選修課納米科技科普教程課件

1、選修課納米科技科普教程選修課納米科技科普教程荷葉荷花為什么出污泥而不染？荷葉荷花為什么出污泥而不染？你知道為什么荷葉上的水珠可以自由的滾動(dòng)而不粘在葉面上嗎？你知道為什么古代珍貴的“徽墨”可以經(jīng)久不褪色嗎？黃金一定是黃色而白金（即鉑金）一定是白色的嗎？你知道顆粒很小的金屬粉末放在空氣中會(huì)自然嗎？洗衣服很麻煩，現(xiàn)代科技能不能制出不會(huì)臟的衣服呢？有時(shí)候我們真的希望自己能夠隱身，真的有隱身衣嗎？它是用什么材料制成的呢？在電器商場(chǎng)，售貨員在介紹產(chǎn)品時(shí)經(jīng)常會(huì)說他們的產(chǎn)品用的是納米材料，質(zhì)量過硬，到底什么是納米材料呢？你知道為什么荷葉上的水珠可以自由的滾動(dòng)而不粘在葉面上嗎？納米科技科普內(nèi)容一、納米的概念二、

2、納米材料的特點(diǎn)三、納米材料的研究領(lǐng)域四、納米技術(shù)的應(yīng)用及前景五、納米材料的制備方法六、各國對(duì)納米科技的地位和發(fā)展現(xiàn)狀納米科技科普內(nèi)容一、納米的概念一、納米的概念1nm = 10-9m ，相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的萬分之一，1nm的物體放到乒乓球上，就像乒乓球放在地球上一般。由幾個(gè)或幾百個(gè)原子組成或粒徑小于1nm的原子集合體稱為“原子簇”或“團(tuán)簇”（cluster） 通常所說的納米尺度在1-100nm之間 在納米科技中納米又有著另一個(gè)含意：納米是一種思考方式，即人們探索自然、制造產(chǎn)品要向著更小、更精細(xì)和更高效的層次發(fā)展，即從微米層次向著納米層次發(fā)展。一、納米的概念1nm = 10-9m ，相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的

3、萬分納米結(jié)構(gòu)的圖像高序石墨原子圖像掃描范圍1nm*1nm金團(tuán)簇圖像掃描范圍1m*1m納米結(jié)構(gòu)的圖像高序石墨原子圖像金團(tuán)簇圖像二、納米微粒的特性隨著顆粒直徑變小，比表面積將會(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。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，甚至 1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá) 100米2，這時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面具有很高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合，從而產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。比如空氣中金屬超微顆粒會(huì)迅速氧化燃燒。利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)材料。 1. 表面效應(yīng)二、納米微粒的特性隨著顆粒直徑變小

4、，比表面積將會(huì)顯著增大，說2. 小尺寸效應(yīng)：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)。（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬在超微顆粒狀態(tài)呈現(xiàn)為黑色，對(duì)光的反射率極低，因此可以制成高效率的太陽能器件、還可應(yīng)用于紅外隱身科技。 （2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)：超細(xì)微化后熔點(diǎn)將顯著降低 （3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：磁性超微顆粒是一個(gè)生物磁羅盤 應(yīng)用：磁盤、磁帶、磁卡以及磁性鑰匙、磁性液體等（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)：納米陶瓷材料具有良好的韌性 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 。二、納米微粒的特性2. 小尺寸效應(yīng)：由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化三、納米科技

5、的研究領(lǐng)域納米材料納米器件納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和表征納米科技：在納米尺度內(nèi)研究物質(zhì)的特征和相互作用，并用這些特性制造具有特定功能的產(chǎn)品的高新科技三、納米科技的研究領(lǐng)域納米材料納米科技：在納米尺度內(nèi)研究物質(zhì)1. 納米材料納米材料指材料的顯微結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)維度上尺寸小于100nm，并且具有某些特殊功能的材料。 納米材料的主要類型有：納米粉末、納米涂層、納米薄膜、納米絲、納米棒、納米管和納米固體。納米材料呈現(xiàn)如下的客觀物理、化學(xué)特性：低熔點(diǎn)、高比熱容、高熱膨脹系數(shù)； 高反應(yīng)活性，高擴(kuò)散率；高強(qiáng)度、高韌性、高塑性； 奇特磁性； 極強(qiáng)的吸波性。 1. 納米材料納米材料指材料的顯微結(jié)構(gòu)至少在一個(gè)維度上尺寸小2.

6、 納米器件從納米材料出發(fā)，或者利用納米加工科技,制造出具有特殊功能的產(chǎn)品，即納米器件。 未來所有的納米電子器件都將具有更小、更快、更冷的特點(diǎn)。 科學(xué)家還希望通過對(duì)納米生物學(xué)的研究，制造生物分子器件。 目前，科學(xué)家在納米生物傳感器、生物分子計(jì)算機(jī)、納米馬達(dá)等方面做了重要的嘗試2. 納米器件從納米材料出發(fā)，或者利用納米加工科技,制造出具3. 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)和表征掃描探針顯微鏡（SPM）被形象地稱為納米科技的“眼”和“手” 。標(biāo)志著人們?cè)趯?duì)微觀尺度的探索方面進(jìn)入到一個(gè)全新的領(lǐng)域。 與納米材料和結(jié)構(gòu)的制備過程相結(jié)合，以及與納米器件性能檢測(cè)相結(jié)合的多種新型納米檢測(cè)技術(shù)受到廣泛重視 。3. 納米結(jié)構(gòu)的檢測(cè)

7、和表征掃描探針顯微鏡（SPM）被形象地稱掃描探針顯微鏡由于這類顯微鏡都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像，因此統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM） 目前有掃描隧道顯微鏡STM，原子力顯微鏡（AFM）、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（NSOM）、激光力顯微鏡（LFM）、磁力顯微鏡（MFM）、極化力顯微鏡（SPFM）等二十多個(gè)品種。原子力顯微鏡（AFM）是SPM最重要的發(fā)展。掃描探針顯微鏡由于這類顯微鏡都是用探針通過掃描系統(tǒng)來獲取圖像掃描電子顯微鏡掃描電子顯微鏡AFM（原子力顯微鏡）的針尖圖像AFM（原子力顯微鏡）的針尖圖像Co-Al2O3顆粒膜的透射電子顯微鏡TEM照片 Co-Al2O3顆粒膜的透射電子顯微鏡TEM照片

8、掃描電子顯微鏡分析的玻璃基Co-Al2O3分析結(jié)果 : 元素重量百分比%原子百分比%Al96.88898.550Co3.1111.449掃描電子顯微鏡分析的玻璃基Co-Al2O3分析結(jié)果 : 重一些納米結(jié)構(gòu)的圖像納米薄膜三維圖像DNA分子三維圖像一些納米結(jié)構(gòu)的圖像納米薄膜三維圖像DNA分子三維圖像一些納米結(jié)構(gòu)的圖像金光柵圖像每格1m*1m一種螺旋結(jié)構(gòu)一些納米結(jié)構(gòu)的圖像金光柵圖像一種螺旋結(jié)構(gòu)一些納米結(jié)構(gòu)的圖像一種新型納米材料1990年，美國IBM公司在鎳表面用35個(gè)氙原子組成了一個(gè)“IBM”圖案。一些納米結(jié)構(gòu)的圖像一種新型納米材料1990年，美國IBM公司 1991年，美國IBM公司用一氧化碳分

9、子在鎳表面上構(gòu)造了一個(gè)大頭娃娃的分子人，分子人從頭到腳僅有5nm高度。 1991年，美國IBM公司用一氧化碳分子在鎳表面上構(gòu)造了一 1993年，繼“”之后，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。 1993年，繼“”之后，中國科學(xué)院北京 1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，碳納米管是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。這樣的材料很輕，但很結(jié)實(shí)。它的密度是鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。成為納米技術(shù)的研究熱點(diǎn)。 1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，碳納米管是石墨中選修課納米科技

10、科普教程1、生產(chǎn)與生活 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。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。 四、納米技術(shù)的應(yīng)用及前景納米陶瓷材料愛清潔的納米材料 納米陶瓷材料，具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、韌性好、耐磨性好、硬度高及密度小等優(yōu)點(diǎn)。用納米陶瓷材料可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”。1、生產(chǎn)與生活 把透明疏油、疏水的納米材料顆2、醫(yī)學(xué)與健康 納米粒子微細(xì)結(jié)構(gòu)使其對(duì)環(huán)境中的化學(xué)或物理指標(biāo)的變化極為敏感，因此可對(duì)人體內(nèi)的病原體作出早預(yù)測(cè)，如，當(dāng)腫瘤只有幾個(gè)細(xì)胞大小時(shí)就可以將其檢測(cè)出來，加以根除

11、。 疾病檢測(cè)指示劑： 研究表明，礦物中藥制成納米粉末后，藥效大幅度提高，并具有高吸收率、劑量小的特點(diǎn)；還可利用納米粉末的強(qiáng)滲透性將礦物中藥制成貼劑或含服劑，避開胃腸吸收時(shí)體液環(huán)境與藥物反應(yīng)引起不良反應(yīng)或造成吸收不穩(wěn)定；也可將難溶礦物中藥制成針劑，提高吸收率。納米礦物中藥：2、醫(yī)學(xué)與健康 納米粒子微細(xì)結(jié)構(gòu)使其對(duì)環(huán)境中的化無痛型微型針 按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁、按排材料，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。納米加工技術(shù)是納米科學(xué)的重要基礎(chǔ)。 放在指尖上的400支排列整齊的無痛型微型針無痛型微型針 按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪3、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù) 用納米粉末制成的磁記錄材料，

12、可使磁帶和軟硬磁盤的記錄密度提高數(shù)十倍，并能大幅度改善它們的保真性能。 納米金屬粉末對(duì)電磁波有特殊的吸收作用，可作為軍用高性能毫米波隱形材料、可見光-紅外線隱形材料和結(jié)構(gòu)式隱形材料、手機(jī)輻射屏蔽材料。 高性能磁記錄材料吸波材料3、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù) 用納米粉末制成的磁記錄4、航天和航空 納米粉末具有極強(qiáng)的儲(chǔ)能特性，將其作為添加劑加入燃料中可大大提高燃燒率。將一些納米粉末添加到火箭的固體燃料推進(jìn)劑中，可大幅度提高燃料的燃燒熱、燃燒效率，改善燃穩(wěn)定性。有研究表明，向火箭固體燃料中加入0.5%納米鋁粉或鎳粉，可使燃燒效率提高10%-25%，燃燒速度加快數(shù)十倍。 “太空電梯”的繩索 如果用碳納米管做繩

13、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泳秃苋菀琢恕?高效助燃劑：4、航天和航空 納米粉末具有極強(qiáng)的儲(chǔ)能特性，將其作為添5、軍事“麻雀”衛(wèi)星 美國于1995年提出了納米衛(wèi)星的概念。這種衛(wèi)星比麻雀略大，重量不足10千克，各種部件全部用納米材料制造，一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆納米衛(wèi)星。若在太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納米衛(wèi)星，就可以保證在任何時(shí)刻對(duì)地球上任何一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，即使少數(shù)衛(wèi)星失靈，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作也不會(huì)受影響。“蚊子”導(dǎo)彈 由于納米器件比半導(dǎo)體器件工作速度快得多，可以制造出全新原理的智能化微型

14、導(dǎo)航系統(tǒng)。利用納米技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈，可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能。納米導(dǎo)彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部，其威力足以炸毀敵方火炮、坦克、飛機(jī)、指揮部和彈藥庫。 5、軍事“麻雀”衛(wèi)星 美國于1995年提出了納米衛(wèi)星的 這是一種微型機(jī)器人。這些機(jī)器人比螞蟻還要小，但具有驚人的破壞力。它們可以通過各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中，長期潛伏下來。一旦啟用，這些“納米士兵”就會(huì)各顯神通：有的專門破壞敵方電子設(shè)備，使其短路、毀壞；有的充當(dāng)爆破手，用特種炸藥引爆目標(biāo)；有的施放各種化學(xué)制劑，使敵方金屬變脆、油料凝結(jié)或使敵方人員神經(jīng)麻痹、失去戰(zhàn)斗力。“螞蟻士兵” 這是一種微型機(jī)器人。這些機(jī)器人比

15、螞蟻還要小，但具有驚納米科技目前取得的成果舉例量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提高一億倍納米電纜高密度集成器的連接導(dǎo)線納米鑷子納米機(jī)械的得力工具納米醫(yī)學(xué)攻克疑難雜癥的曙光納米科技目前取得的成果舉例量子計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提高一億倍1、物理方法：真空冷凝法，物理粉碎法，機(jī)械球磨法2、化學(xué)合成方法：氣相沉積法，沉淀法，水熱合成法，溶膠凝膠法，微乳液法五 納米材料的制備方法1、物理方法：真空冷凝法，物理粉碎法，機(jī)械球磨法五 納米材納米科技的內(nèi)涵真正的納米技術(shù)必須具備兩個(gè)條件,二者缺一不可：一是納米尺寸；二是自然界里所沒有的新物性。 納米科技的內(nèi)涵真正的納米技術(shù)必須具備兩個(gè)條件,二者缺一不可：六、納米科技的地位和發(fā)展現(xiàn)狀

16、 人們公認(rèn)影響21世紀(jì)的三大科技是：信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)。其中納米技術(shù)又以其突出的交叉性和集成性，影響到信息技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展，它們?nèi)叩慕徊?、綜合將誕生集大成的納米生物技術(shù)或納米生物信息技術(shù)。 在人們極大地提高了獲取和處理社會(huì)信息的能力之后，便會(huì)轉(zhuǎn)向?qū)ι畔⒌奶剿?。圖7中交叉領(lǐng)域即納米電子學(xué)、納米生物技術(shù)等將是今后影響人類社會(huì)的制高點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冴P(guān)系到國家安全、公共衛(wèi)生和人類的健康和長壽。 六、納米科技的地位和發(fā)展現(xiàn)狀圖7 三大高科技及其交叉領(lǐng)域 圖7 三大高科技及其交叉領(lǐng)域 美國： “70年代重視微米技術(shù)的國家如今都成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家很可能成為新世紀(jì)的先進(jìn)國家”

17、從20世紀(jì)80年代開始，美國、日本每年斥資幾億美元于納米科技的研發(fā)，我國每年投入近千萬美元1995年，各國納米科技的領(lǐng)先程度排名：日本、德國、美國、英國和北歐、中國和法國由于研究條件的限制，我國的研究工作只能集中在一些硬件條件要求不太高的領(lǐng)域，屬世界首創(chuàng)的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成果還很少，在納米產(chǎn)業(yè)方面，國內(nèi)還處于起步階段。國內(nèi)外納米科技的發(fā)展現(xiàn)狀美國： “70年代重視微米技術(shù)的國家如今都成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在我們身邊的納米現(xiàn)象我們身邊的納米現(xiàn)象荷葉荷花為什么出污泥而不染？荷葉荷花為什么出污泥而不染？ 最近，科學(xué)家們揭開了奧秘：荷葉的表面上有許多微小的突起(圖2)，突起的平均大小約為10微米，平均間距

18、約12微米。而每個(gè)突起是由許多直徑為200納米左右的突起組成的。原來在“微米結(jié)構(gòu)”上再迭加上“納米結(jié)構(gòu)”，就在荷葉的表面形成了密密麻麻分布的無數(shù)“小山”，“小山”與“小山”之間的“山谷”非常窄，小的水滴只能在“山頭”間跑來跑去，卻休想鉆到荷葉內(nèi)部。于是荷花便有了疏水的性能。 最近，科學(xué)家們揭開了奧秘：荷葉的表面上有許多微小的突起 荷葉的表面微觀結(jié)構(gòu)（標(biāo)尺：100微米） 荷葉的表面微觀結(jié)構(gòu)（標(biāo)尺：100微米） 1.3用徽墨寫出的毛筆字為什么光澤好？ 同學(xué)，你練習(xí)過寫毛筆字吧？ 我國的漢字是至今通行的世界上最古老的文字。從甲骨文經(jīng)過金文、大篆(zhuan)、小篆、草書、隸(li)書、楷書、行書發(fā)展到今天的漢字，已有3000多年的歷史，在全世界還找不出第二種。漢字的優(yōu)點(diǎn)之一是本身具有巨大的美感，是世界上能成為書法藝術(shù)品的最主要文字。用毛筆和黑墨創(chuàng)造書法藝術(shù)是我中華文化的一絕。 電視劇乾隆王朝中，和珅讓管家劉全用后寫的假信換回了幾年前向山東巡撫國泰通風(fēng)報(bào)信的真書函，弄得國泰面對(duì)假信，雖有隱情