备三维块状试样。用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面纳米晶体钯、铜、铁等。 1987午，美国阿贡实验室Siegel用相同方法制备出钠米氧化钛多晶体。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开，标志纳米科学技术领域正式形成。13 纳米研究计划：1991年4月将纳米技术列入“国家关键技术”。2000年2月
8、提出“国家纳米技术计划”， 2001年1月21日美国总统克林顿宣布了“纳米技术倡议”，涉及国家自然科学基金会、国防部、商务部、能源部等12个部门。美国纳米科技的研究进展14 纳米科技研究开发经费从2001财年的.22亿美元增至2004财年的.49亿美元。 美国总统布什在白宫签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发。 15主要研究内容 “设计”组装更强、更轻、更硬并具有自修复和安全性的纳米材料：10倍于当前工业、运输和建筑用钢材强度的碳和陶瓷结构材料；强度倍于目前遇100摄氏度高温就融化的汽车工业用材料的聚合物材
9、料、多功能智能材料。16 纳米电子学、纳米光电子学和纳米磁学：提高计算机运行速度并使芯片的存储效率提高百万倍；使电子的存储量增加到数千太比特，将单位表面积的存储量提高千倍；增加数百倍的带宽改变通信方式。17 卫生保健方面，通过诊断和治疗器件减少卫生保健的昂贵费用并增强其有效性；利用基因的快速排序和细胞内传感器进行诊断和治疗；探测早期癌细胞并传递药物；研究能使人工器官的排斥率降低50、探测早期疾病的生物传感器；研制最大限度减少人体组织损害的小型医疗器件。18 在纳米尺度加工和环境保护方面，清除水中小于300纳米和空气中小于50纳米的污染微粒，以促进环境和水的清洁； 提高能源转换和存储效率，使太阳
10、能电池的能效提高倍； 研制探索太阳系外层空间的低功率(Low power)微型空间飞行器；19 研究纳米生物器件，以减轻人类因治疗产生的痛苦：快速有效的生物化学探测器；保护健康、修复受损组织的纳米电子机械化学器件； 在经济与安全运输方面，引入新型材料、电子学、能源和环境等方面的概念； 在国家安全方面，密切注视纳米电子学、多功能材料和纳米生物器件的重大挑战。20日本纳米科技发展概况 纳米研究计划：早在1981年的“先进技术探索研究(ERATO)”涉及了许多有关纳米粒子、纳米结构、纳米生物学和纳米电子学等方面的探索性研究。项目研究期限定为年，均由政府出资，年间政府对项目的平均资助金额为1600万美
11、元。每个项目通常由1525名科学家和技术人员组成，分为个研究小组。21 1991年至2001年，日本通产省制定了纳米科技研究计划，包括：1）原子技术计划（1.85亿美元）2）量子功能器件（4000万美元）3）分子操纵（2.5亿美元）,其中1.67亿美元用于微机器人开发。22 日本通产省2001年制定了“纳米材料计划”(NMP)，每年经费3500万美元，为期年（2001-2007年），由政府部门、政府研究机构、大学和产业界联合研究，旨在为产业界建立集研究开发新的纳米功能材料和教育功能于一体的纳米技术材料研究开发平台。23 日本内阁府综合科学技术会议于2003年7月14日召开了“纳米技术及材料研究
12、开发推动项目”第次会议，确定了研究开发的重点领域：“纳米药物传输系统”、“纳米医疗设备”以及“创新性纳米结构材料” 。 24 日本政府在第二个“科学技术基本计划”(2001-2006年）中，将纳米技术和材料与生命科学、信息通信、环境保护等作为国家的科技重点发展战略的重中之重领域。该计划在2001年投入纳米科技的研究经费达亿日元，比2000年度增加了亿日元。该计划确定的纳米技术与材料重点研究领域：25 纳米物质与材料及其在电子、电磁、光学上的应用； 纳米物质与材料及其在结构材料中的应用； 纳米信息元件； 纳米科技在医疗、生命科学、能源科学及环境科学方面的应用； 有关表面和界面控制的物质及材料；2
13、6 纳米计量和标准技术； 纳米加工、合成和工程技术； 纳米技术的计算、理论和模拟技术； 形成安全空间的材料技术等。27欧洲共同体 欧洲共同体在第个框架计划(2002-2006年）中，将纳米技术和纳米科学作为个重点发展的战略领域之一，经费为12亿美元。 将长期的跨学科研究转向了解新现象、掌握新工艺和开发研究工具； 重点研究分子和介观尺度现象、自组织材料和结构、分子和生物分子力学与马达；28 集成开发无机、有机、生物材料和工艺的跨学科研究的新方法。 纳米生物技术：其目标是支持一体化的生物和非生物体的研究，有广泛应用的纳米生物技术，如能用于加工、医学和环境分析系统的纳米生物技术。29 重点研究领域涉
14、及芯片实验室(Lab-on-chip)，生物实体的界面，纳米粒子表面修复，先进的药物传递方式和纳米电子学；生物分子或复合物的处理、操纵和探测，生物实体的电子探测，微流体，促进和控制在酶作用基础上的细胞生长。30 人工材料和部件的纳米工程技术：通过控制纳米结构,开发超高性能的新的功能和结构材料,包括开发材料的生产技术和加工技术.重点研究纳米结构合金和复合材料,先进的功能聚合物材料,纳米结构的功能材料。31 开发操作和控制器件及仪器：开发分辨率为10纳米的新一代的纳米测量和分析仪器。重点研究领域涉及各种先进的纳米测量技术；突破探索物质自组织特性的技术、方法或手段和开发纳米机械。 纳米技术在卫生、化
15、学、能源、光学和环境中的应用。重点研究计算模拟，先进的生产技术；开发能改性的创新材料。32 德国联邦教育与研究部和德国联邦经济部资助个纳米技术能力中心，每年投资6500万德国马克，资助的领域主要有： 超薄功能薄膜； 纳米结构在光电子领域的应用； 新型纳米结构的开发； 超精细表面测量； 纳米结构的分析方法。33 英国政府的纳米技术应用分委员会咨询专家组调查了上百个科学家和发明者后，在年月题为“英国纳米技术发展战略”的报告中勾画了英国纳米技术发展战略，选定了认为英国具有研究优势和产业发展机会的个纳米技术领域： 电子与通信；药品传递系统；生物组织工程、药物植入和器件；纳米材料，尤其是生物医学和功能界
16、面纳米材料；纳米仪器、工具和度量；传感器和致动器(actuators)。34 法国政府目前主要资助个纳米科技项目：“法国微纳米技术网络”(1000万欧元)；“纳米结构材料”(230万欧元)；“独立纳米对象”(1200万欧元)。 澳大利亚澳大利亚在2003财年将纳米材料与生物材料作为重点战略研究领域，主要研究通过原子和分子的纳米自组织形成块材。35 为了避免重蹈我国在半导体、激光、计算机等技术领域起步早，转化难，最终落后的覆辙，一些国家级的纳米研究专家在2000年6月联名向党中央、国务院提出关于加快制定国家纳米技术科技发展计划，尽快抢占这一世界前沿科技领域的建议。建议引起了中央领导的高度重视，并
17、被采纳，由此拉开了我国纳米技术产业化的序幕。36 科技部、国家发展计划委员会、教育部、中科院、国家自然科学基金委员会联合制定了“国家纳米科技发展纲要（2001-2010年）”。该公约明确指出纳米科技将对未来科技、经济和社会发展产生重大影响，已成为国际科技竞争的制高点。 37主要任务 加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作，如研究新型纳米器件，发明新的量子结构，发现新的量子效应。研究物质在纳米尺度上表现出的物理、化学和生物特性，研究单分子的特性和相互作用，为以原子、分子为起点，设计和构筑新的纳米结构、材料和器件提供科学依据和理论基础。加强对纳米结构新的测试方法和表征方法的研究和探索。建立纳米科技
18、数据库，制定纳米技术相关标准。38 突破一批纳米科技发展共性关键技术。 1）纳米材料制备与加工技术：突破纳米材料低成本、环境友好、高稳定性的规模化制备与加工技术。研究轻质、高强材料，生物医用材料及纳米药物，多功能智能化材料; 2）纳米器件的构筑和集成技术：实现稳定、可重复的原子操纵技术和自生长自组装技术；研究高集成度多功能智能化的纳米器件，使之具有高的运行速度、存贮密度和低的功耗。393）纳米加工技术：将“自上而下”和“自下而上”两种纳米加工技术结合起来，实现纳米尺度的光机电系统的加工和组装；4）纳米尺度的结构分析和性能测试技术：单分子和纳米结构的表征和性能分析技术和手段，利用纳米生物传感器探
19、测细胞内部生物化学反应等；5）装备技术：纳米制造、加工和测试装备的自主开发。406）国家安全：发展纳米高能燃料和节能技术；研发特种纳米涂料技术；发展纳米技术传感器、控制与制动系统；开发微/纳飞行器、卫星和制备平台。 开拓纳米材料和器件的应用，促进纳米科技成果转化； 建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地； 形成高素质的纳米科技骨干队伍。41纳米材料物理学纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。物质材料的结构组成相或晶粒尺寸小于100 nm者并具有特殊性能的材料。纳米材料物理：研究纳米尺度范围内出现的物理现象和物理效应，主要包括量子尺寸效应、宏观量子隧道
20、效应、表面效应等。42 按维度划分： 零维：指空间三维尺度均在纳米尺度范围，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 一维：指在空间有两维处于纳米尺度范围，如纳米丝、棒、管等。 二维：指在三维空间中有一维在纳米尺度范围，如纳米薄膜、纳米多层膜、超晶格等。 三维：指块体材料中含有纳米颗粒或纳米晶体。43从经典物理到量子物理 机械运动速度远小于光速时，符合牛顿力学规律。 电磁学包括光波动现象符合麦克斯韦方程组。 热现象能用热力学第一、二、三定律和经典统计物理来解释。 不能解释： 黑体辐射问题、光电效应和原子的线光谱及原子结构。44 1900年，普朗克发现：黑体是一个带电的谐振子，对于一定频率的电磁辐射，是不连
21、续的，无论是发射还是吸收，均以不可分割的能量子为单元进行的，即绝对黑体所发射或吸收的能量是的整数倍。其中=6.610-34Js为普朗克常数。 光电效应：金属及其化合物在光照射下发射电子的现象称为光电效应。1888年由赫兹（Herts）发现。45 爱因斯坦光子理论：光在空间传播时也具有粒子性，这些粒子被称为光量子或光子。 原子的线光谱及原子结构：1911年卢瑟福提出原子是由带正电的原子核和带核外作轨道运动的电阻组成。按照经典理论，电子在运动过程中应发射电磁波，该频率等于电子绕核旋转的频率，原子系统的能量会因此不断减少，电子最终被原子核吃掉。实验结果并非如此。46纳米效应纳米效应 表面效应：表面效
22、应表现在两个方面： (a)随着粒度的减小，颗粒的比表面积增大，其表面能也随之提高； (b)颗粒表面所占原子数与其总原子数的比例随颗粒的变小而增大。47 Fe、Ni、Co等超细颗粒可用来取代贵金属而作为汽车排气净化的催化剂等。 在火箭燃料推进剂中只要添加小于1%的超细铝粉或镍粉，可使燃烧热提高至2倍多。 超细金属颗粒用作推进力大的火箭固体燃料，其燃烧效率比目前所使用的高100倍。 48小尺寸效应 当超微颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意（De Broglie）波长、激子波尔（Bohr）半径等物理尺寸相当或更小时，就会导致声、光、电、磁、热、催化等物理、化学性能的变化，称为小尺寸效应。49特殊的热学性
23、能50Melting temperature versus size for CdS nanocrystals5152颗粒尺寸对晶格常数的影响=a/a=(a1-a)/a53奇特的磁学性能 超顺磁性：纳米颗粒尺寸小于一临界值时，进入超顺磁状态。例如，-Fe，Fe3O4和-Fe2O3在块体时都呈现很强的铁磁性，但当-Fe 、Fe3O4和-Fe2O3颗粒直径分别小于5nm, 16nm和20nm 时，它们都变成了超顺磁性体。 矫顽力：强磁性纳米颗粒（Fe、Co合金、铁氧体等），随着颗粒尺寸降低，饱和磁化强度下降，但矫顽力却显著增加。54量子尺寸效应当颗粒尺寸降低到临界值时，金属纳米颗粒在费米能级(EF
24、)附近的电子态由准连续变为离散的现象和半导体纳米颗粒禁带变宽的现象。久保理论指出相邻电子能级间距和金属颗粒直径d之间的关系为：31134dVNEFN-纳米颗粒内导电电子总数，V-纳米颗粒体积55Idealized density of states for one band of a semiconductor structure 56Room temperature optical absorption spectra of CdSe nanocrystallites dispersed in hexane57Wavelength of absorption threshold as a f
25、unction of particle size 582022-5-155960Rayleigh light-scattering of particles depositedon a microscope glass slide. 61宏观量子隧道效应 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。62 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025微米。63Worldwide gove
26、rnment R&D spending on nanotechnology64研究重点65纳米化学纳米化学 纳米化学主要研究纳米材料的制备及其化学性质。 纳米材料按维度分为零维、1维、二维和三维纳米材料。66纳米颗粒的制备 物理制备方法：由大到小法和由小到大法。由大到小法是早期制备纳米粉体的主要方法，即借助外力将较大的固体颗粒粉粹成纳米颗粒，如高能球磨法。另一种方法是使固体材料在真空或惰性气体气氛中被气化，然后冷凝成纳米颗粒。气化方法包括：电阻炉加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束、离子束、激光束、和涡流加热等。67化学气相反应法 基本原理：气相分解法和气相合成法：A(g)B(s)+
27、C(g)A(g)+B(g)C(s)+D(g) 电阻炉加热气相反应法 激光诱导化学气相反应法 等离子体增强化学气相反应法 化学气相凝聚法 溅射法68液相法和固相法 沉淀法：共沉淀法和均相沉淀法 水解法：无机盐水解法和金属醇盐水解法 喷雾法： 喷雾干燥法、雾化水解法和喷雾焙烧法 溶剂热法：水热法、有机溶剂热法 蒸发溶剂热解法 乳液法 辐射化学合成法 溶胶-凝胶法69纳米粉体的团聚与表面改性 纳米粉体的团聚问题 纳米颗粒表面修饰（纳米材料制备技术）70一维纳米材料的制备 纳米碳管的制备 纳米碳管的纯化 纳米棒、丝、线、带的制备 同轴纳米电缆的制备71二维纳米材料的制备 溶胶-凝胶法 电沉积法 离心沉
28、积法 等离子体化学气相沉积法 溅射法 化学气相沉积法 惰性气体蒸发法72三维纳米材料的制备 纳米金属和合金的制备方法 纳米陶瓷制备方法73纳米复合材料的制备方法 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。在复合材料中，通常有一相为连续相，称为基体；另一相为分散相。两相之间存在相界面。复合材料中各个组分虽然保持其相对的独立性，但复合材料的性质却不是各个组分性能的简单加和，而是在保持其相对独立性的基础上，各组分协同作用产生的综合性能。因此开创了材料设计新局面。74 纳米复合材料是指复合材料中至少有一相在纳米尺度。 聚合物-无机纳米复合材料： 聚合物-层状硅酸盐纳
29、米复合材料 特点： 插层聚合物法：即先将聚合物单体分散，插入层状硅酸盐片层中，然后原位聚合，利用聚合时放出的大量热量，克服硅酸盐片层间的库仑力，使其剥离，从而使纳米尺度的硅酸盐片层与聚合物基体以化学键的方式相结合。 聚合物插层法：即将聚合物熔体或溶液与层状硅酸盐混合化学及热力学作用使层状硅酸盐剥离成纳米尺度的片层并均匀地分散在聚合物基体中。分散在溶液中的聚合物大分子链借助溶剂而插层进入蒙脱土的硅酸盐片层间，然后再挥发掉溶剂，这种方法75 金属纳米颗粒-玻璃复合材料(见文献） 无机-无机纳米复合材料76纳米生物学和纳米医学纳米生物学和纳米医学 经过长达10年的不懈努力，美国总统克林顿和英国首相布
30、莱尔于2000年6月26日联合宣布了人类基因草图绘制完成的消息。人类基因组草图的绘制成功将标志着，在21世纪中，人类将要从真正认识人类自身开始，来不断解开人类生命和疾病的奥秘。77 大幅度提高医学诊断和疾病检测的精度，研制可以直接插入活细胞内进行探测的纳米级微型探测器。医学生物芯片对极少量血液中的蛋白质和DNA进行分析后，可以迅速地诊断出各种疾病。 在分子的水平上认识和理解病变的机理 。78 研制在血液和细胞介质中工作的纳米医用机器人。这种极其微小的机器人能在血管中游走。它们可以用来捕捉和移动单个细胞，也可以用来清除血管壁上，甚至心脏动脉上的脂肪沉积物。由此减少心血管疾病的发病率。它们还可以进
31、入人体组织的间隙里清除病毒细菌或癌细胞，甚至可以代替外科手术，修复心脏，大脑和其他器官等。79 除了显微手术之外，还可以利用纳米医用机器人在人体内来回行走自如的能力，进行定位给药，把药直接送到损伤部位，也可以在人体内实施显微注射，将药物直接注射到病变的细胞内。以达到最快最好的疗效。纳米医用机器人也可以对人体进行定期的健康检查。80 纳米技术在中医药领域的应用。1998年，国内学者首次提出了纳米中药的概念。一般认为，纳米中药是指运用纳米技术制造粒径小于100nm的中药有效成分、有效部位、原药及其复方制剂。它是中药纳米化后的产物，不是一种新的药种。 纳米技术不但可大幅度提高药物的活性和生物利用度，
32、甚至可能产生新的药效及降低毒副作用。81纳米电子技术纳米电子技术 迄今为止，作为电子器件只利用了电子波粒二象性的粒子性，其次，各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。 电子学技术未来的发展，将以“更小，更快，更冷”为目标。“更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更高的信息运算和处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯片的功耗。82 著名的莫尔定律（Moores law）预言：“每隔18个月新芯片的晶体管容量要比先前的增加一倍，同时性能也会提升一倍”。 2010年微电子器件的尺寸和集成电路的最小线宽都将小于100nm，而目前的光刻技术能够加工的最小线宽为130nm，达到现代微
33、电子学光刻加工技术的极限。83 量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。 提高计算机运行速度并使芯片的存储效率提高百万倍。84 STM使得人们可以在纳米尺度上对材料表面进行各种加工处理，甚至可以操纵单个原子。这一特定的应用将会使人类从目前微米尺度的加工技术跨入到纳米尺度和原子尺度，成为未来器件加工（纳米电子学）和分子切割（纳米生物学）的一个重要手段。85 1990年，美国IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小组使用工作在超高真空和液氦温度（4.2K）条件下的ST
34、M成功地移动了吸附在 Ni（110）表面上的惰性气体 Xe原子,并用 35个Xe原子排列成“IBM”三个字样，这一研究立刻引起了世界上科学家们的极大兴趣并开创了用STM进行单原子操纵的先例。86Nanoscale processes for environmental improvement Develop a fundamental understanding of nanoscale processes important to maintaining environmental quality, controlling and minimizing unwanted emissions.
35、 Find methods to both measure pollutants and remove nanoscale pollutants from the water and air.87Efficient energy conversion and storage Obtain more efficient sources of energy through improved nanocrystal catalysts, more efficient and color tunable solar cells, and efficient photoactive materials
36、for solar conversion of molecules to fuels. Develop high-efficiency light sources using layered quantum well structures.88 Explore the potential of carbon nanotubes for high-density hydrogen storage and the use of fluids with suspended nano-crystalline particles to improve the efficiency of heat exc
37、hangers. Develop high-performance magnetic materials and devices using nanoscale, layered materials. 89National security Military platforms will benefit from new nanomaterials through the development of self-assembly methods to reduce manufacturing costs and materials with improved properties, e.g.,
38、 higher strength-to-weight ratio. Nanodevices will protect the war fighter through detection of chemical and biological hazards and extend the war fighters capability by extending his senses.90NBIC会聚技术 是指纳米、生物、信息和认知等当前迅猛发展的四大科学技术领域的有机结合与融合，简称为(nano-bio-info-cogno)。其中：纳米领域包括纳米科学和纳米技术；生物领域包括生物技术、生物医药及
39、遗传工程；信息领域包括信息技术及先进计算和通讯； 认知领域包括认知科学与相关的神经科学。这四个领域中每一个领域都具有巨大潜力。而其中任何技术的两两融合、三种会聚或者四者集成，都将产生难以估量的社会和经济效能，并将显著地提升整个人类智力和能力。 91激光刻蚀法制备纳米陶瓷粉激光刻蚀法制备纳米陶瓷粉激光刻蚀装置激光刻蚀装置Nozzle for aggregation gasLaser beamQuartz windowGlass fiber filterVacuum Pump92Forming mechanism of nanoparticles93Al2O3-ZrO2 mixture94NS1
40、from 28.5 mol% Al2O3-ZrO2 produced in AirNS2 from 31.0 mol% Al2O3-ZrO2 produced in Air95NS3 from 33.0 mol% Al2O3-ZrO2 produced in Ar(1-x) ZrO2 +x Al3+ Zr1-xAlxO2-x/2 + 3x/4 O296HRTEM of Al2O3-ZrO2 solid solution97Zr K-edge EXAFS spectroscopy30405060708090100110120-1.2-0.8-0.40.00.40.81.21.62.0N S1N
41、S2N S3(k)*k2k / nm-10.00.10.20.30.40.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8NS3NS2NS1Zr-Zr (Al)Zr-O shellFTR / nm9899EXAFS results of nanometer t-ZrO2 and ZrO2-Al2O3 composite powdersSampleZr-OZr-Zr（Al）R/CN2/2R/ CN 2/2t-ZrO220K2.2403.71.50.00663.6579.21.30.0036RT2.2424.51.30.00793.66210.42.10.0069NS1RT2.1987.2
42、0.80.01153.5897.21.80.0095NS2RT2.1987.00.70.01083.5896.81.80.0113NS3RT2.2036.80.60.01103.5977.01.80.0125100包裹在玻璃中的银纳米颗粒Glass AGlass DGlass Bglass D glass B glass A 150m 160m 160m 330C/409h 330C/429 h 330C/382 h 410C/504 h 380C/810 h 380C/432 h 410C/240 h 480C/384 h 600C/97 h 101Depth profiles of Ag
43、particle sizes 0.00.20.40.60.81.0123456789glass Dglass Bglass AMean particle sizes nmRelative penetration depth102Optical spectroscopy103Determination of particle size4004204404604805005205400501001502002503000,51,01,5234567 8 9 10 12151820253035404550 Full width of the half maximum nmposition of ma
44、ximum nm222122329hhcpm()=1()+i2()h-dielectric constant of glass matrix104HRTEMd1=0,206 nmd2=0,201 nm (d1,d2)= 90d1=0,235 nmd2=0,234 nm (d1,d2) = 55.7Undistorted fcc - latticeDistorted fcc - lattice105(111) lattice spacing in dependence on the reciprocal radius of Ag particles in glass 106Reduction o
45、f Ag+ ions Fe2+ + Ag+ Fe3+ + Ag7095710071057110711571207125713071350.00.20.40.60.81.01.21.41.6 Glass 2A Glass 2B Glass 2C Fe2SO4Fe2+ -Fe2O3Fe3+Normalised absorption Energy(eV)107Ag environments in glasses Ag-Ag coordination and Ag - O coordination024680123Measurement temperature-12K2.8 nm4.0 nm7.0 n
46、m RAg-AgRAg-AgRAg-AgRAg-AgRAg-OFT(a.u)R()1080501001502002503002.8762.8782.8802.8822.8842.8862.8882.8902.8922.8942.8962.8982.9002.9022.9042.906 Ag foil 7.0 nm Ag particles in glass 2 a 4.0 nm Ag particles in glass 2 b 2.8 nm Ag particles in glass 2 cr ()T (K)109Stress statesa / a = / 3a - Lattice con
47、stant; - Thermal expansion coefficientT - The cooling range; E - Youngs modulus - Poissons ratio; - CompressibilityppmmpmEET2121110Thermal expansion coefficient0501001502002503000.00.40.81.21.62.02.42.8Thermal expansion coefficient (10-5/K)T (K) Ag foil 7.0 nm Ag particles in glass 2 a 4.0 nm Ag par
48、ticles in glass 2 b 2.8 nm Ag particles in glass 2 c111The anharmonic Einstein model and thermodynamic perturbation theory)101)(1 ()/1ln()1 (3223zzzzzzrTcTzEexp112Optical microscopic photos of Au nanoparticles precipitation in periodic arrays in silicate glass113Laser irradiation114TEM bright-field cross-sectional views of an as-exchanged sample before (c) and after (d) the laser irradiation with a 0.5 J/cm2 pulse at 532 nm1152022-5-15116
