小白納米緒論

1、1納米納米技術(shù)及其在化工中的技術(shù)及其在化工中的應(yīng)用應(yīng)用遷安學(xué)院主講：白娣斯2第一章第一章 緒論緒論本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：31.1.納米納米2.2.納米技術(shù)的內(nèi)涵納米技術(shù)的內(nèi)涵3.3.其他納米的概念其他納米的概念4納米“納米”是長(zhǎng)度單位，1nm=10-9m 即1納米等于十億分之一米，大約等于10個(gè)氫原子并排起來(lái)的長(zhǎng)度，相當(dāng)于萬(wàn)分之一頭發(fā)的粗細(xì)。 納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動(dòng)空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為介觀世界。5q 納米是長(zhǎng)度單位，是十億分之一納米是長(zhǎng)度單位，是十億分之一(10-9)米米q 單個(gè)細(xì)胞用肉眼看不見，但在顯微鏡下觀測(cè)，可測(cè)得直單個(gè)細(xì)胞用肉眼看不見

2、，但在顯微鏡下觀測(cè)，可測(cè)得直徑為徑為5um，約，約5000nm。氫原子直徑為。氫原子直徑為0.1nm，一般金屬，一般金屬原子直徑為原子直徑為0.30.4nm，1nm約等于約等于4個(gè)原子的直徑個(gè)原子的直徑 納米技術(shù)是納米技術(shù)是20世紀(jì)世紀(jì)80年代末期誕生并正在迅速崛起的、年代末期誕生并正在迅速崛起的、用原子和分子創(chuàng)造新物質(zhì)的技術(shù)，用原子和分子創(chuàng)造新物質(zhì)的技術(shù)，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。 67 人類對(duì)納米技術(shù)的研究已有了40多年的歷史。1959年，美國(guó)著名的物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者理查德費(fèi)曼認(rèn)為：能夠用宏觀的機(jī)器

3、來(lái)制造比其體積小的機(jī)器，而這較小的。納米技術(shù)的發(fā)展納米技術(shù)的發(fā)展 機(jī)器又可制作更小的機(jī)器又可制作更小的機(jī)器，這樣一步步達(dá)到分機(jī)器，這樣一步步達(dá)到分子線度。子線度。8 費(fèi)曼幻想在原子和分子水平上操縱和控制物質(zhì)。他認(rèn)為：“物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物質(zhì)的可能性”，并表示： “我深信不移，當(dāng)人們能操縱細(xì)微物質(zhì)的時(shí)候，將可獲得極其豐富的新的物質(zhì)的性質(zhì)。” 費(fèi)曼對(duì)納米技術(shù)的最早夢(mèng)想，成為 一 個(gè)光輝的起點(diǎn)，人類開始了對(duì)納米世界的探求。9美國(guó)美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家公司首席科學(xué)家Armstrong在在1991年年曾做過(guò)一個(gè)重要的評(píng)論：曾做過(guò)一個(gè)重要的評(píng)論：納米科技是研究納米科技是研究1100

4、nm范圍內(nèi)物質(zhì)所特有的范圍內(nèi)物質(zhì)所特有的現(xiàn)象和功能的科學(xué)，是研究在十億分之一到千現(xiàn)象和功能的科學(xué)，是研究在十億分之一到千萬(wàn)分之一米內(nèi)，原子、分子和其他類型物質(zhì)的萬(wàn)分之一米內(nèi)，原子、分子和其他類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)。運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)。10 科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。比如硅晶體是不發(fā)光的，但納米硅卻會(huì)發(fā)光；陶瓷在通常情況下是很硬、很脆的，如果采用納米粉體制成納米陶瓷，它也可以具有韌性；納米材料還具有超塑性，室溫下的納米銅絲經(jīng)過(guò)軋制，其長(zhǎng)度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm。11納米材料的特性納米材料的特性A . 特殊的特殊的光學(xué)光學(xué)性質(zhì)性質(zhì)

5、 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，便失去了原有的當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，便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?，F(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。黑，金屬鉻變成鉻黑。 金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀诮饘俪㈩w粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于l，大約幾，大約幾微米的厚度就能微米的厚度就能完全消光完全消光。利用這個(gè)特性可以高效率地將。利用這個(gè)特性可以高效率地將太陽(yáng)太陽(yáng)能能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于

6、轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件紅外敏感元件、紅外隱身紅外隱身技術(shù)技術(shù)等。等。1991年春的年春的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)，美國(guó)F117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)型隱身戰(zhàn)斗機(jī)外表外表所包覆的材料中就包含有所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒多種納米超微顆粒，它們對(duì)不同波段，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力吸收能力，以欺騙雷達(dá)，達(dá)到隱形目的，成，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。功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)伊拉克重要軍事目標(biāo)的打擊。12B . 特殊的特殊的熱學(xué)熱學(xué)性質(zhì)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

7、細(xì)微化后其，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于，當(dāng)顆粒小于10納米納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。量級(jí)時(shí)尤為顯著。 例如，例如，金金的常規(guī)熔點(diǎn)為的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小，當(dāng)顆粒尺寸減小到到10納米時(shí)，則降低納米時(shí)，則降低27，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327左右；左右；銀銀的常規(guī)熔點(diǎn)為的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于熔點(diǎn)可低于100。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。陶瓷材料，甚至可用塑料。

8、 金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑?？捎眉{米顆粒的粉體作為顆粒的粉體作為火箭的固體燃料、催化劑火箭的固體燃料、催化劑。例如。例如, 在火在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加l重量比重量比的超微鋁或的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加增加 l 倍。倍。13C . 特殊的特殊的磁學(xué)磁學(xué)性質(zhì)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)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，使這類生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)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

9、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。通過(guò)電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通富的水底。通過(guò)電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為常含有直徑約為 2*10-2微米的磁性氧化物顆粒。微米的磁性氧化物顆粒。 當(dāng)顆粒尺寸減小到當(dāng)顆粒尺寸減小到 2*10-2微米以下時(shí)，其微米以下時(shí)，其矯頑力可增加矯頑力可增加1千倍千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 6*10-3微米時(shí)，其矯頑微米時(shí)，

10、其矯頑力反而降低到零力反而降低到零，呈現(xiàn)出，呈現(xiàn)出超順磁性超順磁性。 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度的磁記錄磁粉磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體磁性液體。14D . 特殊的特殊的力學(xué)力學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 由于納米材料粒度非常微小由于納米材料粒度非常微小,具有良好的具有良好的表面效應(yīng)表面效應(yīng),1克納米材料的表面積達(dá)到幾百平方米。因此克納米材料的表面積達(dá)到幾百平方米。因此,用納米用納米材料制成的

11、產(chǎn)品其材料制成的產(chǎn)品其強(qiáng)度、柔韌度、延展性強(qiáng)度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)都十分優(yōu)越，就象一種有千萬(wàn)對(duì)腳的毛毛蟲，當(dāng)它吸附在光越，就象一種有千萬(wàn)對(duì)腳的毛毛蟲，當(dāng)它吸附在光滑的玻璃面上時(shí)，由于接觸面積大，滑的玻璃面上時(shí)，由于接觸面積大，12級(jí)臺(tái)風(fēng)有也級(jí)臺(tái)風(fēng)有也吹不掉它。吹不掉它。 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性良好的韌性。 研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是

12、因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒因?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)的粗晶粒金屬硬的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于倍。至于金屬金屬-陶瓷陶瓷等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。等復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。15E . 特殊的特殊的電學(xué)電學(xué)性質(zhì)性質(zhì) 由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，電子能量被量電子能量被量子化子化了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上了。結(jié)果表現(xiàn)為當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電合適電壓時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導(dǎo)壓時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導(dǎo)電。電。原來(lái)是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸

13、減少到幾個(gè)納米原來(lái)是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸減少到幾個(gè)納米時(shí)就不導(dǎo)電了；時(shí)就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅等，電阻會(huì)大大下而絕緣的二氧化硅等，電阻會(huì)大大下降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。 還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路得到一個(gè)額外的電子時(shí)，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它得到一個(gè)額外的電子時(shí)，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它的庫(kù)侖力足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒的庫(kù)侖力足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。 這就使得人們想到是否可以發(fā)展用一個(gè)電子來(lái)控這就使得人們想到是

14、否可以發(fā)展用一個(gè)電子來(lái)控制的電子器件，即所謂的制的電子器件，即所謂的單電子器件單電子器件。單電子器件的。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來(lái)做成計(jì)算機(jī)芯片其容量和尺寸很小，把它們集成起來(lái)做成計(jì)算機(jī)芯片其容量和計(jì)算速度不知要提高多少倍。計(jì)算速度不知要提高多少倍。16l要使人類能夠按照自己的意愿任意操縱單個(gè)原要使人類能夠按照自己的意愿任意操縱單個(gè)原子和分子，按照人們的期望，在原子和分子的子和分子，按照人們的期望，在原子和分子的水平上設(shè)計(jì)和制造全新的物質(zhì)。這些全新的物水平上設(shè)計(jì)和制造全新的物質(zhì)。這些全新的物質(zhì)將給人類帶來(lái)全新的變化。質(zhì)將給人類帶來(lái)全新的變化。17 基于利用基于利用 STM 對(duì)分子、原

15、子進(jìn)行搬遷的事實(shí)，對(duì)分子、原子進(jìn)行搬遷的事實(shí)，人們產(chǎn)生了利用該技術(shù)制造分子存儲(chǔ)器甚至原子存儲(chǔ)人們產(chǎn)生了利用該技術(shù)制造分子存儲(chǔ)器甚至原子存儲(chǔ)器的夢(mèng)想。器的夢(mèng)想。物體的表面有原子的位置為物體的表面有原子的位置為“1”，沒(méi)原子，沒(méi)原子為為“0”，這不就可以表示二進(jìn)制嗎？這不就是存儲(chǔ)器這不就可以表示二進(jìn)制嗎？這不就是存儲(chǔ)器嗎？嗎？一個(gè)分子存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的信息，相當(dāng)于一個(gè)分子存儲(chǔ)器能夠存儲(chǔ)的信息，相當(dāng)于100萬(wàn)萬(wàn)張光盤的存儲(chǔ)量；而一張同樣大小的原子存儲(chǔ)器的容張光盤的存儲(chǔ)量；而一張同樣大小的原子存儲(chǔ)器的容量，將能夠存入人類有史以來(lái)的全部知識(shí)！量，將能夠存入人類有史以來(lái)的全部知識(shí)！ 19981998年年IB

16、MIBM公司公司用用原子排成的世界原子排成的世界上最小的廣告上最小的廣告-IBM 18 由于納米機(jī)器人由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管可以小到在人的血管中自由的游動(dòng)，對(duì)于中自由的游動(dòng)，對(duì)于象象腦血栓腦血栓、動(dòng)脈硬化動(dòng)脈硬化等病灶，它們可以非等病灶，它們可以非常容易的予以清理，常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的而不用再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。納開顱、開胸手術(shù)。納米仿生機(jī)器人可以米仿生機(jī)器人可以為為人體傳送藥物人體傳送藥物，進(jìn)行，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)細(xì)胞修復(fù)等工作。等工作。 納米機(jī)器人在疏通血管納米機(jī)器人在疏通血管 19 1991年元旦前夕，日本日立電子公司向公眾展示了一個(gè)原子大小的新年祝詞“peac

17、e91”（和平91）。每個(gè)字母的高度均小于1.5納米，它是把硫原子一個(gè)一個(gè)地從二硫化鉬晶體上轟擊出來(lái)寫成的。美國(guó)商業(yè)機(jī)器公司的“IBM”是在-263下拼出的，而日立公司的祝詞則是在室溫下完成的。該成就表明，納米技術(shù)從此步入了實(shí)用階段。2021用掃描隧道顯微鏡用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個(gè)的針尖將原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字，個(gè)地排列成漢字，漢字的大小只有幾漢字的大小只有幾個(gè)納米。個(gè)納米。22 狹義的納米技術(shù)是狹義的納米技術(shù)是以納米科學(xué)為基礎(chǔ)的新材料以納米科學(xué)為基礎(chǔ)的新材料、新器件，研究新工藝的方法和手段。、新器件，研究新工藝的方法和手段。 廣義的納米技術(shù)不是某一學(xué)科的延伸，也不是廣義的納米技術(shù)不是

18、某一學(xué)科的延伸，也不是某一新工藝的產(chǎn)物，某一新工藝的產(chǎn)物，而是基礎(chǔ)學(xué)科與當(dāng)代高技術(shù)的而是基礎(chǔ)學(xué)科與當(dāng)代高技術(shù)的結(jié)晶，是以物理、化學(xué)的微觀研究理論為基礎(chǔ)，以結(jié)晶，是以物理、化學(xué)的微觀研究理論為基礎(chǔ)，以當(dāng)代精密儀器和先進(jìn)的分析技術(shù)為手段，是一個(gè)內(nèi)當(dāng)代精密儀器和先進(jìn)的分析技術(shù)為手段，是一個(gè)內(nèi)容廣闊的多學(xué)科群。容廣闊的多學(xué)科群。23納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容納米技術(shù)研究的主要內(nèi)容納米材料學(xué)納米材料學(xué)納米生物學(xué)納米生物學(xué)納米醫(yī)學(xué)納米醫(yī)學(xué)納米技術(shù)納米電子學(xué)納米電子學(xué)納米機(jī)械學(xué)納米機(jī)械學(xué)納米物理學(xué)納米物理學(xué)納米化學(xué)納米化學(xué)納米力學(xué)納米力學(xué)納米測(cè)量學(xué)納米測(cè)量學(xué)24納米粒子指尺寸在納米粒子指尺寸在0.1100nm之

19、間的粒子，處在原之間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。過(guò)渡區(qū)域。性質(zhì)：性質(zhì)：納米粒子的性質(zhì)納米粒子的性質(zhì)25l納米材料中的微粒尺寸小到與光波波長(zhǎng)或德布羅意波波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，材料的聲、光、電、磁、熱、力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)改變而出現(xiàn)新特性，叫做小尺寸效應(yīng)。 26 粒子直徑粒子直徑減少到減少到納米級(jí)納米級(jí)，引起，引起表面原子數(shù)表面原子數(shù)的迅速增加，的迅速增加，而且納米粒子的而且納米粒子的比表面積比表面積、表面能表面能都會(huì)迅速增加。都會(huì)迅速增加。 表面原子周圍缺少相鄰原子，有許多空虛鍵，表面原子周圍缺少相鄰原子，有許多空虛鍵，不飽和不飽和，易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，表現(xiàn)出易

20、與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，表現(xiàn)出很高的化學(xué)很高的化學(xué)活性?；钚?。27顆粒直徑顆粒直徑(nm)比表面積比表面積(m2/g)表面原子占總數(shù)表面原子占總數(shù)(%)109020518040245080190099納米顆粒表面活性高納米顆粒表面活性高 金屬的納米顆粒在空氣中會(huì)燃燒。金屬的納米顆粒在空氣中會(huì)燃燒。 無(wú)機(jī)的納米顆粒暴露在空氣中會(huì)吸附氣體并與無(wú)機(jī)的納米顆粒暴露在空氣中會(huì)吸附氣體并與之反應(yīng)。之反應(yīng)。28大塊金、銀的熔點(diǎn)分別為大塊金、銀的熔點(diǎn)分別為1063度和度和960度，但是直徑為度，但是直徑為2nm的金和銀納米顆粒，其熔點(diǎn)分別降為的金和銀納米顆粒，其熔點(diǎn)分別降為330度和度和100度度!應(yīng)用：

21、應(yīng)用：1. 利用納米材料熔點(diǎn)低，燒結(jié)溫度也降低，為粉利用納米材料熔點(diǎn)低，燒結(jié)溫度也降低，為粉末冶金提供新工藝末冶金提供新工藝2. 利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化，制造具利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化，制造具有一定頻移的微波吸收納米材料，用于電磁波有一定頻移的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)屏蔽、隱形飛機(jī)29納米粒子尺寸下降到一定值時(shí)，納米粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)費(fèi)米能級(jí)附近的電子能附近的電子能級(jí)由級(jí)由連續(xù)能級(jí)連續(xù)能級(jí)變?yōu)樽優(yōu)榉至⒛芗?jí)分立能級(jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。4/2fENfEN為能級(jí)間距為能級(jí)間距為費(fèi)米能級(jí)為費(fèi)米能級(jí)為總原子數(shù)為總原子數(shù) 宏觀物

22、質(zhì)包含無(wú)限個(gè)原子，能級(jí)間距趨向于宏觀物質(zhì)包含無(wú)限個(gè)原子，能級(jí)間距趨向于0。 納米材料原子數(shù)有限，即納米材料原子數(shù)有限，即N值很小，導(dǎo)致能級(jí)間距有值，即能值很小，導(dǎo)致能級(jí)間距有值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂，能級(jí)平均間距與納米粒子中自由電子的總級(jí)間距發(fā)生分裂，能級(jí)平均間距與納米粒子中自由電子的總數(shù)成反比。數(shù)成反比。 量子尺寸效應(yīng)最直接的影響是納米材料吸收光譜的別界藍(lán)移。量子尺寸效應(yīng)最直接的影響是納米材料吸收光譜的別界藍(lán)移。30 微觀粒子具有微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘能力貫穿勢(shì)壘能力的效應(yīng)稱為隧道的效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。效應(yīng)。 近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)，一些近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)，一些宏觀量宏觀量，如微粒的，如微粒的磁化強(qiáng)度、量

23、子相干器件中的磁通量等也具磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們可以有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀體系穿越宏觀體系而發(fā)生而發(fā)生變化，稱之為變化，稱之為宏觀的宏觀的量子隧道效應(yīng)。量子隧道效應(yīng)。宏觀量子效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)一起，確立了微宏觀量子效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)一起，確立了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)的最短時(shí)間。磁帶磁盤進(jìn)行信號(hào)存儲(chǔ)的最短時(shí)間。31光學(xué)性質(zhì)：光學(xué)性質(zhì)： 納米粒子吸光能力很強(qiáng)納米粒子吸光能力很強(qiáng)粒徑進(jìn)一步減小到粒徑進(jìn)一步減小到5nm5nm、4nm4nm，表現(xiàn)為明顯的可，表現(xiàn)為明顯的可見光反射現(xiàn)象，粒

24、徑越小，發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，發(fā)見光反射現(xiàn)象，粒徑越小，發(fā)光強(qiáng)度越強(qiáng)，發(fā)光光譜逐漸藍(lán)移光光譜逐漸藍(lán)移電磁性質(zhì)：電磁性質(zhì)：尺寸誘導(dǎo)下的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變尺寸誘導(dǎo)下的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)性質(zhì)：化學(xué)活性和催化效率增高化學(xué)活性和催化效率增高Hall-Hall-PetchPetch關(guān)系：關(guān)系：晶粒減小到納米級(jí)時(shí)，材料的強(qiáng)度和硬度隨粒徑晶粒減小到納米級(jí)時(shí)，材料的強(qiáng)度和硬度隨粒徑的減小而增大，遵守的減小而增大，遵守HPHP關(guān)系關(guān)系熱性質(zhì)：熱性質(zhì)： 超微化后，熔點(diǎn)降低，比熱容增大超微化后，熔點(diǎn)降低，比熱容增大32是指由是指由納米結(jié)構(gòu)單元納米結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的任何類型的材料，如構(gòu)成的任何類型的材料，如金屬、陶瓷、聚合物

25、、半導(dǎo)體、玻璃和復(fù)合材料。金屬、陶瓷、聚合物、半導(dǎo)體、玻璃和復(fù)合材料。納米粒子納米粒子（零維結(jié)構(gòu)體系）（零維結(jié)構(gòu)體系）碳納米管碳納米管（一維結(jié)構(gòu)體系）（一維結(jié)構(gòu)體系）納米層納米層（二維結(jié)構(gòu)體系）（二維結(jié)構(gòu)體系）又是由又是由原子原子和和分子分子組成組成目的：通過(guò)改變納米結(jié)構(gòu)單元的目的：通過(guò)改變納米結(jié)構(gòu)單元的大小大小，控制內(nèi)部和表面的，控制內(nèi)部和表面的化學(xué)性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)，控制它們的，控制它們的組合組合，設(shè)計(jì)材料的，設(shè)計(jì)材料的特性特性和和功能。功能。33準(zhǔn)一維納米材料準(zhǔn)一維納米材料指在指在兩維方向兩維方向上為上為納米納米尺度，尺度，長(zhǎng)度長(zhǎng)度為為微米級(jí)、微米級(jí)、毫米級(jí)毫米級(jí)的新型納米材料的新型納米材料碳

26、纖維碳纖維碳纖維布碳纖維布碳纖維手套碳纖維手套19701970，法國(guó)科學(xué)家首次研制，法國(guó)科學(xué)家首次研制7nm7nm的的碳纖維碳纖維34近近1010年，多種準(zhǔn)一維納米材料被合成，如年，多種準(zhǔn)一維納米材料被合成，如納米棒、納米棒、納米線、半導(dǎo)體納米量子線、納米線陣列。納米線、半導(dǎo)體納米量子線、納米線陣列。35碳納米管是直徑一般為碳納米管是直徑一般為0.4-30nm的的圓筒形圓筒形碳材料，它的碳材料，它的平面分子結(jié)構(gòu)類似六角形，金屬絲網(wǎng)上布滿了碳原子。平面分子結(jié)構(gòu)類似六角形，金屬絲網(wǎng)上布滿了碳原子。碳納米管具有良好的碳納米管具有良好的熱傳導(dǎo)性熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性導(dǎo)電性以及以及強(qiáng)度強(qiáng)度，質(zhì)，質(zhì)地輕巧，富有

27、彈性。地輕巧，富有彈性。粗細(xì)只有頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一，是一種在電子器件、超粗細(xì)只有頭發(fā)絲的萬(wàn)分之一，是一種在電子器件、超薄顯示器、燃料電池、儲(chǔ)氫材料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用薄顯示器、燃料電池、儲(chǔ)氫材料等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景的材料。前景的材料。36碳納米管光譜圖碳納米管光譜圖雙層碳納米管雙層碳納米管陣列碳納米管膜上成陣列碳納米管膜上成功構(gòu)筑三維規(guī)則圖案功構(gòu)筑三維規(guī)則圖案 不同的碳納米管吸收和散發(fā)的光的不同波長(zhǎng)，碳納米管光譜不同的碳納米管吸收和散發(fā)的光的不同波長(zhǎng)，碳納米管光譜可以快速確定可以快速確定納米管樣品的構(gòu)成。納米管樣品的構(gòu)成。 名古屋大學(xué)開發(fā)出名古屋大學(xué)開發(fā)出 “脈沖電弧放電法脈沖電弧放電法” 新型

28、碳納米管制造新型碳納米管制造工藝，并成功地以超過(guò)工藝，并成功地以超過(guò)95%95%的高純度制造出雙層碳納米管。的高純度制造出雙層碳納米管。 解思深等成功合成世界上最長(zhǎng)的碳納米管。解思深等成功合成世界上最長(zhǎng)的碳納米管。37半導(dǎo)體壓電型納米環(huán)半導(dǎo)體壓電型納米環(huán) 美國(guó)亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院美國(guó)亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在王中林教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在世界上世界上首次得到具有壓電效應(yīng)首次得到具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體納米環(huán)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體納米環(huán)結(jié)構(gòu)。 單晶體單晶體, , 具有壓電效應(yīng)的封閉具有壓電效應(yīng)的封閉半導(dǎo)體納米環(huán)，直徑半導(dǎo)體納米環(huán)，直徑, , 寬度和寬度和厚度分別為厚度分別為3um,3um,

29、 300nm300nm和和15nm15nm。 這種新型納米帶可以應(yīng)用于微這種新型納米帶可以應(yīng)用于微/納米機(jī)電系統(tǒng)，納米級(jí)傳感納米機(jī)電系統(tǒng)，納米級(jí)傳感器器, 生物細(xì)胞探測(cè)生物細(xì)胞探測(cè), 是實(shí)現(xiàn)納米是實(shí)現(xiàn)納米尺度上機(jī)電耦合的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。尺度上機(jī)電耦合的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。38 在納米技術(shù)時(shí)代，在納米技術(shù)時(shí)代，納米電子學(xué)技術(shù)納米電子學(xué)技術(shù)將起著最關(guān)鍵的作用，將起著最關(guān)鍵的作用，因此，在納米技術(shù)的各個(gè)分支學(xué)科中也更加重視納米電子因此，在納米技術(shù)的各個(gè)分支學(xué)科中也更加重視納米電子學(xué)的研究，特別是重視納米電子器件的開發(fā)工作。學(xué)的研究，特別是重視納米電子器件的開發(fā)工作。 幾乎貫穿于全部納米技術(shù)各個(gè)分支學(xué)科的掃描隧道顯微

30、鏡幾乎貫穿于全部納米技術(shù)各個(gè)分支學(xué)科的掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡和原子力顯微鏡(AFM)(它們也統(tǒng)稱為它們也統(tǒng)稱為SPM，Scanning Probe Microscopy)因其具有原子和納米尺度的因其具有原子和納米尺度的分析和加工能力在納米技術(shù)的發(fā)展中占有極其重要的地位。分析和加工能力在納米技術(shù)的發(fā)展中占有極其重要的地位。意義意義39納米繪畫藝術(shù)納米繪畫藝術(shù) 納米中國(guó)納米中國(guó) 中科院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)中科院化學(xué)所的科技人員利用納米加工技術(shù)在石墨表面通過(guò)搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。搬遷碳原子而繪制出的世界上最小的中國(guó)地圖。 如果把這幅圖放大

31、到一米見方的中國(guó)地圖大小的尺寸，就相如果把這幅圖放大到一米見方的中國(guó)地圖大小的尺寸，就相當(dāng)于把一米見方地圖放大到中國(guó)遼闊的領(lǐng)土的面積。當(dāng)于把一米見方地圖放大到中國(guó)遼闊的領(lǐng)土的面積。納米加工技術(shù)是利用掃描探針顯微鏡納米加工技術(shù)是利用掃描探針顯微鏡(SPM)(SPM)的方法對(duì)樣品實(shí)的方法對(duì)樣品實(shí)施電脈沖或力等手段進(jìn)行表面修飾的方法。施電脈沖或力等手段進(jìn)行表面修飾的方法。SPMSPM的加工精度的加工精度要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多。要比傳統(tǒng)的光刻技術(shù)高的多。40自由地操縱單個(gè)原子或分子自由地操縱單個(gè)原子或分子1個(gè)個(gè)Fe、1個(gè)個(gè)CO結(jié)合形成一個(gè)鐵羰基（結(jié)合形成一個(gè)鐵羰基（FeCO）分子。先用掃描隧道顯微鏡

32、針尖拾取一個(gè)鐵原子分子。先用掃描隧道顯微鏡針尖拾取一個(gè)鐵原子（Fe）并將它移走，然后將）并將它移走，然后將CO放到放到Fe上面，兩上面，兩者結(jié)合形成者結(jié)合形成FeCO分子分子用用101個(gè)個(gè)Fe原子寫下原子寫下“原子原子”兩個(gè)迄今為兩個(gè)迄今為止最小的漢字止最小的漢字41納米尺度結(jié)構(gòu)的加工納米尺度結(jié)構(gòu)的加工Ga（鎵）原子吸附在（鎵）原子吸附在Si懸鍵上后形成的細(xì)線結(jié)構(gòu)，懸鍵上后形成的細(xì)線結(jié)構(gòu)，（a）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（）實(shí)驗(yàn)結(jié)果，（b）原子結(jié)構(gòu)模型）原子結(jié)構(gòu)模型 最主要的納米結(jié)構(gòu)主要包括納米尺度的金屬或半導(dǎo)體最主要的納米結(jié)構(gòu)主要包括納米尺度的金屬或半導(dǎo)體細(xì)線細(xì)線(用于器件間的連接用于器件間的連接)和氧化細(xì)

33、線和氧化細(xì)線(用于構(gòu)成器件中用于構(gòu)成器件中電子流動(dòng)的勢(shì)壘和器件間的隔離或絕緣電子流動(dòng)的勢(shì)壘和器件間的隔離或絕緣)，統(tǒng)稱為納米，統(tǒng)稱為納米細(xì)線。細(xì)線。 納米細(xì)線加工是未來(lái)納米電子器件加工以及集成的關(guān)納米細(xì)線加工是未來(lái)納米電子器件加工以及集成的關(guān)鍵技術(shù)。鍵技術(shù)。42原子尺度器件應(yīng)用的可能性原子尺度器件應(yīng)用的可能性存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)器： 如果能用單個(gè)原子作為一個(gè)比特來(lái)存儲(chǔ)信息，則一塊面如果能用單個(gè)原子作為一個(gè)比特來(lái)存儲(chǔ)信息，則一塊面積積1cm2的的Si片表面將可以存儲(chǔ)片表面將可以存儲(chǔ)1015比特信息比特信息 現(xiàn)在的巨型計(jì)算機(jī)將來(lái)只有大頭針那樣大小，即使是美現(xiàn)在的巨型計(jì)算機(jī)將來(lái)只有大頭針那樣大小，即使是美國(guó)

34、開發(fā)成功的峰值速度達(dá)每秒國(guó)開發(fā)成功的峰值速度達(dá)每秒12萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，也萬(wàn)億次超級(jí)計(jì)算機(jī)，也將會(huì)小到隨手可放進(jìn)口袋將會(huì)小到隨手可放進(jìn)口袋43(Atomic Force microscope)1986年，年，Binnig、Quate、Gerber發(fā)明了原子力顯微鏡發(fā)明了原子力顯微鏡44原子力顯微鏡設(shè)計(jì)思想原子力顯微鏡設(shè)計(jì)思想 一個(gè)對(duì)力非常敏感的微懸臂，尖端一個(gè)對(duì)力非常敏感的微懸臂，尖端有一微小的探針有一微小的探針 當(dāng)探針輕微地接觸樣品表面時(shí)，由當(dāng)探針輕微地接觸樣品表面時(shí)，由于探針尖端原子與樣品表面原子間于探針尖端原子與樣品表面原子間產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微產(chǎn)生極其微弱的相互作用力而使微懸

35、臂彎曲懸臂彎曲 將微懸臂彎曲形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電將微懸臂彎曲形變信號(hào)轉(zhuǎn)換成光電信號(hào)并放大，可得到原子之間力的信號(hào)并放大，可得到原子之間力的微弱變化信號(hào)。微弱變化信號(hào)。 設(shè)計(jì)高明之處在于利用微懸臂間接設(shè)計(jì)高明之處在于利用微懸臂間接地感受和放大原子間作用力，達(dá)到地感受和放大原子間作用力，達(dá)到檢測(cè)目的檢測(cè)目的45商用商用AFMAFM半導(dǎo)體激光半導(dǎo)體激光光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器通過(guò)光束位置的偏轉(zhuǎn)來(lái)通過(guò)光束位置的偏轉(zhuǎn)來(lái)反映微懸臂與樣品間的反映微懸臂與樣品間的相互作用力的大小。相互作用力的大小。464748納米技術(shù)日常生活納米陶瓷納米催化劑納米電磁材料納米電子納米光學(xué)納米生物醫(yī)學(xué)納米軍事49紡織業(yè)紡織業(yè)納米微粒

36、加入織物中可以消除靜電、納米微粒加入織物中可以消除靜電、除味殺菌、抗紫外線、紅外吸收除味殺菌、抗紫外線、紅外吸收消除靜電：靜電效應(yīng)放電、容易吸附消除靜電：靜電效應(yīng)放電、容易吸附灰塵。在織物中加入少量的金屬納米灰塵。在織物中加入少量的金屬納米微粒，可以極大消除靜電。微粒，可以極大消除靜電。除味殺菌：采用抗菌可以避免紡織品除味殺菌：采用抗菌可以避免紡織品因微生物的侵蝕而污染。因微生物的侵蝕而污染?？棺贤饩€：納米粒子吸收紫外光，防抗紫外線：納米粒子吸收紫外光，防紫外線能力達(dá)紫外線能力達(dá)98紅外吸收：以納米紅外吸收：以納米SiO2和納米和納米TiO2經(jīng)經(jīng)適當(dāng)配比制成的復(fù)合粉末作為纖維的適當(dāng)配比制成的復(fù)

37、合粉末作為纖維的添加劑，可進(jìn)行紅外屏蔽；納米添加劑，可進(jìn)行紅外屏蔽；納米Al2O3、納米、納米TiO2、 納米納米SiO2、納米、納米Fe2O3的復(fù)合劑具有很強(qiáng)的吸收紅外的復(fù)合劑具有很強(qiáng)的吸收紅外頻段紅外線的特性。頻段紅外線的特性。50納米陶瓷納米陶瓷 陶瓷材料在通常情況下陶瓷材料在通常情況下呈脆性，并且只有在高呈脆性，并且只有在高溫?zé)Y(jié)，才能使其顆粒溫?zé)Y(jié)，才能使其顆粒致密化。添加納米粒子致密化。添加納米粒子使常規(guī)陶瓷綜合性能得使常規(guī)陶瓷綜合性能得到改善，提高陶瓷的韌到改善，提高陶瓷的韌性和降低陶瓷的燒結(jié)溫性和降低陶瓷的燒結(jié)溫度。度。 納米陶瓷做的納米滾珠納米陶瓷做的納米滾珠韌性和硬度超過(guò)鋼

38、，具韌性和硬度超過(guò)鋼，具有永不生銹、永不腐蝕、有永不生銹、永不腐蝕、耐磨、自潤(rùn)滑功能耐磨、自潤(rùn)滑功能納米潔具納米潔具51納米玻璃納米玻璃超硬、耐磨，可作為納米超硬、耐磨，可作為納米寶石膜晶片，手機(jī)視屏，寶石膜晶片，手機(jī)視屏，MP3等等LCD保護(hù)屏保護(hù)屏52納米銅粉末納米銅粉末 納米銅粉末可作為電磁屏蔽納米銅粉末可作為電磁屏蔽材料，厚膜導(dǎo)體，導(dǎo)電漿料材料，厚膜導(dǎo)體，導(dǎo)電漿料導(dǎo)電聚合物，低溫焊料，高導(dǎo)電聚合物，低溫焊料，高頻線路，潤(rùn)滑劑頻線路，潤(rùn)滑劑 深褐色粉末，粉末的顆粒形深褐色粉末，粉末的顆粒形狀為球形，粒徑分布較窄。狀為球形，粒徑分布較窄。 一次顆粒平均粒徑一次顆粒平均粒徑78nm/比比表面

39、積（表面積（SBET）4.4平方米平方米/克克/松裝密度松裝密度0.61克克/立方厘米立方厘米真密度真密度8.87克克/平方厘米平方厘米/化學(xué)化學(xué)成分：銅含量高于成分：銅含量高于99.4wt.% 53納米催化劑納米催化劑TiOTiO2 2電鏡照片 納米催化劑在水處理、凈化空氣、抗菌防霉、屏蔽紫外線納米催化劑在水處理、凈化空氣、抗菌防霉、屏蔽紫外線等方面，都顯示出很好的功能。納米等方面，都顯示出很好的功能。納米TiO2，使用安全，無(wú)毒無(wú)，使用安全，無(wú)毒無(wú)副作用，適用生活空間，確保人們擁有健康的生活環(huán)境。使用副作用，適用生活空間，確保人們擁有健康的生活環(huán)境。使用過(guò)程中不受光源限制，具有高效、徹底的

40、降解環(huán)境中有毒污染過(guò)程中不受光源限制，具有高效、徹底的降解環(huán)境中有毒污染物的效果。物的效果。54納米電磁材料納米電磁材料 納米巨磁阻材料納米巨磁阻材料可使存儲(chǔ)密可使存儲(chǔ)密度提高到度提高到20M字節(jié)，使磁存儲(chǔ)字節(jié)，使磁存儲(chǔ)技術(shù)獲得新生。技術(shù)獲得新生。(磁電阻是指在磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象) 納米微晶軟磁材料納米微晶軟磁材料應(yīng)用在功應(yīng)用在功率變壓器，脈沖變壓器，高頻率變壓器，脈沖變壓器，高頻變壓器上成為鐵氧磁鐵的有力變壓器上成為鐵氧磁鐵的有力競(jìng)爭(zhēng)者競(jìng)爭(zhēng)者 納米微晶稀土永磁材料納米微晶稀土永磁材料使使永磁材料的性能突飛猛進(jìn)，軟永磁材料的性能突飛猛進(jìn)，軟磁相和永磁相在納米尺度范圍磁相和永磁相在納米尺度范圍內(nèi)復(fù)合，就可能獲得高飽和強(qiáng)內(nèi)復(fù)合，就可能獲得高飽和強(qiáng)度，高嬌頑力的新型永磁材料度，高嬌頑力的新型永磁材料 納米磁致冷材料納米磁致冷材料做磁致冷機(jī)，做磁致冷機(jī)，可用來(lái)拓寬致冷溫區(qū)可用來(lái)拓寬致冷溫區(qū)55納米掠水機(jī)器人納米掠水機(jī)器人美國(guó)研制出能夠在水面上自如行走的美國(guó)研制出能夠在水面上自如行走的微型掠水機(jī)器人，總重量只有微型掠水機(jī)器人，總重量只有1克?？?。展望的用途：展望的用途：q 若安裝化學(xué)傳感器之若安裝化