第十四章 納米材料

第十四章納米材料第一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五14.1概述1、引言21世紀(jì)是高新技術(shù)的世紀(jì)，信息、生物和新材料代表了高新技術(shù)發(fā)展的方向。在信息產(chǎn)業(yè)如火如荼的今天，新材料領(lǐng)域有一項(xiàng)技術(shù)引起了世界各國(guó)政府和科技界的高度關(guān)注，這就是納米科技。第二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1990年7月在美國(guó)巴爾的摩召開了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世。納米材料的發(fā)展大致可以劃分為3個(gè)階段：

第一階段(1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法。第三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。0-0復(fù)合,0-2復(fù)合,0-3復(fù)合

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝體系的研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。第四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1m=103mm=106

m=109nm=1010

?納米（Nanometer）又稱為毫微米，是一種長(zhǎng)度計(jì)量單位。第五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米科技將會(huì)掀起新一輪的技術(shù)浪潮，領(lǐng)導(dǎo)下一場(chǎng)工業(yè)革命。人類將進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代-----納米科技時(shí)代。美國(guó)研究所在“殺人蜂”背后貼上微芯片和紅外發(fā)射器以追蹤監(jiān)視

第六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微型汽車第七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五微芯片的放大照片。第八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的游動(dòng)，對(duì)于象腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。納米仿生機(jī)器人可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)等工作。納米機(jī)器人在疏通血管

第九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.納米材料：廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。如果按維數(shù)，納米材料的基本單元可以分為三類：(1)零維，在空間三維尺度均在納米尺度；(2)一維，在空間有兩維處于納米尺度；(3)二維，在三維空間中有一維在納米尺度。因?yàn)檫@些單元往往具有量子性質(zhì)，所以對(duì)零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點(diǎn)、量子線和量子阱之稱。第十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.納米塊體材料是以納米結(jié)構(gòu)單元為基礎(chǔ)形成的三維大尺寸納米固體材料，又叫納米結(jié)構(gòu)材料。具有三個(gè)顯著特征：尺寸小于100nm的原子區(qū)域顯著的界面原子數(shù)組成區(qū)域間相互作用按照納米尺度物質(zhì)單元的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可分為：納米晶材料、納米非晶態(tài)材料、納米準(zhǔn)晶態(tài)材料按照組成相的數(shù)目，可分為：納米相材料、納米復(fù)合材料第十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.納米組裝體系：關(guān)于納米結(jié)構(gòu)組裝體系的劃分至今并沒有一個(gè)成熟的看法，根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程中的驅(qū)動(dòng)力是靠外因，還是靠?jī)?nèi)因來劃分，大致可分為兩類：一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，二是納米結(jié)構(gòu)自組裝體系，統(tǒng)稱為納米尺度的圖案材料(Patterningmaterialsonthenanometerscale)。第十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五所謂納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，如氫鍵、范德華力和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系第十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五所謂人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，按人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人工地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系，包括納米有序陣列體系和介孔復(fù)合體系等。這里，人的設(shè)計(jì)和參與制造起到?jīng)Q定性的作用。人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系第十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五美國(guó)加利福尼亞大學(xué)治倫茲伯克力國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在Nature上發(fā)表論文，指出納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題?？梢姡{米結(jié)構(gòu)的組裝體系很可能成為納米材料研究的前沿主導(dǎo)方向。第十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五“Thereisplentyofroomatthebottom.”-R.P.Feynman,(Dec29,1959).“Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsone-by-onethewaywewantthem?”第十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五1981年，在瑞士蘇黎世IBM實(shí)驗(yàn)室的Binnig和Rohrer兩位科學(xué)家發(fā)明了STM，并獲得1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。第十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描隧道顯微術(shù)(ScanningTunnellingMicroscopy)STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米。一般來講，物體在固態(tài)下原子之間的距離在零點(diǎn)一到零點(diǎn)幾個(gè)納米之間。在掃描隧道顯微鏡下，導(dǎo)電物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的原子、分子狀態(tài)清晰可見。硅(111)面原子重構(gòu)象第十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五掃描隧道顯微術(shù)(ScanningTunnellingMicroscopy)STM的基本原理是利用量子理論中的隧道效應(yīng)。將原子線度的極細(xì)探針和被研究物質(zhì)的表面作為兩個(gè)電極，當(dāng)樣品與針尖的距離非常接近時(shí)（通常小于1nm），在外加電場(chǎng)的作用下，電子會(huì)穿過兩個(gè)電極之間的勢(shì)壘流向另一電極。這種現(xiàn)象即是隧道效應(yīng)。第十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五隧道電流I可以表示為：由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數(shù)關(guān)系，所以，電流I對(duì)針尖和樣品表面之間的距離s變化非常敏感。如果此距離減小僅僅0.1nm，隧道電流I將會(huì)增加10倍；反之，如果距離增加0.1nm，隧道電流I就會(huì)減少10倍。

第二十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

STM恒高度掃描模式示意圖ConstantHightMode第二十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

STM恒電流掃描模式示意圖第二十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五原子操縱術(shù)(Atomicmanipulation)

通過STM針尖，除了能幫助我們了解物質(zhì)表面的幾何構(gòu)造、電子性質(zhì)外，更有一些應(yīng)用，原子操縱術(shù)便是其一。原子操縱術(shù)的原理是在形成隧道電流時(shí)，由于針尖和樣品表面距離很近（約1nm），針尖跟表面的偏壓雖不大，但所產(chǎn)生的電場(chǎng)（偏壓／距離）卻由于距離很小而變得很大。因此原子在受到針頭電場(chǎng)的吸引而被略拉離表面，此時(shí)即可將原子沿表面移到想要的位置，再將針尖縮回，則原子便可留在新的位置。第二十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五通過原子操縱術(shù)得到的各種量子圍欄（Quantumcorral）第二十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

1990年美國(guó)IBM的兩個(gè)科學(xué)家，首度將一顆顆氙原子在鎳表面上拖拽，逐顆將35顆原子排成"IBM"三個(gè)英文字母第二十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五將鐵(Fe)原子于銅(Cu)表面排列成"原子"二字

，漢字的大小只有幾個(gè)納米。

第二十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

球形顆粒的表面積（A）與直徑D2的平方成正比，體積（V）與D3成正比，故其比表面積（A／V）與直徑成反比。D，A／V，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。對(duì)直徑大于0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)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米2，這時(shí)超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。1.表面效應(yīng)14.2納米材料的特異效應(yīng)第二十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致．例如，粒徑為10nm時(shí)，比表面積為90m2／g，粒徑為5nm時(shí)，比表面積為180m2／g，粒徑下降到2nm，比表面積猛增到450m2／g．這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時(shí)，表面能迅速增加，第二十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒；無機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。下面舉例說明納米粒子表面活性高的原因。如圖所示的是單一立方結(jié)構(gòu)的晶粒的二維平面團(tuán)。

第三十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第三十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

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)。如下一系列新奇的性質(zhì)：

2.小尺寸效應(yīng)（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。第三十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五金屬超微顆粒對(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)特性可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。1991年春的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)外表所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱形目的，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)伊拉克重要軍事目標(biāo)的打擊。第三十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（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，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27℃，減小到2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)為327℃左右。金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米顆粒的粉體作為火箭的固體燃料、催化劑。例如,在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加l％重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。第三十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

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20納米以下時(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6納米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。第三十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶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，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。第三十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五蜜蜂的體內(nèi)也存在磁性的納米粒子，這種磁性的納米粒子具有“羅盤”的作用，可以為蜜蜂的活動(dòng)導(dǎo)航。以前人們認(rèn)為蜜蜂是利用北極星或通過搖擺舞向同伴傳遞信息來辨別方向的。最近，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在磁性納米粒子，這種磁性跟粒子具有指南針功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境,在自己頭腦里的圖像而判明方向。第三十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五磁性超微粒子的發(fā)現(xiàn)對(duì)于了解螃蟹的進(jìn)化歷史提供了十分有意義的科學(xué)依據(jù)．據(jù)生物科學(xué)家最近研究指出，人們非常熟悉的螃蟹原先并不像現(xiàn)在這樣“橫行”運(yùn)動(dòng)，而是像其他生物一樣前后運(yùn)動(dòng)，這是因?yàn)閮|萬年前的螃蟹第一對(duì)觸角里有幾顆用于定向的磁性納米微粒，就像是幾只小指南針．螃蟹的祖先靠這種“指南針”堂堂正正地前進(jìn)后退，行走自如。后來，由于地球的磁場(chǎng)發(fā)生了多次劇烈的倒轉(zhuǎn)，使螃蟹體內(nèi)的小磁粒失去了原來的定向作用，于是使它失去了前后行動(dòng)的功能，變成了橫行。研究生物體內(nèi)的納米顆粒對(duì)于了解生物的進(jìn)化和運(yùn)動(dòng)的行為是很有意義的。第三十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（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)出很好的韌性與一定的延展性。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3～5倍。第三十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（5）量子尺寸效應(yīng)

大塊材料中能級(jí)、能級(jí)合并成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，看作是連續(xù)的。對(duì)超微顆粒而言，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，稱之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(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)。第四十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個(gè)特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對(duì)紫外有吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對(duì)紫外吸收好的幾種材料有：30~40nm的TiO2納米粒子的樹脂膜；Fe2O3納米微粒的聚固醇樹脂膜。

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例如，防曬油、化妝品中普遍加入納米微粒。我們知道，大氣中的紫外線主要是在300-400nm波段，太陽(yáng)光對(duì)人體有傷害的紫外線也是在此波段。防曬油和化妝品中就是要選擇對(duì)這個(gè)波段有強(qiáng)吸收的納米微粒。最近研究表明，納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2、納米Al2O3、納米云母、趨式化鐵都有在這個(gè)波段吸收紫外光的特征。

塑料制品容易老化變脆，如果在塑料表面涂上一層含有納米微粒的透明涂層，這種涂層對(duì)300－400nm范圍有較強(qiáng)的紫外吸收性能，這樣就可以防止塑料老化。第四十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

最近發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3粉體對(duì)250nm以下的紫外光有很強(qiáng)的吸收能力，這一特性可用于提高日光燈管使用壽命上。我們知道，日光燈管是利用水銀的紫外譜線來激發(fā)燈管壁的熒光粉導(dǎo)致高亮度照明。一般來說，185nm的短波紫外光對(duì)燈管的壽命有影響，而且燈管的紫外線泄漏對(duì)人體有損害，這一關(guān)鍵問題一直是困擾日光燈管工業(yè)的主要問題。如果把幾個(gè)納米的Al2O3粉摻合到稀土熒光粉中，利用納米紫外吸收的藍(lán)移現(xiàn)象有可能吸收掉這種有害的紫外光，而且不降低熒光粉的發(fā)光效率，在這方面的試驗(yàn)工作正在進(jìn)行。

第四十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五（6）宏觀量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng)：

微觀粒子具有穿越勢(shì)壘的能力宏觀量子隧道效應(yīng)：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)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。例如，在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，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穿晶體管就是利用量子效應(yīng)制成的新一代器件。第四十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要意義。它限定了磁帶，磁盤進(jìn)行信息貯存的時(shí)間極限。量子隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子器件的基礎(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)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。第四十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第四十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米材料的蓮花效應(yīng)照理說荷葉的基本化學(xué)成分是多醣類的碳水化合物，有許多的羥基（-OH）、（-NH）等極性原子團(tuán)，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污垢。但灑在荷葉葉面上的水卻會(huì)自動(dòng)聚集成水珠，且水珠的滾動(dòng)把落在葉面上的塵埃污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈。經(jīng)過科學(xué)家的觀察研究，在1990年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。

第四十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

經(jīng)過電子顯微鏡的分析，蓮花的葉面是由一層極細(xì)致的表面所組成，并非想象中的光滑。而此細(xì)致的表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。葉面上布滿細(xì)微的凸?fàn)钗镌偌由媳砻嫠嬖诘南炠|(zhì)，這使得在尺寸上遠(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，由液滴在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面，這樣的能力勝過人類的任何清潔科技。這就是蓮花納米表面「自我潔凈」的奧妙所在。第四十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第四十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

鵝毛和鴨毛是防水的。原來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，但卻極易通氣，故鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。第五十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

第五十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

把透明疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會(huì)被空氣中的油污弄臟，玻璃也不會(huì)沾上水蒸氣而永遠(yuǎn)透明。第五十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五將這種納米顆粒放到織物纖維中，做成的衣服不沾塵，省去不少洗衣的麻煩。利用納米材料的疏水性能在汽車擋風(fēng)玻璃上將會(huì)起到很好的去水、去霧作用。

第五十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

一九九一年，日本電氣公司(NEC)首席研究員的飯島澄男利用碳電弧放電法合成C60分子時(shí)，偶然于陰極處發(fā)現(xiàn)針狀物，經(jīng)過高分辨率穿透式電子顯微鏡分析其結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)這些針狀物為碳原子所構(gòu)成的中空管狀體，直徑約為數(shù)納米至數(shù)十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米的中空管狀物，其比重只有鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。納米碳管第五十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第五十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

單層納米碳管多層納米碳管第五十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五

正二十面體共二十個(gè)面，每個(gè)面都是正三角形；每個(gè)面角都是五面角，共十二個(gè)頂點(diǎn)。將每個(gè)頂角都截掉，截口處產(chǎn)生十二個(gè)正五邊形，原來的每個(gè)正三角形都變成了正六邊形。20

個(gè)正六邊形，12

個(gè)正五邊形——截角正二十面體。

碳簇以C60（足球烯，富勒烯）為最常見。

從正二十面體出發(fā)，去理解C60的幾何形狀。第六十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五基于納米碳管的納米電機(jī)第六十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五如紙般的薄形顯示器

科學(xué)家就納米碳管的尖端施以小電壓后(較電子槍所需的電壓小多了)，就可輕易地釋放電子。

現(xiàn)在韓國(guó)三星公司已可將納米碳管做成超微小電場(chǎng)電子發(fā)射或簡(jiǎn)稱為「場(chǎng)發(fā)射」屏幕(field-emissiondisplay)，若技術(shù)成熟把成本降低后，將取代傳統(tǒng)式體積龐大的陰極射線管(CRT)屏幕。未來可期的事是：厚度如同紙張的納米碳管顯示器將比傳統(tǒng)陰極電視或液晶屏幕薄上千萬倍。除省電外，納米碳管顯示器具可卷曲的特性將更方便攜帶，并且降低了搬運(yùn)的困難。第六十二頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五第六十三頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五場(chǎng)發(fā)射顯示器

[FieldEmissionDisplay,FED]

場(chǎng)發(fā)射電極理論最早是在1928年由R.H.Fowler與L.W.Nordheim共同提出。1968年由C.A.Spindt提出運(yùn)用場(chǎng)發(fā)射電子作為顯示器。第六十四頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五場(chǎng)發(fā)射顯示器的原理類似陰極射線管

場(chǎng)發(fā)射顯示器則由數(shù)十萬個(gè)主動(dòng)冷發(fā)射子所構(gòu)成，每一像素

有固定獨(dú)立的電子發(fā)射子，毋須使用偏向板。

第六十五頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五簡(jiǎn)單的說就是利用無數(shù)的納米碳管尖端放電，來取代傳統(tǒng)陰極射線管中的電子槍，它不僅保留了傳統(tǒng)陰極射線管電視優(yōu)秀的影像品質(zhì)，而且能源消耗低，整個(gè)熒幕的厚度可以從陰極射線管的50cm壓縮到1cm，重量也大幅減輕。第六十六頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五單層納米碳管(SWCNT)制作射極的新方法

僅需4V的驅(qū)動(dòng)電壓就能釋放出電子。在以尖端直徑約20-30nm的圓錐狀硅晶片作為射極所用傳統(tǒng)場(chǎng)發(fā)射元件的制備基礎(chǔ)上，再加上在硅晶片尖端以熱CVD（化學(xué)氣相沉積）法生長(zhǎng)SWCNT的制備而成。使圓錐狀硅晶片的尖端成長(zhǎng)SWCNT的射極（左）和將之並列如右的電子顯微鏡照片。第六十七頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五以奈米碳管作為場(chǎng)發(fā)射子，具有相當(dāng)?shù)偷尿?qū)動(dòng)電壓，僅需4V的驅(qū)動(dòng)電壓就能釋放出電子。

Milne等科學(xué)家發(fā)展出以單一光罩與自對(duì)準(zhǔn)技術(shù)制造出場(chǎng)發(fā)射微陰極的技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)能保證納米碳管與閘極針孔中心能共線。

每一微空中約有10余支納米碳管，其直徑約10-50nm，長(zhǎng)度0.4微米。第六十八頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五利用半導(dǎo)體製程成功製作三極場(chǎng)發(fā)射元件，可利用閘極控制場(chǎng)發(fā)射電流密度。

第六十九頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五奈米碳管商用的第一個(gè)殺手級(jí)應(yīng)用將會(huì)是在顯示器市場(chǎng)，市場(chǎng)大餅約為400億美元。目前包括日本伊勢(shì)電子、NEC、韓國(guó)三星等，已經(jīng)有能力量產(chǎn)CNT-FED。這些廠商多採(cǎi)用CVD（化學(xué)氣相沈積）製造方法。奈米碳管可用於電視、個(gè)人電腦顯示器，目前已進(jìn)入試作階段。一般預(yù)估2005－2010年左右就可製造出省電、厚度僅數(shù)公釐的大畫面顯示器。第七十頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五根據(jù)科學(xué)家的研究，納米碳管此類的碳結(jié)構(gòu)可提供有效且清潔的儲(chǔ)氫能力，較某些已知的固體材料在室溫下可儲(chǔ)存更多的氫，每個(gè)碳管就像是微小的海綿，可作為汽車中燃料電池的氫容器。納米電池--

儲(chǔ)氫的納米碳管

第七十一頁(yè)，共七十八頁(yè)，編輯于2023年，星期五納米齒輪

由日本MorinobuＥndo教授所領(lǐng)導(dǎo)的科技研究小組，于2002年2月初發(fā)表，利用納米材料的組成，于現(xiàn)有的制作技術(shù)，已成功研制出世界上最小的齒輪。該齒輪直徑僅有0.2mm，且具有良好的抗磨損、抗熱、滑動(dòng)