1、2022-8-6台州学院 医药化工学院1 纳米材料及其应用2022-8-6台州学院 医药化工学院2 主要内容主要内容 纳米概念 纳米科学技术 纳米材料 纳米材料的应用2022-8-6台州学院 医药化工学院4纳米概念2022-8-6台州学院 医药化工学院5金属材料半导体和超导材料硅酸盐材料复合材料纳米材料高分子材料2022-8-6台州学院 医药化工学院6纳米（纳米（nanometer）是一个长度单位，）是一个长度单位，简写为简写为nm。1nm等于等于10个氢原子一个挨一个排起来个氢原子一个挨一个排起来的长度。人的一根头发丝的直径相当于的长度。人的一根头发丝的直径相当于6万个万个纳米。纳米。纳米是
2、一个极小达到尺寸，但它又代表人纳米是一个极小达到尺寸，但它又代表人们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米们认识上的一个新层次，从微米进入到纳米。2022-8-6台州学院 医药化工学院7纳米尺度的概念2022-8-6台州学院 医药化工学院8跳蚤头发红细胞病毒2022-8-6台州学院 医药化工学院9花粉是纳米级的粒子病毒也是纳米级的,0-100nm.2022-8-6台州学院 医药化工学院10 纳米科学技术 2022-8-6台州学院 医药化工学院11如果一个纳米的粒子放在乒乓球上，相当于把一个乒乓球放在地球上。用什么仪器去看纳米扫描隧道显微镜（英文名称是Scanning Tunneling Micr
3、oscope，简称为STM）。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1纳米，垂直分辨率小于0.001纳米2022-8-6台州学院 医药化工学院12扫描隧道显微镜示意图2022-8-6台州学院 医药化工学院13 左图为单个Xe原子静置在Ni表面上的情景，右图为探针“拾”起该原子的情景。此图分别显示出相应的两个状态的STM图像。图 原子操作过程的STM象2022-8-6台州学院 医药化工学院14 是在是在的空间内，研究物质的空间内，研究物质组成体系的运动规律和相互作用，以及实际应用中组成体系的运动规律和相互作用，以及实际应用中技术问题的科学技术，被世界各国列为技术问题的科学技术，被世界各国列
4、为21世纪的关世纪的关键技术之一。键技术之一。是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒是指用晶粒尺寸为纳米级的微小颗粒制成的各种材料，其粒径为制成的各种材料，其粒径为，纳米物质有，纳米物质有四大效应：四大效应：。2022-8-6台州学院 医药化工学院15 科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞跃。纳米黄金变为黑色，纳米铂（白金）变成铂黑纳米黄金变为黑色，纳米铂（白金）变成铂黑;纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其纳米材料还具有超塑性，室温下的纳米铜丝经过轧制，其长度可以从长度可以从1 cm延伸到延伸到100 cm，其厚度可以从，其厚度
5、可以从1 mm减小到减小到0.01 mm；陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制陶瓷在通常情况下是很硬、很脆的，如果采用纳米粉体制成纳米陶瓷，它也可以具有韧性（成纳米陶瓷，它也可以具有韧性（“摔不破的陶碗摔不破的陶碗”）；）；硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；涂有纳米涂层的玻璃可以防雾（汽车车窗玻璃）。涂有纳米涂层的玻璃可以防雾（汽车车窗玻璃）。2022-8-6台州学院 医药化工学院161959年，年，费曼的预言这是关于纳米技术最早的梦想。费曼的预言这是关于纳米技术最早的梦想。1982年年，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，为我们揭，
6、科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1984年，年，德国研制成功第一个金属纳米材料；德国研制成功第一个金属纳米材料；1987年，年，美国研制成功氧化钛纳米材料；美国研制成功氧化钛纳米材料；1990年，年，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；科学技术的正式诞生；1993年，年，中国科学院真空物理实验室，首次操纵原子成功写出中国科学院真空物理实验室，首次操纵原子成功
7、写出“中国中国”二二字。标志着我国开始在国际纳米领域占有一席之地。字。标志着我国开始在国际纳米领域占有一席之地。1997年，年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一
8、个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录科学家联合创造的纪录 1999年，年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。亿美元。2022-8-6台州学院 医药化工学院17 1959年，著名的诺贝尔奖得主理查年，著名的诺贝尔奖得主理查德德费曼（费曼（Richard Feynman）就设想：）就设想：“如如果有一天人们可以按照自己的意志排列原子果有一天人们可以按照自己的意志排列原子和分子，那会产生什么样的奇迹！和
9、分子，那会产生什么样的奇迹！”，“毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加毫无疑问，如果我们对细微尺度的事物加以控制的话，将大大扩充我们可以获得物性以控制的话，将大大扩充我们可以获得物性的范围的范围”，他首次提出了，他首次提出了“纳米纳米”材料的材料的概念。概念。今天，纳米科技的发展使费曼的预言已逐步成为现实。纳米今天，纳米科技的发展使费曼的预言已逐步成为现实。纳米材料的奇特物性正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响。材料的奇特物性正对人们的生活和社会的发展产生重要的影响。2022-8-6台州学院 医药化工学院18 扫描隧道显微镜亦称为扫描隧道显微镜亦称为“扫描穿隧式显微镜扫描穿隧式显微镜”、“
10、隧隧道扫描显微镜道扫描显微镜”，是一种利用，是一种利用量子理论中的隧道效应探测物量子理论中的隧道效应探测物质表面结构的仪器。它于质表面结构的仪器。它于1982年由年由格尔德格尔德宾宁宾宁（GBinning）及海因里希及海因里希罗雷尔罗雷尔（HRohrer）在）在IBM位于瑞位于瑞士苏黎世的苏黎世实验室发明，士苏黎世的苏黎世实验室发明，两位发明者因此与恩斯特两位发明者因此与恩斯特鲁斯鲁斯卡分享了卡分享了1986年年诺贝尔物理学诺贝尔物理学奖奖。2022-8-6台州学院 医药化工学院19扫描隧道显微镜 用“手”触摸原子 http:/ 医药化工学院20 纳米科学技术纳米科学技术 下图所示为超高真空中
11、利用扫描隧道显微镜技术，在硅单下图所示为超高真空中利用扫描隧道显微镜技术，在硅单晶体表面（晶体表面（111）面上移动）面上移动Si原子而形成原子而形成“中国中国”二字字样。二字字样。图图 超高真空中超高真空中,用用STM技术，移动技术，移动Si（111）面上的原子形成）面上的原子形成“中国中国”字样字样2022-8-6台州学院 医药化工学院21 1994年，中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法，获得了（线宽2 nm）硅原子的“毛泽东”。在石墨表面刻出线宽10 nm的“中国”字符。汉字的大小只有几个纳米 白春礼院士白春礼院士 19881988年年
12、4 4月月1212日，日，中国第一台计算机中国第一台计算机 控制的控制的STMSTM研制成功。研制成功。2022-8-6台州学院 医药化工学院222022-8-6台州学院 医药化工学院23用原子写的用原子写的“原子原子”用扫描隧道显微镜的用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地针尖将原子一个个地排列成汉字，排列成汉字，汉字的大小只有几个汉字的大小只有几个纳米。纳米。2022-8-6台州学院 医药化工学院24 每个字母高每个字母高5nm。Xe原子间最短距离约为原子间最短距离约为1nm。这种原子搬迁的方。这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子、使针尖接
13、近原子、使针尖接近 Xe原子、使原子、使原子间作用力达到让原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表的表面。用这种方法可以排列密集的面。用这种方法可以排列密集的Xe原子链。原子链。1990年，美国加州的年，美国加州的IBM研究室艾格勒等人利研究室艾格勒等人利用用STM在在4K和超真空环境中，在和超真空环境中，在Ni的表面上将的表面上将35个个氙原子排布成最小的氙原子排布成最小的IBM商标。这张放大了的照片商标。这张放大了的照片登在登在时代时代周刊上，被称为当年最了不起的公司周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。广告。2022-8-6台州学
14、院 医药化工学院251991年，年，IBM公司的公司的“拼字拼字”科研小组用科研小组用STM针尖移动吸附在金针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子，属表面的一氧化碳分子，拼成了一个大脑袋小人拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶在铂表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子端为氧分子，各个分子的间距约的间距约0.5nm。这个。这个分子人分子人从头到脚只有从头到脚只有5nm高，堪称世界上最高，堪称世界上最小的人形图案。小的人形图案。2022-8-6台州学院 医药化工学院26由德国实验室托斯顿由德国实验室托斯顿邓邓卓巴拍摄的
15、这一图像显示了一片卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点量子点“森林森林”，其实，它们，其实，它们只有只有15纳米高，直径也只有纳米高，直径也只有70纳米。纳米。美国伊利诺斯大学香槟分美国伊利诺斯大学香槟分校的斯科特校的斯科特麦克拉伦及其同事一同麦克拉伦及其同事一同建造了这张精美制作的蓝宝石衬底建造了这张精美制作的蓝宝石衬底的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒级激光脉冲击打其表面而受热的，级激光脉冲击打其表面而受热的，在此过程中，蓝宝石喷射出原子而在此过程中，蓝宝石喷射出原子而留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再加热和再次喷射，形成了这里所展
16、加热和再次喷射，形成了这里所展示的内部深层结构。示的内部深层结构。1飞秒是千万飞秒是千万亿分之一秒。亿分之一秒。2022-8-6台州学院 医药化工学院27 纳米线几种植物的叶子，包括纳米线几种植物的叶子，包括荷花，展现出其自洁特性。这种所荷花，展现出其自洁特性。这种所谓的谓的“荷花效应荷花效应”也叫作自清洁效也叫作自清洁效应，那么，荷花何以出淤泥而不染？应，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因为它的表面十分光滑，污垢难是因为它的表面十分光滑，污垢难以停留？不是。科学家用扫描电子以停留？不是。科学家用扫描电子显微镜观察，发现荷花的花瓣表面显微镜观察，发现荷花的花瓣表面像毛玻璃一样毛糙，全是纳米级的像
17、毛玻璃一样毛糙，全是纳米级的“疙瘩疙瘩”。这些这些“疙瘩疙瘩”让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最让雨水将荷叶清洗干净，从而让荷花保持最佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张佳光合作用能力，显得精神抖擞。这张2微米微米x 2微米图像显示微米图像显示一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米一种人造制品在模仿荷花的自清洁效应。此地毯似的一团纳米线是由化学汽相淀积处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的线是由化学汽相淀积处理而成的。当水滴落在此超级不沾水的纳米线上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。纳米线上时，它们会快速滴落，并带走纳米线上的尘埃。2022-8-6台州学院 医药化工学院
18、282万颗黄金微粒绘出太阳图像万颗黄金微粒绘出太阳图像 纳米技术创奇迹纳米技术创奇迹 公司研究人员在最新一期公司研究人员在最新一期自然纳米技术自然纳米技术杂志上发表科研报告说，他杂志上发表科研报告说，他们创造出了世界上最小的艺术作品之一们创造出了世界上最小的艺术作品之一用万颗黄金微粒绘出的太阳图像。这用万颗黄金微粒绘出的太阳图像。这幅太阳图像取材于一位世纪炼金士画的黄金符号，研究人员以蚀刻方式，用每幅太阳图像取材于一位世纪炼金士画的黄金符号，研究人员以蚀刻方式，用每颗直径纳米的黄金微粒在硅晶片上做出了这幅画。颗直径纳米的黄金微粒在硅晶片上做出了这幅画。这件作品实现了精度上的突破，预示着未来人们
19、可以制造超微传感器、透镜和这件作品实现了精度上的突破，预示着未来人们可以制造超微传感器、透镜和纳米级电路所需的电线。纳米级电路所需的电线。公司和其他公司的一些科学家一直致力于超微电路的研制工作，他们不公司和其他公司的一些科学家一直致力于超微电路的研制工作，他们不断提升未来将投入使用的电子元器件的性能。实际上目前最先进的微型处理器所用断提升未来将投入使用的电子元器件的性能。实际上目前最先进的微型处理器所用元件的直径甚至小于纳米。元件的直径甚至小于纳米。2022-8-6台州学院 医药化工学院29在扫描隧道显微镜下，科学家将在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形
20、围栏。排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。2022-8-6台州学院 医药化工学院30铁铁原原子子的的移移动动过过程程2022-8-6台州学院 医药化工学院31 纳米材料 2022-8-6台州学院 医药化工学院32摔不碎的纳米陶摔不碎的纳米陶瓷瓷强度比常规铜高强度比常规铜高5 5倍纳米倍纳米铜铜纳米材料纳米材料 特性特性2022-8-6台州学院 医药化工学院33具有易洁纳米涂层的陶瓷具有易洁纳米涂层的陶瓷纳米粒子的亲疏水特性2022-8-6台州学院 医药化工学院34 荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突乳
21、突的平均大小约为表面上有许多微小的乳突乳突的平均大小约为1010微米，平均间距约微米，平均间距约1212微米。而每个乳突有许多直径为微米。而每个乳突有许多直径为200200纳米左右的突起组成的。纳米左右的突起组成的。莲花叶子表面的自我洁净莲花叶子表面的自我洁净2022-8-6台州学院 医药化工学院35莲花叶面表面的结构莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。状物形成点的接触。液滴在自身的表面张液滴在自身的表面张力作用下形
22、成球状，力作用下形成球状，在滚动中吸附灰尘，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。并滚出叶面。2022-8-6台州学院 医药化工学院36荷叶现象荷叶现象 http:/ 医药化工学院37鹅毛和鸭毛的排鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，毛列非常整齐，毛与毛之间的隙缝与毛之间的隙缝小到纳米尺寸，小到纳米尺寸，所以水分子无法所以水分子无法穿透层层的鹅毛穿透层层的鹅毛和鸭毛。鹅与鸭和鸭毛。鹅与鸭得以在水中保持得以在水中保持身体的干燥。这身体的干燥。这种结构还极其通种结构还极其通气。气。2022-8-6台州学院 医药化工学院38壁虎飞檐走壁壁虎飞檐走壁 每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约每只脚底部长着
23、数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400400根至根至10001000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。间的距离非常近，从而产生分子引力。动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机器，动植物按照微基准来说，就是纳米机器的组合体。这些纳米机器，就是人们熟知的蛋白质。就是人们熟知的蛋白质。而细胞则可以说是由这些纳米机器在组装而成的微米机器。而细胞则可以说是由这些纳米机器在组装而成的微米机器。2022-8-6台州学院 医药化工学院39TEM下的纳米颗粒下的纳米颗粒2022-8-6台州学院
24、 医药化工学院40SEM下的纳米纤维下的纳米纤维2022-8-6台州学院 医药化工学院41 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。2022-8-6台州学院 医药化工学院422022-8-6台州学院 医药化工学院43 1991年年4月，日本筑波的月，日本筑波的NEC公司饭岛澄男公司饭岛澄男(Iijima)等首等首次用高分辨透射电镜观察到了多次用高分辨透射电镜观察到了多壁碳纳米管壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotube)。这些碳纳
25、米。这些碳纳米管是多层同轴管，也叫巴基管管是多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。1993年又发现单年又发现单壁碳纳米管壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotube)。新型碳基纳米材料：新型碳基纳米材料：2022-8-6台州学院 医药化工学院44Schematic of a single-walled carbon nanotube(SWNT)Schematic of a multi-walled carbon nanotube(MWNT)与与 MWNTs相比，相比，SWNTS是由单层圆柱型石墨层构成，是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少
26、，具有更高的均匀一致性。其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。2022-8-6台州学院 医药化工学院45碳纳米管 nanotube碳纳米管是一种长度和直径之比很高的纤维。它韧性极高，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，而重量只有钢的1/6。科学家们已经研制成功了世界上最小的碳管，他们认为这将是最细和最稳定的纳米碳管。这种小小的圆柱体直径仅为0.4纳米。2022-8-6台州学院 医药化工学院46 1970年，法国奥林大学年，法国奥林大学Endo用气相生长技术制成用气相生长技术制成了直径为了直径为7nm的碳纤维，但未进行细致的表征。的碳纤维，但未进行细致的表征。几乎同时，莫斯
27、科化学物理研究所的研究人员也独几乎同时，莫斯科化学物理研究所的研究人员也独立地发现了碳纳米管和纳米管束，但是这些碳纳米立地发现了碳纳米管和纳米管束，但是这些碳纳米管的纵横比很小。管的纵横比很小。1996年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利年，美国著名的诺贝尔奖金获得者斯莫利(Smalley)等合成了成行排列的单壁碳纳米管束等合成了成行排列的单壁碳纳米管束(bundle)，每一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳，每一束中含有许多碳纳米管，这些碳纳米管的直径分布很窄。米管的直径分布很窄。我国中国科学院物理研究所解思深等人实现了碳纳我国中国科学院物理研究所解思深等人实现了碳纳米管的定向生长，并成功合成了
28、超长米管的定向生长，并成功合成了超长(毫米级毫米级)纳米纳米碳管。碳管。2022-8-6台州学院 医药化工学院47电学性质电学性质 碳纳米管的性质强烈依赖于直径和手性，直径越碳纳米管的性质强烈依赖于直径和手性，直径越小，电子的状态与小，电子的状态与sp2差别越大，表现的量子效应差别越大，表现的量子效应越明显。越明显。美国美国C.T.White教授计算得出教授计算得出n-m=3q（q为整数为整数),碳管为金属性。其他情况表现半导体性，并且禁碳管为金属性。其他情况表现半导体性，并且禁带宽度正比于碳管直径的倒数。带宽度正比于碳管直径的倒数。单臂纳米管为单臂纳米管为，锯齿形、手性碳管部分为，锯齿形、手
29、性碳管部分为，部分为，部分为。随着半导体纳米管直径增加，带隙变小，在大直随着半导体纳米管直径增加，带隙变小，在大直径情况下，带隙为零，呈现金属性质。径情况下，带隙为零，呈现金属性质。dEg12022-8-6台州学院 医药化工学院48碳纳米管纤维纺织技术2004年11月19日 美国科学周刊306卷2022-8-6台州学院 医药化工学院49单壁纳米管的生长2004年11月19日 美国科学周刊306卷2022-8-6台州学院 医药化工学院50碳纳米管独特的力学性质：碳纳米管独特的力学性质：碳纳米管的碳纳米管的比钢高比钢高，估计可高达估计可高达，(测量报道测量报道 1.280.59)这是目前可制备出的
30、具有最高这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的比强度的材料，而比重却只有钢的1/6，单壁纳米碳管可承受扭转形变并可弯，单壁纳米碳管可承受扭转形变并可弯成小圆环，应力卸除后可完全恢复到原来状态；压力不会成小圆环，应力卸除后可完全恢复到原来状态；压力不会导致碳纳米管的断裂。导致碳纳米管的断裂。用作复合材料的增强剂。用作复合材料的增强剂。碳纳米管的强度测量碳纳米管的强度测量2022-8-6台州学院 医药化工学院510304560902022-8-6台州学院 医药化工学院522022-8-6台州学院 医药化工学院53碳纳米管储氢碳纳米管储氢 碳纳米管由于碳纳米管由于，成为最有潜力的储
31、氢材料，用于发展纳米管燃料电池。成为最有潜力的储氢材料，用于发展纳米管燃料电池。美国国立可再生能源实验室采用程序控温脱附仪测量单壁美国国立可再生能源实验室采用程序控温脱附仪测量单壁纳米碳管的载氢量，从实验结果推测在纳米碳管的载氢量，从实验结果推测在130K、4104 Pa条件下的载氢量为条件下的载氢量为5wt一一10wt，并认为，并认为。这是世界上关于碳纳。这是世界上关于碳纳米管储氢的第一篇报道。米管储氢的第一篇报道。Nature1997386(27)377 379H2原子和原子和C纳米管纳米管2022-8-6台州学院 医药化工学院542022-8-6台州学院 医药化工学院55 微型奥巴马头像
32、是由美国密歇根州大学机械工程系教授约翰微型奥巴马头像是由美国密歇根州大学机械工程系教授约翰哈特（哈特（John Hart）制造的，他称该微型头像为制造的，他称该微型头像为“纳米奥巴马纳米奥巴马”，这种立体逼真头像竟比盐粒还要小。，这种立体逼真头像竟比盐粒还要小。每个纳米奥巴马头像包含着每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个碳纳米管，这些碳纳米管像丛林中的树木一样垂亿个碳纳米管，这些碳纳米管像丛林中的树木一样垂直地排列着，每个碳纳米管都是中空圆柱体结构，其直径仅为人体头发的五万分之直地排列着，每个碳纳米管都是中空圆柱体结构，其直径仅为人体头发的五万分之一。据称，哈特制造这件一。据称，哈特制造这件“纳
33、米艺术品纳米艺术品”的目的在于让更多人体验纳米技术的魅力的目的在于让更多人体验纳米技术的魅力所在。所在。哈特说：哈特说：“纳米奥巴马纳米奥巴马头像是以一种独特的方式向公众呈现纳米技术概念，头像是以一种独特的方式向公众呈现纳米技术概念，同时，它将带给人们更多的乐趣。同时，它将带给人们更多的乐趣。”为了创建为了创建“纳米奥巴马纳米奥巴马”头像，他们采用了画头像，他们采用了画家谢泼德家谢泼德费尔雷（费尔雷（Shepard Fairey）绘制的颇受欢迎的红、白、蓝色调构成的奥巴马）绘制的颇受欢迎的红、白、蓝色调构成的奥巴马素描头像，哈特将这个素描头像进行缩小，并使用激光建立一个模板打印在一个玻素描头像
34、，哈特将这个素描头像进行缩小，并使用激光建立一个模板打印在一个玻璃板上。照射紫外线穿过这个玻璃板模具，投影在一张硅薄片上形成相应的头像。璃板上。照射紫外线穿过这个玻璃板模具，投影在一张硅薄片上形成相应的头像。然后他们在这个头像图形的基础上生成碳纳米管，在制造碳纳米管时采用了高温化然后他们在这个头像图形的基础上生成碳纳米管，在制造碳纳米管时采用了高温化学反应。学反应。之后研究人员使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行了拍照，其头像仅有之后研究人员使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行了拍照，其头像仅有0.5毫毫米大小。除了制作纳米艺术品之外，碳纳米管还可以用于制造太阳能电池，新型诊米大小。除了制作纳米艺
35、术品之外，碳纳米管还可以用于制造太阳能电池，新型诊断和治疗疾病的方法，新一代计算机处理器和内存，以及更结实的轻型材料。断和治疗疾病的方法，新一代计算机处理器和内存，以及更结实的轻型材料。2022-8-6台州学院 医药化工学院56此双壁碳纳米管纳机电系统此双壁碳纳米管纳机电系统用于测量单个金原子质量用于测量单个金原子质量 美国每日科学网报道，美国加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究人员通过美国每日科学网报道，美国加州大学伯克利分校和伯克利实验室的研究人员通过打造世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重的纳机电系打造世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重
36、的纳机电系统统(NEMS)。此项研究负责人物理学家亚历克斯。此项研究负责人物理学家亚历克斯泽特尔；此成果发表在最新出版的泽特尔；此成果发表在最新出版的自然自然-纳米技术纳米技术杂志上。杂志上。此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特性，且硬度增加了。碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，性，且硬度增加了。碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导且距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上
37、的直流电源与这对电极相连，导致它以某种波动的共振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此致它以某种波动的共振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动员会改变跳水板的共振频率一样。此研究小组成员肯尼思员会改变跳水板的共振频率一样。此研究小组成员肯尼思延森说：延森说：让碳纳米管振动让碳纳米管振动很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或喷雾让它产生了振动，很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或
38、喷雾让它产生了振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。并探测到此碳纳米管一端的电流变化。利用此纳机电系统质量传感器，泽特尔小组利用此纳机电系统质量传感器，泽特尔小组对单个金原子称了重量，其质量为对单个金原子称了重量，其质量为3.25 x 1025千克。这意味着大约千克。这意味着大约3亿亿亿个金原子亿亿亿个金原子才能达到才能达到1千克。千克。2022-8-6台州学院 医药化工学院57神奇的纳米世界 单根碳纳米弹簧单根碳纳米弹簧 靓丽的纳米世界靓丽的纳米世界2022-8-6台州学院 医药化工学院582022-8-6台州学院 医药化工学院59 酷似大力神杯的硅纳米结构酷似大力神杯的硅纳米结构 扫描隧
39、道显微镜下的纳米团簇扫描隧道显微镜下的纳米团簇2022-8-6台州学院 医药化工学院602022-8-6台州学院 医药化工学院61纳米皇冠纳米皇冠2022-8-6台州学院 医药化工学院62 纳米材料的应用2022-8-6台州学院 医药化工学院63 C60每每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。纳米神算子纳米神算子 分子算盘分子算盘科学家把碳科学家把碳60分子每十个一组分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的
40、原子台阶排而是沿着铜表面的原子台阶排列的列的。2022-8-6台州学院 医药化工学院64纳米齿轮纳米齿轮纳米轴承纳米轴承2022-8-6台州学院 医药化工学院652022-8-6台州学院 医药化工学院662010年1月6日，美国莱斯大学的科学家表示，他们开发出了宽度仅为人体头发直径1/50000的“纳米赛车”，其性能超过了过去人们研发的同类“纳米车”。研究人员认为，新开发的“纳米赛车”有望加快人们获得未来新一代分子机器的步伐。相关研究成果发表在近日出版的美国化学会有机快报双周刊上。2022-8-6台州学院 医药化工学院67在原子力显微镜的帮助下，在原子力显微镜的帮助下，美国佐治亚理工学院王中林
41、美国佐治亚理工学院王中林小组利用竖直结构的氧化锌小组利用竖直结构的氧化锌（ZnO）纳米线的独特性质，）纳米线的独特性质，发明了能将机械能转化为电发明了能将机械能转化为电能的世界最小的发电装置能的世界最小的发电装置直立式纳米发电机。直立式纳米发电机。2006年图：年图：(a)低倍扫描电子显维照片显示两个低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤互相缠绕的、表面长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维
42、纳米发电机的串显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压并连式连接来提高输出电压/电流。电流。(图片来源：图片来源：王中林实验室王中林实验室)2022-8-6台州学院 医药化工学院68 神奇神奇“纳米球纳米球”发动机的微观世界发动机的微观世界http:/ 医药化工学院69 2007年超声波驱动式直流纳米发电机：年超声波驱动式直流纳米发电机：超声波带动的直流纳米发电机的设计原超声波带动的直流纳米发电机的设计原理和输出的直流电流。理和输出的直流电流。电流随超声波的电流随超声波的激发而起，停止而息。利用约五百根纳激发而起，停止而息。利用约五百根纳米 线 可 连 续 发 出 纳 安
43、 级 的 电 流。米 线 可 连 续 发 出 纳 安 级 的 电 流。2008年交流纳米发电机的示意年交流纳米发电机的示意图以及当来回弯曲时所给出的图以及当来回弯曲时所给出的交流输出电压交流输出电压：纳米布：纳米布 2022-8-6台州学院 医药化工学院70纳米发电机为血压传感器提供动力纳米发电机为血压传感器提供动力由氧化锌纳米线构成的发电机由氧化锌纳米线构成的发电机2022-8-6台州学院 医药化工学院71PD-100黑黄蜂黑黄蜂 据英国据英国每日邮报每日邮报报道，报道，挪威挪威Prox Dynamics公司日前研公司日前研制出一款迄今世界上最微小的制出一款迄今世界上最微小的“直升机直升机”
44、。这款纳米。这款纳米“直升直升机机”的体积只有一个香烟盒大的体积只有一个香烟盒大小，持续飞行时间约小，持续飞行时间约25分钟，分钟，未来可用于间谍活动或者战场未来可用于间谍活动或者战场侦察。侦察。2022-8-6台州学院 医药化工学院72纳米机器人进入人体纳米机器人进入人体消化系统工作示意图消化系统工作示意图 像胶囊一样的纳米机器人医生像胶囊一样的纳米机器人医生 重庆科研人员开发的这种重庆科研人员开发的这种名为名为“OMOM胶囊内镜系统胶囊内镜系统”的纳米机器人。一种长得十分的纳米机器人。一种长得十分奇特的奇特的“重庆籍医生重庆籍医生”目前在目前在国际上名声大噪国际上名声大噪该医生长该医生长得
45、像一颗胶囊，把它吞进肚里，得像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然。影一样在电脑屏幕上一目了然。它第二次被列入国家它第二次被列入国家“863计计划划”，前一次获得了该计划，前一次获得了该计划500万元基金支持，并于万元基金支持，并于2004年获得年获得“863计划计划”专家组验专家组验收该医生收该医生“腰围腰围”11毫米，毫米，“身高身高”25.4毫米，长得完全毫米，长得完全像一颗胶囊。并于像一颗胶囊。并于2004年获得年获得“863计划计划”专家组验收，但专家组验收，但这种机器人目前还只能钻进人这种机器人目前还只能钻进人的肚子
46、里通过传输图像的肚子里通过传输图像“瞧瞧病病”，还没有治病的本事。，还没有治病的本事。2022-8-6台州学院 医药化工学院73 纳米机器人的魅力之处在于：纳米机器人的魅力之处在于：由于可以进行自我复制，只需在体由于可以进行自我复制，只需在体内植入很少的量，便可达到治疗目内植入很少的量，便可达到治疗目的。然而，所谓的魅力与可怕的危的。然而，所谓的魅力与可怕的危险是同时存在的，纳米机器人能在险是同时存在的，纳米机器人能在10小时内复制小时内复制680亿个，在身体亿个，在身体“防防御盾御盾”不断被削弱的同时，人类成不断被削弱的同时，人类成为生物和技术的合成体，也就是同为生物和技术的合成体，也就是同
47、时具备两种特征。在这种情况下，时具备两种特征。在这种情况下，抵抗是徒劳的。抵抗是徒劳的。生物医药技术2022-8-6台州学院 医药化工学院74 生物医药技术 纳米机器人在清理纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在纳米机器人小到可在人的血管中自由地游人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、不用进行危险的开颅、开胸手术。开胸手术。-中科院研究中科院研究2022-8-6台州学院 医药化工学院75 科学家们还发现癌细胞特别喜欢吃纳米颗粒，这有助于跟踪癌细胞在 人
48、体内的活动 2022-8-6台州学院 医药化工学院76 分子机器人(分子钳在捕捉癌细胞)纳米级分子机器是人类征服自然的整个宏伟蓝图中最富有想像力和创造力的部分。为了实现建造“多结构域蛋白质分子机器”的梦想，四川大学华西临床医学院生物膜与膜蛋白实验室主任丘小庆和他领导的研究集体进行了为期10年的研究，他们以数种细菌信息素、抗体模拟无核大肠菌素等为模本，构建了数种融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素)。它们均特异性地攻击了选定的靶细菌或靶细胞，其杀伤效力远远高于现有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用却远低于现有抗菌素和免疫毒素。目前，科学家试图在分子尺寸上组装一种极其微小的装置，其在医学上应用前景广阔2022-
49、8-6台州学院 医药化工学院77 磁性材料磁性纳米材料2022-8-6台州学院 医药化工学院78 图为IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘，其数据存储容量超过现在硬盘存储容量的100倍。从显微镜下我们可以观察到（如图8-9），现在的硬盘表面上看上去非常杂乱无章，而IBM发明的新材料的表面磁化颗粒更小，且排列均匀。新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍2022-8-6台州学院 医药化工学院79左图为现在存储器介质的表面，IBM发明的新材料的表面-磁化颗粒更小，且排列均匀2022-8-6台州学院 医药化工学院80 磁性墨水验钞机 艾滋病新型检测仪2022-8-6台州学院 医药化工学院81光学应用纳
50、米光学纤维 有孔纳米光纤膜2022-8-6台州学院 医药化工学院82传感器材料可燃性气体泄漏报警器湿度传感器2022-8-6台州学院 医药化工学院83传感器材料 红外线传感器 由金超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器，制成辐射热测量器。辐射测量仪2022-8-6台州学院 医药化工学院84军事上的应用纳米隐身涂料隐身战斗机（表面涂有激光隐身涂料）“隐身”是指把物体伪装起来不易被发现。纳米磁性材料，特别是类似铁氧化的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之密度小，在隐身方面的应用上有明显的优越性。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管在隐
