納米科技與納米材料課程總結

1、西南科技大學納米科技與納米材料課程總結報告 報告人：理學院光信息1102班 楊星早在1959年，美國著名的物理學家，諾貝爾獎金獲得者費曼就設想：“如果有朝一日人們能把百科全書存儲在一個針尖大小的空間內并能移動原子，那么這將給科學帶來什么！”這正是對納米科技的預言，也就是人們常說的小尺寸大世界。納米科技是研究尺寸在0.1100nm之間的物質組成的體系的運動規(guī)律和相互作用以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。納米材料和技術是納米科技領域最富有活力、研究內涵十分豐富的學科分支?！凹{米”是一個尺度的度量，最早把這個術語用到技術上的是日本在1974年底，但是以“納米”來命名的材料是在20世紀80年代

2、，它作為一種材料的定義把納米顆粒限制到1100nm范圍。可以說納米技術是前沿科學，有很大的探索空間和發(fā)展領域，比如：醫(yī)療藥物、環(huán)境能源、宇航交通等等。而今納米時代正走向我們，從古文明到工業(yè)革命，從蒸汽機到微電子技術的應用，納米時代的到來將不會很遠。這門課程我最深刻的內容是：第二講 掃描隧道顯微鏡及其應用引言：n 在物理學、化學、材料學和生物研究中，物質真實表面狀態(tài)的研究具有重要意義。常用的手段有：1. 光學顯微鏡：由于可見光波長所限，光學顯微鏡的分別率非常有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理論極限為200nm）。2. 掃描電鏡：雖然給表面觀察及分析提供了有力的工具，但由于高能電

3、子束對樣品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映“真實”表面狀態(tài)，分辨率3nm。3. 透射電鏡：雖有很高的分辨率，但它所獲得的圖像實際上是很薄樣品的內部信息，用于表面微觀觀察及分析幾乎是不可能的。分辨率0.1nm。4. 針對這一問題，賓尼與羅雷爾于1982年發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。在不到5年的時間內，分辨率就達到了原子水平。分辨率0.01nm。掃描隧道顯微鏡的基本原理：1982年，國際商業(yè)機器公司（IBM）蘇黎世研究所的 Gerd Binnig和 Heindch Rohrer及其同事們成功地研制出世界上第一臺新型的表面分析儀器，即掃描隧道顯微鏡（Scanning Tunneling Microsc

4、ope，STM）。它使人類第一次能夠直接觀察到物質表面上的單個原子及其排列狀態(tài)，并能夠研究其相關的物理和化學特性。因此，它對表面物理和化學、材料科學、生命科學以及微電子技術等研究領域有著十分重大的意義和廣闊的應用前景。STM的發(fā)明被國際科學界公認為20世紀80年代世界十大科技成就之一。由于這一杰出成就，Binnig和Rohrer獲得了1986年諾貝爾物理獎。STM的基本原理：STM的基本原理是量子的隧道效應。它利用金屬針尖在樣品的表面上進行掃描，并根據量子隧道效應來獲得樣品表面的圖像。通常掃描隧道顯微鏡的針尖與樣品表面的距離非常接近（一般為 0.5l.0nm），所以它們之間的電子云互相重疊，其

5、間的勢壘變得很薄，。當在它們之間施加一偏置電壓Vb時，電子就可以因量子隧道效應由針尖（或樣品）轉移到樣品（或針尖），在針尖與樣品表面之間形成隧道電流。由于隧道電流I與針尖和樣品表面之間的距離s成指數關系，所以，電流I對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.lnm，隧道電流 I將會增加 10倍；反之，如果距離增加 0.1nm，隧道電流 I就會減少 10倍。由于STM具有極高的空間分辨能力（平行方向的分辨率為 0.04nm，垂直方向的分辨率達到 0.01nm），它的出現標志著納米技術研究的一個最重大的轉折甚至可以說標志著納米技術研究的正式起步。因為，在此之前人類無法直接觀察

6、物質表面上的原子和分子結構，使納米技術的研究無法深入地進行。恒電流模式:恒電流模式是在STM圖像掃描時始終保持隧道電流恒定，它可以利用反饋回路控制針尖和樣品之間距離的不斷變化來實現。當壓電陶瓷Px和Py控制針尖在樣品表面上掃描時，從反饋回路中取出針尖在樣品表面掃描的過程中它們之間距離變化的信息（該信息反映樣品表面的起伏），就可以得到樣品表面的原子圖像。恒高度模式:恒高度模式則是始終控制針尖的高度不變，并取出掃描過程中針尖和樣品之間電流變化的信息（該信息也反映樣品表面的起伏），來繪制樣品表面的原子圖像。由于在恒高度模式的掃描過程中，針尖的高度恒定不變，當表面形貌起伏較大時，針尖就很容易碰撞到樣品

7、。所以恒高度模式只能用于觀察表面形貌起伏不大的樣品。以上便是記得最深的部分，主要歸功于老師布置的作業(yè)，我在網上查了好多關于STM的相關資料，因此也讓我記憶尤新。（以下便是那次作業(yè)的部分圖）通過對納米科技與納米材料課程的學習，我的感觸頗深。人類對客觀世界的認識是不斷深入的。認識從直接用肉眼能看到的事物開始，然后不斷深入，逐漸發(fā)展為兩個層次：一是宏觀領域，二是微觀領域。這里的宏觀領域是指以人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體；這里的微觀領域是以分子原子為最大起點，下限是無限小的領域。近年來剛剛發(fā)展起來的納米材料出現許多傳統(tǒng)材料不具備的奇異特性，已引起科學家的極大興趣。德國薩

8、爾大學格萊德和美國阿貢國家實驗室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫下顯示良好的韌性，在180經受彎曲并不產生裂紋，這一突破性進展，使那些為陶瓷增韌奮斗將近一個世紀的材料科學家們看到了希望。作為納米科學技術的另一個重要分支，即納米生物學在90年代初露頭角，面向21世紀，它的發(fā)展前途方興未艾。納米生物學在納米尺度上認識生物大分子的精細結構及其與功能的聯系，并在此基礎上按自己的意愿進行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，這使生命科學的研究上了一個新的臺階，勢必在解決人類發(fā)展的一系列重大問題上起著十分重要的作用。納米微機械和機器人是十分引人注目的研究方向，納米生物機器和納米生物部件

9、零件的研制，用原子和分子直接組裝成納米機器不但其速度、效率比現有機器大大提高，而且應用范圍之廣，功能之特殊、污染程度之低是現有機器人無法比擬的。因此納米時代的到來已經不是空口話了，面臨的是納米的世界。納米的應用非常廣泛，下面舉出我所了解的例子納米服裝：一種據說能屏蔽電腦和微波爐等家電磁輻射的“納米服裝”在南京亮相。由于擔心消費者對這種“高科技”面料不信任，經銷商的促銷手段也很獨特：當場燒給你看。中國消費者協(xié)會發(fā)布了家電、手機輻射消費警示后，防磁服裝開始趨熱，并進入一些商場、超市。商家向顧客推銷時，通常使用一種輕巧的小型磁輻射探測器做演示，而在一家禮品店，一位促銷小姐當場燒“納米面料”，給顧客看

10、燒過后遺留下的“納米金屬絲”。據介紹，目前南京市場上防磁服裝魚龍混雜，有的所謂防磁面料只是在表面涂了一層防磁膠，洗幾次就不再有效果了，而據說由“納米”面料制成的防磁服裝，無論洗多少次效果都不會打折扣。納米豆?jié){一年不變質：一袋普通的豆?jié){，其顆粒直徑為數十微米（厘米微米），而如果將其破碎成納米級（微米納米），便可以增加人體吸收效率，置放于冰箱內還使保質期延長到一年?，F在醫(yī)學上納米手術已經達到比較成熟的狀態(tài)，科學家運用納米為單位的手術刀，可以最小的精確手術傷口的切割，保證血液的最少流動！可見，納米在我們的生活中每一個角落，只要善于發(fā)現，納米離我們并不遙遠，納米還涉及醫(yī)學、農業(yè)、等等方面。贊同納米技術

11、在光通信中的應用及推動作用納米激光器：美國桑迪亞國家實驗室的 Paul 等發(fā)現: 納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數幾個狀態(tài)上,而低音廊效應則使光子受到約束, 直到所產生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。其結果是激光器達到極高的工作效率, 而能量閾則很低。納米激光器實際上是一根彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導線,實驗發(fā)現, 納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為, 從而影響激光器的工作。研究還發(fā)現, 納米激光器工作時只需約 100A 的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內。在這一尺度上, 此結構的光子狀態(tài)數少于 10 個,接近了無能量運行所

12、要求的條件, 但是光子的數目還沒有減少到這樣的極限上。最近, 麻省理工學院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中, 每個原子發(fā)射一個有用的光子, 其效率之高, 令人驚訝。除了能提高效率以外, 無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光, 這類裝置可以實現瞬時開關。已經有一些激光器能夠以快于每秒鐘 200 億次的速度開關, 適合用于光纖通信。納米光纖：自科學界在 1991 年發(fā)現了碳納米管物質以來,科學家們一直都在希望能制造出由碳納米管組成的納米光纖材料。由于碳原子之間的排列緊密性, 使得單個的碳納米管已經成為世界上韌性最強的物質之一。但如何

13、將單個的碳納米管編織到已有的光纖材料之中去卻成為了困擾科學家們的一個巨大難題。3 年前, 法國的有關研究人員在這方面取得了一些進展。法國的科學家們將碳納米管與聚乙烯醇(PVA)材料及水相混合, 這樣就使得聚乙烯醇材料能夠將碳納米管緊緊包裹住, 從而將無數的單個碳納米管捆綁在一起。但等到科學家將聚乙烯醇材料取走之后, 他們只得到了 20cm 長的納米光纖材料。但最近由美國德克薩斯州大學的化學家雷- 鮑曼(Ray Baughman)所領導的納米光纖材料研究小組在納米光纖材料的制造技術取得了重大突破。他們把法國研究人員所取得的技術成果向前推進了一大步。鮑曼研究小組采取了最后保留包裹在碳納米管周圍的聚

14、乙烯醇材料的做法,他們還改進了將碳納米管編織進光纖材料的制造方法和工序。他們將這種凝膠體性質的碳納米管裝進一個導管中, 這樣就能使將碳納米管編織進光纖材料的工序變得更加簡單。最后的結果非常動人心弦: 他們得到了數百米長的納米光纖材料。這種最新材料的韌性比蛛絲高 4 倍, 比用于制造防彈衣的凱夫拉爾纖維韌性強度高出了 17 倍。與同樣重量的鐵絲相比, 新型納米光纖材料的硬度是前者的 2倍, 韌性是前者的 20 倍。日前, 海門市江蘇通光集團與北京化工研究院聯手, 國內獨家開發(fā)生產出納米光纜。納米光纜由于在光纖中加入了高科技納米材料, 其抗腐蝕性、抗機械沖擊、使用壽命均大大優(yōu)于普通光纜, 因而特別

15、適用于惡劣環(huán)境中。近年來, 中美海底光纜兩次發(fā)生中斷事故, 更加呼喚納米光纜的早日問世。通光集團主動與北京化工研究院"聯姻", 合作開發(fā)納米光纖。經過與該院的合作, 并特地引進了奧地利生產線, 通光集團終于成功開發(fā)出了納米光纜。據測定, 其各項指標均優(yōu)于普通光纜。采用了納米材料的光纜: 近來, 一些廠商已開發(fā)出納米光纖涂料、納米光纖油膏、納米護套用聚乙烯(PE)及光纖護套管用納米 PBT 等材料。采用納米材料的光纜, 利用了納米材料所具有的許多優(yōu)異性能, 對光纜的抗機械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善, 并可延長光纜的使用壽命。目前此類材料尚處于試用階段在 實 驗 上 得 到 的 納 米 光 學 纖