总结 纳米科技的原理与方法.doc

纳米科学技术的原理与方法纳米结构和量子效应原理性器件是目前纳米材料研究的前沿。p16广义上，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或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：（I）零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇等；（ii）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；（iii）二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，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。纳米材料大致可分为纳米粉末（零维）、纳米纤维（一维）、纳米膜（二维）、纳米块体（三维）、纳米复合材料、纳米结构等六类。纳米结构可以把纳米材料的基本单元（纳米微粒、纳米丝、纳米棒等）分离开来，这就使研究单个纳米结构单元的行为、特性成为可能。更重要的是人们可以通过各种手段对纳米基本单元的表面进行控制，这就使我们有可能从实验上进行揭示纳米结构中纳米基本单元之间的间距，进一步认识他们之间的耦合效应。纳米结构材料颗粒组元平均粒径范围的划分，有两点要考虑：一是临界尺寸，这就是当颗粒尺寸减小达到纳米级某一尺寸时，材料的性能产生突变，甚至与同样组分构成的常规材料的性能完全不同，这个尺寸定义为临界尺寸。纳米材料的各种性能依纳米颗粒尺寸不同而变化，这种强烈的尺寸效应是常规材料中很少见的，这正是纳米结构材料的特点。二是纳米结构材料是以尺寸定义的材料，常规的各种材料，都有相应的纳米结构材料，由于各种材料的晶胞大小差别很大，而微粒尺寸的变化较大。p1631. 什么是纳米微粒、团簇？它们的区别何在？试分别举出1、2例说明相应的分析与制备方法。纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子簇（cluster），小于通常的微粉。通常，把仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。p24纳米微粒从广义来说是属于零维纳米材料范畴，尺寸的范围一般在1100nmp51纳米微粒一般是指一次颗粒，它可以是晶态、非晶态和准晶；可以是单相、多相结构或多晶结构。团簇：cluster，团簇的尺寸范围一般定义为1nm以下原子聚合体，它是由几个到几百个原子构成。原子分子团簇，简称团簇（clusters）或微团簇（microclusters）是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。原子团簇的空间尺寸范围一般在1nm和100nm之间，其许多性质既不同于单个原子分子，也不同于固体和液体，也不能用两者性质作简单线性外延和内插来得到。因此，人们把团簇看成是介于原子分子与宏观物质之间的物质结构的新层次，是各种物质由原子分子向大块物质转变的过渡状态。也可以说，原子团簇代表着凝聚态物质的初始状态，被称之为“物质的第五种状态”。1纳米颗粒与原子团簇不同，它们一般不具有幻数效应，但具有量子效应，表面效应和分形聚集特性等。纳米颗粒与团簇的两个主要的区别：一是由过饱和蒸气直接生成的纳米颗粒要比“团簇”大，一般为1100nm，二是生成的纳米颗粒的量要比自由喷射生成的团簇量多，一次运转得到克级量的产品非常普通。纳米颗粒与微细颗粒和原子团簇的区别不仅反映在尺寸方面，其物理与化学性质方面也有显著差异：微细颗粒一般不具有量子效应而纳米颗粒具有量子效应；团簇具有量子尺寸效应和幻数效应，而纳米颗粒一般不具有幻数效应。5团簇的制备方法：基本可分为三类，即物理方法、化学合成方法、综合方法。按团簇生成条件划分，又可以分为真空法、气相法、凝聚相合成法。（1） 真空合成法 溅射和二次粒子发射是产生团簇的一种有效方法其主要思想是用几至几十keV载能粒子轰击固体表面，使固体表面溅射出各种次级粒子电子、离子、原子和团簇等（2） 气相合成 气相产生团簇方式主要有两种：（a）一种是单体在惰性原子的气氛中聚集；另一种是单体本身冷却而生长成团簇。蒸发和气体冷凝法。基本过程是：将物质元素或化合物放在低压的惰性气体腔室的蒸发皿中、高温加热至气化。蒸发出的原子或分子与惰性原子或分子碰撞，迅速损失能量而冷却下来，在蒸发源附近形成的过饱和区中成核并长成原子团簇。（b）激光蒸发和激光热解。用脉冲激光蒸发金属材料可获得些难熔物质的团簇。其基本原理是利用光学系统把激光聚焦到很小的区域。使焦耳级的能量作用到固体靶表面，使靶表面微区温度高达上万度，发生热离子发射和中性粒子蒸发再用超产膨胀或惰性气体碰撞将其冷却，聚集成团簇。（c）超声膨胀法。主要是用来产生范德瓦尔斯团簇，特别是情性气体团簇。主要思想是使处在高压下的纯净气体经过一个小孔，向真空室膨胀。这种绝热膨胀过程把气体内能转换成横向能量，从而“冷却”下来、凝聚成团簇。（3） 凝集相合成法 凝聚相合成团簇主要是各种化学方法制备金属、半导体和化合物分子团簇，如胶体化学、水解、共沉淀、溶剂蒸发等。凝聚相合成的团簇尺寸较大，一般分布于几十至几百纳米的范围，但产量较大。纳米微粒的制备方法有：（1）气相法，是直接利用气体或通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却中凝聚长大形成纳米微粒的方法，如：化学气相反应法；（2）液相法，该法均以均相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质与溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米颗粒，如：液相沉淀法即将可溶性盐类溶于水或溶剂中，采用添加沉淀剂，水解剂或用蒸发、浓缩等办法使之沉淀，关键是控制成核产生的晶核的生长速度，并抑制颗粒在成核、生长、沉淀、干燥和煅烧过程中的团聚，获得纳米颗粒；（3）固相法，通过从固相到固相的变化来制造粉体，固相法其原料本身是固体，所得固相粉体和最初固相原料可以是同一物质，也可不是同一物质。如：机械粉碎法即采用新型的高效粉碎设备，如高能球磨机、等将脆性固体逐级研磨、分级、再研磨，再分级，直至获得纳米粉体，适用于无机矿物和脆性金属或合金的纳米粉体生产。zhibeip12. 简述纳米尺度结构与介观系统。介观：Mesoscopy，在0.1100nm这样的空间内，存在的原子和分子为数不多，在这个研究领地，既不同于原子和分子这样的微观起点，又不同于现实宏观物理领域，它是指介于宏观与微观之间的领域，把它称之为“介观物理（mesoscopic physics）”或“介观”。从广义上说，凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，它应该包括团簇、纳米体系和亚微米体系，即约0.1nm到100nm。介观物理历经40多年的发展，已有长足的进展，形成了一个新兴的科学技术，即纳米科技（nano-ST）。纳米科学技术是研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。3. 扫描力显微术（SFM）主要包括哪几类？选择其23类分别简述其基本原理，并画出系统的简单框图。扫描探针显微镜（SPM）扫描隧道显微镜（STM）弹道电子发射显微镜（BEEM）扫描力显微镜（SFM）扫描近场光学显微镜（SNOM）原子力显微镜（AFM）摩擦力显微镜（FFM）化学力显微镜（CFM）磁力显微镜（MFM）静电力显微镜（EFM）扫描探针显微镜族框图zyx显示器计算机和反馈控制检测器激光针尖与微悬臂样品压电陶瓷扫描管AFM的工作原理与系统框架图AFM的工作原理见下钨丝yxz光学平块样品横向力的显微镜力检测示意图摩擦力显微镜（FFM），又称横向力显微镜（LFM），是在AFM表面形貌成像的基础上发展的新技术之一。图为利用光干涉方法检测横向力即摩擦力的LFM结构示意图。微悬臂采用直径为0.25mm或0.50mm的钨丝制作。微悬臂长度12mm，一端弯转90。作为探针，并在NaOH溶液中用电化学腐蚀方法加工成针尖。钨丝微悬臂的一端固定，另一端与试样表面接触。试样表面为高定向石磨的晶格基面，能够沿x，y方向扫描，x为滑动方向。光束与x轴平行射到钨丝探针端部，根据光干涉图像检测探针沿x方向的变形位移量，再由钨丝的弹簧刚度即可确定摩擦力。10P1464. 试述原子力显微术（AFM）的基本工作原理，主要操作模式及相应的特点。 原子力显微镜的工作原理是；当探针与样品表面的顶端原子接触时，探针与顶端原子之间相互摩擦，产生微弱的相互作用力( 一般10-210-5N)。这种作用力被称为原子力，其大小的改变是通过隧道电流的变化显示出来的。机器上的一个对力非常敏感的微悬臂，其尖端有一个微小的探针，探针在样品的表面进行水平(z)方向的扫描，当探针轻微的接触样品表面时，因为样品表面是凹凸不平的，所以探针也就随之上下起伏。由于探针尖端的原子与样品表面的原子之间产生及其微弱的相互作用力而使微悬臂弯曲。将微悬臂弯曲的形变信号转换称光电信号并进行放大，就可以得到原子之间力的微弱变化的信号。再将这些信息进行模数转换，并输入计算机进行处理，最终计算机输出的信号又经转换后，通过荧光屏显示出样品表面形貌的信息。原子力显微镜设计的精巧之处在于利用微悬臂间接地感受和放大原子之间的作用力，从而达到检测的目的。生物电子显微术教程p174AFM是一种类似于STM的显微技术，与STM主要的不同点是用一个对微弱力及其敏感的易弯曲的微悬臂（cantilever）代替了STM的隧道针尖，并用探测悬臂的微小偏转替代了STM中的探测微小隧道电流。正是因为AFM工作时不需要探测隧道电流，所以它可以用于分辨包括绝缘体在内的各种材料表面上的单个原子。对微弱力极其敏感的微悬臂一端被固定，另一端则有一微小的针尖。AFM在图像扫描时，针尖与样品表面轻轻接触，而针尖尖端原子与样品表面间存在极微弱的排斥力，会使悬臂产生微小偏转。这种偏转被检测出并用作反馈来保持力的恒定，就可以获得微悬臂对应于扫描各点的位置变化，从而可以获得样品表面形貌的图像。10P151主要操作模式：（1） 接触模式（Contact Mode）：AFM的常规操作模式。针尖始终和样品接触，以恒高或恒力的模式进行扫描。扫描过程中，针尖在样品表面扫描。通常情况下，解除模式都可以产生稳定的，分辨率高的图像，但它不是和与研究生物大分子，低弹性模两样品以及容易移动和变形的样品。（2） 非接触模式（Non-Contact Mode）：在非接触模式中，针尖在样品表面的上方振动，始终不与样品接触，探针探测器检测的是范德华力和静电力等对成像样品没有破坏的长程作用力。这种模式虽然增加了显微镜的灵敏度，但当针尖和样品之间的距离较长时，分辨率要比接触模式和轻敲模式都低，达不到原子级水平。这种模式的操作相对较难，通常不适用于在液体中成像，在生物中的应用也很少。（3） 轻敲模式（Tapping Mode）：在轻敲模式中，微悬臂在其共振频率附近做受迫振动，振荡的针尖轻轻地敲击表面，间断地和样品接触。其分辨率和接触模式一样好，而且由于接触时间非常短暂，针尖与样品的相互作用力很小，不易损坏样品表面。适用于对生物大分子，聚合物等软样品进行成像研究。对于一些与基地结合不牢固的样品，轻敲模式与接触模式相比，很大程度地降低了针尖对表面结构的“搬运效应”。轻敲模式AFM在大气和液体环境下都可以实现。（4） 插行模式（Interleave Normal Mode/Liftmode）：在标准模式下，针尖在反馈控制下沿快扫描轴正扫和回扫，同时在垂直方向上（慢扫描轴方向）缓慢移动，完成形貌像的扫描。而在Interleave模式下，针尖首先在反馈控制下进行一次正扫和回扫，然后再关掉反馈系统插入一次正扫和回扫。Interleave模式包括常规模式（Normal Mode）和提升模式（Liftmode）。（5） 力调制模式（Force Modulation）：就是通过振荡微悬臂使得针尖轻轻的扎入样品中，通过调制针尖在样品上的作用力恒定，微悬臂的偏转就可以反映针尖的扎入量。调制针尖在样品上的作用力一定时，针尖在刚性样品上的扎入量小，就会引起较大的微悬臂形变，柔性样品则相反。这样利用力调制技术就可以对样品的局域硬度或弹性进行表征，特别适用于坚硬基底上的复合材料或软样品的成像，不同弹性系数区域可以获得良好的反差。25. 试述扫描隧道显微镜（STM）的基本工作原理，主要操作模式及相应的特点。扫描隧道显微镜的工作原理：扫描隧道显微镜是依据量子隧道效应获取样品的表面图像的。当探针与样品之间只有几个纳米的距离时，探针尖端分子的电子云和样品表面分子的电子云互相重叠，此时在二者之间加上适当的电压（一般2mV2V），由于量子隧道效应，探针和样品表面之间的电子互相转移，这就形成了隧道电流。电子隧道效应是STM的技术基础。利用探针与样品在近距离（小于0.1nm）时，由于二者存在电位差而产生隧道电流。隧道电流既可以在真空的条件下形成，亦可以在有电解质的条件下形成，所以扫描隧道显微镜不像电子显微镜那样必须预抽真空。它既可以在超高真空创高真空的条件厂工作，亦可以在大气甚至液态的条件下工作，操作者能根据样品的条件任意选择。由于样品表面是高低不平的，当探针在其表面扫描时，探针与样品表面之间的距离（d）也是不断变化的。而隧道电流与这一距离成指数关系，即距离增加0.1nm，隧道电流就减少一个数量级。为了保持隧道电流的数值稳定不变、就要通过反馈回路控制探针与样品表面之间的距离，并从反馈回路的变化中得到有关样品表面起伏的电信号等。这一系列信号经过亮度放大器等的处理之后最终经存储示波器将样品表面的形貌图像显示出来。（STM利用了量子理论中的隧道效应。隧道电流对距离非常敏感，用电子反馈线路控制恒定的隧道电流，针尖在样品表面扫描，则探针在垂直与样品方向上高低的变化就反映出样品表面的起伏状态。将针尖在样品表面扫描是运动的轨迹直接记录下来，就得到了样品表面状态分布或原子排列的图像。）STM有两种工作模式，恒电流模式和恒高度模式。（1） 恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈电路控制针尖和样品之间距离的不断变化来实现。当压电陶瓷控制探针针尖在样品表面上扫描时，从反馈回路中取出针尖在样品表面扫描的过程中它们之间距离变化的信息（该信息反映样品表面的起伏），就可以得到样品表面的原子图像。由于在恒电流模式时，STM针尖是随着样品表面形貌的起伏而上下移动，针尖不会因为表面形貌起伏太大而碰撞到样品的表面，所以恒电流模式可以用于观察表面形貌起伏较大的样品。恒电流模式是一种最常用的扫描模式。（2） 恒高度模式则是始终控制针尖的高度不变，并取出扫描过程中针尖和样品之间电流变化的信息（该信息也反映样品表面的起伏），来绘制样品表面的原子图像。由于在恒高度模式的扫描过程中，针尖的高度恒定不变，当表面形貌起伏不大时，针尖就很容易碰撞到样品。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。10P1486. IBM的科学家曾利用STM直接操纵原子，在Ni基表面用原子成功地拼出“IBM”的字样，试分析其基本的物理原理、实验成功的必要条件。STM的原理是利用电子隧道效应测量探针和样品间微小的距离，又将探针沿样品表面逐点扫描，从而得到样品表面各点高低起伏的形貌。当探针和样品表面间的距离非常近，距离达到1纳米时，同时在它们之间施加适当电压，在它们之间会形成隧道电流，这就是电子隧道效应。这时，探针尖端便吸引样品材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置，去除电压，原子会从探针上脱落。如此反复进行，最后便可按设计要求堆砌出各种微型构件。STM观测的样品要求有导电性。实验成功条件：IBM该试验是在液氮温度和超高真空条件下进行的。11p1477. 简述库仑阻塞效应及其在纳米电子器件方面的应用。带电粒子，受电场作用作定向运动，产生电流。在多体带电系统中，由于库仑作用，每个带电粒子同时处在两种电场作用下一是可能存在的外电场、二是伴随系统所有带电粒子的电场。考虑分离的多体带电系统，即系统被势垒分隔成了几个部分。此时，带电粒子，靠隧道效应而穿透势垒，从分离的一部分抵达另一部分，形成电流。理论预言，电流在定条件下会中断。这就是所谓库仑阻塞（Coulumb Blockade）。介观物理P149当体系的尺度进入纳米级（一般金属微粒为几个纳米，半导体微粒为几十个纳米），体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量正c为e2/2C，C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大。将这个能量成为库仑阻塞能。库仑阻塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对于一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子传输行为称为库仑阻塞效应。表现在I-V曲线上是呈现锯齿状的台阶。如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称为量子隧穿。利用这些效应，可以控制单电子的迁徙和驻留。库仑阻塞效应是在较低的偏压条件下电流流动受阻的一种电现象，也就是说电子被滞留在纳米微粒上，因此可以利用库仑阻塞效应来存储二进制信息，由此可见，单电子器件最适合作高密度存储器。应用：通常，库仑阻塞和量子隧穿都是在极低温情况下观察到的，如果量子点的尺寸为1nm左右，可以在室温下观察到上述效应。当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度下。利用库仑阻塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。zhangldp65应用5 p363应用：通常，库仑阻塞和量子隧穿都是在极低温情况下观察到的，如果量子点的尺寸为1nm左右，可以在室温下观察到上述效应。当量子点尺寸在十几纳米范围，观察上述效应必须在液氮温度下。利用库仑阻塞和量子隧穿效应可以设计下一代的纳米结构器件，如单电子晶体管和量子开关等。zhangldp658. 实现纳米结构制造的主要途径有哪些？选择其中的一二关键技术，从基本原理方面进行说明。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，它包括一维的，二维的，三维的体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子（artificial superatoms）、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。p14纳米结构体系根据构筑过程中的驱动力是靠外因，还是靠内因，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。人工纳米结构组装体系是按照人类的意志，利用物理和化学的方法人工的将纳米尺度的物质单元组装，排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等。纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是一种整体的，复杂的协同作用。纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件，一是有足够数量的非共价键或氢键存在，这样才能通过协同作用构筑成稳定的纳米结构体系；二是自组装体系能量较低，否则很难形成稳定的自组装体系。zhibeip29. 简述普适电导涨落的一般特征。80年代中期，实验发现小的金属样品（环或细线）在低温下电导作为磁场的函数G(B)呈现非周期的涨落。实验还发现Si等MOSEET的电子随栅压的变化G(VG)也有类似的涨落。在金属性介观样品中所观察到的这种涨落具有如下特征：（1） 它是与时间无关的非周期涨落。出于热噪声是与时间有关的，因此这种电导涨落不是热噪声（2） 这种涨落是样品特有的（sample-specific），每一特定的样品有其自身特有的涨落图样（pattern），而且，对于给定的样品，在保持宏观条件不变的情况下，其涨落图样是可以重现的（reproducible）。因此，这种涨落被称为是样品的指纹（fingerprint）。电导涨落的一个最突出的特征是涨落的大小是量级为e2/h(410-5S)的普适量，与样品材料大小，无序程度，电导平均值的大小无关，只要样品是介观大小的，并处于金属区（即满足FlLL，其中F为费米面处电子的波长，l为弹性散射的平均自由程，L为样品的线度，L为电子波函数的相位相干长度）。理论研究还表明，电导涨落的大小与样品形状及空间维数只有微弱的依赖关系。正是由于电导涨落大小的这一普适性，故称之为普适电导涨落（universal conductance fluctuations OR UCF）。介观物理P6510. 分析利用AFM研究DNA的主要进展及困难。困难：在任何AFM实验中，针尖样品间同时发生多种相互作用力。探针在接近样品表面的过程中,首先遇到的作用力是空气介质的阻尼（这个现象只发生在轻敲模式中）。在探针同样品表面相距10m 左右时，它们之间形成了一个阻尼空气膜。在探针振荡过程中，每次下降都压缩了探针表面间的空气；相反，上升时会导致局部的真空。这个过程多少阻尼了探针的移动，而且有可能导致探针错误逼近样品表面。一旦超过这个界限，此现象也随之消失，探针在空气中自由振荡。当探针样品表面相距0.11m 时，静电相互作用力是主要的。根据样品的不同，吸引力或排斥力有所变化，而且图像的干扰有时是很大的。进展：尽管AFM发展的时间不长，却已广泛应用到生物领域的研究并取得了长足的进展。利用AFM 对单链、双链、三螺旋DNA，甚至于DNA蛋白复合物的研究表明，采用可靠的样品制备和成像方法，AFM 研究可得到与电镜相比较的高分辨率、可重复性的结果。（1）适合的样品制备方法可以防止针尖对样品的干扰，有助于提高AFM 图像的分辨率。（2）对样品制备方法进行改进，DNA溶液同细胞色素C和甲酰胺混合，在水亚相表面分散，再将吸附有DNA分子的蛋白膜直接提取到基底上。利用这种制样方法，并使用商用微悬臂，大多数样品可达到46nm的成像分辨率。（3）APTES（amino-propyltriethoxy silane）用来胺基官能化云母表面，使云母带更多的正电荷。DNA或RNA吸附在AP云母表面是非常稳定的，以至于可以在水中成像。AFM在DNA分子结构研究中的局限性AFM 所得图像是针尖几何形状同样品特性的叠加。一个尖针尖应当分辨出给定样品更小的特征。这个结论一般对高弹性模量材料是有效的，然而目前发表的实验结果表明，利用尖针尖在生物样品中提高分辨率是有限的。这是因为针尖扫描时，会引起“软”样品的形变，而且形变的大小同针尖在样品接触面上产生的压力大小成正比。在一定的探针力作用下，尖针尖产生的压力更大，造成的样品额外形变量将影响AFM 图像分辨率，样品甚至有可能被尖针尖破坏。13生物大分子用做制作纳米探针现已越来越受到重视。比如，应用一种特殊的被称为“分子梳”的技术，可以将DNA分子进行一维的拉直操纵合形成二维的DAN 网络。在此基础上，运用AFM探针与DNA分子链的相互作用，建立了一套对单个DNA分子的纳米操纵方法，包括DNA链的切割。折叠。推移等，从而实现了复杂的DNA纳米图形在表面的构建。这为对DNA分子物理特性的深入研究奠定了基础，将在基于DNA分子器件和分子路线领域有重要应用。将纳米技术（DNA分子操纵与AFM高分辨率成像）与生物技术结合。目前已经实现了DNA上非配对位点的直观的探测。该方法的进一步完善，有望在后基因组研究及单分子诊断方面有重要应用。甚至可以建立一种直观、精确的基因突变位点测定新方法，可对大片段DNA进行扫描搜索。11p15在质粒DNA研究方面，李民敏等通过与美国科学家合作，改进了制样方法并优化了测量条件，使DNA的AFM研究进入图像重复、数据可靠的新阶段。仅需纳克级的DNA样品即可得到稳定的、重复的和纳米级分辨率的AFM图像。这是质粒DNA 的AFM研究中一大进展。另一个重要结果是利用AFM可对DNA分子进行改性（例如DNA链的原子力切割），并对改性前后的同一局部区域实现了高分辨的成像。AFM对内切酶和DNA相互作用的研究也受到了研究者的重视。研究工作直观的表明，内切酶对DNA链具有解旋和特殊顺序上切割的双重功能。利用酶和DNA在对衬底的相互作用上的差异，研究者找到了使DNA链线性化的方法，这是进一步开展DNA物理测序的前提。上述结果位DNA局域结构研究，DNA物理测序和在纳米尺度上DNA改性提供了可能性。由于分子的结构和受外界影响的因素更为复杂，对分子的操纵方法仍在探索中。至今只有CO等少数分子的操纵得以实现，而从物理学和生物学意义上来说，大分子甚至生物大分子的移动和操纵则更有其潜在的应用前景。因此，运用扫描探针显微学方法，进行大分子的操纵，不仅需要对单分子间的相互作用有细致的了解而且与分子的识别和分子随环境的结构和功能改变密切相关。通过多种学科的交叉，实现这一目标的方法正在探索中。11p15211. 如何在纳米尺度上获取生命信息，特别是细胞内的有关信息。生命过程缩必需的能量代谢、物质代谢及其他众多的生物生理过程，都是在细胞这个微米和亚微米范围能进行的。应用STM和AFM可获得在细胞膜、细胞器表面的结构信息。同时还可以研究细胞膜、细胞器表面结构在不同环境下变化，以及与这种变化相关联产生物的生理过程的静态信息，现在全细胞的AFM成像已经实现，通过AFM研究活细胞在外界作用下发生的结构变化已不再使遥远的事情。另外，利用尖端直径小到足以插入活细胞内而有不严重干扰细胞的正常生理过程超微传感器或纳米传感器，有可能获取活细胞内足够的动态信息及反映整体的功能状态，以期深化对肌体生理及病理过程的理解。这将为临床相应疾病提供诊断及治疗的客观指标，为药理学研究提供细胞水平的模型，为细胞工程、蛋白质工程、酶工程等研究提供相应的材料和手段。11p15312. 分析纳米材料的主要特点。广义上讲，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或由它们作为基本的结构单元构成的材料。纳米微粒与纳米固体的基本性质（1） 小尺寸效应 当固体颗粒的尺寸与德布罗意波长相当或更小时，这种颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学等特征方面出现一些新的变化，小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生变化。（2） 表面效应 表面效应是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象（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接近或小于某一值（激子波尔半径），费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象。纳米微粒存在不连续的被占据的高能级分子轨道，同时也存在未被占据的最低的分子轨道，而且高低轨级间的间距随着纳米微粒的粒径变小而增大。（4） 宏观量子隧道效应 微观粒子，如电子等具有粒子性又具有波动性，具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。宏观物理量，如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等呈现出的隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限。5纳米颗粒的物理性质（1） 热学性质。纳米颗粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小子大块材料，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能大得多，这就使得纳米颗检熔点急剧下降。（2） 电学性质。金属材料具有导电性，然而纳米金属微粒导电性能却显著地下降，当电场能低于分立能级的间距时，金属导电性能都会转变为电绝缘性。（3） 磁学性质。纳米颗粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，变成顺磁体，这时磁化率不再服从居里外斯定律。（4） 光学性质。纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多。当纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响。甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。813. 制备纳米材料主要有哪几类方法？分别简述其基本原理。纳米材料包括纳米粉末和纳米固体两个层次。纳米固体是用粉末冶金工艺以纳米粉末为原料，经过成形和烧结制成的。纳米粉末的制备一般可分为物理方法（蒸发（evaporation）冷凝（condensation）法、机械含重化）和化学方法（化学气相法、化学沉淀法、水热法、溶胶凝胶法、溶剂蒸发法、电解法、高温蔓延合成法等）1（1）按纳米材料制备过程的物态分类：气相、液相和固相制备方法气相制备方法一般用于制备金属纳米材料，金属块体受热气化，在惰性气体中冷却、凝聚得到纳米微粒，这种方法制备的纳米材料均匀，细度可控，借助一定的技术手段，可得到表面修饰的稳定性好的纳米材料；液相制备方法是以水或有机溶剂为介质，一般情况下存在化学变化，产生新的物质，当控制适当的反应条件时，可得到纳米材料，这种方法是目前主要的迅速发展的纳米材料合成方法，能够合成多种多样的纳米材料或是复合纳米材料，但其不足之处是合成的纳米材料带有杂质，这对纳米材料的性能会产生不良影响；固相制备方法一般限于机械合金化制造技术，在一定条件下，常规固体材料经粉碎可得到纳米材料。固体制备方法对比前两种方法来说，能够制备的纳米材料是有限的，其制备的纳米材料的细度相对来讲还是比较大的，同时纳米材料的细度分布还无法有效控制。（2）按纳米材料制备过程的变化形式分类：化学方法、物理方法和物理化学方法物理方法：物理粉碎法，采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和物料间相互研磨和冲击，并辅以助磨剂或大功率超声波粉碎，达到微粒的微细化；物理气相沉积法（PVD），在低压的惰性气体中加热可蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳米粒子，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大小及分布等有差异；还有流动液面真空蒸发法，放电爆炸法，真空溅射法等。化学方法有：化学气相沉积法（CVD），采用于PVD法相同的加热源，将原料（金属氧化物、氢氧化物、金属醇盐等）转化为气相，再通过化学反应，成核生长得到纳米粒子；水热合成法，高温、高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成；化学沉淀法，将沉淀剂加入到金属盐溶液中，沉淀后进行热处理得到纳米材料，沉淀的形式包括直接沉淀、共沉淀、均一沉淀等。物理化学方法：溶胶凝胶（Sol-Gel）法，将金属有机醇盐或无机盐溶液经水解，使溶质聚合呈溶胶再凝胶固化，在低温干燥，磨细后再煅烧得到纳米粒子；微乳液和反相胶束法，微乳液和反相胶束是利用两种互补相容的溶剂（有机溶剂和水溶液），通过选择表面活性剂及控制相对含量，可将其水相液滴尺寸限制在纳米级，不同微乳液滴相互碰撞发生物质交换，在水核中发生化学反应，每个水相微区相当于一个“微反应器”，限制了产物粒子的大小，得到纳米粒子，而且采用合适的表面活性剂可吸附在纳米粒子的表面，对生成的粒子起稳定和保护作用，防止粒子进一步生长，并能对纳米粒子起到表面化学改性作用。（3）按纳米材料的形成形式分类从小到大的构筑式，即由原子、分子等出发制备纳米材料，一般在气相或液相中进行纳米材料的合成；从大到小的粉碎式，即由常规块材制备纳米材料，主要以固相物态形式进行纳米材料的合成。为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构性能，通常采用构筑式制备法。（4）按纳米材料制备的工艺技术分类 有等离子体方法、激光方法、蒸发方法、燃烧方法、溶胶凝胶方法、爆炸方法、喷雾方法、沉淀方法、冷冻干燥方法等。342-44 47 52-53 61 64一维纳米材料的制备方法：（1） 电弧放电法（Arc discharge）（2） 化学气相沉积法（CVD）化学气相沉积法（CVD）通常是指反应物经过化学反应和凝结过程，生成特定产物的方法。采用（CVD）方法制备纳米线和纳米管时，纳米线和纳米管一般是按照VLS（Vapor-Liquid-Solid）机制生长，特别是对于在催化剂作用下，气体反应物（也可以是由H2或惰性气体带入反应室的液体反应物）在反应室通过裂解反应生成一维纳米材料的情况更如此。（3） 采用模板制备一维纳米材料采用模板制备一维纳米材料的模板很多，如各种各样的沸石，氧极氧化氧化铝（AAO），纳米碳管，液态晶体等。以采用纳米碳管制备一维纳米材料为例，该方法基于对纳米碳管的填充（filling）、包覆（coating）、取代（substitution）、限制（confined）等反应。8(1) 改进的化学沉淀法均匀沉淀法。采用该法来制备颗粒均匀的纳米材料。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来。由于所加入的沉淀剂不直接与被沉淀组分发生反应，而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中均匀缓慢地析出，所以可得到粒径分布窄、分散性好的纳米材料。(2) 乳液法合成纳米材料。乳液法是用表面活性剂分散溶液中的金属离子，使沉淀反应分开进行，进而得到较小尺寸、不易团聚、结构均匀的纳米材料。(3) 微乳液法（反胶团法）合成纳米材料。微乳液法是近年来发展起来的一种方法。反胶团是指表面活性剂溶解在有机溶剂中，当浓度超过临界胶束浓度（CMC）后，形成亲水极性头向内、疏水的有机链向外的液体颗粒结构。其内核可增溶水分子或亲水物质。微乳液一般由四种组分组成，即表面活性剂、助表面活性剂（一般为脂肪醇）、有机溶剂（一般为烷烃或环烷烃）和水。与热力学不稳定的普通乳状液相比，它是一种热力学稳定的分散体系，由大小均匀的、粒径在10一20nm左右的小液滴组成。微乳液组成确定后，液滴的粒径保持定值。(4) 金属盐水解法制备纳米材料。除了金属和部分碱土金属的盐类不易水解外，绝大多数的金属盐类在水溶液中都能发生水解反应，生成可溶性碱式盐、难溶性碱式盐及难溶性含氧酸。可以控制化学反应条件，使化学反应逆向进行，的到金属的氢氧化物或含氧酸沉淀，将沉淀物脱水后可制得纳米材料。(5) 醇盐水解与溶胶凝胶工艺。该法是将金属醇盐或无机盐协调水解得到均相溶胶后，加入溶剂、催化剂、螯合剂等形成无流动性水溶胶，再于一定条件下转为均凝胶，除去有机物、水及酸根后进行干燥、热处理，最后得到纳米材料。(6) 利用气相法制备纳米材料。气相法是在高能状态（高温或等离子体）下，将无规则排列的原子或分子形成并长大成均匀的纳米微粒。根据纳米粒子的形成机制，可分为物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）。这两种方法在纳米薄膜材料的制备中大量应用。(7) 利用固相热分解法制备纳米材料。(8) 利用室温固相反应法制备纳米材料(9) 利用相转移法合成纳米材料。相转移法是在化学沉淀法的基础上发展来的。其基本过程是：先将沉淀制成无机胶体，再用表面活性剂处理，然后用有机溶剂抽提，制得有机溶液经脱水、脱有机溶剂即可制得纳米材料。(10) 利用多相反应法制备纳米材料。多相反应法包括固液反应法，固气反应法、固固反应法和液气反应法等8p16114. 纳米测量主要包括哪些技术？选择其中12种简述基本理论和主要应用。纳米材料分析包括组成和结构表征和性能研究两方面。除了电镜和扫描隧道显微镜技术，许多常用的分析方法同样被广泛用于纳米材料的分析。如：光电子能谱、振动光谱、EXAFS、NMR、ESR、质谱、超快激光光谱、差热与热重分析、液相色谱、磁学和电学分析系统等。（1）电子显微分析 主要是使用电子显微镜来进行分析，种类主要有：透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、电子探针显微分析（EPMA）和扫描透射电子显微镜（STEM）。（2）扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）（3）X射线衍射分析（XRD） （4）光谱分析 包括：核磁共振谱（Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy，简称NMR）、红外（IR）光谱和激光拉曼（Raman）光谱、紫外（UV）、可见（VIS）光谱分析（常称为紫外、可见分光光度法）、穆斯堡尔谱分析、原子光谱分析、分子荧光光谱（FS）分析、扩展X射线吸收精细结构谱（Extended X-ray Absorption Fine-structure Spectroscopy EXAFS）分析（5）能谱分析 电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表层分析技术，包括：俄歇电子能谱分析（AES）、X射线光电子能谱分析（XPS）和紫外光电子能谱分析（UPS）（6）粒度分析 纳米材料的颗粒分布以及颗粒大小也是纳米材料表征的重要指标。主要有：高速离心沉降法、电超声粒度分析法、电镜统计观察法、激光粒度分析法。5P78 chap3简述基本理论和应用见AFM和STM纳米粒径的测量方法有：透镜电镜观察法、X射线衍射线宽法（谢乐公式）、拉曼散射法、激光衍射散射法、沉降法8p4115. 单个生物分子检测的基本理论及可实现的途径。晶态细胞表面层（crystalline surface layers, S-layers）是由蛋白质或糖蛋白亚单位集合而成，构成了细菌和古生物细胞的表面层，被称为S-层蛋白。S-层蛋白广泛的存在于包壁细菌体中，显示出普通的古生物同性。S-层蛋白为生物进化中最为简单的生物膜，基于单分子糖蛋白构成，呈网格状排列的亚纳米级气孔具有特定的理化性质，通过对S-层蛋白网格固定天然/人工磷脂膜作工艺改进，制备具有特性的分子膜。通过分子表面修饰或作为基质，用于识别、固定、配对和调节单分子作用。5p415单分子检测（Single-molecule detection, SMD）主要包括两类核心技术：单分子成像技术（Single-molecule imaging）和单分子纳米操作技术（Single-molecule nanomanipulation）。(1) 单分子成像技术：有以下方法，（a）STM, AFM （b）利用荧光技术用激光照射样品，通过分析样品的荧光辐射而获得样品信息。(2) 单分子纳米操作技术，包括膜片钳技术，原子力显微镜，磁镊，光镊。力学测量范围：磁镊0.0110pN，AFM10104pN，光镊0.1100pN，后者基本包括所有的生物反应，是非常理想的nano操作技术。16. 以硫醇体系为例，分析分子自组装的基本原理和可应用的方面。自组装：Self-assembly。自组装成膜的基本原理是通过固-液界面间的化学吸附（表面化学反应）进行的：在表面活性剂的有机溶液中，浸入某种表面物质的基片，活性剂分子的反应基（头基）与基片表面物质自动发生连续的化学反应，在基片表面形成由化学键连接的取向、紧密排列的二维有序的单分子膜，同层内分子间的作用力仍然为范德华力。自组装所采用的却是“自下而上”的模式，合理利用特殊分子结构中所蕴涵的各种相互作用，分层次地逐步生长，最终巧妙地形成多级结构。自组装分子膜是通过在固体表面吸附一种表面活性剂形成的有序分子组装体系。SAMs（自组装单分子膜）。通过自发的界面化学反应，当体系达到平衡时，就产生了一个有序的二维结构。虽然并不是必须使用长链分子，单功能化长烷基链分子是构建超分子结构模块通常使用的一种分子模式。自发形成的二维自组装分子膜的驱动力是固体表面原子与表面活性物质的活性基团间化学键的形成和分子之间的相互作用，这样生成的化学键可以是正负离子相吸的离子键，也可以是共价键或配位键，表面活性物质与基底表面所发生的化学反应可以是置换反应、缩合反应或配位反应等。10p120自组装单层膜：分子通过化学键相互作用，自发吸附在固/液或固/界面，形成热力学稳定和能量最低的有序膜。在适当的条件下，自组装单层膜可以通过不同类型的分子和衬底来制备。常用的衬底有Au（111）、Pt（111）、Ag、Al、Si、云母、玻璃等。目前，研究最多的自组装单层膜可以分为三种类型：由脂肪酸自组装的单层膜；由有机硅及其衍生物自组装的单层膜；烷烃硫醇在金表面自组装的单层膜。它们的原理很简单：一个烷烃长链分子（带有1020 个亚甲基单元），其头部基团吸附到所用的衬底上,如硫醇（SH）头部基团和Au（111） 衬底已被证明可以进行完美的结合，它代表了一种控制表面性质的模式。硫醇分子在溶液中很容易吸附到金衬底上，形成密集的单层，尾部基团从表面伸向外部，通过应用带有不同尾基的硫醇分子，化学样品的表面功能可以在很大范围内进行调节。纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是一种整体的，复杂的协同作用。纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件，一是有足够数量的非共价键或氢键存在，这样才能通过协同作用构筑成稳定的纳米结构体系；二是自组装体系能量较低，否则很难形成稳定的自组装体系。p413分子自组装指分子与分子在平衡条件下，依赖分子间非共价键力自发的结合成稳定的分子聚集体（aggregate）的过程。p414应用：纳米结构自组装和分子自组装体系事物理学、化学、生物学、材料科学在纳米尺度交叉而衍生出来的新的学科领域，它为新材料的合成带来了新的机遇，也为新物理和新化学的研究提供了新的研究对象，是极细微尺度物理和化学很有生命力的前沿研究方向，更重要的是纳米结构的自组装和分子自组装体系是下一代纳米结构器件的基础。所合成出来的纳米结构自组装体系本身就是极细微尺度的微小器件，为人们追求和探索新的纳米电子器件，提供了前景。p421以硫醇体系为例：把表面包有硫醇的纳米金微粒形成了悬浮液，该悬浮液在高度取向的热解石磨、MoS2或SiO2衬底上构筑密排的自组织长程有序的单层阵列结构，金颗粒之间通过有机分子链连接起来。含有十二烷基硫醇表面包敷的金团簇的有机试剂被滴在一光滑的衬底上，当有机试剂蒸发后，金团簇之间长程力使它们形成