納米材料與其應(yīng)用

2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院1

主要內(nèi)容納米概念納米科學(xué)技術(shù)納米材料納米材料的應(yīng)用第一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院2Ⅰ納米概念ⅡⅢⅣ第二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院3納米概念第三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院4化合物金屬材料半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料硅酸鹽材料復(fù)合材料納米材料高分子材料第四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院5納米（nanometer）是一個長度單位，簡寫為nm。

1nm=10-9m1nm等于10個氫原子一個挨一個排起來的長度。人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個納米。納米是一個極小達(dá)到尺寸，但它又代表人們認(rèn)識上的一個新層次，從微米進(jìn)入到納米。

第五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院6納米尺度的概念第六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院7跳蚤頭發(fā)紅細(xì)胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2

催化劑第七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院8花粉是納米級的粒子病毒也是納米級的,３0-100nm.第八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院9ⅠⅡ納米科學(xué)技術(shù)ⅢⅣ第九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院10如果一個納米的粒子放在乒乓球上，相當(dāng)于把一個乒乓球放在地球上。用什么儀器去看納米掃描隧道顯微鏡（英文名稱是ScanningTunnelingMicroscope，簡稱為STM）。STM具有驚人的分辨本領(lǐng)，水平分辨率小于0.1納米，垂直分辨率小于0.001納米第十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院11掃描隧道顯微鏡示意圖第十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院12

左圖為單個Xe原子靜置在Ni表面上的情景，右圖為探針“拾”起該原子的情景。此圖分別顯示出相應(yīng)的兩個狀態(tài)的STM圖像。

圖原子操作過程的STM象第十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院13納米科技和納米材料

納米科技是在0.1-100nm的空間內(nèi)，研究物質(zhì)組成體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用，以及實際應(yīng)用中技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)，被世界各國列為21世紀(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

納米材料是指用晶粒尺寸為納米級的微小顆粒制成的各種材料，其粒徑為0.1-100nm，納米物質(zhì)有四大效應(yīng)：即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)。第十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院14納米材料的特異性能

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。納米黃金變?yōu)楹谏{米鉑（白金）變成鉑黑;納米材料還具有超塑性，室溫下的納米銅絲經(jīng)過軋制，其長度可以從1cm延伸到100cm，其厚度可以從1mm減小到0.01mm；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（“摔不破的陶碗”）；硅晶體是不發(fā)光的，但納米硅卻會發(fā)光；涂有納米涂層的玻璃可以防霧（汽車車窗玻璃）。第十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院151959年，費(fèi)曼的預(yù)言這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。1984年，德國研制成功第一個金屬納米材料；1987年，美國研制成功氧化鈦納米材料；1990年，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生；1993年，中國科學(xué)院真空物理實驗室，首次操縱原子成功寫出“中國”二字。標(biāo)志著我國開始在國際納米領(lǐng)域占有一席之地。1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機(jī)。1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄1999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達(dá)到500億美元。納米科技大事記第十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院16納米材料的發(fā)展歷史1959年，著名的諾貝爾獎得主理查德·費(fèi)曼（RichardFeynman）就設(shè)想：“如果有一天人們可以按照自己的意志排列原子和分子，那會產(chǎn)生什么樣的奇跡！”，“毫無疑問，如果我們對細(xì)微尺度的事物加以控制的話，將大大擴(kuò)充我們可以獲得物性的范圍”，他首次提出了“納米”材料的概念。

費(fèi)曼對納米技術(shù)的最早夢想，成為一個光輝的起點，人類開始了對納米世界的探求。

今天，納米科技的發(fā)展使費(fèi)曼的預(yù)言已逐步成為現(xiàn)實。納米材料的奇特物性正對人們的生活和社會的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。第十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院17掃描隧道顯微鏡的發(fā)明掃描隧道顯微鏡亦稱為“掃描穿隧式顯微鏡”、“隧道掃描顯微鏡”，是一種利用量子理論中的隧道效應(yīng)探測物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的儀器。它于1982年由格爾德·賓寧（G．Binning）及海因里?！ち_雷爾（H．Rohrer）在IBM位于瑞士蘇黎世的蘇黎世實驗室發(fā)明，兩位發(fā)明者因此與恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學(xué)獎。第十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院18掃描隧道顯微鏡用“手”觸摸原子第十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院19

納米科學(xué)技術(shù)

下圖所示為超高真空中利用掃描隧道顯微鏡技術(shù)，在硅單晶體表面（111）面上移動Si原子而形成“中國”二字字樣。圖超高真空中,用STM技術(shù)，移動Si（111）面上的原子形成“中國”字樣第十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院20

1994年，中國科學(xué)院化學(xué)所和中國科學(xué)院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法，獲得了（線寬2nm）硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10nm的“中國”字符。漢字的大小只有幾個納米白春禮院士1988年4月12日，中國第一臺計算機(jī)控制的STM研制成功。第二十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院211993年后，我國科學(xué)家先后操縱原子寫出“中國”、“原子”、繪出中國輪廓圖。第二十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院22用原子寫的“原子”用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個個地排列成漢字，

漢字的大小只有幾個納米。第二十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院23

每個字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準(zhǔn)選中的Xe原子、使針尖接近Xe原子、使原子間作用力達(dá)到讓Xe原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。

1990年，美國加州的IBM研究室艾格勒等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。這張放大了的照片登在《時代》周刊上，被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告。第二十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院241991年，IBM公司的“拼字”科研小組用STM針尖移動吸附在金屬表面的一氧化碳分子，拼成了一個大腦袋小人的形象。圖中每個白團(tuán)是單個一氧化碳分子豎在鉑表面上的圖象，頂端為氧分子，各個分子的間距約0.5nm。這個"分子人"從頭到腳只有5nm高，堪稱世界上最小的人形圖案。第二十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院25原子森林由德國實驗室托斯頓·鄧卓巴拍攝的這一圖像顯示了一片GeSi量子點“森林”，其實，它們只有15納米高，直徑也只有70納米。

藍(lán)寶石美國伊利諾斯大學(xué)香檳分校的斯科特·麥克拉倫及其同事一同建造了這張精美制作的藍(lán)寶石襯底的彈坑圖像。此藍(lán)寶石是通過飛秒級激光脈沖擊打其表面而受熱的，在此過程中，藍(lán)寶石噴射出原子而留下一個淺淺的彈坑。此晶體經(jīng)再加熱和再次噴射，形成了這里所展示的內(nèi)部深層結(jié)構(gòu)。1飛秒是千萬億分之一秒。第二十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院26

納米線幾種植物的葉子，包括荷花，展現(xiàn)出其自潔特性。這種所謂的“荷花效應(yīng)”也叫作自清潔效應(yīng)，那么，荷花何以出淤泥而不染？是因為它的表面十分光滑，污垢難以停留？不是。科學(xué)家用掃描電子顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)荷花的花瓣表面像毛玻璃一樣毛糙，全是納米級的“疙瘩”。

這些“疙瘩”讓雨水將荷葉清洗干凈，從而讓荷花保持最佳光合作用能力，顯得精神抖擻。這張2微米x2微米圖像顯示一種人造制品在模仿荷花的自清潔效應(yīng)。此地毯似的一團(tuán)納米線是由化學(xué)汽相淀積處理而成的。當(dāng)水滴落在此超級不沾水的納米線上時，它們會快速滴落，并帶走納米線上的塵埃。

第二十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院272萬顆黃金微粒繪出太陽圖像納米技術(shù)創(chuàng)奇跡

ＩＢＭ公司研究人員在最新一期《自然納米技術(shù)》雜志上發(fā)表科研報告說，他們創(chuàng)造出了世界上最小的藝術(shù)作品之一——用２萬顆黃金微粒繪出的太陽圖像。這幅太陽圖像取材于一位１７世紀(jì)煉金士畫的黃金符號，研究人員以蝕刻方式，用每顆直徑６０納米的黃金微粒在硅晶片上做出了這幅畫。這件作品實現(xiàn)了精度上的突破，預(yù)示著未來人們可以制造超微傳感器、透鏡和納米級電路所需的電線。ＩＢＭ公司和其他公司的一些科學(xué)家一直致力于超微電路的研制工作，他們不斷提升未來將投入使用的電子元器件的性能。實際上目前最先進(jìn)的微型處理器所用元件的直徑甚至小于６０納米。第二十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院28在掃描隧道顯微鏡下，科學(xué)家將48個鐵原子排列在銅表面上，形成一個圓形圍欄。第二十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院29鐵原子的移動過程第二十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院30ⅠⅡⅢ納米材料Ⅳ第三十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院31摔不碎的納米陶瓷強(qiáng)度比常規(guī)銅高5倍納米銅納米材料

—特性第三十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院32具有易潔納米涂層的陶瓷納米粒子的親疏水特性第三十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院33

荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。

蓮花葉子表面的自我潔凈第三十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院34蓮花葉面表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當(dāng)遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面。第三十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院35荷葉現(xiàn)象第三十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院36鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，毛與毛之間的隙縫小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。這種結(jié)構(gòu)還極其通氣。第三十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院37壁虎飛檐走壁每只腳底部長著數(shù)百萬根極細(xì)的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細(xì)的分支。這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。動植物按照微基準(zhǔn)來說，就是納米機(jī)器的組合體。這些納米機(jī)器，就是人們熟知的蛋白質(zhì)。而細(xì)胞則可以說是由這些納米機(jī)器在組裝而成的微米機(jī)器。

第三十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院38TEM下的納米顆粒納米粉末

納米材料分類第三十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院39SEM下的納米纖維納米纖維第三十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院40納米膜

納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。第四十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院41新型碳基納米材料第四十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院421991年4月，日本筑波的NEC公司飯島澄男(Iijima)等首次用高分辨透射電鏡觀察到了多壁碳納米管(Multi-WalledCarbonNanotube)。這些碳納米管是多層同軸管，也叫巴基管(Buckytube)。1993年又發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管(Single-WalledCarbonNanotube)。新型碳基納米材料：碳納米管(carbonnanotube)第四十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院43Schematicofasingle-walledcarbonnanotube(SWNT)Schematicofamulti-walledcarbonnanotube(MWNT)

與MWNTs相比，SWNTS是由單層圓柱型石墨層構(gòu)成，其直徑大小的分布范圍小，缺陷少，具有更高的均勻一致性。第四十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院44碳納米管nanotube碳納米管是一種長度和直徑之比很高的纖維。它韌性極高，兼具金屬性和半導(dǎo)體性，強(qiáng)度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6?？茖W(xué)家們已經(jīng)研制成功了世界上最小的碳管，他們認(rèn)為這將是最細(xì)和最穩(wěn)定的納米碳管。這種小小的圓柱體直徑僅為0.4納米。第四十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院451970年，法國奧林大學(xué)Endo用氣相生長技術(shù)制成了直徑為7nm的碳纖維，但未進(jìn)行細(xì)致的表征。幾乎同時，莫斯科化學(xué)物理研究所的研究人員也獨立地發(fā)現(xiàn)了碳納米管和納米管束，但是這些碳納米管的縱橫比很小。1996年，美國著名的諾貝爾獎金獲得者斯莫利(Smalley)等合成了成行排列的單壁碳納米管束(bundle)，每一束中含有許多碳納米管，這些碳納米管的直徑分布很窄。我國中國科學(xué)院物理研究所解思深等人實現(xiàn)了碳納米管的定向生長，并成功合成了超長(毫米級)納米碳管。

第四十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院46碳納米管的性質(zhì)和應(yīng)用電學(xué)性質(zhì)碳納米管的性質(zhì)強(qiáng)烈依賴于直徑和手性，直徑越小，電子的狀態(tài)與sp2差別越大，表現(xiàn)的量子效應(yīng)越明顯。美國教授計算得出[n-m]=3q（q為整數(shù)),碳管為金屬性。其他情況表現(xiàn)半導(dǎo)體性，并且禁帶寬度正比于碳管直徑的倒數(shù)。單臂納米管為金屬性，鋸齒形、手性碳管部分為金屬，部分為半導(dǎo)體性。隨著半導(dǎo)體納米管直徑增加，帶隙變小，在大直徑情況下，帶隙為零，呈現(xiàn)金屬性質(zhì)。第四十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院47碳納米管纖維紡織技術(shù)2004年11月19日美國《科學(xué)》周刊306卷第四十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院48單壁納米管的生長2004年11月19日美國《科學(xué)》周刊306卷第四十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院49碳納米管獨特的力學(xué)性質(zhì)：碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊氏模量估計可高達(dá)5TPa，(測量報道1.28±0.59)這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6，延伸率為百分之幾，具有好的可彎曲性，單壁納米碳管可承受扭轉(zhuǎn)形變并可彎成小圓環(huán)，應(yīng)力卸除后可完全恢復(fù)到原來狀態(tài)；壓力不會導(dǎo)致碳納米管的斷裂。用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。碳納米管的強(qiáng)度測量第四十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院50具有極好的可彎折性030456090第五十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院51具有極好的可扭曲性第五十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院52碳納米管儲氫碳納米管由于其管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的類石墨層空隙，成為最有潛力的儲氫材料，用于發(fā)展納米管燃料電池。美國國立可再生能源實驗室采用程序控溫脫附儀測量單壁納米碳管的載氫量，從實驗結(jié)果推測在130K、4×104Pa條件下的載氫量為5wt％一10wt％，并認(rèn)為SWNT是唯一可用于氫燃料電池汽車的儲氫材料。這是世界上關(guān)于碳納米管儲氫的第一篇報道。

Nature．1997．386(27)377—379H2原子和C納米管第五十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院53用納米碳管建成的地月載人電梯構(gòu)想圖第五十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院54微型奧巴馬頭像是由美國密歇根州大學(xué)機(jī)械工程系教授約翰·哈特（JohnHart）制造的，他稱該微型頭像為“納米奧巴馬”，這種立體逼真頭像竟比鹽粒還要小。每個納米奧巴馬頭像包含著1.5億個碳納米管，這些碳納米管像叢林中的樹木一樣垂直地排列著，每個碳納米管都是中空圓柱體結(jié)構(gòu)，其直徑僅為人體頭發(fā)的五萬分之一。據(jù)稱，哈特制造這件“納米藝術(shù)品”的目的在于讓更多人體驗納米技術(shù)的魅力所在。

哈特說：“‘納米奧巴馬’頭像是以一種獨特的方式向公眾呈現(xiàn)納米技術(shù)概念，同時，它將帶給人們更多的樂趣。”為了創(chuàng)建“納米奧巴馬”頭像，他們采用了畫家謝潑德·費(fèi)爾雷（ShepardFairey）繪制的頗受歡迎的紅、白、藍(lán)色調(diào)構(gòu)成的奧巴馬素描頭像，哈特將這個素描頭像進(jìn)行縮小，并使用激光建立一個模板打印在一個玻璃板上。照射紫外線穿過這個玻璃板模具，投影在一張硅薄片上形成相應(yīng)的頭像。然后他們在這個頭像圖形的基礎(chǔ)上生成碳納米管，在制造碳納米管時采用了高溫化學(xué)反應(yīng)。

之后研究人員使用電子顯微鏡對納米奧巴馬頭像進(jìn)行了拍照，其頭像僅有0.5毫米大小。除了制作納米藝術(shù)品之外，碳納米管還可以用于制造太陽能電池，新型診斷和治療疾病的方法，新一代計算機(jī)處理器和內(nèi)存，以及更結(jié)實的輕型材料。

第五十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院55此雙壁碳納米管納機(jī)電系統(tǒng)用于測量單個金原子質(zhì)量

美國每日科學(xué)網(wǎng)報道，美國加州大學(xué)伯克利分校和伯克利實驗室的研究人員通過打造世界首個全功能性的納米管裝置，成功建造了一個可以給金原子稱重的納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)。此項研究負(fù)責(zé)人物理學(xué)家亞歷克斯·澤特爾；此成果發(fā)表在最新出版的《自然-納米技術(shù)》雜志上。

此新式納機(jī)電系統(tǒng)質(zhì)量傳感器由單個碳納米管組成，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，而另一端入則連接在一個電極上，且距離相對的電極相當(dāng)近。來自電池或太陽能電池上的直流電源與這對電極相連，導(dǎo)致它以某種波動的共振頻率振動。當(dāng)一個原子或分子被存放在此碳納米管上面時，此碳納米管的共振頻率就會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)動員會改變跳水板的共振頻率一樣。此研究小組成員肯尼思·延森說："讓碳納米管振動很簡單，難的就是探知其振動的微小變化。我們通過磁場發(fā)射或噴霧讓它產(chǎn)生了振動，并探測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，澤特爾小組對單個金原子稱了重量，其質(zhì)量為3.25x10^25千克。這意味著大約3億億億個金原子才能達(dá)到1千克。第五十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院56神奇的納米世界

單根碳納米彈簧

靚麗的納米世界第五十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院57第五十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院58

酷似大力神杯的硅納米結(jié)構(gòu)

掃描隧道顯微鏡下的納米團(tuán)簇第五十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院59第五十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院60納米皇冠第六十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院61ⅠⅡⅢⅣ納米材料的應(yīng)用第六十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院62納米算盤

C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。

納米神算子——分子算盤科學(xué)家把碳60分子每十個一組放在銅的表面組成了世界上最小的算盤。與普通算盤不同的是，算珠不是用細(xì)桿穿起來，而是沿著銅表面的原子臺階排列的。

納米材料應(yīng)用第六十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院63納米齒輪納米軸承第六十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院64世界上最小的汽車——僅4nm第六十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院652010年1月6日，美國萊斯大學(xué)的科學(xué)家表示，他們開發(fā)出了寬度僅為人體頭發(fā)直徑1/50000的“納米賽車”，其性能超過了過去人們研發(fā)的同類“納米車”。研究人員認(rèn)為，新開發(fā)的“納米賽車”有望加快人們獲得未來新一代分子機(jī)器的步伐。相關(guān)研究成果發(fā)表在近日出版的美國化學(xué)會《有機(jī)快報》雙周刊上。第六十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院66華裔教授王中林

在原子力顯微鏡的幫助下，美國佐治亞理工學(xué)院王中林小組利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅（ZnO）納米線的獨特性質(zhì)，發(fā)明了能將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界最小的發(fā)電裝置——直立式納米發(fā)電機(jī)。2006年圖：(a)低倍掃描電子顯維照片顯示兩個互相纏繞的、表面長有氧化鋅納米線陣列的纖維，其中一個鍍有金。(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/并連式連接來提高輸出電壓/電流。(圖片來源：王中林實驗室)

世界上最小的發(fā)動機(jī)-納米發(fā)動機(jī)第六十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院67]神奇“納米球”發(fā)動機(jī)的微觀世界第六十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院68

2007年超聲波驅(qū)動式直流納米發(fā)電機(jī)：超聲波帶動的直流納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計原理和輸出的直流電流。電流隨超聲波的激發(fā)而起，停止而息。利用約五百根納米線可連續(xù)發(fā)出納安級的電流。

2008年交流納米發(fā)電機(jī)的示意圖以及當(dāng)來回彎曲時所給出的交流輸出電壓：納米布只要能動（跑步、走路、心跳

）就能發(fā)電：肌肉活動所帶動的納米發(fā)電機(jī)第六十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院69納米發(fā)電機(jī)為血壓傳感器提供動力

由氧化鋅納米線構(gòu)成的發(fā)電機(jī)

第六十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院70世界最小直升機(jī)僅香煙盒大小PD-100黑黃蜂

據(jù)英國《每日郵報》報道，挪威ProxDynamics公司日前研制出一款迄今世界上最微小的“直升機(jī)”。這款納米“直升機(jī)”的體積只有一個香煙盒大小，持續(xù)飛行時間約25分鐘，未來可用于間諜活動或者戰(zhàn)場偵察。

第七十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院71納米機(jī)器人進(jìn)入人體消化系統(tǒng)工作示意圖

像膠囊一樣的納米機(jī)器人醫(yī)生

重慶納米機(jī)器人“醫(yī)生”

重慶科研人員開發(fā)的這種名為“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”的納米機(jī)器人。一種長得十分奇特的“重慶籍醫(yī)生”目前在國際上名聲大噪——該醫(yī)生長得像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚里，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦屏幕上一目了然。它第二次被列入國家“863計劃”，前一次獲得了該計劃500萬元基金支持，并于2004年獲得“863計劃”專家組驗收該醫(yī)生“腰圍”11毫米，“身高”25.4毫米，長得完全像一顆膠囊。并于2004年獲得“863計劃”專家組驗收，但這種機(jī)器人目前還只能鉆進(jìn)人的肚子里通過傳輸圖像“瞧病”，還沒有治病的本事。

第七十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院72納米機(jī)器人

納米機(jī)器人的魅力之處在于：由于可以進(jìn)行自我復(fù)制，只需在體內(nèi)植入很少的量，便可達(dá)到治療目的。然而，所謂的魅力與可怕的危險是同時存在的，納米機(jī)器人能在10小時內(nèi)復(fù)制680億個，在身體“防御盾”不斷被削弱的同時，人類成為生物和技術(shù)的合成體，也就是同時具備兩種特征。在這種情況下，抵抗是徒勞的。

生物醫(yī)藥技術(shù)第七十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院73

生物醫(yī)藥技術(shù)

納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。納米機(jī)器人小到可在人的血管中自由地游動，對于腦血栓、動脈硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用進(jìn)行危險的開顱、開胸手術(shù)。-----中科院研究第七十三頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院74科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞特別喜歡吃納米顆粒，這有助于跟蹤癌細(xì)胞在人體內(nèi)的活動第七十四頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院75

分子機(jī)器人(分子鉗在捕捉癌細(xì)胞)納米級分子機(jī)器是人類征服自然的整個宏偉藍(lán)圖中最富有想像力和創(chuàng)造力的部分。為了實現(xiàn)建造“多結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)分子機(jī)器”的夢想，四川大學(xué)華西臨床醫(yī)學(xué)院生物膜與膜蛋白實驗室主任丘小慶和他領(lǐng)導(dǎo)的研究集體進(jìn)行了為期10年的研究，他們以數(shù)種細(xì)菌信息素、抗體模擬無核大腸菌素等為模本，構(gòu)建了數(shù)種融合蛋白(抗菌多肽和免疫毒素)。它們均特異性地攻擊了選定的靶細(xì)菌或靶細(xì)胞，其殺傷效力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素，而毒副作用卻遠(yuǎn)低于現(xiàn)有抗菌素和免疫毒素。目前，科學(xué)家試圖在分子尺寸上組裝一種極其微小的裝置，其在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用前景廣闊第七十五頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院76

磁性材料磁性納米材料第七十六頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院77

圖為IBM的研究人員利用納米技術(shù)制作的硬盤，其數(shù)據(jù)存儲容量超過現(xiàn)在硬盤存儲容量的100倍。從顯微鏡下我們可以觀察到（如圖8-9），現(xiàn)在的硬盤表面上看上去非常雜亂無章，而IBM發(fā)明的新材料的表面磁化顆粒更小，且排列均勻。

新型納米材料硬盤，容量增加100多倍第七十七頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院78左圖為現(xiàn)在存儲器介質(zhì)的表面，IBM發(fā)明的新材料的表面-磁化顆粒更小，且排列均勻第七十八頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院79

磁性墨水驗鈔機(jī)艾滋病新型檢測儀第七十九頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院80光學(xué)應(yīng)用納米光學(xué)纖維有孔納米光纖膜第八十頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院81傳感器材料可燃性氣體泄漏報警器濕度傳感器第八十一頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院82傳感器材料紅外線傳感器由金超微粒子沉積在基板上形成的膜可用作紅外線傳感器，制成輻射熱測量器。輻射測量儀第八十二頁，共94頁。2023/4/12臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院83

軍事上的應(yīng)用納米隱身涂料隱身戰(zhàn)斗機(jī)（表面涂有激光隱身涂料）“隱身”是指把物體偽裝起來不易被發(fā)現(xiàn)。納米磁性材料，特