納米技術(shù).ppt

1、納米 技術(shù),2,1,4,納米技術(shù)的應(yīng)用,納米的概念,納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,5,納米材料及其特性,3,納米科學(xué),1.納米的概念,納米的概念 納米”是英文nanometer的譯名（希臘語(yǔ)“矮小”），是一種度量單位，1納米為百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當(dāng)于45個(gè)原子串起來(lái)那么長(zhǎng)，是氫原子直徑的10倍，萬(wàn)分之一頭發(fā)粗細(xì)。 納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。 納米研究的范圍是1到100納米，0.1納米是單個(gè)氫原子的尺寸，因此所謂0.1納米層面的“納米技術(shù)”是不存在的。,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼預(yù)言，人類(lèi)可以用小的

2、機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類(lèi)意愿，逐個(gè)地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。 七十年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。,原子排成的“原子”字樣,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。 1982年，科學(xué)家賓尼西、羅雷爾發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，使人類(lèi)首次在大氣和常溫下看見(jiàn)原子，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。,CSTM9000型掃描隧道顯微鏡,2. 納米技術(shù)的誕

3、生與發(fā)展,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1991年，碳納米管被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來(lái)最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線(xiàn)、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線(xiàn)路等。,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文名字； 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,1997年，美國(guó)

4、科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)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(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。 1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱(chēng)量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于個(gè)病毒的重量； 此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱(chēng)量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,2000年4月，美國(guó)能源部桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光微細(xì)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(wàn)個(gè)癌細(xì)胞，并將細(xì)胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)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(bào)

5、道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個(gè)形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細(xì)胞的靶向藥物。 這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進(jìn)展是十分迅速的。,2. 納米技術(shù)的誕生與發(fā)展,到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元。 近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)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(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)； 德國(guó)專(zhuān)門(mén)建立納米技術(shù)研究網(wǎng)； 美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門(mén)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。,研究納米尺度范圍內(nèi)的

6、物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科學(xué)。 1990年在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，并正式創(chuàng)辦了納米技術(shù)雜志，標(biāo)志著納米科學(xué)的誕生。 就其學(xué)科方向而言，它既不是化學(xué)，也不是物理學(xué)和生物學(xué)，而是一門(mén)多學(xué)科交叉滲透和綜合的高新技術(shù)學(xué)科； 就其應(yīng)用而言，它包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)和納米機(jī)械學(xué)等新興學(xué)科； 就其研究領(lǐng)域而言，是人類(lèi)過(guò)去很少涉及的非宏觀、非微觀的中間領(lǐng)域，即從宏觀世界到微觀世界的過(guò)渡區(qū)納米世界。,3. 納米科學(xué),宇觀(Cosmoscopic) 遙觀(Remote sensoscopic) 宏觀(Macroscopic) 顯微觀(Optico-micr

7、oscopic) 介觀(Mesoscopic) 或納米觀(Nanoscopic): 1100nm 微觀(Microscopic) 皮米觀(Picosopic) 飛米觀(Fentoscopic) 亞飛米觀(Subfentoscopic),3. 納米科學(xué),4. 納米材料及其特性,納米材料（nano material） 納米技術(shù)涉及的范圍很廣，納米材料只是其中的一部分，但它卻是納米技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。納米材料又稱(chēng)為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典

8、型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。,1nm=10-9m，即1毫微米，十億分之一米，納米微粒的尺度一般定義為10-710-10m內(nèi)（0.1100nm）； 相當(dāng)于人發(fā)直徑的1/10萬(wàn)。 具有奇異的力學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)等特性。當(dāng)材料晶粒的尺寸小于1 nm時(shí)，材料的性質(zhì)就會(huì)出現(xiàn)意想不到的變化。譬如：色、熔點(diǎn)、著火點(diǎn) 它很可能成為本世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù)。美國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)則把啟動(dòng)納米技術(shù)的計(jì)劃

9、看作是下一次的工業(yè)革命的核心。,4. 納米材料及其特性,納米材料的奇異特性 表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng),4. 納米材料及其特性,1.表面效應(yīng) 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說(shuō)明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。 直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)顆粒尺寸小于0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長(zhǎng)，甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100平方米，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。 利用表面活性，金屬超微顆粒可

10、望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。,4. 納米材料及其特性,表面效應(yīng),4. 納米材料及其特性,2.小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)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(chēng)為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)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(xué)性質(zhì)（2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì)（3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì)（4）特殊的力學(xué)性質(zhì) 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。,4. 納米材料及其特性,（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑

11、色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見(jiàn)，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l %，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。,4. 納米材料及其特性,（2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。例如，銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對(duì)粉末冶金工業(yè)具有

12、一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1 %0.5 %重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。,4. 納米材料及其特性,（3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類(lèi)生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營(yíng)養(yǎng)豐富的水底。在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為0.002微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為 80安/米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到0.0

13、02微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于0.0006微米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。,4. 納米材料及其特性,（4） 特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬

14、一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。,4. 納米材料及其特性,4. 納米材料及其特性,3.量子尺寸效應(yīng) 各種元素的原子具有特定的光譜線(xiàn)，如鈉原子具有黃色的 光譜線(xiàn)。原子模型與量子力學(xué)已用能級(jí)的概念進(jìn)行了合理的解 釋?zhuān)瑢?duì)介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊 材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒 尺寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間 距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性， 稱(chēng)之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆

15、粒時(shí)可以變 成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比 熱亦會(huì)反常變化，光譜線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是 量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。,4. 量子隧道效應(yīng) 電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年 來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相 干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱(chēng)之為宏觀的量子隧 道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來(lái)微電 子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步 微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述 的量子效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體

16、集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸 接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú) 法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前研制 的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。,4. 納米材料及其特性,幾種典型的納米材料 納米顆粒型材料 納米固體材料 納米膜材料 納米磁性液體材料 碳納米管,4. 納米材料及其特性,納米顆粒型材料也稱(chēng)納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，表面比大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。,4. 納米材料及其特性,用途： 高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防 輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微

17、芯片導(dǎo)熱 基與布線(xiàn)材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極 材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感 元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。,4. 納米材料及其特性,納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。,Fe-B納米棒,4. 納米材料及其特性,納米膜材料是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。,4. 納米材料及其特性,磁性液體材料是由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng)，因此

18、具有其它液體所沒(méi)有的磁控特性。,4. 納米材料及其特性,碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個(gè)“納米鋼瓶” 。 研究表明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來(lái)。 據(jù)預(yù)測(cè)，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車(chē)，只需攜帶1.5升左右的儲(chǔ)氫納米碳管，即可行駛500km。,4. 納米材料及其特性,碳納米管，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過(guò)高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類(lèi)似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。,4. 納米材料及其特性,碳納米管本身有非常完美的

19、結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。,4. 納米材料及其特性,碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬(wàn)分之一，但它的導(dǎo) 電率是銅的1萬(wàn)倍，它的強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的七 分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的 熔點(diǎn)是已知材料中最高的。,4. 納米材料及其特性,正是由于碳納米管自身的獨(dú)特性能，決定了這種新型材料在高新技術(shù)諸多領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。在電子方面，利用碳納米管奇異的電學(xué)性能，可將其應(yīng)用于超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。在材料方面，可將其應(yīng)用于金屬、水泥、塑料

20、、纖維等諸多復(fù)合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類(lèi)反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面，可利用它對(duì)波的吸收、折射率高的特點(diǎn)，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機(jī)和超音速飛機(jī)。在航天領(lǐng)域，利用其良好的熱學(xué)性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。,4. 納米材料及其特性,如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢?。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用于做電子槍?zhuān)勺龀蓭桌迕缀竦谋趻焓诫娨暺粒@是電視制造業(yè)的發(fā)展方向。,4. 納米材料及其特性,然而，碳納米管作為一種新型材料被發(fā)現(xiàn)至今已有十年，

21、卻尚未得到工業(yè)應(yīng)用。超高的成本使國(guó)際市場(chǎng)90高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)10002000美元克，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格。 最近，日本科學(xué)家開(kāi)發(fā)成功新的納米碳管制造技術(shù)，可將生產(chǎn)成本降低至目前的1/100。預(yù)計(jì)2004年可進(jìn)入大批量生產(chǎn)階段。 我國(guó)清華南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心，一直致力于碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān)，是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地。,4. 納米材料及其特性,由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖?、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高

22、致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)納米技術(shù)廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（1） 在材料科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來(lái)克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專(zhuān)家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,1）陶瓷增韌,陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易

23、遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。,納米陶瓷,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,2）紅外反射材料,高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69轉(zhuǎn)化為紅外線(xiàn)，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線(xiàn)反射能力。有人估計(jì)這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí)，可節(jié)省約15的電。

24、,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,3）隱身材料,由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（2） 在微電子學(xué)上的應(yīng)用 納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來(lái)構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和

25、處理能力的革命性突破，可以從閱讀硬盤(pán)上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。 納米計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，將會(huì)使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理的能力提高上百萬(wàn)倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,1998年，美國(guó)首次研制出由磁性納米棒組成的“量子磁盤(pán)”，每平方英寸可儲(chǔ)存20萬(wàn)部紅樓夢(mèng)。,1999年，100 nm的芯片又在美國(guó)誕生了。整個(gè)美國(guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的藏書(shū)都能儲(chǔ)存在一個(gè)糖塊大小的芯片中。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,5.

26、納米技術(shù)的應(yīng)用,（3）在化工領(lǐng)域的應(yīng)用,將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線(xiàn)。將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀的輕燒結(jié)體，可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機(jī)化合物等的分離和濃縮。納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤(rùn)滑劑等。 研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以利用納米碳管其獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面（每克納米碳管的表面積高達(dá)幾百平方米）、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器，該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。,1）治理有害氣體,納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于

27、0.01。因而，在燃煤中可加入納米級(jí)助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級(jí)催化劑用于汽車(chē)尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無(wú)需進(jìn)行尾氣凈化處理。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（4）在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用,含鉛汽油中的鉛很容易通過(guò)血液長(zhǎng)期蓄積于人的肝、腎、脾、肺和大腦中，從而導(dǎo)致人的智能發(fā)育障礙和血色素制造障礙等后果。,汽車(chē)尾氣的處理：加入納米級(jí)的復(fù)合稀土氧化物后，對(duì)尾氣的凈化特別明顯，尾氣中的CO、NOx幾乎完全轉(zhuǎn)化。,2）汽車(chē)尾氣,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、 異味污染物、細(xì)菌病毒等。

28、污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去 除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等 問(wèn)題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用 很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害 的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技 術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來(lái)， 變害為寶。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它 的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的1020倍。,3）污水處理,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,4）拯救水資源,特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化； 納米TiO2可以用來(lái)降解有機(jī)磷，降解毛紡染整廢水，降解石油 ,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（5）

29、在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，并實(shí)施特殊治療。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,它可將藥物輸送到特定的機(jī) 體組織或器官內(nèi)

30、；可在以前不 可能達(dá)到的部位施行外科手 術(shù)；更耐用或更有抵抗力的器 官或機(jī)體組織；更輕、更“聰 明”的生物假肢材料；生物感 知系統(tǒng)裝置，可探測(cè)到早期疫 情。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,科學(xué)家設(shè)想制造出負(fù)責(zé)清掃血管的納米機(jī)器人（清潔工），專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)清掃血管壁上的膽固醇、凝血等沉積物，以預(yù)防腦血栓等心血管??；同時(shí)也可以制作出清掃體內(nèi)癌細(xì)胞的機(jī)器人。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米機(jī)器人 采用納米大分子：“生物部件”與小分子無(wú)機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)組合，采用納米電子學(xué)控制裝配成納米機(jī)器人，將會(huì)給人類(lèi)醫(yī)學(xué)科技帶來(lái)深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決。,這些分子機(jī)器人以光感應(yīng)器作開(kāi)關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得

31、能量，并按編制好的程序探體內(nèi)物體，以醫(yī)師預(yù)先編制的程序進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的學(xué)栓，清楚心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，吞噬病毒和組織破碎細(xì)胞，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等。納米機(jī)器人還可以用來(lái)進(jìn)行人體器官修復(fù)工作，如修復(fù)損壞的器官和組織，做整容手術(shù)，進(jìn)行基因裝配工作，從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體恢復(fù)正常功能。將由納米硅晶片制成的存儲(chǔ)器（ROM）微型設(shè)備植入大腦中，與神經(jīng)通路相連，可用以治療帕金森氏癥或其他神經(jīng)性疾病。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米泵人造紅細(xì)胞 它比體內(nèi)血液中的紅細(xì)胞要多攜帶200多倍的氧氣。,血液形態(tài)圖,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,放在指尖上的400支排列

32、整齊的無(wú)痛型微型針,納米藥物的控釋、靶向給藥系統(tǒng)； 用于診斷和檢測(cè)的納米探針、納米傳感器和納米機(jī)器人； 人工關(guān)節(jié)、口腔修復(fù)等人造器官用的生物相容性納米材料； 基因治療中的納米技術(shù),5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米藥包,納米藥物 德柏林醫(yī)療中心：鐵氧體納米粒子用葡萄糖分子包裹腫瘤 納米中藥 中藥粉末包埋在納米級(jí)微粒中 華中科大：納米雄黃（50-80nm） 微膠囊 納米載藥系統(tǒng) 生物可降解聚合物納米粒的應(yīng)用,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,采用納米技術(shù)發(fā)展新的中藥加工方法和新的中藥劑型 中藥納米將導(dǎo)致單味藥或復(fù)方的理化性質(zhì)、生物活性、功效、毒副作用等發(fā)生改變,提高生物利用度，減少用藥量 增強(qiáng)組織靶向性 緩釋功能

33、呈現(xiàn)新藥效,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米藥包 諾貝爾獎(jiǎng)得主斯莫利的預(yù)言 ； 美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個(gè)納米藥包的微型芯片； 在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時(shí)，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時(shí)藥物開(kāi)關(guān)受觸發(fā)而開(kāi)放，藥物便釋放出來(lái)，殺滅癌細(xì)胞；,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米技術(shù)與基因療法的結(jié)合 瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機(jī)器人，可移動(dòng)并撿起肉眼看不見(jiàn)的玻璃珠。 用這種微型機(jī)器手將果蠅的染色體基因進(jìn)行信號(hào)移動(dòng)，培育出的果蠅多長(zhǎng)了一個(gè)胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位；,果蠅：遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物

34、學(xué)的國(guó)王 圖中左側(cè)為雌性，右側(cè)為雄性,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)倍的降低。這方面的研究?jī)?nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī)；微型航天器用納米集成的測(cè)試、控制電子設(shè)備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。 采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。,（6） 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用,“納米碳管”異想天開(kāi)之應(yīng)用,堅(jiān)韌的碳纖維，其密度是鋼的1/6，強(qiáng)度為鋼的10100倍，重量則只有鋼的1/4。,將納米碳管做成太空升降機(jī)的纜繩，由于它的強(qiáng)度高、重量

35、輕，即使是從太空下垂到地面，它也完全可以承受自身的重量而不會(huì)斷開(kāi)，它是目前唯一可作為太空云梯的理想材料。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米TiO2：在光照條件下，會(huì)產(chǎn)生具有非常強(qiáng)的氧化能力的空穴，從而將附在表面上的有機(jī)物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。 殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比表面積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時(shí)還能有效地殺菌。對(duì)黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95%以上。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（7） 在家居生活方面的應(yīng)用,在最近的將來(lái)，納米技術(shù)將給市場(chǎng)提供這樣一些產(chǎn)品： “聰明”織物具有各種各樣反射或吸收熱能的能力； 超強(qiáng)車(chē)身材料可以降低撞擊造成的破壞； 輕質(zhì)布料

36、防彈層民用、軍用、警用皆可； 免維修建筑材料，防碎玻璃、塑料；“會(huì)呼吸”的建筑外立面材料； 會(huì)在不同的環(huán)境條件下改變顏色的布料和建筑外立面材料。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，毛與毛之間的隙縫小到納米尺寸，所以水分子無(wú)法穿透層層的鵝毛和鴨毛。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。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,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(dāng)遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時(shí)，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,不用洗滌劑的納米服裝,2002年，一批高科技服裝面料從實(shí)驗(yàn)室走上了展臺(tái)：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令人耳目一新。,5. 納米技術(shù)的應(yīng)用,（8） 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用,利用原子操縱技術(shù)加工出的納米齒輪、納米彈簧、納米噴嘴、納米軸承、微型傳感器、微型執(zhí)行機(jī)構(gòu)等零部件，能夠制成一系列新產(chǎn)品。據(jù)報(bào)道，日本已組裝出一種只有米粒大小的汽車(chē)；德國(guó)則研制出了長(zhǎng)24毫米、高8毫米、重量只有400毫克的微型直升機(jī)；而美國(guó)研制的微型發(fā)動(dòng)機(jī)，在微小的空間中能裝下1000臺(tái)。 能執(zhí)行各種軍