納米機(jī)械學(xué)精品課件

1、納米機(jī)械學(xué)第1頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二1 引言納米科技的最終目的是以原子、分子為起點(diǎn)，去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此，納米器件的研制和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時(shí)代的重要標(biāo)志。第2頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二納米機(jī)械技術(shù)主要研究微型機(jī)械、納米加工、超精度測(cè)量和材料處理學(xué)等技術(shù)應(yīng)用。微型機(jī)械是80年代末出現(xiàn)的一項(xiàng)新技術(shù)。它雖問(wèn)世不久，但現(xiàn)已在工業(yè)、醫(yī)療等方面獲得了很多應(yīng)用。微機(jī)械作為現(xiàn)代高技術(shù)發(fā)展的綜合產(chǎn)物和必然結(jié)果，必將對(duì)固有產(chǎn)業(yè)和技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，但是，由于微機(jī)械是才有二十幾年歷史的邊緣學(xué)科，在目前還有著諸多的科學(xué)難題有待于解決。第3頁(yè)，共

2、56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二人類進(jìn)入20世紀(jì)，空間技術(shù)、生物工程、信息科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)都得到了巨大的發(fā)展，上述高技術(shù)在21世紀(jì)能否保持目前的發(fā)展速度，在某種程度上取決于微機(jī)械的進(jìn)步。就空間技術(shù)而言，科學(xué)家們經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐、分析、論證后，得出一個(gè)出人意料的結(jié)論：與其花數(shù)億美元構(gòu)造一個(gè)龐大而又復(fù)雜的智能系統(tǒng)，不如把整個(gè)系統(tǒng)化整為零，以一群可大量生產(chǎn)的、廉價(jià)的、簡(jiǎn)單的、低智能的小單元來(lái)取而代之。第4頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二該結(jié)論的基本出發(fā)點(diǎn)是：盡管就單個(gè)小單元來(lái)說(shuō)其功能無(wú)法與大系統(tǒng)相比，但可通過(guò)簡(jiǎn)單單元之間的分散協(xié)調(diào)作業(yè)，完成大系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)

3、現(xiàn)的目的，并具有極高的可靠性，因?yàn)閿?shù)量眾多的智能單元在執(zhí)行某一項(xiàng)任務(wù)的過(guò)程中，可能有一小部分單元失效，但由于同功能的單元的數(shù)量眾多，所以個(gè)別單元的失效并不影響目標(biāo)的最終實(shí)現(xiàn)。大系統(tǒng)的情況則不然，任何設(shè)計(jì)和制作過(guò)程的失誤，都可能導(dǎo)致整個(gè)計(jì)劃的失敗。第5頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二例如，挑戰(zhàn)者號(hào)航天飛機(jī)失事就是由于小小的失誤造成的，而這些失誤事實(shí)上是難以避免的。無(wú)數(shù)歷史的失敗與教訓(xùn)已迫使設(shè)計(jì)師們不得不重新考慮他們的總體設(shè)計(jì)，并從根本上認(rèn)識(shí)到科學(xué)發(fā)展的不平衡性。第6頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二縱觀醫(yī)學(xué)科學(xué)的發(fā)展也會(huì)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)代醫(yī)學(xué)正在受傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)宏

4、觀診查、定性施治的束縛。21世紀(jì)，心腦血管疾病和癌癥將成為威脅人類健康的主要疾病，而最終戰(zhàn)勝這些疾病將有賴于微機(jī)械技術(shù)在精密的定量、定點(diǎn)診治技術(shù)中的發(fā)展和應(yīng)用。在生物工程、信息科學(xué)和工程技術(shù)等諸多領(lǐng)域，需要人們有分析和處理微觀事物的能力。所有這一切都為微機(jī)械的產(chǎn)生和發(fā)展提供了機(jī)會(huì)。第7頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二微機(jī)械的含義十分廣泛，至今還沒(méi)有一個(gè)權(quán)威性的定義。一個(gè)約定俗成的概念是微小電氣機(jī)械系統(tǒng)（Micro Electron Mechanical systems，縮寫(xiě)MEMS）。在人們致力于微觀物質(zhì)的研究時(shí)，需要越來(lái)越小的器件，因而MEMS就應(yīng)運(yùn)而生了。上世紀(jì)崛起

5、的集成電路技術(shù)，使電子產(chǎn)品的集成度大大提高，現(xiàn)在工程師又探索用這一技術(shù)使機(jī)械結(jié)構(gòu)盡量小，以便它們能與微電子器件匹配。在微機(jī)械的研究?jī)?nèi)容和發(fā)展趨勢(shì)上已有人作過(guò)論述。第8頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二MEMS技術(shù)從廣義上講，MEMS是指集微型傳感器、微型執(zhí)行器、信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信系統(tǒng)以及電源于一體的微型機(jī)電系統(tǒng)MEMS技術(shù)是一種多學(xué)科交叉的前沿性領(lǐng)域，它幾乎涉及到自然及工程科學(xué)的所有領(lǐng)域，如電子、機(jī)械、光學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等第9頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二MEMS 微小型、智能、集成、高可靠MEMS是

6、人類科技發(fā)展過(guò)程一次重大的技術(shù)整合微電子技術(shù)、精密加工技術(shù)、傳感器技術(shù)、執(zhí)行器技術(shù)微小型化、智能化、集成化、高可靠性MEMS能夠完成真正意義上的微小型系統(tǒng)集成在芯片上實(shí)現(xiàn)了力、熱、磁、化學(xué)到電的轉(zhuǎn)變MEMS極大地改善了人類生活的質(zhì)量大批量、低成本的傳感器生產(chǎn)方式給人們更多的保護(hù)MEMS將會(huì)帶動(dòng)一個(gè)充滿活力的產(chǎn)業(yè)迅速成長(zhǎng)不是鋼鐵、汽車、微電子，而是微系統(tǒng)第10頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二總的來(lái)說(shuō)微機(jī)械應(yīng)是一個(gè)獨(dú)立的智能系統(tǒng)，它由傳感器、致動(dòng)器（也稱執(zhí)行器）和微能源三大要素技術(shù)組成。這些要素技術(shù)的實(shí)現(xiàn)必須有相應(yīng)的基礎(chǔ)理論和工藝技術(shù)的支持才能完成，并且針對(duì)微機(jī)械的具體應(yīng)用

7、對(duì)象，還要有相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)提供保障。從這種意義上說(shuō)，微機(jī)械是一個(gè)多學(xué)科、高技術(shù)的邊緣學(xué)科。它的生存和發(fā)展以廣大的科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，反過(guò)來(lái)也促進(jìn)著多學(xué)科的相互滲透和全面發(fā)展。第11頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二微機(jī)械技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：體積小，但功能強(qiáng)。如輪齒只有一個(gè)紅血球細(xì)胞那樣大，如此小的部件運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)非?？?，其體積小使得引力和慣性幾乎不起作用。制造成本低。可以在一塊很小的硅片上制造數(shù)十萬(wàn)個(gè)微型機(jī)械。第12頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二MEMS在航空、航天、汽車、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領(lǐng)域中都有著十分廣闊的應(yīng)用前景微慣性

8、傳感器及微型慣性測(cè)量組合能應(yīng)用于制導(dǎo)、衛(wèi)星控制、汽車自動(dòng)駕駛、汽車防撞氣囊、汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)、穩(wěn)定控制和玩具微流量系統(tǒng)和微分析儀可用于微推進(jìn)、傷員救護(hù)MEMS系統(tǒng)還可以用于醫(yī)療、高密度存儲(chǔ)和顯示、光譜分析、信息采集等等已經(jīng)制造出尖端直徑為5m的可以?shī)A起一個(gè)紅細(xì)胞的微型鑷子，可以在磁場(chǎng)中飛行的象蝴蝶大小的飛機(jī)等MEMS技術(shù)的應(yīng)用第13頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二MEMS技術(shù)的應(yīng)用空間應(yīng)用用作運(yùn)行參數(shù)測(cè)量的微加速度計(jì)已進(jìn)行了地面輻照實(shí)驗(yàn)，正在進(jìn)行飛行搭載實(shí)驗(yàn)微陀螺、微推進(jìn)和微噴管等微系統(tǒng)基礎(chǔ)研究通信方面光通信正在向有光交換功能的全光通信網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展無(wú)線通信則要求

9、增強(qiáng)功能（如聯(lián)網(wǎng)等）和減小功耗。包括美國(guó)朗訊公司在內(nèi)的一些公司和大學(xué)正在研究全光通信網(wǎng)用的微系統(tǒng)及無(wú)線通信用射頻微系統(tǒng)第14頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二MEMS技術(shù)的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)方面，將光、機(jī)、電、液、生化等部件集成在一起，構(gòu)成一個(gè)微型芯片實(shí)驗(yàn)室，用于臨床醫(yī)學(xué)檢測(cè)，為醫(yī)生甚至家庭提供簡(jiǎn)單、廉價(jià)、準(zhǔn)確和快捷的檢測(cè)手段光顯示、高密度存儲(chǔ)、汽車、國(guó)防等微系統(tǒng)第15頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二典型微納系統(tǒng)及微納器件 德國(guó)Karlsruhe 的核能研究中心在80 年代末開(kāi)發(fā)的1 cm3 小型換熱器的換熱功率最大可達(dá)20kW； 90 年代初，美國(guó)太

10、平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL），建立了Micro-CATS(Micro- Chemical and Thermal System)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了微型換熱器、微型蒸發(fā)器、微型熱泵、微型反應(yīng)器、微型吸收器等尖端設(shè)備； 麻省理工學(xué)院開(kāi)展了微燃燒器技術(shù)的研究； 近年來(lái)華東理工大學(xué)在微型換熱器和制氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)制造方面也取得了進(jìn)展。第16頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二磁阻元件 鐵磁性薄膜磁阻元件/半導(dǎo)體磁阻元件 原理 電阻率與磁場(chǎng)關(guān)系推導(dǎo) 結(jié)構(gòu)磁阻金屬或合金制成矩形薄膜，在無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁矩沿著長(zhǎng)度x方向（易軸方向），外加磁場(chǎng)沿薄膜的寬度y方向等材料在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出的電阻率各向異性

11、存在問(wèn)題：非線形關(guān)系第17頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二施加偏場(chǎng)的方法解決線性化問(wèn)題磁阻元件 重要用途磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中的讀出磁頭 器件發(fā)展MR-GMR-MI靈敏度指標(biāo) %/Oe第18頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二磁通門(mén) 原理固有狀態(tài)在外加磁場(chǎng)信號(hào)的影響通過(guò)分析脈沖的相位變化，可測(cè)量外加磁場(chǎng)的大小最常用的形式：讀出偶次諧波，傅里葉分析出結(jié)果 特點(diǎn)直流或很低頻率高靈敏度10-10T第19頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二磁通門(mén) MEMS磁通門(mén)結(jié)構(gòu)材料選用 線圈/磁芯/絕緣層/基底注意工藝結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析工藝兼容性第20頁(yè)，共56頁(yè)，

12、2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二2 微型機(jī)械（1）微型機(jī)械零件（2）微型電機(jī)（3）納米尺度定位馬達(dá)（4）微型機(jī)器第21頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二（1）微型機(jī)械零件微型機(jī)械就是很小的機(jī)械裝置，其零件的尺寸多在1毫米以下。對(duì)微型機(jī)械進(jìn)行觀察需要借助于顯微鏡。在微型機(jī)械世界里，一粒塵埃就是一個(gè)龐然大物，一旦流入輪間就能卡住齒輪，使其停止轉(zhuǎn)動(dòng)。美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室用半導(dǎo)體材料硅制出了直徑為125微米的齒輪，齒輪的寬度是15微米，為頭發(fā)絲直徑的16。美國(guó)威斯康星大學(xué)制出了直徑為100微米的金屬齒輪。此外還有人制出了微型連桿、微型彈簧、微型曲柄等零件。第22頁(yè)，共56頁(yè)

13、，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二這些微機(jī)械部件有多小呢？我們可以將它與灰塵尺寸做個(gè)對(duì)比 右圖正前方毛毛嘈嘈的東西是一?；覊m，其后方是一個(gè)微機(jī)械部件。只有幾個(gè)微米。第23頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二不久前美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制出微型發(fā)動(dòng)機(jī)，齒輪只有花粉顆粒大小，需借助于顯微鏡觀看它的旋轉(zhuǎn)，其速度為每分鐘30萬(wàn)轉(zhuǎn)。第24頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二日本開(kāi)發(fā)出微型機(jī)械零件“自組織化”裝配技術(shù)。東京大學(xué)山下勛教授日前開(kāi)發(fā)出一種微型機(jī)械零件“自組織化”自動(dòng)裝配技術(shù)。原子在硅酸化物基片上可以自然成形，這種現(xiàn)象被稱為“自組織化”。山下教授

14、受此啟發(fā)，先在微型零件表面涂上化學(xué)物質(zhì)，讓他們具有親水性或疏水性，然后放入溶液中。結(jié)果疏水性零件互相吸引，而與親水性零件互相排斥。只要在零件表面涂料上下功夫，零件就會(huì)根據(jù)需要很好地結(jié)合在一起。第25頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二美國(guó)山迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家創(chuàng)造了世界最先進(jìn)的微型機(jī)器，科學(xué)家稱這類微型機(jī)器為微型電機(jī)系統(tǒng)，是一種只有微米大小的復(fù)雜機(jī)器，微型機(jī)器的用途很廣，包括安裝在光學(xué)儀器、電腦游戲玩具、汽車氣袋、噴墨印表機(jī)等。第26頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二（2）微型電機(jī)科學(xué)家們不僅研制出了微型零件，而且還制作了微型渦輪機(jī)和電動(dòng)機(jī)。德國(guó)的一

15、個(gè)核研究中心制出的渦輪機(jī)的直徑為0.10.3毫米，中軸只有40微米。1988年華裔美國(guó)留學(xué)生馮龍生等人制作出了第一臺(tái)具有微米量級(jí)轉(zhuǎn)子尺寸的微型靜電馬達(dá)，引起國(guó)際上的轟動(dòng)。馬達(dá)寬度不到1毫米，他們?cè)陲@微鏡下看到了這臺(tái)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。此后，許多國(guó)家的實(shí)驗(yàn)室重復(fù)了他們的實(shí)驗(yàn)，并在電機(jī)結(jié)構(gòu)、性能和尺寸上作了許多改進(jìn)，轉(zhuǎn)子直徑從最初的數(shù)百微米降到50微米，轉(zhuǎn)速提高到10萬(wàn)轉(zhuǎn)分鐘。在結(jié)構(gòu)上派生出了搖擺式、懸浮式等多種結(jié)構(gòu)形式。第27頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二微型馬達(dá)第28頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二兩種微電機(jī)的結(jié)構(gòu)第29頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20

16、日，10點(diǎn)3分，星期二（3）納米尺度定位馬達(dá)除了本身尺寸很小的馬達(dá)已問(wèn)世之外，在納米級(jí)尺度上移動(dòng)和定位的“納米”馬達(dá)已研制成功，并已投入使用。已有兩種構(gòu)造可實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求：一是基于線性馬達(dá)的Yoshida系統(tǒng)，有1nm的定位精度和200nm/s的速度；另外一種是基于壓電陶瓷管的蠕動(dòng)爬行裝置，以步進(jìn)方式很容易達(dá)到1nm的定位。例如，在掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）上用于精確定位的由壓電陶瓷材料制成的納米級(jí)逼近裝置。它們能以簡(jiǎn)單的方式將1mV1000V的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成幾分之一埃到幾微米的位移。第30頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二最近美國(guó)Burleigh儀器

17、公司推出一種壓電陶瓷步進(jìn)馬達(dá)，其工作原理示如下圖所示壓電陶瓷步進(jìn)電機(jī)工作原理第31頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二研究人員在活細(xì)胞內(nèi)的能源機(jī)制啟發(fā)下，制造出了一種分子馬達(dá)。這種微型馬達(dá)以三磷酸腺苷酶為基礎(chǔ)，依靠為細(xì)胞內(nèi)化學(xué)反應(yīng)提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）為能源。 分子馬達(dá)分子馬達(dá)，又名分子發(fā)動(dòng)機(jī)，是分布于細(xì)胞內(nèi)部或細(xì)胞表面的一類蛋白質(zhì)，它們的構(gòu)象會(huì)隨著與ATP和ADP的交替結(jié)合而改變，ATP水解的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，引起馬達(dá)形變，或者是它和與其結(jié)合的分子產(chǎn)生移動(dòng)。就是說(shuō)，分子馬達(dá)本質(zhì)上是一類ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白會(huì)拉動(dòng)粗肌絲向中板移動(dòng)，引起肌肉收縮。而另

18、外兩種分子馬達(dá)：驅(qū)動(dòng)蛋白和動(dòng)力蛋白，它們能夠承載著分子“貨物”-如：質(zhì)膜微粒，甚至是線粒體和溶酶體，在由微管構(gòu)成的軌道上滑行，起到運(yùn)輸?shù)淖饔?。?2頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二分子馬達(dá)分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)，如：驅(qū)動(dòng)蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內(nèi)參與了胞質(zhì)運(yùn)輸、DNA復(fù)制、細(xì)胞分裂、肌肉收縮等一系列重要生命活動(dòng)。以微管蛋白為軌道，沿微管的負(fù)極向正極運(yùn)動(dòng)，并由此完成各種細(xì)胞內(nèi)外傳質(zhì)功能。第33頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二美國(guó)康納爾大學(xué)的科學(xué)家利用ATP酶作為分子馬達(dá)，研制出了

19、一種可以進(jìn)入人體細(xì)胞的納米機(jī)電設(shè)備-“納米直升機(jī)”。該設(shè)備共包括三個(gè)組件，兩個(gè)金屬推進(jìn)器和一個(gè)附屬于與金屬推進(jìn)器相連的金屬桿的生物分子組件。其中的生物分子組件將人體的生物“燃料”ATP轉(zhuǎn)化為機(jī)械能量，使得金屬推進(jìn)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速率達(dá)到每秒8圈。這種技術(shù)仍處于研制初期，它的控制和如何應(yīng)用仍是未知數(shù)。將來(lái)有可能完成在人體細(xì)胞內(nèi)發(fā)放藥物等醫(yī)療任務(wù)。第34頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二（4）微型機(jī)器微型汽車和大米粒第35頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二微型機(jī)器小型機(jī)器人，它用吸盤(pán)式的腳垂直在墻壁上移動(dòng)第36頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星

20、期二納米火車美國(guó)華盛頓大學(xué)正在制造納米火車。用神經(jīng)細(xì)胞中的微管片段為車廂，微管直徑只有人頭發(fā)絲的1%；以牛腦中的驅(qū)動(dòng)蛋白為牽引機(jī)車，裝配后可在特氟隆軌道上奔馳。該項(xiàng)研究填補(bǔ)了納米技術(shù)中沒(méi)有動(dòng)力的空白，向?qū)崿F(xiàn)納米技術(shù)自組裝工廠這一目標(biāo)邁出了有意義的一步。第37頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二3 納米機(jī)械加工方法德國(guó)弗里茨哈貝爾研究所的科學(xué)家研究出使用超短電脈沖進(jìn)行電解的新技術(shù)，并成功地在納米尺度上切割金屬材料，加工微型機(jī)械。據(jù)介紹，科學(xué)家使用持續(xù)時(shí)間以納秒計(jì)的超短電脈沖，實(shí)現(xiàn)“微型電鍍”過(guò)程，對(duì)金屬進(jìn)行“雕刻”，加工精度可達(dá)幾百納米。他們使用直徑10納米的鉑線作為一個(gè)電極

21、，金制的金屬片為另一個(gè)電極，將它們浸泡在硫酸銅和高氯酸混和溶液里。來(lái)回移動(dòng)鉑線，就可以將鉑線用作“刀具”，像銑床一樣對(duì)金屬片的銅進(jìn)行“雕刻”加工。由于電流脈沖只持續(xù)極短的時(shí)間，銅的沉積與溶解都只發(fā)生在非?？拷姌O表面的地方，加工精度較高。第38頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二用活細(xì)菌建造納米機(jī)械美國(guó)威斯康星麥迪遜大學(xué)的科學(xué)家羅伯特哈默斯說(shuō)：“自然界已產(chǎn)生了這些奇異的建筑構(gòu)塊，而我們開(kāi)發(fā)出的方法，僅僅是很巧妙地抓住細(xì)菌的這種能力?！惫寡芯啃〗M已經(jīng)能夠采用電極來(lái)調(diào)控單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞。他們的研究成果發(fā)表在納米通信刊物上。第39頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，

22、星期二第40頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二該研究小組選擇的細(xì)菌是5微米長(zhǎng)、0.8微米寬的蕈（xn）狀桿菌。之所以選擇這種細(xì)菌，是因?yàn)槠鋫€(gè)頭足夠大，能夠讓科學(xué)家在光學(xué)顯微鏡下看到它。他們把電場(chǎng)加到這種微生物上，使它們被極化，并“粘貼”到電極上。隨著電極的電流發(fā)生極化，將會(huì)顯示出這些小細(xì)菌被“粘”到電極上。研究人員甚至能讓細(xì)菌構(gòu)成正負(fù)電極之間的導(dǎo)電橋梁，這一現(xiàn)象可能導(dǎo)致形成可再組合的納米電路。哈默斯說(shuō)：“采用細(xì)菌細(xì)胞作為更復(fù)雜電子電路的部件，是一種非常重要的創(chuàng)意”。第41頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二在哈默斯的實(shí)驗(yàn)中，細(xì)菌本身被依附到一根長(zhǎng)電極上

23、，借助于所懸浮的溶液的運(yùn)動(dòng)，細(xì)菌沿其長(zhǎng)度可以轉(zhuǎn)向。當(dāng)細(xì)菌同另外一個(gè)電極結(jié)合時(shí)，兩電極的極性可牢牢地將細(xì)菌固定在一定的位置上。目前，納米結(jié)構(gòu)物必須人為地進(jìn)行組裝，但是當(dāng)使用特定生物分子連接的元器件，向細(xì)菌“粘”上互補(bǔ)的表面蛋白質(zhì)時(shí)，有可能采用細(xì)菌使裝配過(guò)程自動(dòng)化。像哈默斯小組這類電極的另外一種應(yīng)用，將用來(lái)制造生物傳感器，以探測(cè)諸如炭疽菌等生物制劑，因?yàn)椋捎凇罢场鄙咸烤益哐?，電極電流會(huì)發(fā)生變化。第42頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二納米機(jī)械加工系統(tǒng)日本開(kāi)發(fā)出了可在掃描電子顯微鏡（SEM）中工作的納米機(jī)械加工系統(tǒng)，成功地以視頻方式拍攝到了以單晶硅為切削材料進(jìn)行納米級(jí)切削的過(guò)

24、程。這套加工系統(tǒng)使用了原子力顯微鏡（AFM）裝置，加工工具則使用自主開(kāi)發(fā)的加工懸臂。通過(guò)改變加在懸臂頂端刀刃上的接觸荷重，在1100nm的范圍內(nèi)控制切進(jìn)深度，以納米為單位進(jìn)行切削。利用SEM把刀刃頂端放大以后進(jìn)行觀察，能夠以視頻方式記錄納米級(jí)切削的過(guò)程。第43頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二實(shí)驗(yàn)使用的單晶硅通常稱為硬脆材料，質(zhì)地堅(jiān)硬。從其性質(zhì)上來(lái)說(shuō)，在機(jī)械微加工中像玻璃一樣易碎。而在納米切削中，即使像玻璃一樣的硬脆材料也表現(xiàn)得和普通金屬材料一樣，可順利進(jìn)行延性模式切削。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，既然單晶硅比普通金屬材料還硬，因而納米機(jī)械加工可廣泛應(yīng)用于金屬和玻璃等多種材料。第4

25、4頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二納米秤美國(guó)研究人員通過(guò)打造世界首個(gè)全功能性的納米管裝置，成功建造了一個(gè)可以給金原子稱重的納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)。以此裝置測(cè)得的金原子質(zhì)量為3.25x10-25千克。 此新式納機(jī)電系統(tǒng)質(zhì)量傳感器由單個(gè)碳納米管組成，有雙層壁，具有全部電子特性，且硬度增加了。碳納米管的一端可自由活動(dòng)，而另一端入則連接在一個(gè)電極上，且距離相對(duì)的電極相當(dāng)近。來(lái)自電池或太陽(yáng)能電池上的直流電源與這對(duì)電極相連，導(dǎo)致它以某種波動(dòng)的共振頻率振動(dòng)。當(dāng)一個(gè)原子或分子被存放在此碳納米管上面時(shí)，此碳納米管的共振頻率就會(huì)因此原子或分子的質(zhì)量而改變，類似于不同體重的跳水運(yùn)動(dòng)員會(huì)改變跳

26、水板的共振頻率一樣。此研究小組成員肯尼思延森說(shuō)：讓碳納米管振動(dòng)很簡(jiǎn)單，難的就是探知其振動(dòng)的微小變化。我們通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)射或噴霧讓它產(chǎn)生了振動(dòng)，并探測(cè)到此碳納米管一端的電流變化。 利用此納機(jī)電系統(tǒng)質(zhì)量傳感器，澤特爾小組對(duì)單個(gè)金原子稱了重量，其質(zhì)量為3.25x10-25千克。這意味著大約3億億億個(gè)金原子才能達(dá)到1千克。 第45頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二擺動(dòng)中的納米線將很有可能接觸到與之相鄰的鉑電極表面，由于納米線所具有的壓電效應(yīng)和它與鉑電極間形成的肖特基勢(shì)壘，每次接觸均是通過(guò)納米線帶負(fù)電勢(shì)的內(nèi)表面把形變產(chǎn)生的壓電電能釋放出來(lái)。肖特基勢(shì)壘的整流作用使得輸出的電流為直流，納米

27、發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出了對(duì)超聲波良好的響應(yīng)。在41千赫的超聲波的作用下，只有2平方毫米面積的基片能輸出約1納安(nA)的連續(xù)電流，并且其電流輸出可以保持一個(gè)多小時(shí)而沒(méi)有任何衰減。這一原創(chuàng)性設(shè)計(jì)在世界上率先實(shí)現(xiàn)了一種適應(yīng)性廣、生產(chǎn)成本低，并能從周圍環(huán)境中收集并轉(zhuǎn)換能量的納米發(fā)電機(jī)。 直流納米發(fā)電機(jī)-納米壓電現(xiàn)象第46頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二(a)低倍掃描電子顯維照片顯示兩個(gè)互相纏繞的、表明長(zhǎng)有氧化鋅納米線陣列的纖維，其中一個(gè)鍍有金。(b)高倍掃描電子顯維照片顯示兩纖維界面處的納米線對(duì)納米線結(jié)構(gòu)。(c)顯示多根纖維組成的纖維納米發(fā)電機(jī)的串/并連式連接來(lái)提高輸出電壓/電流。(圖

28、片來(lái)源：王中林實(shí)驗(yàn)室) 復(fù)合型納米發(fā)電機(jī) 基于壓電電子學(xué)原理，超聲波可帶動(dòng)納米線陣列運(yùn)動(dòng)，能獨(dú)立從外界吸取機(jī)械能、并將之轉(zhuǎn)化為電能的納米發(fā)電機(jī)模型。在超聲波帶動(dòng)下，這種納米發(fā)電機(jī)已能產(chǎn)生上百納安的電流。但是，在實(shí)際環(huán)境中，機(jī)械能主要以低頻震動(dòng)形式存在，如空氣的流動(dòng)、引擎的震動(dòng)等。要讓納米發(fā)電機(jī)能廣泛應(yīng)用于各方面，一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題就是要降低納米發(fā)電機(jī)的響應(yīng)頻率，讓納米線陣列在幾個(gè)赫茲的低頻震動(dòng)下也能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 通過(guò)讓氧化鋅納米線在纖維之上生長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)柔軟，可折疊的電源系統(tǒng)（如“發(fā)電衣”）。另外，基于纖維的納米發(fā)電機(jī)能在低頻震動(dòng)下發(fā)電，這就使得步行、心跳等低頻機(jī)械能的轉(zhuǎn)化成為可能；再次，由

29、于其合成方法簡(jiǎn)單，條件溫和，這就大大擴(kuò)展了基于氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。根據(jù)目前的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，他估計(jì)，如果能用這些纖維編織成布在極端優(yōu)化的條件下，每平方米這樣的布可能輸出大約2080毫瓦的電能。 第47頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二4 微型機(jī)器人及應(yīng)用別看微型機(jī)器人小，有的甚至要用放大鏡才能看到，可它們的本事卻很大呢！在工業(yè)上，微型機(jī)器人可以按設(shè)制的程序，成群結(jié)隊(duì)地鉆進(jìn)飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)行精細(xì)的維修工作，或鉆進(jìn)核反應(yīng)堆內(nèi)清洗管道、修補(bǔ)裂縫，甚至長(zhǎng)期駐守在里面進(jìn)行定期檢查維修。在船舶底部，微型機(jī)器人可咀嚼和清除依附在上面的苔蘚和貝類。在農(nóng)業(yè)上，可利用微型機(jī)器人捕捉害蟲(chóng)，使農(nóng)作物獲得豐收。微型機(jī)器人還可以在田野上空監(jiān)控農(nóng)作物生長(zhǎng)，當(dāng)農(nóng)作物需要灌溉時(shí)，它們便降落在閥門(mén)上，開(kāi)啟閥門(mén)，進(jìn)行灌溉。第48頁(yè)，共56頁(yè)，2022年，5月20日，10點(diǎn)