1、6.1 纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料6.3 纳米材料的制备纳米材料的制备6.2 纳米材料的特性及应用纳米材料的特性及应用6.1 纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料u1959年，年，R.P.Feynman发表有关纳米科技的著名演讲发表有关纳米科技的著名演讲u1962年，日本物理学家年，日本物理学家 Kubo,建立建立 Kubo 理论理论u1974年，日本物理学家年，日本物理学家 Taniguchi 提出纳米技术（提出纳米技术（Nanotechnology）的概念的概念u1981年，德国物理学家年，德国物理学家 H.Gleiter 提出固体纳米结构（提出固体纳米结构（Nanostruct
2、ure of Solid）的概念）的概念u1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）u纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学u2000年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系There is a plenty of rooms at the bottom人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器,而这较小的机器可以制作更小而这较小的机器可以制作更小
3、的机器的机器,这样一步步达到分子线度这样一步步达到分子线度,即逐级地缩小生产装置即逐级地缩小生产装置,以至最后直接按意以至最后直接按意愿排列原子愿排列原子,制造产品。那时制造产品。那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。子的问题。当当2000年人们回顾历史的时候年人们回顾历史的时候,他们会为直到他们会为直到1959年才有人想到直接用原子年才有人想到直接用原子,分子来制造机器而感到惊讶。分子来制造机器而感到惊讶。-Richard P.Feynman,1959TaniguchiEric Drexler1974年科学家唐尼古奇年科学家唐尼古奇(
4、Taniguchi)最早使用纳米技术最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工一词描述精细机械加工;1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出,可以从模拟活细胞的可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物生物分子的人工类似物-分子装置开始研究分子装置开始研究,并称之为纳米科技。他并称之为纳米科技。他70年代末在斯坦福大学建立年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组第一个纳米科技研究小组。第一届国际纳米科学技术会议第一届国际纳米科学技术会议(International conference on nano science and t
5、echnology)1990年年7月，美国巴尔的摩月，美国巴尔的摩人高人高2020亿亿 纳纳米米100100万万 纳纳米米 针头针头红血球红血球分子及分子及DNA1 1千千 纳纳米米1 1 纳纳米米0.10.1 纳纳米米氢原子氢原子Earth 1.2 x 107 mIn Greek,“nano”means dwarf纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1纳米纳米=10-9 米。米。什么是纳米什么是纳米(nanometer)？100 m100 slicesTake 1 slice1 m1000 slicesTake 1 slice1nmHuman Hair Human Hair纳米粒
6、子与病毒大小相当纳米粒子与病毒大小相当胃幽门胃幽门螺杆菌螺杆菌 目前市场上炒作的目前市场上炒作的“纳米纳米”主要指纳米材料。主要指纳米材料。如何区分纳米和伪纳米？如何区分纳米和伪纳米？衡量纳米材料的两把尺子：衡量纳米材料的两把尺子：颗粒粒径是否介于颗粒粒径是否介于1个纳米到个纳米到100个纳米之间的，均匀度怎么样；个纳米之间的，均匀度怎么样；是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而这些
7、效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而纳米铜纳米铜则是电的绝缘体；则是电的绝缘体；硅是半导体，而硅是半导体，而纳米硅纳米硅则是良导体；陶瓷易碎，而则是良导体；陶瓷易碎，而纳米陶瓷纳米陶瓷既刚又韧，可既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而以用来制作发动机零件；而纳米纤维纳米纤维既不沾水又不沾油。既不沾水又不沾油。什么是纳米材料什么是纳米材料(nanomaterial)?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(10-910-7m)或由
8、它们作为基本单元构成的材料或由它们作为基本单元构成的材料。什么是纳米结构什么是纳米结构(nanostructure)？纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。什么是纳米科学什么是纳米科学(nanoscience)？纳米技术是一门高新技术，它对纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器世纪材料科学和微型器 件技术的发展具有重要影响。纳
9、米技术，就是要做到，件技术的发展具有重要影响。纳米技术，就是要做到，从小从小到大到大，从下到上从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。解决了环保问题。在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的技术。的技术。什么是纳米技术什么是纳米技术(nanotechnology)？创造和制
10、备各种新型具有优异性能的纳米材料创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料 设计、制备各种纳米器件和装置设计、制备各种纳米器件和装置 探测分析纳米材料探测分析纳米材料,器件的结构器件的结构,性质及其相互关系和机理性质及其相互关系和机理什么是纳米科技什么是纳米科技(Nano-ST)？这这7个分支是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它个分支是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做的工作个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做的工作有一半以上。应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定有一
11、半以上。应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定性的作用，因此在纳米科技时代，纳米电子学也将继续对人类社会的发展性的作用，因此在纳米科技时代，纳米电子学也将继续对人类社会的发展起更大的作用。因此在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米起更大的作用。因此在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米电子学的研究，特别是利用扫描隧道电子显微镜电子学的研究，特别是利用扫描隧道电子显微镜(STM)的相关技术进行超的相关技术进行超高密度信息存储的研究。高密度信息存储的研究。纳米科技主要包括纳米科技主要包括:当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微当今的时代，大规模集成电路的制造已经
12、进入了微米和亚微米的量级米和亚微米的量级,电子器件的集成度越来越高，电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。已经接近了它的理论极限。在在纳米尺度纳米尺度上，由于电上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学纳米电子学这个天地里，这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。新的发现，新的成果不断涌现。纳米电子器件纳米电子器件中最有应用前景的是中最有应用前景的是量子元器件量子元器件。这种利用量子
13、效应。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点高速、低耗和电路简化的特点。纳。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件单电子器件,在单电子器在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的使功耗降低到原来的
14、1000-100001000-10000分之一。分之一。纳米存储器纳米存储器，存储密度可达，存储密度可达每平方厘米每平方厘米10万亿字节。万亿字节。基于利用基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的物体的表面有原子的位置为表面有原子的位置为“1”，没原子为，没原子为“0”，这不就可以表示这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？二进制吗？这不就是存储器吗？一个一个分子存储器分子存储器能够存储的能够存储的信息，相当于信息，相当于100万张光盘的存储
15、量；而一张同样大小的万张光盘的存储量；而一张同样大小的原原子存储器子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于几十纳米时，由于颗粒表面颗粒表面相对活跃的原子数量与相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。得材料的性质发生了意想不到的变化。陶瓷材料陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来工业界一直认为
16、陶瓷是未来汽车、飞机发汽车、飞机发动机动机的理想材料。的理想材料。陶瓷材料在通常情况下陶瓷材料在通常情况下呈脆性；呈脆性；由纳米粒子压制成的由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料纳米陶瓷材料有很好有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。得更高。纳米陶瓷纳米陶瓷具有未来超级纤
17、维之称的具有未来超级纤维之称的碳纳米管碳纳米管是当前材料研究领域中非是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的它的强度比钢高强度比钢高100100倍倍，但是，但是重量只有钢的六分之一重量只有钢的六分之一；它的；它的导导电性十分怪异电性十分怪异.不同结构碳纳米管的导电性可能呈不同结构碳纳米管的导电性可能呈现现良导体良导体、半导体半导体、甚至、甚至绝绝缘体缘体。因此它也许能成为因此它也许能成为纳米级印刷电路纳
18、米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细关，或者做成极细的针头用于给细胞胞“打针打针”等等。等等。碳纳米管碳纳米管太空升降机太空升降机 由于碳纳米管由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它的强度高、重量轻，如果把它做成做成“太空电梯太空电梯”缆绳缆绳，使缆，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可垂到地面的距离，它也完全可以以经得住自身的重量经得住自身的重量。到那个。到那个时候，人类到时候，人类到太空旅行太空旅行将是一将是一件轻而易举的事情。如果用它件轻而易举的事情。如果用它做成做成地球地球-
19、月球乘人的电梯月球乘人的电梯，人，人们在月球定居就很容易了。们在月球定居就很容易了。纳米壁挂电视纳米壁挂电视 用纳米有机发用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料米有机发光材料的特点是材料既具有既具有柔性柔性，同时可以，同时可以在电场在电场的作用下发出各种颜色的光的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪用碳纳米管制成电子枪,可点可点亮新一代平面显示屏。亮新一代平面显示屏。纳米固体燃料纳米固体燃料 实验发现实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以激烈
20、燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使作为未来的固体燃料使火箭火箭具有更大的推动力。具有更大的推动力。纳米隐身飞机纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有可以有效效吸收吸收红外光和电磁波红外光和电磁波，这就使得红外探测器及雷达得到的，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。隐身作用。美国美国F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机美国美国B2隐形轰炸机隐形轰炸机车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些
21、下脚料，造成浪费。而浪费。而纳米制造技术纳米制造技术则是以相反的方向，则是以相反的方向，直接由原子、分子直接由原子、分子来完整地构造器件来完整地构造器件。科学家们已经用。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了等新科技制造了纳米齿轮纳米齿轮、纳米纳米电池电池、纳米探针纳米探针、分子泵分子泵、分子开关分子开关和和分子马达分子马达等。等。分子自组装分子自组装 两种两种不同的分子不同的分子在分子之间力在分子之间力的作用下在溶液中的作用下在溶液中自组装自组装的情的情形。由于纳米尺寸非常之小，形。由于纳米尺寸非常之小，纳
22、米机械必须具有自组装、自纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。我复制等功能。由碳纳米管制作的由碳纳米管制作的纳米齿轮纳米齿轮模型，纳米齿轮上的原子清模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。晰可见。纳米齿轮纳米齿轮分子马达分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管肌肉收缩等一系列重要
23、生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。ATP酶（分子马达）酶（分子马达）ATP酶酶(adenosinetriphosphatase)可催化可催化ATP水解生成水解生成ADP及无机磷的反应，这及无机磷的反应，这一反应放出大量能量，以供生物体进行一反应放出大量能量，以供生物体进行生命过程生命过程 纳米直升机纳米直升机美国康纳尔大学的科学家利用美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为酶作为分子马达分子马达，研制出了一，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机纳
24、米直升机”。其中的。其中的生物分子组件将人体的生物生物分子组件将人体的生物“燃料燃料”ATP转化为机械能量，使得转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒金属推进器的运转速率达到每秒8圈，利用这个能量它们可以在圈，利用这个能量它们可以在人的细胞内人的细胞内“飞翔飞翔”和和“着陆着陆”。这种技术仍处于研制初期，。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务内发放药物等医疗任务。美国朗讯科技公司和英国牛津大学的美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用科学家用DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖
25、核酸)制造出制造出了一种纳米级的镊子，每条了一种纳米级的镊子，每条臂长只有臂长只有7nm。利用。利用DNA基本元件碱基的配对基本元件碱基的配对机制，可以用机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制这控制这种镊子反复开合。种镊子反复开合。利用它将可以制造利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子如果有一种如果有一种超微型镊子超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。合，制造纳米机械就容易多了。用极微小部件组装一
26、辆比米粒还小用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的能够运转的汽车汽车、微型车床微型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝；可望钻进核电站管道系统检查裂缝；只有蜜蜂大小且能升空的只有蜜蜂大小且能升空的直升机直升机，眼睛几乎看不见的眼睛几乎看不见的发发动机；动机；提供化工使用的火柴盒大小的提供化工使用的火柴盒大小的反应器；反应器；驰骋未来战场上的驰骋未来战场上的纳米武器纳米武器，如，如麻雀卫星麻雀卫星、蚂蚁士兵蚂蚁士兵、蚊子导弹蚊子导弹、苍蝇飞机苍蝇飞机、间谍草间谍草等。等。纳米机械产品纳米机械产品“麻雀卫星麻雀卫星”质量不足质量不足10千克，各种部件全千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型
27、部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地若在太阳同步轨道上等间隔地部署部署648颗功能不同的颗功能不同的“麻雀卫麻雀卫星星”，就可以保证在任何时刻对，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。的工作也不会受影响。纳米生物学纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜的产生是与扫描探针显微镜(SPM)SPM)的发明和在生的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程
28、中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以现象、并以对分子的操纵和改性对分子的操纵和改性为目标的。为目标的。生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如念，如生物器件生物器件。它的特点是象遗传基因分子那样具有。它的特点是象遗传基因分子那样具有自自我复制我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件生命零件，利用生，利用生物零件可以组装具有生物
29、智能、运算速度更快的物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算生物计算机机；具有特定功能的；具有特定功能的纳米生物机器人纳米生物机器人；生物零件与无机材；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成料或晶体材料结合可以制成具有生命功能具有生命功能的的纳米电路纳米电路等。等。右图为科学家幻想的右图为科学家幻想的人体中的血红人体中的血红细胞细胞和和人造细胞人造细胞在一起的情景。人在一起的情景。人体中红血球的重要功能之一是向身体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，如果身体的各个部分输送氧分子，如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的到疲劳。
30、画中的蓝色蓝色小球小球(纳米人纳米人造细胞造细胞)称为呼吸者，它们不仅具称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有功能，而且本身装有纳米计算机纳米计算机、纳米泵纳米泵，可以根据需要将氧释放，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。同时将无用的二氧化碳带走。由于由于纳米机器人纳米机器人可以小到在可以小到在人的血管中自由的游动，对人的血管中自由的游动，对于象于象脑血栓脑血栓、动脉硬化动脉硬化等病等病灶，它们可以非常容易的予灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿的开颅、开胸手术
31、。纳米仿生机器人可以为人体生机器人可以为人体传送药传送药物物，进行细胞修复进行细胞修复等工作。等工作。纳米生物机器人在疏通血管纳米生物机器人在疏通血管 用纳米材料制成的用纳米材料制成的人工眼球人工眼球，不仅可以象真的，不仅可以象真的眼睛一样同步移动，也能通过电脉冲刺激大脑眼睛一样同步移动，也能通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩的世界。神经，看到精彩的世界。“纳米生物导弹纳米生物导弹”专门对付癌症，这一针对癌症专门对付癌症，这一针对癌症的超细纳米药物，能将抗肿瘤药物连接在磁性超的超细纳米药物，能将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。
32、纳米细胞修复器纳米细胞修复器用于修复细胞内的各种病变，如用于修复细胞内的各种病变，如线粒体、细胞核的病变；线粒体、细胞核的病变；u自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术u1931年，英国物理学家年，英国物理学家E.Ruska和和M.Knoll发明电子显微镜发明电子显微镜u1968年，美国贝尔实验室年，美国贝尔实验室A.Y.Cho和和J.Arthur发明分子束外延技术发明分子束外延技术u1981年，德国物理学家年，德国物理学家 H.Gleiter发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备
33、法u1982年，年，IBM实验室实验室G.Binig,H.Rohrer 发明扫描隧道显微镜发明扫描隧道显微镜(STM)u1985年，日本物理学家年，日本物理学家H.W.Kroto发明富勒烯制备技术发明富勒烯制备技术u1990年，英国物理学家年，英国物理学家L.T.Canham发明纳米多孔硅制备技术发明纳米多孔硅制备技术u1991年，日本物理学家年，日本物理学家Sumio Lijirma发明碳纳米管制备技术发明碳纳米管制备技术u1998年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家C.Dekker制备出基于碳纳米管的纳米晶体管制备出基于碳纳米管的纳米晶体管u1999年，美国物理学家年，美国物理学家J.M.To
34、ur 和和M.A.Reed制备出纳米单分子开关制备出纳米单分子开关u进入进入21世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达扫描隧道显微镜具有很高的空间分辨率，横向可达0.1纳米，纵向可优于纳米，纵向可优于0.01纳米。它主要用来纳米。它主要用来描绘表面三描绘表面三维的原子结构图维的原子结构图，在纳米尺度上研究物质的特性，在纳米尺度上研究物质的特性，还还可以实现对表面的纳米加工可以实现对表面的纳米加工，如直接操纵原子或分子，如直接操纵原子或分子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书
35、写等。STM头部头部由由STM头部、电子学处理头部、电子学处理系统系统，减震系统以及计算，减震系统以及计算机系统组成。机系统组成。基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描基本原理是基于量子力学的隧道效应和三维扫描。它是用一个极细的探针。它是用一个极细的探针(针尖头部为单个原子针尖头部为单个原子)去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近去接近样品表面，当针尖和样品表面靠得很近(小于小于1纳米纳米)时，时，针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠针尖头部的原子和样品表面原子的电子云发生重叠。此时若在针。此时若在针尖和样品之间加上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳尖和样品之间加
36、上一个偏压，电子便会穿过针尖和样品之间的势垒而形成纳安级安级(10-9A)的的隧道电流隧道电流；隧道电流对距离非常敏感，隧道电流对距离非常敏感，保持针尖与样品表面间保持针尖与样品表面间距的恒定，距的恒定，控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维控制压电陶瓷使探针沿表面进行精确的三维(x,y,z)移动扫描移动扫描时，时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得
37、到样品表面高分辨率的三维形貌图像。进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的三维形貌图像。扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜一般用于导体和半导体表面的测定一般用于导体和半导体表面的测定。高序石墨原子高序石墨原子 STM图象图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构:硅表面硅原子硅表面硅原子 STM图象图象 1990年，纳米技术获得了重大突破。年，纳米技术获得了重大突破。美国美国IBM公司公司阿尔马登阿尔马登研究中心研究中心(Almaden Research Center)的科学家展示了一项令世的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们人瞠目结舌的成果，他们使用使用STM把把3
38、5个氙原子移动到各自个氙原子移动到各自的位置，在镍金属表面的位置，在镍金属表面 组成了组成了“IBM”三个字母三个字母，这三个字母，这三个字母加起来不到加起来不到3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBM商标商标。1991年年IBM公司公司的的“拼字拼字”科科研小组利用研小组利用STM把一氧化碳分把一氧化碳分子竖立在铂表面上、分子间距子竖立在铂表面上、分子间距约约0.5纳米的纳米的“分子人分子人”，这个，这个“分子人分子人”从头到脚只有从头到脚只有5纳纳米，堪称米，堪称世界上最小的人形图世界上最小的人形图案案。1993年年中国科学院中国科学院北京真实物理实验室北京真实物理实验室用
39、用STM操纵硅原子写操纵硅原子写出出“中国中国”两个字两个字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。有一席之地。（在室温下，用（在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互的针尖，并通过针尖与硅样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国中国”的图形。）的图形。）世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图中国科学院化学所的科技人员利用中国科学院化学所的科技人员利用STM在石墨表面上通过在石墨表面上通过搬迁碳原子绘制出的搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图
40、。1993年年5月，月，IBM 的科学家的科学家M.Crommie等在等在4 K的温度下用的温度下用电子束将单层的电子束将单层的Fe原子蒸发到原子蒸发到Cu(111)表面，然后用表面，然后用STM 针针尖将尖将48个铁原子排列成直径为个铁原子排列成直径为14.3 nm 的圆形围栏。的圆形围栏。围栏由分立的铁原子围栏由分立的铁原子(间距间距0.95 nm)组成而不连续，却能形成一组成而不连续，却能形成一个势阶围住栏内处于铜表面的个势阶围住栏内处于铜表面的电子，故称为电子，故称为“量子围栏量子围栏”。“量子围栏量子围栏”Quantum CorralM.F.Crommie,et al.,Scienc
41、e 262,218(1993).第一阶段第一阶段（1990年以前）年以前）第二阶段第二阶段（1994年以前）年以前）第三阶段第三阶段（1994年至今）年至今）研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。重点在于纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构重点在于纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构材料提出越来越受到关注。材料提出越来越受到关注。纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳主要是在实验室探索用各
42、种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜包括薄膜)，研究评估表征，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。纳米材料的存在形式纳米材料的存在形式纳米材料的分类纳米材料的分类如果如果按维数按维数，纳米材料的，纳米材料的基本单元基本单元可以分为四类：可以分为四类：(1)零维零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、如纳米尺度颗粒、原子团簇等；原子团簇等；(2)一维一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米
43、带等；纳米管、纳米带等；(3)二维二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜层膜、超晶格等。超晶格等。(4)三维，三维，纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米材料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。或由它们作为基本单元构成的材料。Ag nanosphere particles(10nm)CdS nanocrystals(3.8nm)InSe nanocrystals(7.5nm)Diameter:57nmLength
44、:400nmPbCrO4 nanorodsVO2 nanorodsDiameter:40-60nmLength:1-2umAg2Se nanowiresDiameter:30-40nm Length:50umZnO nanotubesOuter diameter:80nm Wall thickness:20nmCdS nanobeltsWidth:several tens to several hundreds of nanometersThickness:60nmLength:several tens to several hundreds of micrometers;some of th
45、em even have lengths on the order of millimeter.Al2O3 porous filmPorous diameter:70nm Co(OH)2 hexagonal nanoplatelets-Co(OH)2-Co(OH)2W i d t h:s e v e r a l m i c r o m e t e r sThickness:15nmNote:The insets show bottles of the suspensions obtained by dispersing the platelets in ethanol.纳米块体材料纳米块体材料
46、由纳米微粒组成的体相材料由纳米微粒组成的体相材料由大量纳米微粒在保持表由大量纳米微粒在保持表(界界)面清洁条件下组成面清洁条件下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高的三维系统，其界面原子所占比例很高单相微粒组成的纳米相材料；单相微粒组成的纳米相材料；两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料(a)(b)Cu3SnS4 nanoshell tubesThe individual nanoshell tube is made up of spherical nanoparticles with diameter of 20-50nm.-Fe2O3 urchin-li
47、ke superstructureThese Fe2O3 nanorods attach together and assemble into 3D urchin-like superstructures with rod-like crystallites radiating from the center.The individual nanorods have a mean diameter of about 80nm.PbS 3D dendritic nanostructureThe length of the trunk and the diameter of the branche
48、s of the PbS dendrites is about 2-4um and 40-100nm,respectively.Porous CuInS2 microspheresThe microspheres are composed of nanosheets with average thickness of 30nm.These nanosheets interconnnect with each other to form an entangled network-like architecture with irregular-shaped pore.按按化学组成化学组成可分为：
49、纳米金属、纳米非金属、纳米塑料、纳可分为：纳米金属、纳米非金属、纳米塑料、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料等。按按材料物性材料物性可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线可分为：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按按应用应用可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物可分为：纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。6.2 纳米材料的特性及应用纳米材料
50、的特性及应用表面效应表面效应小尺寸效应小尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 物理性能物理性能化学性能化学性能表面活性及敏感性表面活性及敏感性催化性能催化性能一、表面效应一、表面效应10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，表面积迅速增大随着尺寸的减小，表面积迅速增大纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，物理、小而显著增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，物理、化学性质发生变化。化学性质发生变化。粒度减小引起的表面效应粒度减小引起的表面效应(纳米粒子
