納米科學(xué)概述

納米科學(xué)技術(shù)概述研究報(bào)告納米科技的前景（積極）及可能存在的問(wèn)題（健康及環(huán)境威脅）2008年九大納米產(chǎn)品簡(jiǎn)介啤酒瓶納米復(fù)合材料（食品包裝）、納米防彈衣（軍事安全）、納米電池（電化學(xué)）、DNA測(cè)試（醫(yī)學(xué)）、納米等級(jí)汽車光澤劑（清潔）、納米太陽(yáng)能電池（能源）、金納米微粒女性試孕紙（生活）、納米網(wǎng)球（運(yùn)動(dòng)）、納米止血繃帶（衛(wèi)生）3.介觀領(lǐng)域概念廣義及狹義介觀領(lǐng)域納米科學(xué)技術(shù)基本概念與內(nèi)涵1） 納米：是單位也是思維方式；2） 納米科學(xué)、納米技術(shù)概念；3） 納米科技的主要研究?jī)?nèi)容（三個(gè)方面）及分支學(xué)科；4） 納米材料含義、分類（按結(jié)構(gòu)、按組成、按應(yīng)用）及新性質(zhì)（表、界面效應(yīng)及影響及其它：見教材5）5） 納米科技最終目標(biāo)；6） 納米材料與傳統(tǒng)材料差別；7） 納米科技分類：a、納米材料：主要類型、研究的兩個(gè)方面b、 納米器件：含義、特點(diǎn)、納米技術(shù)與微電子技術(shù)區(qū)別及制造納米產(chǎn)品技術(shù)路線（top-down/bottomup）c、 納米尺度的檢測(cè)與表征：含義及研究?jī)?nèi)容、STM及應(yīng)用實(shí)例納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展史1） 納米材料及納米技術(shù)的自然存在：牙釉質(zhì)、天體隕石碎片、海洋亞微米膠體粒子；蜜蜂、磁性細(xì)菌、鴿子、海龜及螃蟹的磁體微粒；壁虎飛檐走避、蓮花效應(yīng)、蝴蝶翅膀的光子晶體；2） 納米技術(shù)的人工造就：a、 無(wú)意識(shí)的造就中國(guó)墨、古銅鏡面、2000年前古希臘及羅馬染發(fā)及現(xiàn)代模擬、b、 有意識(shí)的制作There’sPlentyofRoomatthe—o—RichardFeynman1861膠體粒子及膠體化學(xué)、1932透射電子顯微鏡TEM、鉑超微顆粒催化劑、金屬或金屬氧化物顆粒的制備及表征（X射線、電子顯微鏡）c、 自覺(jué)地《理論》研究1950-1960電子波函數(shù)相干現(xiàn)象、1961久保理——超微粒子的量子限域理論、1963氣體蒸發(fā)冷凝法制得納米微粒及其表征、1973年半導(dǎo)體超晶格及半導(dǎo)體隧道效應(yīng)d、 系統(tǒng)研究《久保理論日臻完善》70年代末80年代初，金屬顆粒費(fèi)米面附近電子能及狀態(tài)的久保理論日趨完善、1974谷口提出nanotechnology、70年代末MIT納米等級(jí)硅基納米陶瓷粉末規(guī)模化生產(chǎn)、 1977MIT的學(xué)生Drexler分子裝置的提出（視為瘋子）、1981年IBM的STM可觀及可控原子（精度0.01nm）、1984年納米結(jié)構(gòu)材料首次合成、1985年富勒烯、1987年納米TiO2多晶體、1988年巨磁電阻效應(yīng)、1990費(fèi)曼納米科技的基本思想、1990年納米多孔硅光至發(fā)光現(xiàn)象、1991年NEC的飯島多、單壁納米碳管3）納米科技發(fā)展三個(gè)階段1990年前實(shí)驗(yàn)室探索、一1994根據(jù)特性設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料＞1994-至今納米組裝研究6、 納米組裝體系：納米結(jié)構(gòu)及構(gòu)成基本單元、納米組裝體系含義及分類、鮑魚殼7、 納米技術(shù)開展情況（從幾個(gè)角度看）1） 美國(guó)、中國(guó)2） 國(guó)家納米科技發(fā)展態(tài)勢(shì)及特點(diǎn)：a、 概況：發(fā)達(dá)國(guó)家：美、日、歐盟新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體：韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣發(fā)展中大國(guó)：中、南非、印度b、 成就：納米科技論文；專利；c、 各國(guó)專長(zhǎng)：美、日、中國(guó)8、發(fā)展納米技術(shù)的意義講義1宏觀領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域、介觀領(lǐng)域納米科技研究范疇宏觀領(lǐng)域是指以人的肉眼可見的最小物體開始為下限，上至無(wú)限大的宇宙天體；微觀領(lǐng)域是以分子原子為最大起點(diǎn)，下限是無(wú)限小的領(lǐng)域，如基本粒子：電子、質(zhì)子、中子等；介觀領(lǐng)域：在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間，包括了從微米(1-100pm)、亞微米，納米到團(tuán)簇尺寸(從幾個(gè)到幾百個(gè)原子以上尺寸)的范圍。廣義上來(lái)說(shuō)，凡是出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)簇、納米體系和亞微米體系；狹義上，納米體系和團(tuán)簇從這種介觀范圍獨(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域。2納米科學(xué)技術(shù)基本概念與內(nèi)涵納米：長(zhǎng)度范圍，10-9m；也代表了一種全新的思維方式。納米科學(xué)：20世紀(jì)80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新領(lǐng)域，是研究在千萬(wàn)分之一米(10-7m)到十億分之一米(10-9m)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)。納米技術(shù)：在以上尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子等進(jìn)行操縱和加工的技術(shù)，又稱為納米技術(shù)。納米科技研究的內(nèi)容：a創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料——物質(zhì)基礎(chǔ)包括：團(tuán)簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料的制備技術(shù)、原理及性質(zhì)b制備各種納米器件和裝置——目標(biāo)直接利用物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的新穎的物理化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品c探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象——前提掃描隧道電子顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope,STM)及AFM,XRD,SEM,TEM,激光粒度儀，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可見光吸收光譜，熒光光譜，熱分析，磁性儀等。學(xué)科分支：納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。3納米材料定義：把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸控制在1-100納米范圍的具有特殊功能的材料稱為納米材料兩層含義：a至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構(gòu)成整體材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度小于100nm,如納米晶合金中的晶粒；b當(dāng)尺度減小到納米范圍，材料某種性質(zhì)發(fā)生神奇的突變，具有不同于常規(guī)材料的、優(yōu)異的特性，如量子尺寸效應(yīng)。分類方法a按維度分0維材料一三維尺寸為納米級(jí)(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)，如C60、巴基蔥；1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)，納米管、線、絲、棒、環(huán)；⑶2維材料一厚度為1—100nm的薄膜體相納米材料(由納米材料組裝而成)納米孔材料(孔徑為納米級(jí))b按組成(component)分類金屬納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)和高分子納米材料、復(fù)合納米材料、復(fù)合納米材料：無(wú)機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料、 c應(yīng)用的角度一類距現(xiàn)在的應(yīng)用相對(duì)較遠(yuǎn)，如納米量子結(jié)構(gòu)、量子器件等，這類材料和器件的發(fā)展將大大拓展和深化人們對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)，使人們能夠在原子、分子水平上制造材料及器件，將導(dǎo)致信息、能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的技術(shù)變革。如芯片另一類具有現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用，并且在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中起到了重要的作用。如納米復(fù)合材料如碳納米管增強(qiáng)Cu納米材料新性質(zhì)納米材料具有尺寸小、比表面積大、表明能高、表面原子比例大等優(yōu)點(diǎn)，因此可表現(xiàn)出塊體材料所不具有的新性質(zhì)，表現(xiàn)為：a小尺寸效應(yīng)：特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)等方面b量子尺寸效應(yīng)c宏觀量子隧道效應(yīng)d表面效應(yīng)納米材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別a尺寸——這種材料至少有一個(gè)方向是在納米的數(shù)量級(jí)上。比如說(shuō)納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。b性能由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。比如物體的強(qiáng)度、韌性、比熱、導(dǎo)電率、擴(kuò)散率等完全不同于或大大優(yōu)于常規(guī)的體相材料。4納米科技發(fā)展史納米材料及納米技術(shù)的自然存在：牙釉質(zhì)、天體隕石的碎片、海洋中存在亞微米膠體粒子；蜜蜂、鴿子、螃蟹、海龜、細(xì)菌體內(nèi)存在磁性的納米粒子；蓮花效應(yīng)、壁虎飛檐走壁、蝴蝶翅膀上炫目的色彩、、、、納米技術(shù)的人工造就a無(wú)意識(shí)接觸——中國(guó)墨、古銅鏡面、古希臘及羅馬染發(fā)原料（硫化鉛納米晶體）、1861年膠體化學(xué)的建立（實(shí)為納米體系，未從納米材料的角度或其特殊性能作為研究重點(diǎn)）b有意識(shí)制作20世紀(jì)上半葉的研究特點(diǎn)是，人類已經(jīng)有意識(shí)地把納米微粒作為研究對(duì)象來(lái)探索納米體系的奧秘：1932年，德國(guó)的Ruska發(fā)明了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡（TEM），為探索微觀物質(zhì)世界打下了基礎(chǔ)（1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)），透射電子顯微鏡只能看，不能搬動(dòng)原子。1929年，Kchlshuthe用A1、Cr、Cu、Fe等金屬作電極，在空氣中產(chǎn)生弧光放電，得到了15種金屬氧化物的溶膠。同年，Wfelesley等人開始對(duì)超微顆粒進(jìn)行X光射線實(shí)驗(yàn)研究1940年，Ardeume首次采用電子顯微鏡對(duì)金屬氧化物的煙狀物進(jìn)行觀察。1945年，Balk提出在低壓惰性氣體中獲得金屬超微粒子的方法1959年物理學(xué)家費(fèi)曼《在底部還有很大空間》c自覺(jué)地研究（理論研究的開始）20世紀(jì)50年代末，Aharonov和Bohm預(yù)計(jì)，在微米、亞微米（納米材料尺寸上限）的細(xì)小體系中，一束電子分成兩束，以形成不同的位相，重新相遇后會(huì)產(chǎn)生電子波函數(shù)相干現(xiàn)象，從而導(dǎo)致電導(dǎo)的波動(dòng)性60年代初，Chambers等人用實(shí)驗(yàn)觀察到了電子束的波動(dòng)性，證明了Aharonov的預(yù)言1961年，久保（Kubo）針對(duì)金屬超微粒子的研究提出了久保理論超微粒子的量子限域理論。1963年，Uyeda通過(guò)金屬在高純惰性氣體中蒸發(fā)和冷凝過(guò)程獲得清潔表面的超微顆粒，并用透射電子顯微鏡研究了單個(gè)顆粒金屬的形貌和晶體結(jié)構(gòu)1970年，江畸等考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導(dǎo)體超晶格的概念，并發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體隧道效應(yīng)（1973諾貝爾物理獎(jiǎng)）d、系統(tǒng)研究（久保理論日臻完善）70年代末到80年代初，人們對(duì)納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，描述金屬顆粒費(fèi)密面附近電子能級(jí)狀態(tài)的久保理論日臻完善。在用量子尺寸效應(yīng)理論解釋超微顆粒的某些特性時(shí)獲得成功。1974年，Taniguchi最早使用納米技術(shù)（Nanotechnology）—詞，即“納米加技術(shù)”，并用于精細(xì)機(jī)械加工，原意為公差在納米尺度的加工技術(shù)。70年代末，美國(guó)MIT的Cannon等人發(fā)明了激光驅(qū)動(dòng)氣相合成數(shù)十納米尺寸的硅基陶瓷粉末（Si、SiC、Si3N4），從此，人類開始了規(guī)模生產(chǎn)納米材料的歷史。1977年美國(guó)MIT德雷克斯勒（時(shí)為大學(xué)生）提出，可以制作模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物分子裝置。1981年，G.Binning和H.Rohrer博士(IBM的)發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡，使得人類首次在大氣及常溫下觀察到了原子。1984年，德國(guó)薩爾大學(xué)的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型，制備了具有清潔表面的納米晶體Pd,Fe,Cu等塊狀材料。1985年，Smalley(2005.10去世)、Curl、英國(guó)的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來(lái)收集碳團(tuán)簇、用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的碳團(tuán)簇豐度最高，通稱為C60。1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1987年，美國(guó)Argon實(shí)驗(yàn)室Siegel博士用惰性氣體原位加壓法制備出來(lái)了納米晶材料TiO2多晶體，發(fā)現(xiàn)超韌性陶瓷。1988年，法國(guó)的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，稱為巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagneto-Resistive,GMR),2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1990年，L.T.Canham發(fā)現(xiàn)了多孔硅在室溫下的光致發(fā)光現(xiàn)象1991年，日本NEC基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的飯島教授(S.Iijima)在利用透射電子顯微鏡分析電弧放電產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)多壁納米碳管，隨后，他還發(fā)現(xiàn)了僅由單層碳原子石墨層層卷曲而成的單壁納米碳管。納米科技的發(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。第二階段（1994年前）人們關(guān)注的熱點(diǎn)是根據(jù)奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料：納米微粒與納米微粒復(fù)合（0-0復(fù)合），納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合（0-3復(fù)合），復(fù)合納米薄膜（0-2復(fù)合）。第三階段（從1994年到現(xiàn)在）納米組裝研究。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。5納米組裝體系納米組裝體系以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝成的一種新的體系，它包括一