納米材料技術(shù)及其應(yīng)用

TheSmallWorld主講教師：李科敏2021年5月27日一、幾個(gè)有關(guān)的概念

1、納米〔nm〕：它是長度單位，1納米=米。一根頭發(fā)的直徑一般為7000-8000納米。

2、納米材料：尺度在0.1—100納米這個(gè)范圍，具有不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。

如果僅僅是尺度到達(dá)納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。3、納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)：如可以用納米材料制成具有識(shí)別能力的納米生物細(xì)胞或生物醫(yī)藥，注入人體內(nèi)后可以用于定向殺死癌細(xì)胞等有害人類健康的細(xì)胞或病毒。

4、納米電子學(xué):包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等，滿足當(dāng)前電子器件和系統(tǒng)“更小、更快、更冷〞的趨勢要求；更快是指響應(yīng)速度要快。更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。四、納米材料的根本性質(zhì)

1、小尺寸效應(yīng)：當(dāng)顆粒尺寸減小到納米量級(jí)時(shí)，一定條件下導(dǎo)致材料宏觀物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著地變化。例如，由于比外表積大大增加，使納米材料具有極強(qiáng)的吸附能力；光吸收顯著增強(qiáng)；納米陶瓷可以被彎曲，其塑性變形可達(dá)100%；納米微粒的熔點(diǎn)低于塊狀金屬，如塊狀金熔點(diǎn)為1337K，而2nm的金微粒的熔點(diǎn)只有600K?！靶〕叽缧?yīng)〞舉例

⑷特殊的熱學(xué)性質(zhì)：當(dāng)人們足夠地減少組成相的尺寸的時(shí)候，由于在限制的原子系統(tǒng)中的各種彈性和熱力學(xué)參數(shù)的變化，平衡相的關(guān)系將被改變。固體物質(zhì)在粗晶粒尺寸時(shí)，有其固定的熔點(diǎn)，超細(xì)微化后，卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm時(shí)尤為顯著。

⑸特殊的力學(xué)性質(zhì)：如納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，這是因?yàn)榧{米微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子的排列相當(dāng)混亂。原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性能。這就是目前的一些展銷會(huì)上推出的所謂“摔不碎的陶瓷碗〞。四、納米材料的根本性質(zhì)

2、外表效應(yīng)：物質(zhì)的尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，將引起物質(zhì)外表原子數(shù)、外表積、外表能的迅速增加，從而引起物質(zhì)的化學(xué)活性、物理性質(zhì)〔光熱電磁力〕的明顯變化。例如，5nm的粒子，外表原子占50%；而2nm的粒子，外表原子占80%。

外表原子增加，因其周圍缺少相鄰的原子而有許多懸空不飽和鍵，這使納米材料的外表能增高，從而大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無法比較的優(yōu)越性。四、納米材料的根本性質(zhì)

3、量子尺寸效應(yīng)：隨著粒子由宏觀尺寸進(jìn)入納米范圍，準(zhǔn)連續(xù)能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級(jí)能隙變寬的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。這種量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子具有與宏觀物質(zhì)截然不同的反常特性?！步麕Ъ訉挕?/p>

例如，粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時(shí)出現(xiàn)由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體的現(xiàn)象。四、納米材料的根本性質(zhì)

4、宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如納米粒子的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的根本原理就是基于量子隧道效應(yīng).

宏觀量子隧道效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)將會(huì)是未來微電子、光電子器件的根底。它們確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。四、納米材料的根本性質(zhì)

5、庫侖阻塞效應(yīng)：當(dāng)微粒的尺寸到達(dá)納米級(jí)時(shí)，這個(gè)體系的充電和放點(diǎn)是不連續(xù)〔量子化〕的。即電流隨電壓不再成線性增加而是階梯式增加。此時(shí)充入一個(gè)電子所需的能量成為庫侖阻塞能，它是電子進(jìn)入和離開體系時(shí)前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子的庫侖排斥能，所以，對(duì)一個(gè)納米體系的充放電過程中，電子不能連續(xù)的集體傳輸，而是一個(gè)個(gè)單電子的傳輸，這種納米體系中電子的單個(gè)輸運(yùn)現(xiàn)象叫做庫侖阻塞效應(yīng)。五、納米碳管

納米碳管的外徑在1~50納米，長度一般從幾~幾百個(gè)微米〔1微米=1000納米〕，管壁分為單層和多層，多層碳納米管有多個(gè)單層納米管套疊而成。1、碳納米管可以因碳管的直徑和其中石墨層的卷曲方式不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。2、碳納米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飛行器的隱形材料。3、碳納米管具有很高的比面積，可用于催化劑的載體。六、納米生物材料的內(nèi)容和應(yīng)用前景

1、納米生物材料，包括納米醫(yī)用載體、納米生物器件和納米醫(yī)藥等。

納米生物材料的科學(xué)根底是基于基因特征的分子表達(dá)，生物分子功能，生物大分子之間、大分子與外表之間、細(xì)胞與外表之間的規(guī)律與機(jī)理的認(rèn)識(shí)。六、納米生物材料的內(nèi)容和應(yīng)用前景

2、納米生物材料的應(yīng)用前景主要表達(dá)在：

〔1〕生物分子的操作和組裝。

〔2〕生物分子機(jī)器。

〔3〕生物分子芯片。

〔4〕生物分子識(shí)別系統(tǒng)。

〔5〕可以調(diào)控的功能分子膜。

〔6〕自組裝分子膜。

八、納米材料在信息領(lǐng)域的應(yīng)用

4、納米光學(xué)材料：

〔2〕光子儲(chǔ)存器：光子存儲(chǔ)的根本原理是基于光子同物質(zhì)〔記錄信息的介質(zhì)〕的直接相互作用。它的最大優(yōu)點(diǎn)是：

〔i〕超高的記錄速度〔很容易到達(dá)納秒或皮秒量級(jí)〕

〔ii〕超高的分辨率〔在理論上到達(dá)分子水平〕

〔iii〕超高的存儲(chǔ)密度〔儲(chǔ)存容量特大〕八、納米材料在信息領(lǐng)域的應(yīng)用

4、納米光學(xué)材料：

〔3〕光電腦：即光電腦，它是由激光器、透鏡、反射鏡等組成的電腦。

〔i〕光電腦是依靠激光束進(jìn)入透鏡和反射鏡組成的陳列來對(duì)信息進(jìn)行處理的，其處理信息的速度可達(dá)現(xiàn)有半導(dǎo)體硅器件的1000倍。

〔ii〕不同光束相交時(shí)可以互不影響地獨(dú)立傳播，這使得光電腦能夠在極小的空間內(nèi)開辟很多平行的信息通道，如：一塊4平方厘米的通道空間，其容量超過全球現(xiàn)有電纜總和的許多倍。十一、社會(huì)需要真納米

目前，國內(nèi)有關(guān)納米產(chǎn)品進(jìn)入平民百姓家的報(bào)道有些炒作成分，媒體和廣告對(duì)納米產(chǎn)品的宣傳還缺少科學(xué)精神和社會(huì)責(zé)任感。納米水、納米化裝品、納米內(nèi)衣、納米洗衣機(jī)、納米冰箱等產(chǎn)品的成效令人疑心。

如廣告：大米粥小米粥，我們要喝納米粥。

“納米水〞的報(bào)道：……喝納米水能養(yǎng)額、美