《纳米大科学》PPT课件.ppt

纳米科学与纳米技术,1 纳米世界里的大科学 纳米科学与技术简称纳米科技，是一项新兴的科学研究，纳米科技值得一搏，但不是每个参入者都有把握赌赢。,1.1 人类对自然界的认识 人类对自然世界的认识始于宏观物体又溯源于原子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入细致的研究。 客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。 在宏观领域和微观领域之间，存在着一片有待开拓介观领域，也称为中等尺度领域。 纳米微粒是自然界物质结构的一个层次，它的尺度大于原子簇，一般在1100nm之间。 纳米微粒属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域。 从微观或宏观看，这种系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。,这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸的范围，介观领域中出现了许多奇异的崭新的物理、化学特性，成为当今凝聚态物理学的热点。 凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。由于纳米体系和团簇特殊物理性质，又是介观领域研究的重点。 1.2 纳米科学与技术研究的尺度 纳米尺度范围一般从形式上界定为1100nm左右，但并非严格的科学界定，应根据不同研究领域，根据纳米尺度范围内物理、化学等特性确定。 原子是组成物质的基本单位，原子的不同方式排列使自然界多姿多彩。 1959年，美国物理学家理查德费曼设想，在原子和分子水平上操纵和控制物质。,纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅含几十个到几万个原子的纳米微粒，把它作为基本单元，适当排列成一维的量子线、二维的量子面、三维的纳米固体。 纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论受到了挑战。 纳米科技是现代科学和先进技术结合的产物，它不仅为人类提供新颖的装置，而且在物理学、化学、生物学、材料学、矿物学等领域中有广阔的前景，对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意义。,1.3 纳米科学与技术的未来 微米科技在二十世纪七十年代以来的信息科学中占有中心地位，新兴纳米科技在新的二十一世纪信息科学中将起革命性的作用。 纳米材料，将是二十一世纪新兴材料科学和技术发展的一个新的方向。 大量研究证明，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、多元配合物合成等，都是与纳米尺度密切相关的研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行再深入研究，可能会有新的发现与新的突破。 新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。 纳米微粒的结构研究，将促使物理学、化学、材料科学、矿物学工作者认识改造客观世界进入一个新层次，将使自然科学和技术等向更高层次发展。,1.4 纳米物质结构 纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是由两种组元构成：一是具有纳米尺度的颗粒，称为“颗粒组元”，它由颗粒中的所有原子构成；一是这些颗粒之间的分界面，称为“界面组元”。纳米固体颗粒极小，界面组元所占的比重显著增大。 纳米微粒直径为5nm时，界面组元的体积将占全部体积的50左右。纳米固体中一半左右的原子是分布在界面内，这样大量的纳米微粒又使得纳米固体每立方厘米体积内就存在有1019个不同的界面结构，纳米固体中的界面组元就是所有这些界面结构的组合，且所有界面原子间距又各不一样。 所以，这些界面的平均结果将导致各种可能的原子间距取值在界面组元均匀分布。界面组元内的原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态。,由于纳米微粒的物相不同，纳米固体可分为纳米晶体和纳米非晶体。 纳米微粒具有长程有序的晶态结构或短程有序的非晶态结构，而微粒间的分界面是既没有长程有序也没有短程有序的无序结构。 这种结构的特点是：有序部分尺寸极小，一般为515nm，含有的分子很少(约几百个分子)，界面部分占总体积的百分比很大(约50)，缺陷结构极多(大于70)。 纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料的基本特性是，小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料等呈现出许多奇异的物理、化学性质。 纳米固体的重要特性受4个方面影响：,1）小尺寸效应 当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特性均会出现新的小尺寸效应。 2）表面与界面效应 纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面的原子占相当大的比例，见表。 表 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳米微粒尺寸/nm 包含总原子数 表面原子所占比例/ 10 3104 20 4 4103 40 2 2.5102 80 1 30 99,*如粒径为4nm的微粒，包含4 000个原子，表面原子占40；*粒径为1nm的微粒，包含30个原子，表面原子占99。 随着粒径的减小，表面原子所占比例迅速增大，这是由于粒径小，表面原子增多所致。 *例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2g； *粒径为5nm时，比表面积为180m2g； *粒径下降到2nm，比表面积增至450m2g。 这样高比例的比表面积，使处于表面的原子数越来越多，增大了纳米粒子的活性。 例如，*金属的纳米粒子在大气中会燃烧，*无机材料的纳米粒子在大气中会吸附气体并与之进行反应。 这种表面原子的活性，不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。 上述情况，被称之为“表面与界面效应”。,3）量子尺寸效应 所谓量子尺寸效应，是指当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。 纳米微粒中所含原子数有限，这就导致能级间距发生分裂。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。 当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有显著不同，称为“量子尺寸效应”。 4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力，称为隧道效应。近年发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子尺寸效应通量等具有隧道效应，称为“宏观量子隧道效应”。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要意义。,小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质。 人类对矿物学的认识，往往注重宏观矿物单体、聚合体的形态及有关特性，注重微观矿物成分及原子排列的情况，而对于纳米矿物微粒、纳米矿物固体、纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。 在传统矿物学研究中，把矿物看成理想的晶体点阵，但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒、纳米矿物固体和纳米矿物结构特征以及与此有关的岩石学、矿床学、构造地质学、地球化学等地质学科。 在一些特定的物理化学条件下也会出现纳米微粒聚合体，如：粘土矿物、沸石、胶体矿物、火山熔岩、火山玻璃、陨石玻璃、熔壳、构造岩等中存在着纳米固体物质。纳米科学技术的发展，开创了纳米矿物学研究的新领域。 矿物学研究促使矿物学者对自然界的认识改造进入一个新层次，将使地质学科向更高层次发展。,1.5 纳米科技研究领域 纳米科技研究的领域是宏观和微观之间的中间领域，开辟了人类认识世界的新层次，使人们改造自然的能力达到分子、原子水平，标志着自然科学技术发展进入了一个新时代，即纳米科技时代。 纳米科技研究主要包括：纳米物理学；纳米化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学；纳米加工学；纳米力学；纳米矿物学等等。 *美国科学家，利用扫描隧道显微镜（STM）直接操作原子，在镍基板上，移动原子刻出“IBM”字样。*日本科学家将硅原子堆成一个“金字塔”，实现了原子三维空间立体搬迁。*美国的科学家还制造了超快的氙原子开关。*英国科学家制造出一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”、“关”的特性。*纳米科技研究工作将可能使美国国会图书馆的藏书全部存储在一个直径仅为0.3cm的硅片上。,*1984年德国格莱特(H. Gleiter)等制造出一种纳米微粒压制烧结而成的纳米固体，*1987年美国西格尔(R. W. Siegel)制造出纳米陶瓷材料，*1988年前苏联制造出千克级的纳米固体，*1990年美国制成纳米晶与多晶的复合材料。*中国科学院在1986年开始了纳米科技研究，制备出了纳米微粒，纳米固体。 *纳米生物学是在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列重大问题上起到十分重要的作用。 纳米科技使基因工程变得更加可控，可根据需要，制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化。纳米生物工程、化学工程合成的“食品”，将极大丰富食品的数量和种类。,纳米科技的出现可能为解决人类由于人口迅长所面临刻不容缓的问题提供新途径。 纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向，纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。 纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决。 医生可以应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。,药物也可以制成纳米尺寸，并直接注射到病灶部位，这样可以大大提高医疗效果，减少副作用。 C60的开发利用及纳米碳管，是高新纳米材料中精品。 目前，纳米科技正处于重大突破的前期，引起关心未来发展的科学家们的思考。 美国IBM公司首席科学家Armstrong说：“正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科技将成为下一世纪信息时代的核心。” 科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，将是21世纪又一次产业革命。” 纳米新科技将成21世纪科学的前沿和主导科学。目前正处于基础研究阶段，是物理、化学、生物、材料、电子等多种交叉汇合点。,1.6 纳米科学和技术的问世 A.爱因斯坦在其博士论文中，依据糖在水中扩散的实验，计算出一个糖分子的直径大约为1nm。 1nm是1m的十亿分之一，是微观尺度的核心。10个氢原子一个个并排起来，其宽度就是1nm，相当于一个针头大小的百万分之一,一般细菌的长度的千分之一。 在A. 爱因斯坦发表这一卓越见解将近100年后，纳米尺度在科学研究中的重要性迅速地膨胀起来。如果爱因斯坦今天是一位正在寻找其事业方向的研究生，他的博士导师或许会劝诫催促他考虑微观的东西：“去搞纳米科技吧，爱因斯坦！”。 纳米科技是继生物医学与信息科学之后最为热门的学科。纳米科技领域是一只庞大的百宝箱，急待开发的科学园地。 纳米科技大量吸取了物理学、化学、生物学以及许多其他学科的重要成果。,一大批材料科学家、物理学家、化学家、生物学家，成了纳米科技方面的专家，一些新颖的、动人的、尖端的、前沿的东西将由他们研究出来。 1959年，R.Feynman在他著名的讲话最底下一层大有发展潜力中探讨了微型化、纳米化的前景。 纳米科技是一个值得大量投入资金的研究领域，2000年美国宣布了“国家纳米技术计划”，大幅度增加对纳米科技的资助，到2001年财政年度拨出经费为4.22亿美元，对纳米科技的资助比上一年猛增了56%。 纳米科技热还在火爆发展，纳米热的兴起并不只限于美国，其他国家对纳米科技的投资总额已经达到10多亿美元。,1.7 纳米科学与技术 纳米科技的定义是一个重要复杂的问题。一些纳米科技涉及的并非纳米尺度、而是微米尺度上的结构，比纳米尺度大了1000倍或更多。许多情况下，纳米科技是对纳米结构的基础研究，此类结构至少有一个维的长度是1纳米到几百个纳米。 （1）纳米尺度中的科技 早在数十亿年前，大自然就创造出了纳米结构。纳米科技是一个客观世界。 1）纳米大小的炭黑颗粒作为一种增强剂已经在轮胎中使用了100年。 2）一些疫苗常常含有一种或数种纳米尺度的蛋白质，这也属于纳米科技问题。 3）大量病毒都是纳米尺度的，例如天花病毒约400nm、艾滋病毒约100nm、SARS病毒约60120nm。,4）许多天然粘土矿物具有纳米尺度，其许多特性与纳米科技问题相关。 5）新兴的纳米生物技术、生物克隆技术等都与纳米科技密不可分。 纳米世界是单个原子和分子的世界与宏观世界之间的神秘的结合部位。 前者是量子力学占支配地位，后者则是无数原子的集体行为形成了物质的整体性质。 在其小的一端，也就是1nm左右的尺度范围内，纳米尺寸与物质的基本结构单元相近，因此它确定了最小的天然结构，从而成为微型化过程的最终极限值，不可能造出比它更小的结构了。 超出200nm的研究问题一般归为微米尺度的问题。,（2）纳米科技的定义 纳米科技可以定义为，在纳尺度1数百nm左右范围内，研究物质的特性和相互作用包括原子、分子操作，以及利用这些特性的、多学科交叉的科学和技术。 纳米材料是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米科技领域涉及的是具有下列几个关键特征的材料与系统： 1）必须至少有一个维具有从1nm到数百个nm左右的尺度。 2）设计过程必须体现微观的操作与控制能力，能够从根本上左右纳米尺寸的结构的物理性质与化学性质。 3）能够组合起来形成更大的结构。 4）这种纳米结构可能具有优异的电学、光学、磁学、机械、化学等性能，至少是在理论上具备这样的性能，但不能理解为越小就越好。,5）把原子和分子按设计方案一个一个地排布起来，而这种原子、分子排布出的纳米结构必须具有可利用范围内的化学稳定性。 纳米结构的确是存在的。把夹有厚度小于1nm的若干非磁性层交错地夹在磁性层中，便做成了磁盘驱动器的探头，其灵敏度要比先前的磁头高出许多倍，从而使每块磁盘的表面上能够存储更多的数据。1997年以来，这类巨磁阻磁头成了售额为数十亿美元的存储器行业的启动技术。 纳米革命的象征，就是扫描探针显微镜，包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜等，这类显微镜能够产生单个原子的图像，并将单个原子从一处移动到另一处。能够对单个分子或原子成像并进行原子或原子操纵的新工具，将迎来纳米科技的新时代。 IBM公司甚至把原子力显微镜中使用的纳米级针尖安装在一块微芯片的1 000多根微型悬臂上。,（3）纳米结构的制造方法 已经涌现出各种各样制造纳米结构的方法。 1）“从上到下”的制造技术。采用了类似于雕刻的过程，也就是对材料表面上进行切削和加工，或者将另外的材料加在表面上。微芯片制造是最引人注目的一个实例，现在微芯片上的电路线宽已经缩小到了100nm以内。 2）“从下到上”的制造技术。它通过自组装过程装配出较大的结构。自组装过程的原理是让原子和分子在适当的条件下自发地形成有序排列。纳米碳管及富勒烯系列就是自组装纳米结构的一个好例子。 3）从大到小。是指物理方法，即通过各种物理学原理，使材料、矿物等粉末化，再进一步纳米化。 4）从小到大。是指化学方法，即通过各种化学合成原理，使原子、分子、晶胞等组装成纳米级结构的物质。 5）综合方法。包括科学合理采用物理、化学、物理化学、生物物理、生物化学等方法获得纳米结构物质。,纳米科技的核心是纳米结构材料，此类材料可能有助于缩小航天器的尺寸、减轻其重量并降低其能耗，有助于创造将有害副产物排放减到最低的绿色制造工艺，有助于为通过分子工程制造的可生物降解的杀虫剂打下基础。 这个领域的范围极宽广，而且一些纳米科技中的基础研究仍然在起步阶段，可能需要几十年才能实现其预期的技术目标。 1.8 纳米科技的未来 （1）纳米科技的基本理论 纳米技术器件比宏观物体小，但比分子大，属于一个独特的中尺度领域。 在这一领域中，物质的性质是由经典物理学与量子力学的复杂结合所支配的。只有认识了在纳米尺寸占支配地位的物理学原理之后，科学家们才能够做出可靠的、优质的纳米器件。通过建造一些不寻常的、复杂的原子系统并探测它们的奇特行为，科学家逐步发现中尺度的法则。,掌握了纳米科技的科学原理，就能理解RFeynamn的远见：在纳米世界中大自然为人们留下了足够广阔的用武之地，使科学家能创造出无数纳米实用器件以造福于人类。 （2）纳米级芯片 纳米科技，可以使电子芯片的电路尺寸不断缩小。新的纳米技术电子器件就可能取而代传统的硅电子技术。不久的将来，用纳米管或某种纳米新奇材料来制造电子器件，能使芯片性能的不断提高，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造的成本。 纳米技术所制造的电子器件可以融入一些将会揭示的生物细胞（微型机器）之奥秘的新颖装置中。在硅时代之后纳米计算机诞生之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途。为了探测细胞的活性，只需要相当少的用半导体材料制作的纳米标记，它将利用半导体量子点作为生物实验、药物研究、诊断化验以及其它种种应用场合中的标记。,（3）尖端的纳米科技研究 1981年G.Binnig 和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜，1986年荣获诺贝尔物理学奖，为科学技术的发展开创了纳米科技新领域。 美国K.E.Drexler在他所著的创世机器一书中描述了如何对物质的操作和控制，引起巨大的轰动，这些幻想的确给纳米科学家带来了灵感和启发。 纳米科技在一段时间里一直被这种幻想的色彩笼罩着，然而这些幻想却给纳米科技带来一些意想不到的好处。 K.E.Drexler对纳米技术的预测，巧妙地将科学与幻想融为一体。 关于细胞修理机以及家用食物培养机的种种讲述使人们在纳米科技研究中也受到影响，不知不觉地利用这些微型机器来使人们注意到自己的研究项目。 将一项研究冠以“纳米科技”，要比称它为“中尺度材料科学”更为科学和诱人。,K.E.Drexler的科学幻想论述的一个明显好处，是使一些人更关注纳米科技的发展。在这种的想象力的启发下，一大批科幻作品纷纷出笼。 类似的纳米科幻小说，起着与科幻影片星际旅行相似的作用。当年星际旅行曾激发起众多青年对太空的向往，而这种空间宇宙热有时会引导青年学者最终投身于航空航天或天体物理学等领域中。 （4 ）纳米机器人 B.Joy在Wired杂志上发表文章，谈到纳米机器人的繁殖失控迅速蔓延开来可能给人类社会造成非常大的威胁，提出应当停止发展纳米科技。 真正的纳米科技专家们是比较清醒的，要想制造出能够使冷冻的大脑从定格状态下重新复活的纳米级机器人，现今的科学技术离这一目标还很遥远。 科学家们更注意，制造纳米尺度的微机械元件，打造较为可能的微米机器人。,（5）纳米科技与其他学科的联姻 纳米科技领域还面临着多种问题。一些研究不一定冠名“纳米”的头衔，就是一个很好的研究课题。与“纳米”揉合在一起，可能对研究提供了一个有益的思维空间。例如IBM公司，建造巨磁阻磁头的研究工作。 纳米科技要发展成为一门把各种科技完美结合、融为一体的统一的大科技，就必须证明实现各种截然不同的研究领域的联姻大有用处。 从事防晒剂纳米粉末研究的科学家与从事DNA计算研究的科学家是否可以有相同的爱好呢？这种相互结合、取长补短是有其道理的。 半导体量子点就是这类跨学科综合性研究方针的一个有说服力的证据： 量子点最初是为电子器件开发的，但现在它也用来检测细胞的生物活性。,如果纳米观念能够凝聚为一个统一的整体，它其实就有可能为一场新的工业革命奠定基础。 要想取得成功，一方面抛弃那些伪科学，另一方面也要抛弃那些狂热的炒作。最重要的是，必须加强基础纳米科技的研究，以确定哪些纳米科技值得去攻关。 在这一段漫长的探索期中，区分哪些是切实可行的科学和技术，哪些是异想天开的幻梦，始终是一项要引起足够重视的任务。 1.9 纳米科技发展的里程碑 （1）35亿年前，首批活细胞出现。细胞内，容纳了众多的纳米生物机器，它们执行各种各样的功能，例如操作遗传物质、提供能量等。