纳米科技与纳米材料课程总结

1、西南科技大学纳米科技与纳米材料课程总结报告 报告人：理学院光信息1102班 杨星早在1959年，美国著名的物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”这正是对纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。纳米科技是研究尺寸在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。纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上的是日本在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代

2、，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1100nm范围。可以说纳米技术是前沿科学，有很大的探索空间和发展领域，比如：医疗药物、环境能源、宇航交通等等。而今纳米时代正走向我们，从古文明到工业革命，从蒸汽机到微电子技术的应用，纳米时代的到来将不会很远。这门课程我最深刻的内容是：第二讲 扫描隧道显微镜及其应用引言：n 在物理学、化学、材料学和生物研究中，物质真实表面状态的研究具有重要意义。常用的手段有：1. 光学显微镜：由于可见光波长所限，光学显微镜的分别率非常有限（一般1000nm，分辨率高的可到250nm，理论极限为200nm）。2. 扫描电镜：虽然给表面观察及分析提供了有力的工具，但由于高能电

3、子束对样品有一定穿透深度，所得的信息也不能反映“真实”表面状态，分辨率3nm。3. 透射电镜：虽有很高的分辨率，但它所获得的图像实际上是很薄样品的内部信息，用于表面微观观察及分析几乎是不可能的。分辨率0.1nm。4. 针对这一问题，宾尼与罗雷尔于1982年发明了扫描隧道显微镜。在不到5年的时间内，分辨率就达到了原子水平。分辨率0.01nm。扫描隧道显微镜的基本原理：1982年，国际商业机器公司（IBM）苏黎世研究所的 Gerd Binnig和 Heindch Rohrer及其同事们成功地研制出世界上第一台新型的表面分析仪器，即扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microsc

4、ope，STM）。它使人类第一次能够直接观察到物质表面上的单个原子及其排列状态，并能够研究其相关的物理和化学特性。因此，它对表面物理和化学、材料科学、生命科学以及微电子技术等研究领域有着十分重大的意义和广阔的应用前景。STM的发明被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。由于这一杰出成就，Binnig和Rohrer获得了1986年诺贝尔物理奖。STM的基本原理：STM的基本原理是量子的隧道效应。它利用金属针尖在样品的表面上进行扫描，并根据量子隧道效应来获得样品表面的图像。通常扫描隧道显微镜的针尖与样品表面的距离非常接近（一般为 0.5l.0nm），所以它们之间的电子云互相重叠，其

5、间的势垒变得很薄，。当在它们之间施加一偏置电压Vb时，电子就可以因量子隧道效应由针尖（或样品）转移到样品（或针尖），在针尖与样品表面之间形成隧道电流。由于隧道电流I与针尖和样品表面之间的距离s成指数关系，所以，电流I对针尖和样品表面之间的距离s变化非常敏感。如果此距离减小仅仅0.lnm，隧道电流 I将会增加 10倍；反之，如果距离增加 0.1nm，隧道电流 I就会减少 10倍。由于STM具有极高的空间分辨能力（平行方向的分辨率为 0.04nm，垂直方向的分辨率达到 0.01nm），它的出现标志着纳米技术研究的一个最重大的转折甚至可以说标志着纳米技术研究的正式起步。因为，在此之前人类无法直接观察

6、物质表面上的原子和分子结构，使纳米技术的研究无法深入地进行。恒电流模式:恒电流模式是在STM图像扫描时始终保持隧道电流恒定，它可以利用反馈回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Px和Py控制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。恒高度模式: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，当表面形貌起伏较大时，针尖就很容易碰撞到样品

7、。所以恒高度模式只能用于观察表面形貌起伏不大的样品。以上便是记得最深的部分，主要归功于老师布置的作业，我在网上查了好多关于STM的相关资料，因此也让我记忆尤新。（以下便是那次作业的部分图）通过对纳米科技与纳米材料课程的学习，我的感触颇深。人类对客观世界的认识是不断深入的。认识从直接用肉眼能看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。这里的宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体；这里的微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限小的领域。近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣。德国萨

8、尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在180经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到了希望。作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在90年代初露头角，面向21世纪，它的发展前途方兴未艾。纳米生物学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着十分重要的作用。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

9、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。因此纳米时代的到来已经不是空口话了，面临的是纳米的世界。纳米的应用非常广泛，下面举出我所了解的例子纳米服装：一种据说能屏蔽电脑和微波炉等家电磁辐射的“纳米服装”在南京亮相。由于担心消费者对这种“高科技”面料不信任，经销商的促销手段也很独特：当场烧给你看。中国消费者协会发布了家电、手机辐射消费警示后，防磁服装开始趋热，并进入一些商场、超市。商家向顾客推销时，通常使用一种轻巧的小型磁辐射探测器做演示，而在一家礼品店，一位促销小姐当场烧“纳米面料”，给顾客看

10、烧过后遗留下的“纳米金属丝”。据介绍，目前南京市场上防磁服装鱼龙混杂，有的所谓防磁面料只是在表面涂了一层防磁胶，洗几次就不再有效果了，而据说由“纳米”面料制成的防磁服装，无论洗多少次效果都不会打折扣。纳米豆浆一年不变质：一袋普通的豆浆，其颗粒直径为数十微米（厘米微米），而如果将其破碎成纳米级（微米纳米），便可以增加人体吸收效率，置放于冰箱内还使保质期延长到一年。现在医学上纳米手术已经达到比较成熟的状态，科学家运用纳米为单位的手术刀，可以最小的精确手术伤口的切割，保证血液的最少流动！可见，纳米在我们的生活中每一个角落，只要善于发现，纳米离我们并不遥远，纳米还涉及医学、农业、等等方面。赞同纳米技术

11、在光通信中的应用及推动作用纳米激光器：美国桑迪亚国家实验室的 Paul 等发现: 纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上,而低音廊效应则使光子受到约束, 直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率, 而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线,实验发现, 纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为, 从而影响激光器的工作。研究还发现, 纳米激光器工作时只需约 100A 的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上, 此结构的光子状态数少于 10 个,接近了无能量运行所

12、要求的条件, 但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近, 麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中, 每个原子发射一个有用的光子, 其效率之高, 令人惊讶。除了能提高效率以外, 无能量阈纳米激光器的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光, 这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟 200 亿次的速度开关, 适合用于光纤通信。纳米光纤：自科学界在 1991 年发现了碳纳米管物质以来,科学家们一直都在希望能制造出由碳纳米管组成的纳米光纤材料。由于碳原子之间的排列紧密性, 使得单个的碳纳米管已经成为世界上韧性最强的物质之一。但如何

13、将单个的碳纳米管编织到已有的光纤材料之中去却成为了困扰科学家们的一个巨大难题。3 年前, 法国的有关研究人员在这方面取得了一些进展。法国的科学家们将碳纳米管与聚乙烯醇(PVA)材料及水相混合, 这样就使得聚乙烯醇材料能够将碳纳米管紧紧包裹住, 从而将无数的单个碳纳米管捆绑在一起。但等到科学家将聚乙烯醇材料取走之后, 他们只得到了 20cm 长的纳米光纤材料。但最近由美国德克萨斯州大学的化学家雷- 鲍曼(Ray Baughman)所领导的纳米光纤材料研究小组在纳米光纤材料的制造技术取得了重大突破。他们把法国研究人员所取得的技术成果向前推进了一大步。鲍曼研究小组采取了最后保留包裹在碳纳米管周围的聚

14、乙烯醇材料的做法,他们还改进了将碳纳米管编织进光纤材料的制造方法和工序。他们将这种凝胶体性质的碳纳米管装进一个导管中, 这样就能使将碳纳米管编织进光纤材料的工序变得更加简单。最后的结果非常动人心弦: 他们得到了数百米长的纳米光纤材料。这种最新材料的韧性比蛛丝高 4 倍, 比用于制造防弹衣的凯夫拉尔纤维韧性强度高出了 17 倍。与同样重量的铁丝相比, 新型纳米光纤材料的硬度是前者的 2倍, 韧性是前者的 20 倍。日前, 海门市江苏通光集团与北京化工研究院联手, 国内独家开发生产出纳米光缆。纳米光缆由于在光纤中加入了高科技纳米材料, 其抗腐蚀性、抗机械冲击、使用寿命均大大优于普通光缆, 因而特别

15、适用于恶劣环境中。近年来, 中美海底光缆两次发生中断事故, 更加呼唤纳米光缆的早日问世。通光集团主动与北京化工研究院"联姻", 合作开发纳米光纤。经过与该院的合作, 并特地引进了奥地利生产线, 通光集团终于成功开发出了纳米光缆。据测定, 其各项指标均优于普通光缆。采用了纳米材料的光缆: 近来, 一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯(PE)及光纤护套管用纳米 PBT 等材料。采用纳米材料的光缆, 利用了纳米材料所具有的许多优异性能, 对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善, 并可延长光缆的使用寿命。目前此类材料尚处于试用阶段在 实 验 上 得 到 的 纳 米 光 学 纤