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第二讲纳米材料 1 Nanometer Materials 1 天文望远镜 哈勃望远镜 引言 扫描电镜 2 人类科技发展绐终朝两个目标奋斗 一个是向着越来越大 越远的宏观世界进军 发明了望远镜向着世界的广度进军 探索宇宙的起源和进化 另一个是向着越来越小 越深的微观世界发展 发明了各种显微镜 粒子加速器 向着分子 原子 原子核 基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构 3 19世纪末到20世纪初 人们对微观世界的认识已延伸到十分微小的层次 时间已缩短到纳 n 秒 10 9秒 皮 p 秒 10 12秒 和飞 f 秒 10 15秒 的数量级 描述这些微观体系的学科相继建立 如原子核物理 粒子物理 量子力学等 在向着这两个极端目标无尽的征途中 人们蓦然回首 发现我们对原子 分子和宏观物体之间的中间领域 即纳米领域 却尚未认识和开拓 量子力学 原子核物理 粒子物理 4 20世纪60年代人类社会进入了一个被称为 后工业社会 信息社会 新经济社会 知识社会 等拥有多种名称的社会 科学家已经在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文化 在材料科学的积累和进步中 以及在探测材料组织设备的不断更新和完善的基础上 信息与通讯材料 电子材料 光子材料正创造着 信息时代 通信电缆 Co超级存储材料 单分子自旋态控制 5 航空航天材料 高聚物 复合材料等也开创了 太空时代 航天密封用氢化丁腈橡胶 航天复合管 航天线材 航空轴承 6 医学材料 高级陶瓷 生物材料 转基因食物 克隆材料又开启了 生命复制时代 等等 各种生物材料 基因测序 7 在信息 航空 生命等不同领域的背后 人们都可以纳米材料的身影 纳米材料出现许多既不同于宏观体系 也不同于微观体系的奇异性能 而且这个领域才是对人类自身关系最密切的物质层次 于是人们集中精力开展纳米科技的研究 纳米材料 8 纳米科学技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子 分子水平 人类科学技术已进入一个新的纳米科学技术时代 人类即将从 毫米文明 和 微米文明 迈向即将到来的 纳米文明 毫米文明 微米文明 纳米文明 9 以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革命 纳米技术的发展将推动信息 材料 能源 环境 生物 农业 国防等领域的技术创新 给传统产业带来极大的变革 进而为人类创造出许多新材料 新产品 彻底改变人们千百年来形成的生活习惯和生产模式 纳米技术必将成为21世纪科技发展的领头羊 10 纳米的定义 11 1 纳米的定义纳米 nanometer 是一种几何尺寸量度单位 简写为nm1nm 10 3 m 10 6mm 10 9m1纳米是1米的10亿分之一 人类DNA形态 方框边长为10nm 12 在原子物理中使用埃 作为计量单位1 10 10m 1nm 10 1nm 1000皮米pm picometre 1pm 1000飞米fm femtometre 1fm 1000阿米am attometre 氢原子直径为1 1nm 10个氢原子一个挨一个排起来的长度纳米是一个极小的尺寸单位 C H化合物中的原子排列方框边长为1nm 13 以长度米为坐标单位 人类所研究物质世界尺度大小比较 约10亿光年人类已观察到的宇宙大致范围约10亿光年可看到银河系的全貌1000亿千米可看到冥王星的完整轨道1万千米可分辨地球的一部分 14 1千米可分辨城市居民区的建筑排列10米可看清在足球场上的人1厘米可分辨皮肤表面皱纹的局部100微米可分辨人体细胞 大小约17微米 15 1微米可看到聚集的染色体100纳米可分辨染色体的两部分1纳米可分辨DNA的分子结构100皮米看到电子云笼罩下的原子轮廓1nm 1000皮米 16 100飞米可以从整体上分辨出原子核10飞米可看清原子核中的质子和中子1飞米可分辨出组成质子和中子的夸克100阿米进一步看清夸克 大小为10 10米 17 纳米尺寸的量度人的身高10亿nm人头发的直径60 000 80 000nm血液中的红血球6 000 9 000nm细菌2 000 3 000nm病毒尺寸几十nm 微观尺度示意图 红细胞 病毒 18 纳米材料的定义 19 在纳米材料发展初期 纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体 现在 广义地 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内 或以它们作为基本单元构成的材料 20 按维数 纳米材料的基本单元可分为 零维在空间三继尺度均在纳米尺度 如纳米尺度颗粒 原子团簇等 一维指在空间有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 二维指在三维空间中有 维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 因为这些单元往往具有量子性质 所以 对零维 一维和二维的基本单元分别又有量子点 量子线和量子阱之称 21 纳米Au颗粒JanaetalAdv Mater 2001 13 1389 纳米氧化钴颗粒 纳米Au线 22 Fe2O3纳米带及其组装的阵列Wen etal J Phys Chem B2005 109 215 23 一维金纳米线 24 美国佛罗里达大学科研人员最新研制出了一种新型由许多碳素纳米管C60组成的纳米薄膜 它的质量比钢轻10倍 但强度却是钢的250倍 这种新型材料用途广泛 可用于航空 军事 太空以及日常生活等各个领域 二维碳素纳米薄膜 25 熟悉的纳米材料 26 最早的人工纳米材料 墨著名的文房四宝中的墨就包含碳的纳米微粒 我国古代的劳动人民早就掌握了用简单方法获得纳米材料 2000多年前 他们用石蜡做成蜡烛 用光滑的陶瓷在蜡烛火焰的上方收集烟雾 经冷凝后变成很细的碳粉 这种碳粉不但是制墨的原料 而且还可以用做染料 27 用这种方法获得的碳粉实际上就是纳米粉体 我们的祖先并不知道纳米材料的概念 也没有任何手段来分析这些纳米颗粒 他们却知道用这种方法获得的超细碳粉所做成的墨具有良好的性能 色泽细腻附着力强经久不变 28 古代松烟制墨图 29 早期的墨 是用天然色料合胶而成 汉代起 才用松烟制墨 长沙马王堆西汉墓出土的帛画使用了当时的墨作为颜料 历经2000多年仍然色泽清晰 新石器时代陶器纹饰 30 我国最著名的墨是安徽徽墨 制作墨汁或黑墨的主要原料是烟炱 就是烟凝结成的黑灰 制墨时所用的黑灰越细 墨的保色时间越长 徽墨用纳米级大小的松烟炱 即所谓 精烟徽墨 树胶 少量香料及水份制成 书写的毛笔字有光泽且能保持较长时间不褪色 安徽徽墨 31 人工纳米涂层 中国古代铜镜表面的防锈层 经检验证实为纳米氧化锡颗粒构成的 层薄膜 湖北江陵出土的勾践剑到今天仍然锋利 没有锈蚀 这也归功于剑身表面的氧化物纳米涂层 虽然当时人们并不知道涂层是由肉眼根本看小到的纳米颗粒构成 但却懂得使用它们来保护自己的工具 勾践剑 铜镜 32 天然纳米材料 观音土 在微观上 观音土究竟什么样 科学家们发现观音土其实是一种天然的纳米孔材料 33 硅藻土是硅藻这种单细胞藻类生物留下来的遗体 壳壁由非晶二氧化硅和果胶组成 壳缝为125纳米左右 对壳壁上点纹 线纹观察后发现 它们都是整齐排列的小孔 线纹小孔的直径在20 100纳米 所以硅藻土是天然的纳米孔材料 提纯 改性后的硅藻精土在处理城市污水等方面已表现出独特的性能 硅藻土过滤片 34 生物中的纳米结构和纳米材料 生物多样性及其复杂性的来源 不是主要决定于组成它的原于和分子 而是决定于这些原子和分子在纳米尺度上的结构 以及纳米尺度上的生命运动规律 自然界中早就存在纳米微粒和纳米结构 只是我们没有注意到而已 35 自洁的荷花 周敦颐的 爱莲说 中对荷花有一句深刻的描写 至今仍然脍炙人口 出淤泥而不染 濯清涟而不妖 从这两句描写中可以看出 古人已经发现荷叶具有很强的自洁作用 其表面可以不粘附泥土和水珠 正是荷叶的干净清爽在很大程度上衬托出了荷花的美丽 36 今天人们发现 荷叶叶面部具有较强的疏水性 洒在叶面上的水会自动聚集成水珠 水珠的滚动把落在叶面上的尘土污泥粘吸滚出叶面 使叶面始终保持干净 这就是著名的 荷叶自洁效应 荷叶自洁效应 37 荷叶为什么能出污泥而不染 为什么会有这种 荷叶效应 从荷叶的基本化学成分来看 荷叶是由叶绿素 纤维素 淀粉等多糖类的碳水化合物组成 拥有丰富的 OH NH等极性基团 这些极性基团在自然环境中很容易吸附水分或污渍 因此用传统的化学分子极性理论来解释是行不通的 38 有些科普书中是这样解释的 出水荷叶上溅了水滴 由于荷叶上有细毛 水不能吸附在荷叶上 荷叶上有细毛这一点 凭手感就能察觉 但其表面根本达不到机械学意义上的粗糙度 因而从机械学的粗糙度来解释也不行 39 两位德国科学家经过长期观察研究 终于揭开荷叶自洁奥妙 原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构 在超高分辨率显微镜下可以清晰看到 在荷叶叶面上布满着一个挨一个隆起的 山包 山包 的平均大小约为10微米 平均间距约12微米 荷叶叶面微观结构 100微米 40 这些 山包 又是由许多直径为200nm左右的突起组成的 这样就在 微米结构 上再叠加上 纳米结构 在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数 小山 荷叶小突起再放大后见到的纳米结构 41 在 小山 之间的凹陷部分充满着空气 这样就在紧贴叶面上形成一层极薄 只有纳米级厚度的空气层 这就使得在尺寸上远大于这种结构的灰尘 雨水等降落在叶面上面 只能同叶面上 山包 的凸顶形成几个点接触 在 山头 间跑来跑去 却不能进入到荷叶内部 于是荷叶便有了疏水的性能 水滴在自身的表面张力作用下形成球状 水球在滚动中吸附灰尘 并滚出叶面 这就是荷叶能自洁的奥妙所在 42 要制备具有荷叶效应的自清洁超疏水表面材料还有很长的路要走 而中国的研究人员在正确的方向上取得了很有意义的进展 中国科学家采用一种普通的塑料 聚苯乙烯微球 制备出一种具有超疏水性质的塑料薄膜 多孔微球和纳米纤维复合材料 43 海洋的真正主人 浩瀚的海洋就是一个庞大越微粒的聚集场所 原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子 0 4 1 0 m 具有很丰富的浓度 约为106 107 毫升 最近威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是这种亚微米粒子的3倍 这些纳米粒子才是真正的海洋主人 对海洋的运动 海洋中的各种生命等有着重要影响 通过对这些纳米粒子的研究 可以获取海洋 生命的起源以及获取开发海洋资源的信息 44 恋家的蜜蜂 蜂窝是有许多规整的六边形蜂房组成 蜜蜂居住在其中 科学家发现 每只蜜蜂都有属于自己的蜂房 虽然每个蜂房的形状几乎完全相同 但蜜蜂相互之间不会 走 错房间 六边形的蜂房 采蜜的蜜蜂 45 最近 英国科学家发现蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子 这种磁性颗粒一方面具有指南针功能 蜜蜂利用这种 罗盘 来确定其周围环境在自己头脑里的图像并判明方向 为其活动导航 另一方面具有存储器功能 当蜜蜂靠近自己的蜂房时 它们就把周围环境的图像储存起来 外出采蜜归来就启动这种记忆 实质就是把自己储存的图像与所看到的图像进行对比和移动 当两个图像完全一致时 它们就明白又回家了 46 横行 的螃蟹 螃蟹以其独特的 横行 方式成为生物界中一道别致的风景 横行的螃蟹 47 生物科学家最近研究指出 螃蟹原先并不是象现在这样横行运动 而是像其他生物一样前后运动 这是因为亿万年前的螃蟹第一对蟹螯里有几颗用于定向的磁性纳米微粒 就象是几只小指南针 螃蟹的祖先靠这种 指南针 堂堂正正地前进后退 行走自如 但是 由于地壳剧烈运动 地球的磁场发生多次剧烈的倒转 使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定问作用 于是使它失去了前后行动的功能 变成了横行 48 全球定位的海龟 美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期研究 发现海龟通常在佛罗里达的海边上产卵 幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近的海域生活 从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一祥 相当于绕大西洋一圈 需要5 6年的时间 迁徙的海龟 49 这样准确无误地航行靠什么导航 为什么海龟迁移的路线总是顺时针的 最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒 它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移 海龟的迁移 50 顽固 的牙齿 人类和动物的牙齿是由定向的羟基磷灰石纳米纤维与胶质基体复合而成 这种具有纳米结构的材料硬度很大 相当耐磨 极耐腐蚀 所以 这无疑是上天给人类和动物最好的恩赐 此外 动物的某些骨骼 筋 软骨 皮以及部分昆虫的表皮等也都是纳米复合材料 牙齿微观形貌 蓝田遗址中发现的牙齿 51 通过对自然界中的纳米材料和纳米结构进行研究 我们可以得到相当大的启发 我们能否模仿荷叶表面的结构 制造出应用于生活的各种各样的疏水材料来 我们能否从生物体内的纳米粒子得到启发 为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益依据 要达到上述目的 必须要了解纳米材料 了解纳米材料的独特性能 生物中的纳米结构和纳米材料小结 52 纳米材料与纳米技术的发展史 53 要了解纳米材料 首先应从了解纳米材料的出现和发展历史开始 根据时间 我们可以将纳米材料的发展大致分为三个阶段 孕育萌生阶段探索研究阶段应用开发阶段 54 孕育萌生阶段 人类开始制造和使用纳米材料应该是2000多年前我们中国人开始使用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于作色的染料开始的 1861年 随着胶体化学的建立 科学家们开始对直径为1 100nm的粒子系统进行研究 但当时的化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次 而只是从化学的角度作为宏观体系的中间环节进行研究 55 1959年12月29日 在加州理工学院发表了一篇题为 Thereisaplentyofroomsatthebottoms 科学研究还远未到尽头 的演说 思索 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子 将会产生怎样的奇迹 并指出用这种方法制备的材料将具有特殊性能 著名物理学家 诺贝尔物理奖 1964年 获得者 Richard Feynman 理查德 费曼 56 20世纪60年代 科学家开始有意识地把纳米粒子作为研究对象来探索纳米体系奥秘 1962年 Kubo 久保 研究发现金属超微粒子与块体材料的热性质不同 并针对金属超微粒费米面附近的电子能级状态分布提出了著名的久保理论 也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限域理论 从而推动实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索 57 l963年 R Voyda及其合作者发展了所谓的气体冷凝法 即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的超微粒 并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究 气体冷凝法制备纳米材料示意图 58 1974年 日本学者Taniguchi首次提出了 Nanotechnology 纳米科技 一词 1981年德国科学家H Gleiter提出了 Nanostructureofsolids 固体纳米结构 的概念 并发展了具有纳米晶粒尺寸和大量界面的各种特殊性能的材料 70年代未80年代初 对纳米微粒结构 形态和特性进行了比较系统的研究 久保理论也日臻完善 在用量子尺寸效应解释超微粒子某些特性方面获得成功 59 1981年 美国IBM公司在瑞士苏黎世实验室的G Binning教授和H Rohrer博士发明了扫描隧道电子显微镜 ScanningTunnelingMicroscopy 简称STM STM设备外貌和原理图 60 STM是目前为止进行表面分析的最精密的仪器之一 可以直接观察到原子 它的横向分辨率可以达到0 1nm 纵向分辨率达到0 01nm 并且还具有操纵原子的功能 这使理查德 费曼的预言仅过了12年就成为现实 两位发明人也因此获得了1984年诺贝尔物理奖 61 STM的发明不仅意味着人们可以直接观察到原子 分子 而且还能够利用STM直接操纵和安排原子和分子 这代表着纳米科技的诞生 在人类科学史上是一个巨大的进步 利用STM进行原子表面修饰和单原子操纵 62 探索研究阶段 STM诞生迅速将人类推进到纳米材料的探索研究阶段 STM诞生后不久 美国IBM的两名科学家就开始利用STM直接操作原子 成功地在镍板上将35个氙原子按自己的意志安排原子组合成 IBM 宇样 此后日本在室温下进行单原子操纵 以原子空穴的形式写下了 Peace 的字样 氙原子组成的IBM字样 63 1987年美国阿贡实验室的席格尔等人用惰性气体蒸发原位加压法制备金红石结构的纳米氧化钴陶瓷致密度达95 与粗晶氧化钴陶瓷比较 对应同样烧结温度 纳米陶瓷硬度均高于常规陶瓷 对应同样的硬度值纳米TiO2烧结温度可降低几百度 纳米陶瓷粉与块体 64 1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议 正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世 正式提出纳米材料学 纳米生物学 纳米电子学和纳米机械学的概念 这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生 65 1991年IBM的O Eigler利用STM快速重复地在Ni表面同一位置上 拾 起或 放 下一个氙原子 原则上创造了速度为二百亿分之一秒的单原子双级开关装置 这为原子级的计算机开关器件的诞生创造了条件 专家们预计 达一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0 3m的硅片上 美国国会图书馆 Si基片 66 1991年 美国海军实验室的一个研究组提交了一篇理论性文章 预计了一种碳纳米管的结构 但当时认为近期内不可能合成 因而文章未予以发表 同年1月 日本筑波NEC实验室的Ijima 饭岛澄男 用高分辨电镜就观察到碳纳米管 上图为碳纳米管理论模型下图为STM观察到的碳纳米管照片 67 与此同时 莫斯科化学物理研究所的研究人员也独立发现了碳纳米管和纳米管束 单壁碳纳米管是由美国IBM的Bethume 伯森 等人发现 每个单壁管侧面由碳原子六边形组成 长度一般为几十纳米至微米级 两端由碳原子的五边形封顶 单壁碳纳米管 68 多层碳纳米管一般是由几个到几十个单壁碳纳米管同轴组成 管间距在0 34nm左右 多层碳纳米管 69 碳纳米管奇特的物理性质 1 纯C60固体是绝缘体 用碱金属掺杂之后就成为具有金属性的导体 适当的掺杂成分可以使C60固体成为超导体 同时 C60固体还在低温下呈现铁磁性 70 2 碳纳米管具有独特的电学性质 这是由于电子的量子限域所致 电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动 径向运动受到限制 经计算表明 有1 3的小直径碳纳米管具有金属性质 而其余的具有半导体性质 此外 碳纳米管的电导高于Cu 在低温下 电导随外加磁场的变化出现涨落现象 71 3 碳纳米管不仅具有良好的导电性能 还是目前最好的导热材料 同时 碳纳米管活性很高 普通的闪光就能使其燃烧 4 纳米碳管具有十分优良的力学性能 碳纳米管的质量只有相同体积钢的六分之一 但抗张强度却比钢高100倍 比钛高10倍 由悬臂粱振动测量结果 碳纳米管的杨氏模量高达1012Pa左右 延伸率达百分之几 具有好的可弯曲性 72 碳纳米管的巨大应用前景 1 纳米尺度电子元件可在两个共轴纳米管或纳米管结的基础上来制造设计 元件同时具有金属和半导体性质 2 纳米碳管优异的导热性能使它成为今后计算机芯片的热点 也可用于发动机 火箭等的各种高温部件的防护材料 碳纳米管电子元件 73 3 碳纳米管可用于电子探针或显示的针尖及场发射 碳纳米管与其他材料形成的复合材料电导大大增强 喷在表面可做导电漆或涂层 它也可作为晶体管的发射极 用于场发射使用的碳纳米管 50 m 750 m 150 m 20 m 7 5 m 250 m 74 4 碳纳米管优异的力学性能可使它们用作复合材料的增强剂 用做复合材料 防磨涂料 润滑剂 液体表而保护剂等 如果掺入树胶 这种纳米管可在分子等级上与树胶混合形成高强度树胶 用于制作小型精密机械用树胶齿轮 也可用于制作不易破损的轻型透明树胶基片 75 碳纳米管强度高 重量轻 最有前途的用途莫过于将制作太空升降机的缆绳 这是因为缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离 目前世界上除了碳纳米管 没有任何材料能够支撑这种长度缆绳自身的重量 到那时 人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情 太空梯 76 5 碳纳米管的特殊结构在燃料电池和化工催化上也有很大用途 碳纳米管的空腔是很好的贮氢场所 碳纳米管具有很大的比表面积 由其形成的有序纳米孔洞厚膜不但能用于锂离子电池 而且在此厚膜孔内填充电催化的金属或合金后可用来电催化O2分解和甲醇的氧化 6 碳纳米管甚至可以用来制作纳米齿轮 为制备纳米机械打下基础 77 目前人们已经合成出了WS2 MoS2 BN TiO2 NiCl2 类酯体 肽以及定向排列的氮化碳等纳米管 纳米管的出现丰富了纳米材料研究的内涵 为合成组装纳米材料提供了新的发展和机遇 78 中国科学院于1991年召开了我国首次 纳米科技发展战略研讨会 会上 中国科学院上海原子核研究所的青年学术小组作了 面向21世纪的高新科技 纳米科学技术 的主题报告 当时对纳米材料 国家科技部已经安排了基础研究重大项目进行研究 但对纳米科技的整体研究尚未安排国家级的计划 所以 在某种意义上说 该次会议标志着我国真正启动了纳米科技研究 79 中科院真空物理实验室的研究人员于1993年用STM在Si重构表面上开展原子操纵研究 通过针尖与样品之间的相互作用 把硅晶体表面的原子拨出 从而在表面上形成一定规则的图形 形成 中国 等字样 80 中科院化学所用扫描隧道显微镜在石墨晶体表面刻写的中国地图 线条宽度为纳米级 这些技术的突破是我国纳米科技的重大进展 在高密度信息储存 纳米电子器件 量子器件 新型材料的组成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用 同时也标志我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地 81 应用开发阶段 1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程 它是在纳米材料研究的基础上进行纳米合成 纳米添加发展新型材料 并对传统材料进行改性 扩大纳米材料的应用范围 形成基础研究和应用研究并行发展的新局面 随后 纲米材料及其技术开始蓬勃发展 产业化步伐加快 市场不断扩大 世界竞争态势逐渐形成 82 1996年 中国科技大学谢毅利用苯热合成法制备出平均粒度为30nm的氮化镓粉体 1997年 清华大学范守善教授制备出直径为3 50nm 长度达微米级的氮化镓纳米棒 首次把氮化镓制备成一维纳米晶体 提出碳纳米管限制反应的概念 1999年 他与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作 实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长 83 1997年 美国纽约大学科学家发现 DNA 脱氧核糖核酸 可用于建造纳米层次上的机械装置 这是继碳纳米管后又一可制作纳米机械的材料 DNA纳米机械装置 84 1998年 中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法 从四氯化碳制备出金刚石纳米粉 被国际刊物誉为 稻草变黄金 CCl4结构 金刚石结构 85 1999年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的 秤 具体操作是先将电流通人碳纳米管 再观测碳纳米管的振动频率 由此计算出碳管的强度和柔韧性 后来 他们将一个纳米颗粒放在碳纳米管的一个顶端 再重复进行上述实验时发现 由于重量发生了变化 使得碳纳米管的振动频率也随之发生了相应的变化 从而测算出纳米颗粒的重量 纳米天平 86 2000年 中科院沈阳金属所的卢柯小组利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法 高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一 而且他们还发现纳米铜的室温超塑延展性 获得纳米金属铜室温压延伸率高达5000 的超塑性现象 展示无空隙纳米材料的变形机制 0 200 600 2000 5100 87 美国IBM公司首席科学家Amstrong 阿姆斯特朗 说 正像70年代微电子技术产生了信息革命一样 纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心 著名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 将是21世纪的又 次产业革命 虽然纳米新技术目前处于基础研究阶段 但纳米科技必将成为21世纪科学的前沿和主导 88 各国的纳米技术发展规划 89 纳米材料的特性 90 纳米材料在力 热 磁 光等方面的特性是由纳米材料具备的特殊效应决定的 小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应 91 特殊效应对物理性能的影响及其应用 92 1 小尺寸效应 超细微粒的尺寸与光波波长 德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小时 晶体周期性的边界条件将被破坏 纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小 导致材料的声 光 电 磁 热力学等物性呈现新的小尺寸效应 93 可将超过临界尺寸的纳米粒子应用于磁性信用卡 磁性钥匙 磁性车票等 还可以制成磁性液体 广泛地用于电声器件 阻尼器件 旋转密封 润滑 选矿等领域 磁性信用卡 阻尼器件 94 小尺寸效应对陶瓷的韧化十分重要 纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍 这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面 界面原子排列相当混乱 原于在外力变形条件下自己容易迁移 因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性 使陶瓷材料具有新的力学性能 增韧陶瓷 95 利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质 可以改变颗粒尺寸 控制吸收边的位移 制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料 可用于电磁波屏蔽 隐形飞机等 隐型飞机 96 2 表面效应 纳米微粒表面原子数随粒径减小而大幅增加 粒子的表面能及表面张力随着增加 引起纳米粒子性质的变化 纳米粒子的表面原子所处晶体场环境及结合能与内部原