第2-2讲-纳米技术

,纳米技术及相关产业,内容提要纳米技术简介纳米技术在世界各国纳米技术与当代中国,1.1纳米及纳米技术,1纳米=10-9m，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念。人类头发的直径大约有6万至8万纳米。,1.1纳米及纳米技术,纳米技术：是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新的目的。主要是在纳米尺度(0.1-100nm)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。,纳米科技研究内容,纳米科技的研究内容：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、纳米力学等学科。纳米技术涉及机械、电子、材料、物理、化学、生物、医学等多个领域。,纳米科技大厦,在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小”，而出现一系列新现象和规律。量子效应、界面效应、尺寸效应等不可忽略，甚至成为主导因素。人们发现，在0.l一100nm的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。,1.2纳米材料的基本效应,小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。,特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四个方面应用:纳米电子学纳米材料科学纳米生物学纳米医学:发明、设计及生产纳米级的新药物,1.3特点及应用,观察和研究固体表面的微观结构,1.3特点及应用,砷化镓GaAs表面的真空STM图像,1.3特点及应用,石墨表面碳原子的规则排列,1.3特点及应用,观察DNA分子揭示生命的奥秘,世界上第一张DNA图像,小白鼠DNA,1.3特点及应用,DNA合成瞬间,观察DNA分子揭示生命的奥秘,1.3特点及应用,改造微观世界的手段操纵原子不是梦,1.3特点及应用,构造超微结构量子围栏,48个Fe原子在Cu表面围成围栏,1.3特点及应用,进行纳米级微加工表面刻蚀,1.3特点及应用,进行纳米级微加工表面刻蚀,1.3特点及应用,进行纳米级微加工表面刻蚀,1.3特点及应用,1.3特点及应用,1981年：科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，原子、分子世界从此可见。1990年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术形式诞生。1991年：碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。,2.1国外纳米技术进展,2.1国外纳米技术进展,移动原子世界上最小的广告,1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母。科学家在试验中发现STM的探针不仅能得到原子图象，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个地方放下。这意味着人类从此可以对原子进行操纵！这在过去只能从科幻小说上看到的情节现在已经成为现实。,移动原子世界上最小的广告,用STM移动分子组成的IBM字样,2.1国外纳米技术进展,1991年，NEC实验室观察到碳纳米管合成了其它纳米管材料,纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系、有序阵列等。,人工组装合成的纳米结构的体系,纳米齿轮,纳米轨道状,C纳米索线,纳米多层管,C纳米管和C60球,C纳米管,多层C纳米管,纳米变阻箱,C脚手架,C60晶体管,纳米棒,纳米洋葱状,2.1国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,材料世界中的大力士-纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。,纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！,纳米陶瓷,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。,用光刻技术做成的微米尺寸的微机械,用光刻技术做成的微米尺寸的微机械,机器人配备纳米“大脑”,“纳米科技战士”,这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作为“辅助肌肉”增强士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战场急救。,未来的美军作战服可能就是这个样子,纳米科技的战略地位,21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。,计算机技术从20世纪70年代开始，每57年都有一个大变化。一是每18个月单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；二是计算机每隔57年尺寸要缩小10倍，价格便宜10倍，同时计算的速度提高10倍。1998年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘。一个量子磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列，它的存储密度是465G，一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到100万个。这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。,纳米技术将成为21世纪的主导技术,目前，基因芯片研究已经进入实验室，生物芯片组装就是用纳米技术，而生物酶也是纳米尺度，这些研究对象是纳米生物学研究内涵之一，下一步生物技术的发展，就要和纳米技术相结合。譬如为什么病毒顽固，现在没有一种药物能治疗，就因为它非常小，用纳米结构组装一种寻找病毒的药物后，艾滋病、病毒性感冒等都可以治疗，2003年以后这已经成为又一个研究热点。,节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。,新华网沈阳2005年月日（记者王炳坤）对细胞、染色体进行手术，像摆弄棋子一样移动原子，在发丝横截面大小的面积上任意写字这些精细得只能想象的活儿，如今人类可以亲手来做了。中国科学院沈阳自动化研究所最近研制成功一台纳米操作机器人样机，使我国纳米微操作技术达到世界先进水平。,我国成功研制出纳米操作机器人,全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元，并提供200万个就业机会。科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色。,“纳米经济”“钱”途广纳米科技对经济发展的影响,1、纳米技术暗藏着杀机2、纳米技术引发安全问题3、纳米技术需要公众支持4、纳米技术需要政府管理,有利有弊“双刃剑”,2.1国外纳米技术进展,朗讯公司和牛津大学:纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”,2.1国外纳米技术进展,纳米存贮器及DNA开关,2.2纳米技术在美国,2010年:80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技术倡议”:纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学,2.2纳米技术在美国,军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料美国总统布什2003.12.3日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发,2.3纳米技术在日本,国会:21世纪前20年的立国之本，日本政府总共投资了多于38亿美元在研究上著名大企业:纳米实用化技术的计划三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气,2.4纳米技术在欧洲,第一个五年纳米科技研究(99-03)已结束第二个五年纳米科技研究(04-09)正在进行中，共计投入了几十亿欧元,纳米技术与当代中国,1993年，中科院操纵原子写字国家纳米科技发展纲要2001-2010和国家纳米科技发展指南框架,纳米绘画艺术纳米中国,中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅图放大到一张一米见方的中国地图大小的尺寸，就相当于把该幅地图放大到中国辽阔的领土的面积。,纳米绘画艺术纳米中国,3.1纳米技术对竞争力的提升,能源领域：石油、煤等不可再生资源。环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问题。微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。信息领域：光纤、发光器件。,3.2纳米技术对竞争力的提升,功能性涂料、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。机械：纳米结构单元和纳米机械结构陶瓷：增强、增韧、助烧结,3.3纳米技术对竞争力的提升,化学化工：催化剂、助催化剂、阻燃剂等。塑料和橡胶：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。办公领域：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。,3.4纳米技术对竞争力的提升,纳米药物：磁性纳米粒子药物卫生保健品：防晒霜纺织品：反射红外线型