神奇的納米技術(shù)

神奇的納米技術(shù)第1頁/共78頁納米(nanometer)是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫為nm1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m1nm=10?（1?=10-10m）一、納米和納米技術(shù)1、納米第2頁/共78頁納米科學(xué)技術(shù)是20世紀(jì)80年代末誕生并正在蓬勃發(fā)展的一種高新科技。它的內(nèi)容是在納米尺寸范圍內(nèi)(0.1nm－100nm)認(rèn)識(shí)和改造自然。通過直接操縱和安排原子、分子而創(chuàng)造新物質(zhì)。它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類改造自然的能力已延伸到分子、原子水平，標(biāo)志人類科學(xué)技術(shù)已進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代——納米科技時(shí)代。2、納米技術(shù)第3頁/共78頁誰要想在21世紀(jì)領(lǐng)先于世界，誰就必須掌握納米技術(shù)這一關(guān)健技術(shù)。人們強(qiáng)烈地期待著它能在材料科學(xué)、電子儀器、信息通訊、環(huán)境和能源、生物、制藥及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，帶來廣泛的突破性進(jìn)展。第4頁/共78頁日本《關(guān)于促進(jìn)納米技術(shù)和納米材料研究開發(fā)的方案》⑴新一代通訊用納米器件⑵超集成系統(tǒng)及其元件/材料研究⑶單分子元件及集成⑷量子元件的探索及研究⑸新一代光子學(xué)的基礎(chǔ)原理⑹生物分子元件⑺超高感度智能傳感器技術(shù)⑻醫(yī)療IT化，藥物轉(zhuǎn)輸/納米機(jī)器⑼納米構(gòu)造的能量貯藏/轉(zhuǎn)換材料⑽納米構(gòu)造控制催化材料⑾納米空間材料⑿超分子控制⒀納米管/富勒烯⒁納米束子和納米粒子⒂納米混合構(gòu)造材料⒃納米構(gòu)造控制/功能材料⒄納米自旋電子設(shè)備⒅納米造型⒆納米測(cè)量⒇納米模擬試驗(yàn)第5頁/共78頁全世界在納米技術(shù)方面的政府研究開發(fā)投資額比較(單位：百萬美元)年度1997年2000年2001年2002年美國日本西歐其他國家(注)11612012670270245200110422~465~270~380604~650~400~520合計(jì)43282514922174注：其他國家包括：澳大利亞、加拿大、中國、東歐、俄羅斯、以色列、韓國、新加坡第6頁/共78頁中國納米研究情況

20世紀(jì)80年代后期開始。

2001~2005年政府投入20億資金用于納米研究，資金投入領(lǐng)域?yàn)榧{米材料、納米電子工程學(xué)、納米生物學(xué)、納米電氣系統(tǒng)、測(cè)量及評(píng)價(jià)技術(shù)。中國在納米材料的有關(guān)研究和開發(fā)上頗有特色，例如氧化鋅、氧化鈦、氧化硅等納米粒子及粉未材料。

2002年2月，中國成立了國家納米科學(xué)中心。第7頁/共78頁二、觀察原子世界的眼睛──掃描隧道顯微鏡1、觀察微觀世界的工具科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步總是與工具的進(jìn)步密切相關(guān)的。自從有了人類文明以來，人們就一直為探索微觀世界的奧秘而不懈地努力。

1674年，荷蘭科學(xué)家列文·虎克發(fā)明了世界上第一臺(tái)光學(xué)顯微鏡，觀察到了血紅細(xì)胞水平，分辨率大約為10-6米～10-7m。

1973年，德國科學(xué)家恩斯特·魯斯卡成功地發(fā)明了電子顯微鏡，觀察病毒，分辨率達(dá)10-8m。1980年，美國科學(xué)家葛·賓尼和?！ち_瑞爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)，觀察到原子，分辨率：橫向0.1nm，縱向0.01nm。(1986年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))第8頁/共78頁2、隧道效應(yīng)在一段導(dǎo)體的兩端施加電壓，導(dǎo)體就會(huì)有電流通過。如果把這導(dǎo)體弄斷并分開，電流就沒有了！如果我們把這斷為兩截的導(dǎo)體放得非常近（＜1nm），情況如何？根據(jù)經(jīng)典電學(xué)的常識(shí)，導(dǎo)體沒接上，應(yīng)該沒有電流通過。根據(jù)量子力學(xué)，當(dāng)具有電位勢(shì)差的兩個(gè)導(dǎo)體之間的距離小到一定的程度時(shí)，電子將存在一定的幾率穿透兩個(gè)導(dǎo)體之間的勢(shì)壘，從一端向另一端躍遷，這種電子躍遷的現(xiàn)象在量子力學(xué)中稱為隧道效應(yīng)，而躍遷形成的電流稱為隧道電流。第9頁/共78頁3、掃描隧道顯微鏡的工作原理利用加上高電壓的探針與樣品，在近距離（<0.1納米）時(shí)產(chǎn)生的隧道電流來“看見”原子。STM探針和待測(cè)物體間流動(dòng)的隧道電流，與探針和待測(cè)物體之間的距離存在著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即使極其微小的距離差異也可以捕捉到隧道電流的變化。第10頁/共78頁4、掃描隧道顯微鏡的應(yīng)用掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，不僅可以直接觀察原子、分子，而且能夠利用STM直接操縱和安排原子和分子，這就實(shí)現(xiàn)了人們由來已久的兩個(gè)幻想，一是直接看到原子，二是按人們的意愿去安排原子、分子。

1990年，美國加州的IBM研究室，利用STM，于低溫下在鎳的表面上將35個(gè)氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。日本研究室實(shí)現(xiàn)了在室溫下進(jìn)行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“peace’91”的字樣。中國科學(xué)院北京真空實(shí)驗(yàn)室科研人員，使用掃描隧道顯微鏡獲得了硅原子“毛澤東”，此圖比真跡（100nm）放大約120萬倍。第11頁/共78頁原子字“毛澤東”第12頁/共78頁探針“撿起”該原子單個(gè)氙原子靜置在鎳原子表面上原子操作過程的STM像

第13頁/共78頁STM的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱原子，形成干涉紋上圖顯示了掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱48個(gè)原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時(shí)向圓內(nèi)的電子相互干涉，形成干涉紋。第14頁/共78頁三、納米材料1、納米材料的分類納米材料納米固體材料納米超微粒子粒子尺寸為1～100納米的超微粒子由納米超微粒子制成的固體材料根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，可分為四類：納米材料納米結(jié)構(gòu)晶體或三維納米結(jié)構(gòu)二維納米結(jié)構(gòu)或纖維狀納米結(jié)構(gòu)一維納米結(jié)構(gòu)或?qū)訝罴{米結(jié)構(gòu)零維原子簇或簇狀組裝第15頁/共78頁納米材料結(jié)構(gòu)示意圖0.零維1.一維2.二維3.三維第16頁/共78頁2、納米微粒的制備納米微粒的制法物理方法：蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機(jī)械研磨法、低溫等離子法、氫脆法、電火花法和爆炸法化學(xué)方法：水熱法、水解法、熔融法綜合法：激光誘導(dǎo)化學(xué)沉淀法、等離子加強(qiáng)化學(xué)沉淀法第17頁/共78頁納米鐵、銀、銅的形貌圖第18頁/共78頁3、納米微粒的特性當(dāng)小微粒尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級(jí)(1~100納米)時(shí)，其本身和由它構(gòu)成的納米固體具有許多傳統(tǒng)固體不具備的特殊性質(zhì)。

表面效應(yīng)

定義：表面效應(yīng)是指納米離子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力隨著增加，從而引起納米粒子的性質(zhì)的變化。表粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系直徑/nm1510100原子總數(shù)N304000300003000000表面原子百分?jǐn)?shù)10040202超微粒子表面活性很高，利用表面活性的特點(diǎn)，金屬超微粒子可望成為新一代高效催化劑及儲(chǔ)氫材料。第19頁/共78頁小尺寸效應(yīng)定義：當(dāng)超微粒子尺寸不斷減少，在一定條件下，會(huì)引起材料客觀物理、化學(xué)性質(zhì)上的變化。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，成為“摔不碎的陶瓷”。黃金首飾通常呈現(xiàn)光澤，而當(dāng)被細(xì)分到幾百納米時(shí)，變?yōu)楹谏?，這說明金屬超微粒子對(duì)光的反射率很低，一般<1%。利用此特性可制作高效光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱、電能。利用超微粒子具有高矯頑力的性質(zhì)，已做成高儲(chǔ)存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤、磁卡和磁性鑰匙等。第20頁/共78頁量子效應(yīng)定義：當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的最高分子軌道能級(jí)，并且存在未被占據(jù)的最低的分子軌道能級(jí)，同時(shí)，能隙變寬。由此導(dǎo)致的納米微粒的催化、電磁、光學(xué)、熱學(xué)和超導(dǎo)等微觀特性和宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出與宏觀塊體材料顯著不同的特點(diǎn)。第21頁/共78頁我國著名科學(xué)家錢學(xué)森指出“納米科技是21世紀(jì)科技發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，而且會(huì)是一次‘產(chǎn)業(yè)革命’”。從表面上看，可能會(huì)讓人不敢相信，甚至感到似乎有點(diǎn)荒謬至極：某一項(xiàng)技術(shù)的用途竟然多得令人難以置信，它可以治療疾病、延緩衰老、消除有毒廢料，可以殺菌、抑菌，增加世界食品供應(yīng)；還可以修路、造汽車、改善環(huán)境、建摩天大樓，而且，這還剛剛開始，然而，這恰恰就是納米技術(shù)支持者聲稱能夠成為現(xiàn)實(shí)，甚至可以在21世紀(jì)上半葉就成為現(xiàn)實(shí)的東西。盡管有關(guān)納米技術(shù)的想法聽起來很荒唐，但它確實(shí)已成為主流科學(xué)，遍布全球的實(shí)驗(yàn)室都在設(shè)法使它成為現(xiàn)實(shí)，使其發(fā)揮作用。可以說納米技術(shù)有著不可限量的潛力，正孕育著新的科學(xué)技術(shù)時(shí)代和產(chǎn)業(yè)大革命的到來。四、納米材料的應(yīng)用前景第22頁/共78頁1、納米材料在電子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用納米信息材料是指用于信息領(lǐng)域的納米材料與結(jié)構(gòu)，它包括納米電子材料、光學(xué)材料和磁性材料。第23頁/共78頁單電子存儲(chǔ)器隨著信息科學(xué)和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)信息的存儲(chǔ)量越來越大，而掌上電腦、移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)等電子器件的發(fā)展更需要高密度、低能耗的存儲(chǔ)設(shè)備。例如，對(duì)一張高分辨率的彩色圖片（1024bit×768bit×24bit），如果不進(jìn)行壓縮，則需要接近20Mbit的存儲(chǔ)量，這就意味著存儲(chǔ)100張這樣的圖片需要2Gbit的存儲(chǔ)量。對(duì)2個(gè)小時(shí)這樣的高分辨圖片的VCD（30幀/s）而言，其存儲(chǔ)量將達(dá)到4Tbit。當(dāng)然，高級(jí)壓縮技術(shù)的確可以大大降低信息的存儲(chǔ)量，但仍然不能從根本上解決呈指數(shù)速率增長(zhǎng)的信息量。因此，發(fā)展一種快速度、高密度、低能耗的存儲(chǔ)器件，具有廣泛的應(yīng)用前景。1998年，Yano等人報(bào)道了128Mbit單電子存儲(chǔ)器的原始模型。第24頁/共78頁納米芯片芯片可以看作是集成電路塊。集成電路塊從小規(guī)模向大規(guī)模發(fā)展的歷程，可以看作是一個(gè)不斷向微型化發(fā)展的過程：20世紀(jì)50年代末小規(guī)模集成電路集成度為10個(gè)元件20世紀(jì)60年代末中規(guī)模集成電路集成度為1000個(gè)元件20世紀(jì)70年代末大規(guī)模集成電路集成度為10萬個(gè)元件20世紀(jì)80年代末特大規(guī)模集成電路集成度為＞100萬個(gè)元件隨著集成度的提高，做圖的條寬越來越小，現(xiàn)在已減小到0.3μm，1998年，IBM已研制成功存儲(chǔ)容量達(dá)到64兆位的動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器芯片，集成電路的條寬只有0.35μm。目前實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)為0.25μm，并向0.1μm進(jìn)軍。到2001年已降到0.13μm，即130nm。這是電子技術(shù)史上的第四次重大突破。今天，集成度已進(jìn)一步提高到1000萬個(gè)元件。集成電路的條寬再縮小，將出現(xiàn)一系列物理效應(yīng)，從而限制了微電子技術(shù)的發(fā)展。利用納米技術(shù)，開發(fā)納米芯片，將能解決這些問題。第25頁/共78頁“芯片巨人”英特爾公司于2000年12月公布,英特爾公司最新納米技術(shù)研制成功30nm晶體管芯片。新芯片的運(yùn)算速度達(dá)10GHz，是目前運(yùn)算速度最快的芯片運(yùn)算速度1.5GHz的7倍。它能在子彈飛行30cm的時(shí)間內(nèi)運(yùn)算2000萬次，或在子彈飛行25mm的時(shí)間內(nèi)運(yùn)算200萬次。英特爾公司稱，用這種新處理器制造的產(chǎn)品最早將在2005年以后投放市場(chǎng)。第26頁/共78頁納米電腦納米電腦包括量子計(jì)算機(jī)、超導(dǎo)電腦、化學(xué)電腦、生物電腦和神經(jīng)電腦傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的最小信息單位為位，而量子計(jì)算機(jī)的最小信息單位被稱為量子位。20世紀(jì)70年代，英國和美國最早開始對(duì)量子計(jì)算機(jī)進(jìn)行研究。1993年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研究證實(shí)，量子計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度比現(xiàn)有的數(shù)字計(jì)算機(jī)快得多。1994年，計(jì)算機(jī)科學(xué)家彼得·肖爾設(shè)計(jì)了一個(gè)具體的量子算法,這是一個(gè)革命性的突破。1996年，IBM公司著手建造量子計(jì)算機(jī)。2000年，中國科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工程開放實(shí)驗(yàn)室成功研制出4個(gè)量子位的演示用量子電腦，美國IBM公司又推出5個(gè)量子位的演示用量子電腦。預(yù)料：雖然量子電腦距離實(shí)用化還有很長(zhǎng)的一段路要走，但它取代硅芯片電腦可能只是時(shí)間問題。量子計(jì)算機(jī)第27頁/共78頁生物電腦電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度決定的?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn),蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子元件制成的集成電路，稱為生物芯片。使用生物芯片的電腦稱為蛋白質(zhì)電腦，或稱為生物電腦。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，在1mm2面積上可容納數(shù)個(gè)電路。因?yàn)樗囊粋€(gè)存儲(chǔ)點(diǎn)只有一個(gè)分子大小，所以存儲(chǔ)容量可達(dá)到普通電腦的10億倍。蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路大小只相當(dāng)于硅片集成電路的10萬分之一，而且運(yùn)轉(zhuǎn)速度更快，大大超過人腦的思維速度，生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息速度也比人腦思維速度快100萬倍。第28頁/共78頁生物分子集成電路在1cm3體積內(nèi)，可容納一個(gè)大型電子計(jì)算機(jī)的記憶裝置，其應(yīng)用前景十分誘人。所以，一些發(fā)達(dá)國家投入巨額資金，開發(fā)生物集成電路。它給我們?nèi)祟悗淼南Ｍ嵌喾矫娴?，不僅電腦可以做得超微型化，而且它的計(jì)算速度更快，存儲(chǔ)的信息更多。更重要的是，生物集成電路的問世，可以創(chuàng)造出許多過去連想都不敢想的奇跡來。例如，把生物集成電路片植入盲人的視網(wǎng)膜皮質(zhì)中，使盲人重見光明；把它植入截癱者的脊髓中，能使病人接受外界微弱的電信號(hào)而使四肢活動(dòng)起來。第29頁/共78頁有些科學(xué)家預(yù)言，21世紀(jì)初，生物電腦即可問世并成為商品。這將改變?nèi)藗兊纳睢⒐ぷ骱蛯W(xué)習(xí)方式。例如，人們很容易忘記許多事情，如有一臺(tái)生物電腦在身，它就可以把你每天所做的事或接觸的人，以及處理過的文字文件統(tǒng)統(tǒng)記錄下來，在存儲(chǔ)器中長(zhǎng)期存儲(chǔ)。當(dāng)你需要回憶時(shí)，只要打開生物電子計(jì)算機(jī)，它就可以把你需要查詢之事告訴你。有了它，我們學(xué)習(xí)任何一門科學(xué)，都會(huì)覺得極為方便，它可以給我們講課、復(fù)習(xí)、回答任何問題。至于在日常生活中，它可以幫助我們安排得井井有條，提醒我們應(yīng)該去做的事。第30頁/共78頁人腦有140億神經(jīng)元及10億多神經(jīng)節(jié)，每個(gè)神經(jīng)元都與數(shù)千個(gè)神經(jīng)元交叉相連，它的作用都相當(dāng)于一臺(tái)微型電腦。人腦總體運(yùn)行速度相當(dāng)于每秒1000萬億次的電腦功能。用許多微處理機(jī)模仿人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了神經(jīng)電腦。神經(jīng)電腦的信息不是存在存儲(chǔ)器中，而是存儲(chǔ)在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)中。若有節(jié)點(diǎn)斷裂，電腦仍有重建資料的能力，它還具有聯(lián)想、記憶、視覺和聲音識(shí)別能力。神經(jīng)電腦將會(huì)廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。它能識(shí)別文字、符號(hào)、圖形、語言以及聲納和雷達(dá)收到的信號(hào)，判讀支票，對(duì)市場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)，分析新產(chǎn)品，進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷，控制智能機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)汽車自動(dòng)駕駛和飛行器自動(dòng)駕駛，發(fā)現(xiàn)識(shí)別軍事目標(biāo)，進(jìn)行智能決策和智能指揮等。因此，神經(jīng)電腦又被稱為人工大腦，它是人類開發(fā)的第六代電腦。神經(jīng)電腦第31頁/共78頁日本科學(xué)家已開發(fā)出神經(jīng)電腦用的大規(guī)模集成電路芯片，在1.5cm2的硅片上可設(shè)置400萬個(gè)神經(jīng)元和4萬個(gè)神經(jīng)節(jié)，這種芯片能實(shí)現(xiàn)每秒2億次的運(yùn)算速度。富士通研究所開發(fā)的神經(jīng)電腦，每秒更新數(shù)據(jù)速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲音識(shí)別系統(tǒng)，能夠識(shí)別出任何人的聲音，正確率達(dá)99.8%。美國研究出由左腦和右腦兩個(gè)神經(jīng)塊連接而成的神經(jīng)電腦。右腦為經(jīng)驗(yàn)功能部分，有1萬多個(gè)神經(jīng)元，適用于圖像識(shí)別；左腦為識(shí)別功能部分，含有100萬個(gè)神經(jīng)元，用于存儲(chǔ)單詞和語法規(guī)則?，F(xiàn)在，紐約、邁阿密和倫敦的飛機(jī)場(chǎng)已經(jīng)用神經(jīng)電腦來檢查爆炸物，每小時(shí)可以查600～700件行李，檢出率為95%，誤差率為2%。第32頁/共78頁

磁學(xué)性能納米微粒的小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等使得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性。納米微粒的主要磁特性可以歸納如下：超順磁性納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，例如α-Fe，F(xiàn)e3O4和α-Fe2O3粒徑分別為5nm、16nm和20nm時(shí)變成順磁體。矯頑力納米微粒尺寸高于超順臨界尺寸時(shí)通常呈現(xiàn)高的矯頑力Hc。高磁化率納米磁性金屬的磁化率X是常規(guī)金屬的20倍。納米磁性材料第33頁/共78頁巨磁阻材料磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下的電阻改變的現(xiàn)象。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬或合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲(chǔ)元件上有廣泛的應(yīng)用前景。美國、日本和西歐都對(duì)發(fā)展巨磁阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量。1994年IBM公司研制成巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達(dá)5Gbit/in2，最近報(bào)道為11Gbit/in2，從而在與光盤競(jìng)爭(zhēng)中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化、廉價(jià)化，可廣泛用于數(shù)控機(jī)床、汽車測(cè)速、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器中。磁記錄材料

納米顆粒磁記錄材料、磁記錄薄膜納米磁性材料的應(yīng)用第34頁/共78頁高新技術(shù)材料是航空航天技術(shù)的基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展不斷對(duì)材料科學(xué)提出新的要求。航空航天結(jié)構(gòu)材料要求具有高的強(qiáng)度，低的密度，部分材料還要求具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨擦、耐高壓等性能。納米材料具有極佳的力學(xué)性能，如高強(qiáng)、高硬和良好的塑性。這些使得納米材料在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用前景。2、納米材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用第35頁/共78頁航空航天飛機(jī)外殼不同部位的溫度分布第36頁/共78頁鋁合金是傳統(tǒng)的制造超音速飛機(jī)或飛行器蒙皮的合金材料。而今，密度只有約鋁合金50%的鋰－鎂合金等，以其塑性好、強(qiáng)度高等特性開始大量用作導(dǎo)彈、宇宙、飛船的結(jié)構(gòu)材料。為了進(jìn)一步提高這些新型合金的性能，納米相及納米金屬間化合物彌散補(bǔ)強(qiáng)合金可大幅度提高材料的強(qiáng)度，降低材料的用量，減輕飛行器的質(zhì)量，從而提高飛行器的飛行速度和性能。納米金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)材料第37頁/共78頁

金屬焊接通常都是在高于金屬熔點(diǎn)的高溫下進(jìn)行，但是，對(duì)于飛行器或其他部位的焊接將是非常困難的，為了保證相差儀表及傳感器不受影響，只有采用納米焊接。一方面隨著顆粒尺寸的減小，納米材料的熔點(diǎn)不降，另一方面隨著顆粒比表面積的提高，擴(kuò)散速度大幅度上升。金的熔點(diǎn)為1064℃，10nm金的熔點(diǎn)為940℃，2nm金的熔點(diǎn)為833℃。俄羅斯科學(xué)家利用納米焊接技術(shù)對(duì)和平號(hào)太空站的外殼裂紋及儀表等進(jìn)行了多次成功的納米焊接修補(bǔ)。使和平號(hào)太空站的服役時(shí)間延長(zhǎng)了近3倍。納米焊接第38頁/共78頁涂層材料是航空航天材料中的重要組成部分。隨著航空航天技術(shù)及材料科學(xué)的不斷發(fā)展，航空航天涂層材料已經(jīng)由過去的單一功能發(fā)展成為集防護(hù)、裝飾與特殊功能（如隱身）于一體多功能復(fù)合涂層材料。已由單一有機(jī)或無機(jī)涂層發(fā)展成為集表面處理、納米改性及有機(jī)-無機(jī)涂層技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合功能材料涂層。納米復(fù)合涂層材料第39頁/共78頁

作用：防止金屬材料的腐蝕和延緩復(fù)合材料的老化，從而保證飛行器的安全飛行和延長(zhǎng)飛行器壽命。金屬及合金的納米涂層材料：提高材料的抗腐蝕性能及適當(dāng)提高耐磨性能。陶瓷材料納米涂層：用于耐高溫、抗腐蝕、耐磨、高強(qiáng)度、電絕緣等關(guān)鍵部位。塑料與高分子納米復(fù)合涂層材料：增強(qiáng)涂層結(jié)合強(qiáng)度，提高涂層抗腐蝕能力，防止塑料老化變脆。防護(hù)涂層第40頁/共78頁“隱身”這個(gè)名詞，顧名思義就是隱蔽的意思。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種探測(cè)手段越來越先進(jìn)。例如，用雷達(dá)發(fā)射電磁波可以探測(cè)飛機(jī)；利用紅外探測(cè)器可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線的物體。當(dāng)前，世界各國為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，提高在軍事對(duì)抗中的實(shí)力，也將隱身技術(shù)作為一個(gè)重要研究對(duì)象，其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要的地位。納米隱身涂層是包含納米微波涂層、納米光學(xué)及紅外涂層等技術(shù)的一種特性功能的復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。納米隱身材料第41頁/共78頁隱身技術(shù)是當(dāng)代軍事領(lǐng)域中舉世矚目的高新技術(shù)之一，它與激光、巡航導(dǎo)彈并稱為當(dāng)代軍事技術(shù)的三大革命，因此受到世界各國的重視。目前的隱身技術(shù)主要有反聲納探測(cè)技術(shù)、反雷達(dá)探測(cè)技術(shù)、反光學(xué)探測(cè)技術(shù)和反紅外探測(cè)技術(shù)。美國的隱身技術(shù)最先進(jìn)，1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，美國第一天出動(dòng)的戰(zhàn)斗機(jī)就躲過了伊拉克嚴(yán)密的雷達(dá)監(jiān)視網(wǎng)，迅速到達(dá)首都巴格達(dá)上空，直接摧毀了電報(bào)大樓和其他軍事目標(biāo)，在歷時(shí)42天的戰(zhàn)斗中，執(zhí)行任務(wù)的飛機(jī)達(dá)1270架次，使伊軍95%的重要軍事目標(biāo)被毀,而美國戰(zhàn)斗機(jī)卻無一架受損。這場(chǎng)高技術(shù)的戰(zhàn)爭(zhēng)一度使世界震驚。第42頁/共78頁

為什么伊拉克的雷達(dá)防御系統(tǒng)對(duì)美國戰(zhàn)斗機(jī)束手無策？為什么美國的導(dǎo)彈擊中伊拉克的軍事目標(biāo)如此準(zhǔn)確？空對(duì)地導(dǎo)彈擊中伊拉克的坦克為什么有極高命中率？一個(gè)重要的原因就是美國F117A型戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)身表面包覆了紅外與微波隱身材料，它具有優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達(dá)的監(jiān)視。而伊拉克的軍事目標(biāo)和坦克等武器沒有防御紅外線探測(cè)的隱身材料，很容易被美國戰(zhàn)斗機(jī)上靈敏紅外線探測(cè)器所發(fā)現(xiàn)，并通過先進(jìn)的激光制導(dǎo)武器很準(zhǔn)確地?fù)糁?。?3頁/共78頁美國F117A型飛機(jī)蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子，它們對(duì)不同波段的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力。為什么超微粒子，特別是納米粒子對(duì)紅外和電磁波有隱身作用呢？主要原因有兩點(diǎn)：一方面由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微米材料對(duì)這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微米材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多。第44頁/共78頁納米粒子作為催化劑有著許多優(yōu)點(diǎn)：首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高；另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會(huì)重新結(jié)合。因此電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多，化學(xué)反應(yīng)活性高。納米粒子的光催化成為一項(xiàng)正在蓬勃發(fā)展的應(yīng)用于水與空氣凈化、修復(fù)的高新技術(shù)。3、納米技術(shù)在環(huán)保和能源領(lǐng)域的應(yīng)用納米粒子光催化第45頁/共78頁工業(yè)生產(chǎn)中燃料使用產(chǎn)生的有害氣體汽車排放的尾氣（主要）（大城市中40%以上NOX，80%以上的CO和70%以上的碳?xì)浠衔飦碓从谄囄矚獾呐欧盼廴荆┘{米材料在空氣凈化中的應(yīng)用空氣污染源解決對(duì)策空氣污染物質(zhì)：一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）。開發(fā)替代燃料研究用于控制和減少汽車尾氣對(duì)大氣污染的材料第46頁/共78頁納米材料具有處理空氣污染方面的原理納米材料具有較小的顆粒尺寸，而且納米微粒表面形態(tài)隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凸凹不平的原子臺(tái)階，從而起到以下三個(gè)方面的作用：①提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)率②決定反應(yīng)路徑，良好的選擇③降低反應(yīng)溫度納米汽車尾氣超標(biāo)報(bào)警器納米材料制備與組裝的汽車尾氣傳感器，通過對(duì)汽車尾氣排放的監(jiān)控，及時(shí)對(duì)超標(biāo)排放進(jìn)行報(bào)警，并調(diào)整合適的空燃比，達(dá)到降低有害氣體排放和燃油消耗的目的。第47頁/共78頁納米級(jí)助燃催化劑復(fù)合稀土化合物的納米級(jí)粉體有極強(qiáng)的氧化還原性能，這是其他任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應(yīng)用可以徹底解決汽車尾氣中的一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOX）的污染問題。以活性炭作為載體，納米Zr1/2Ce1/2O2粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+，電子可以在其三價(jià)和四價(jià)離子之間傳遞，因此具有極強(qiáng)的電子得失能力和氧化還原能力，再加上納米材料比表面積大、空間懸鍵多、吸附能力強(qiáng)，因此它在氧化一氧化碳的同時(shí)還原氮氧化物，使它們轉(zhuǎn)化為對(duì)人體和環(huán)境無害的氣體—二氧化碳和氮?dú)?。?8頁/共78頁納米材料在污水處理中的應(yīng)用污水治理就是將污水中通常含有的有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染問題，污水治理一直得不到很好的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑AlCl3的10~20倍，因此它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來。然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置，有效地除去水中的鐵銹、泥沙以及有異味的污染物。若再經(jīng)過帶有納米孔徑和特殊水處理膜和帶有不同孔徑的陶瓷小球組成的處理裝置，可將水中的細(xì)菌、病毒100%去除。第49頁/共78頁

TiO2具有兩種特殊的光感應(yīng)現(xiàn)象，一種是我們前面提到的光催化現(xiàn)象，第二種是最近才發(fā)現(xiàn)的親水性，這種現(xiàn)象被稱為超親水性。超親水性是1995年在ToTo公司的實(shí)驗(yàn)室里意外發(fā)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)TiO2薄膜在制備過程中摻入一定百分比的SiO2時(shí)，TiO2薄膜在緊外光的照射下獲得了超親水性。光誘導(dǎo)超親水性的機(jī)理如下：電子將Ti(Ⅳ)離子還原成Ti(Ⅲ)，空位將去氧化氧離子。氧原子被逐出形成氧空位，水分子可以占據(jù)這些空位產(chǎn)生OH基團(tuán)，從而使表面具有親水性。自清潔表面第50頁/共78頁圖光誘導(dǎo)超親水性的機(jī)理第51頁/共78頁性能種類應(yīng)用自清潔道路房屋建筑物電器和電子設(shè)備交通工具日常用品隧道墻面、隧道照明燈、隔聲墻、廚房衛(wèi)生間的瓷磚、屋內(nèi)瓷磚、窗戶鋁質(zhì)面板、建筑用磚、結(jié)晶玻璃、計(jì)算機(jī)的顯示器、太陽能電池的覆蓋玻璃、擋風(fēng)玻璃及車前燈的內(nèi)表面涂層、餐具、廚具、噴射的防污涂層防霧道路房屋商店交通工具日常用品光學(xué)儀器公路指示牌浴室及換衣間的鏡子需冷凍的陳列櫥玻璃內(nèi)表面，后視鏡房屋涂層和薄膜光學(xué)透鏡長(zhǎng)久以來，許多公司嘗試開發(fā)自清潔面，尤其是自清潔窗。其中一條途徑就是使所需的表面具有較高的親水性，從而水流足夠?qū)⒃斐晌埸c(diǎn)的有機(jī)化合物替換掉。超親水性的應(yīng)用見下表。表超親水性的應(yīng)用第52頁/共78頁隨著工業(yè)的發(fā)展和人類物質(zhì)生活及精神文明的提高，能源的消耗也與日俱增，世界上最近25年內(nèi)能源的消耗相當(dāng)于過去100年的消耗。地球上天然礦物的一次能源如石油、煤炭和天然氣等存儲(chǔ)量快速減少，同時(shí)能量消耗的急劇增長(zhǎng)又導(dǎo)致人類生存環(huán)境的惡化，因此在開發(fā)新能源的同時(shí)必須考慮能源的高效利用及盡可能降低對(duì)環(huán)境的污染。除太陽能、風(fēng)能、水能和生物能等再生能源外，氫能以其特有的優(yōu)勢(shì)和豐富的資源受到廣泛重視。氫是宇宙中最豐富的元素，占宇宙總質(zhì)量的75%，地球上也分布著氫，取之不盡，用之不竭。氫的燃燒產(chǎn)物是水，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染。因此，氫能是一個(gè)有待進(jìn)一步開發(fā)的再生能源。燃料電池第53頁/共78頁燃料電池是利用氫元素與氧元素反應(yīng)生成水的化學(xué)反應(yīng)而制成的低公害電池。它由催化劑、電極和離子傳導(dǎo)膜構(gòu)成（見圖），一端的電極附著有用于使氫分子分離為電子和氫離子的催化劑，另一端電極則附著有可使氫離子與空氣中的氧元素反應(yīng)生成水的反應(yīng)催化劑。電極之間用膜隔開，氫離子可在這層膜間移動(dòng)。為了使氫元素和氧元素的反應(yīng)盡可能高效率進(jìn)行，有必要使用大小為納米級(jí)的貴金屬粒子對(duì)催化劑進(jìn)行分散，此外，為了使氫離子、空氣及氫氣或水蒸氣能迅速移動(dòng)，還必須在電極上設(shè)置適當(dāng)?shù)目障?。電極之間的膜則要求具有電子無法通過，而氫離子可以自由通過的特性。為了使0.1~1納米大小的分子和離子高效率地活動(dòng)和反應(yīng)，采用納米材料可以進(jìn)行控制。第54頁/共78頁固體高分子型燃料電池的基本原理固體高分子型燃料電池的工作原理圖第55頁/共78頁被稱為“納米生物技術(shù)”的新領(lǐng)域最近備受注目。生物是由大小數(shù)納米至數(shù)十納米的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖、核酸等生物分子結(jié)合，構(gòu)成細(xì)胞內(nèi)的核及微小的器官，再由這些細(xì)胞構(gòu)成生物組織和生物的。這些生物分子分別被配置在各細(xì)胞內(nèi)，相互間有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行代謝反應(yīng)及合成反應(yīng)，接收、傳輸或轉(zhuǎn)換信息，生產(chǎn)能源、運(yùn)動(dòng)等，換句話說，生物是由納米水平的生物分子為中心構(gòu)成構(gòu)造體，再由這些構(gòu)造體集聚起來，相互作用，發(fā)揮各自的功能，從而形成生命現(xiàn)象的。這些生物分子具有自集合、自組化、自我復(fù)制等令人驚異的功能，可以說，生物體本身就是納米技術(shù)的最好樣板。目前，納米技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合而成的納米生物技術(shù)這一新的技術(shù)開發(fā)領(lǐng)域在迅速成長(zhǎng)，人們對(duì)它寄予了極大的期待。4、納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用第56頁/共78頁

向身體施以藥物，藥物即會(huì)向全身擴(kuò)散分布，在不需要藥物的部位也發(fā)生作用，這種藥物作用稱為副作用，假如是抗癌藥物的話，其引起的后果有時(shí)會(huì)是非常嚴(yán)重的，為了解決這個(gè)問題，人們?cè)O(shè)想了“在必要的時(shí)候、必要的部位、以必要的量使藥物產(chǎn)生作用”的藥物傳輸系統(tǒng)（DDS）。藥物傳輸系統(tǒng)（DDS）第57頁/共78頁

圖1巨分子與樹突