纳米讲学-绪论

纳米科技最新研究进展,第一讲绪论,1.纳米科技的基本概念和内涵2.纳米科技概念的提出与发展3.纳米科技的科学意义4.纳米微粒的特性5.纳米微粒的四大效应6.纳米材料和技术领域研究的对象7.纳米科技的研究方法8.纳米科技的前景展望9.纳米科学与技术会议10.纳米技术研究进展11.纳米技术对竞争力的提升12.世界著名研究小组简介,人高,20亿纳米,100万纳米,针头,红血球,分子及DNA,1千纳米,1纳米,0.1纳米,氢原子,1.1什么是纳米(nanometer)？纳米是一个长度计量单位。1m=1103mm=1106m=1109nm,1.纳米科技的基本概念和内涵,1.2什么是纳米结构？纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。,纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系。它包括一维、二维和三维体系。,Inthisdesign,tworigiddiamondoidringsarefusedataquasi-tetrahedraljunctionandsized,throughtheadditionorsubtractionofrepeatsubunitsineachring,toaccommodatetwocarbonnanotubesofdifferentdiameters.ThecrimpingofthenanotubesisaresultofvanderWaalspackingoftherings,afeaturethatcanbeenhancedorremovedbyadjustingtheringsize.(grey=carbon,white=hydrogen,blue=nitrogen,red=oxygen),Inthisdesign,twodiamondoidringsreplacesmallsegmentsofacarbonnanotube,providingalockforathird,largerring.Thelargerringincludesastitch-workofoxygenstocreateanelectron-richinteriorwhoseeffectivecircularvanderWaalspackingjusttouchesthatofthenanotubeframework.,Low-frictionbearingassemblywithtwocarbonallotropes,Crimpjunctionsforperpendicularcarbonnanotubescaffolding,1.3什么是纳米材料?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(1100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。,7,2维纳米材料（量子面纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。),1维纳米材料（量子线纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。),0维纳米材料（量子点纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束。),1.3什么是纳米材料?,纳米结构材料分类,a零维的原子簇和原子簇的集合b一维的多层薄膜C二维的超细颗粒覆盖膜d三维的纳米块体材料,纳米材料的发展趋势,图1.Gd2O3:Eu纳米晶的TEM照片Ref.:中国稀土.1999,17(2):177,纳米微粒纳米线、棒、管和纳米薄膜(单层、多层)纳米组装体系材料(一、二、三维)。,Fig.5.SEMimageofMesoporousgoldRef.:J.Am.Chem.Soc.2000,122,9554-9555,Fig.2.TEMimageofZnOnanowireAdv.Mater.2001,13(2):114.,Fig.6.Ref.:NATURE.1998,394(16):256.,Fig.11.SEMimageofcarbonnanotubesRef.:Appl.Phys.Lett.,1999,75(3):368.,图3螺旋棒状亚微米氧化锌Ref.:化学通报.2000,(11):47,Fig.7.TEMimageofBaCrO4Ref.:NATURE.1999,402(25):394.,Fig.815nmgold.Ref.:高等学校化学学报.2001,22(7):1217,Fig.12SEMmicrophotographofCuRef.:RadiationMeasurements1998,29(2):149.,Fig.9.ArrayofAuparticlesof4.2nm.Ref.:Chem.Soc.Rev.,2000,29,2735.,Fig.4CarbonnanotubesRef.:Chem.Commun.,1999,11411142,Figure10.STMimageofaperiodicarrayofFeRef.:NATURE.1998,394:451,利用纳米技术还可以直接制造超微型机械。已制造出纳米齿轮、纳米轴承、纳米弹簧等机械零器件，而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。波士顿大学制造出了世界最小的仅由78个原子组成的分子马达。,纳米泵,纳米轴承,纳米齿轮,1.4什么是纳米技术？,美国桑迪亚国家实验室研制出微型发动机，直径只有200m，其主要活动部件是一个只有花粉颗粒大小的齿轮；人们只能借助显微镜观看它的旋转，但速度可达到每分钟30万转；一滴油就可以灌满约50个这样的发动机。,纳米管构造的T形和Y形结,1.4什么是纳米技术？,丰田公司用微型部件制造了一辆只有一粒米大的能开动的微型汽车。美国兹微技术研究所制出一架黄蜂大小的直升机。这些研究为今后开发和研制微小的分子机械奠定一定的基础。,以原子为起点设计的精密运动控制器，包含若干可以独立运动的齿轮和拔杆，共由2596个原子组成,纳米碳管和苯分子构成的纳米齿轮,1.4什么是纳米技术？,1.4什么是纳米技术？,1.5什么是纳米科学？在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。,1981年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛宾尼（GerdBinnig）博士和海罗雷尔（HeinrichRohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器扫描隧道显微镜（Scanningtunnelingmicroscope，简称STM）。,1.6纳米科学技术(Nano-ST),镍基底上用35个氙原子排列成英文IBM,量子围栏,1991年，IBM公司的“拼字”科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子，拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶端为氧分子，各个分子的间距约0.5nm。这个分子人从头到脚只有5nm高，堪称世界上最小的人形图案。,纳米神算子分子算盘科学家把C60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的。,神奇的纳米世界,单根碳纳米弹簧,靓丽的纳米世界,酷似大力神杯的硅纳米结构,扫描隧道显微镜下的纳米团簇,2.纳米科技概念的提出与发展,“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”-RichardFeynman(1959)PhysicsNobelLaureate,2.1原始思想的提出NanotechnologyVision,2.2纳米科技的发展,3.纳米科技的科学意义,（1）纳米科技将促使人类认知的革命;（2）纳米科技将引发一场新的工业革命;（3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.,师昌绪院士为国家自然科学基金资助纳米科技研究成果展览题词,微米与农民,Micrometer,Note:Thesamefatetonanometer!,纳米技术的发展丝毫不亚于计算机,所有对科技可能带来的社会影响的预测，都只能就现有技术的演进来评估其未来的发展；对革命性的技术突破所造成的冲击，几乎是不可预测的。在1950年左右，曾有一批专家就计算机未来的发展做预测。由于当时的计算机是用真空管做的，十分耗电笨重。他们的结论是未来的计算机每秒将可做5000次运算，重3000磅，并且只耗电10千瓦，全世界大概只需要10台。现代的笔记型计算机，每秒将可做几百万次的运算，重只有几磅，并且只耗电约1瓦。目前，全世界大概有超过10亿的微处理器，使用在计算机、手机、家电用品、汽车、医学器材等各方面的应用。,纳米科技研究的内容主要包括：,纳米体系物理学纳米化学纳米材料学纳米电子学纳米生物学纳米加工学纳米测量学,1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的16，强度却是钢的100倍。,国外纳米技术进展,用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图,国外纳米技术进展,实心的纳米棒、纳米线、量子线,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”,我国纳米科技研究进展,1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。,原子森林由德国实验室托斯顿邓卓巴拍摄的这一图像显示了一片GeSi量子点“森林”，其实，它们只有15纳米高，直径也只有70纳米。蓝宝石美国伊利诺斯大学香槟分校的斯科特麦克拉伦及其同事一同建造了这张精美制作的蓝宝石衬底的弹坑图像。此蓝宝石是通过飞秒级激光脉冲击打其表面而受热的，在此过程中，蓝宝石喷射出原子而留下一个浅浅的弹坑。此晶体经再加热和再次喷射，形成了这里所展示的内部深层结构。1飞秒是千万亿分之一秒。,2万颗黄金微粒绘出太阳图像纳米技术创奇迹,4.纳米粒子的特性,壁虎飞檐走壁,不用洗涤剂的纳米服装,具有易洁纳米涂层的陶瓷,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,4.纳米粒子的特性,已发现的奇异特性主要有：比表面特别大。熔点降低。磁性的变化。光学性质。超导性。离子导电性。,低温下热导性能好。比热增加。化学反应性能提高。催化性能。力学性能。,5.1纳米微粒的四大效应（1）表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应当粒子尺寸极小时，费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级的现象。（3）小尺寸效应,5.纳米微粒的四大效应,表面包覆半导体纳米晶（CdSe,InP,InAs）在不同尺寸时的发射光谱(粒径越小，波长越短).InAs纳米晶尺寸2.8nm,3.6nm,4.6nm,6.0nm;InP纳米晶尺寸3.0nm,3.5nm,4.6nm;CdSe纳米晶尺寸2.1nm,2.4nm,3.1nm,3.6nm,4.6nm(从右至左);,不同尺寸的半导体纳米晶发射光谱,（4）宏观量子隧道效应,6.纳米材料和技术领域研究的对象,6.1零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；,6.2一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；,6.3二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。,7.纳米科技的研究方法,7.1自上而下(TopDown)7.2自下而上(BottomUp),分离器,原子分子,8.纳米科技的前景展望,材料和制备微电子和计算机技术环境和能源医学与健康生物技术航天和航空国家安全,FROM:,1990年在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科技学术会议1992年在墨西哥召开首届国际纳米材料会议1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料会议1996年在美国夏威夷召开第三届纳米材料国际会议1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届国际纳米材料会议2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议,9.纳米科学技术会议,10.1纳米技术在美国10.2纳米技术在日本,10.纳米技术在世界各国的发展,2001年度日本政府纳米投资领域分布单位：10亿日元,资料来源：日本科学技术政策委员会（CSTP）,2002年文部科学省纳米科技研发经费分布,资料来源：日本文部科学省（MEXT）,10.3其他国家的纳米科技,1)英国2)德国,政府投入逐年增加：（亿美元）,德国纳米技术研发投入（亿美元）,3）欧盟,2002年开始的五年计划中，欧盟为了追赶美国和日本，加大了对纳米技术的经费投入，达到11.55亿美元。,特别值得注意的是，近年来在韩国、新加坡、中国台湾等国家和地区政府也对纳米技术迅速加大了投资力度。,10.4纳米技术与当代中国,1993年，中科院操纵原子写字。,天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1）,京工红旗厂中商纳米公司成本增加20%,国家纳米技术产业化基地于2000年12月6日正式批准成立，坐落在天津经济技术开发区，占地2平方公里。,国内纳米科技发展进展,2010年纳米科技发展的“三大目标”1、纳米科学前沿领域2、纳米技术开发及其应用方面3、形成纳米科技骨干队伍方面,我国“十一五”纳米科技发展重点,纳米电子、纳米光电子材料与微纳器件纳米生物医用材料（纳米传感器、重大疾病早期诊断与治疗用纳米材料与器件）纳米环境与能源材料（环境友好与资源节约型纳米材料与技术，新型能源纳米材料与器件）纳米加工与表征技术提升传统产业的纳米材料与技术,拟解决的重大技术问题纳米材料及技术的工程化开发应用微纳结构材料与器件的制备技术纳米材料制备新原理、新工艺及新技术,11、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,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,化学化工催化剂、助催化剂、阻燃剂镍催化氧化丙醛，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，生成酒精的转化率