第2-2讲_纳米技术

1、 纳米技术及相关产业纳米技术及相关产业内容提要内容提要n纳米技术简介纳米技术简介n纳米技术在世界各国纳米技术在世界各国n纳米技术与当代中国纳米技术与当代中国1.1 纳米及纳米技术纳米及纳米技术n1纳米纳米=10-9m，大大约约等等于于十十个氢个氢原子原子并并列一列一直直线线的的长长度。度。n形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，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，这就是就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念纳米长度的概念。 n人人类头发类头发的直的直径径大大约约有有6万万至至8万纳万纳米米。1.1 纳米及纳米技术纳米及纳米技术n纳米技术：纳米技术：是是2

2、0世纪世纪80年代末期兴起的新技术，其年代末期兴起的新技术，其基本含意是在基本含意是在纳米尺寸范围纳米尺寸范围内认识和改造自然，通内认识和改造自然，通过直接操纵和安排过直接操纵和安排原子、分子原子、分子而达到创新的目的。而达到创新的目的。n主要是主要是在在纳米尺度纳米尺度(0.1-100nm)上研究物质上研究物质(包括原子、包括原子、分子的操纵分子的操纵)的特性和相互作用，以及如何利用这些的特性和相互作用，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。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研究内容n纳米科技的研究内容：纳米科技的研究内容：纳米纳米

3、物理学、纳米化学、纳米材物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电料学、纳米生物学、纳米电子学、子学、纳米加工学纳米加工学、纳米力、纳米力学学等学科。等学科。n 纳米技术纳米技术涉及涉及机械、电子、机械、电子、材料、物理、化学、生物、材料、物理、化学、生物、医学医学等多个领域。等多个领域。 纳米科技大厦纳米科技大厦在达到纳米层次后，决非几何上的在达到纳米层次后，决非几何上的“相似缩小相似缩小”，而出现一系列新现象，而出现一系列新现象和规律。和规律。量子效应、界面效应、尺寸量子效应、界面效应、尺寸效应效应等不可忽略，甚至成为主导因素。等不可忽略，甚至成为主导因素。人们发现，在人们发现，在0

4、.l一一100nm的空间尺度的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。内，物质存在许多奇异的性质。任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉一改一改“不怕火烧不怕火烧”的的“英雄本性英雄本性”，而变成一旦遇到空气，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉纳米感觉1.2 纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应 n小尺寸效应小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性当微粒分割到达一定程

5、度时，其性质将会发生根本性的变化。的变化。n量子效应量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。：电子能级由准连续变为离散能级的现象。n界面效应界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构：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。稳定状态。n表面效应：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。占的比例非常大。特点特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大尺寸小

6、、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四四个个方面方面应应用用: 纳纳米米电电子子学学纳米纳米材料科材料科学学纳纳米生物米生物学学(1) 纳纳米米医学医学: 发明发明、设计设计及生及生产纳产纳米米级级的新的新药物药物1.3 特点及应用特点及应用观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体表面的微观结构1.3 特点及应用特点及应用砷化镓砷化镓GaAs表面的真空表面的真空STM图像图像1.3 特点及应用特点及应用石墨表面碳原子的规则排列石墨表面碳原子的规则排列1.3 特点及应用特点及应用观察观察DNA分子分子揭示生命的奥秘揭示生命的奥秘1.3 特点及应用特点及应用观察观察DNA分子分子揭示生命的奥秘

7、揭示生命的奥秘1.3 特点及应用特点及应用改造微观世界的手段改造微观世界的手段 操纵原子不是梦操纵原子不是梦1.3 特点及应用特点及应用构造超微结构构造超微结构量子围栏量子围栏1.3 特点及应用特点及应用进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀1.3 特点及应用特点及应用进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀1.3 特点及应用特点及应用进行纳米级微加工进行纳米级微加工表面刻蚀表面刻蚀600nm石墨表面上刻蚀石墨表面上刻蚀1.3 特点及应用特点及应用1.3 特点及应用特点及应用n1981年：科学家发明研究纳米的重要工具年：科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显扫描隧道显微镜微镜

8、，原子、分子世界从此可见。，原子、分子世界从此可见。n1990年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，年：首届国际纳米科技会议在美国巴尔的摩举办，纳米技术纳米技术形式诞生。形式诞生。n1991年：碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢年：碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是铁的的六分之一，强度却是铁的10倍，倍，成为纳米技术研究的成为纳米技术研究的热点热点。 2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告 p 1990年，年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他公司的

9、科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们们在金属镍表面用在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成个惰性气体氙原子组成“IBM”三个英文字母三个英文字母。p 科学家在试验中发现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。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经成为现实。 移动原子移动原子世界上最小的广告世界上最小的广告 用STM移动分子

10、组成的IBM字样2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展n1991年，年，NEC实验室观察到碳纳米管实验室观察到碳纳米管n合成了其它纳米管材料合成了其它纳米管材料 纳米组装体系是以纳米组装体系是以纳米颗粒、纳米丝或纳米颗粒、纳米丝或纳米管纳米管为基本单元在一维、二维和三维为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，空间组装排列成具有纳米结构的体系，如如人造超原子体系、有序阵列人造超原子体系、有序阵列等。等。人工组装合成的纳米结构的体系人工组装合成的纳米结构的体系纳米齿轮纳米齿轮纳米纳米轨道状轨道状C纳米索线纳米索线纳米多层管纳米多层管C纳米管纳米管和和C60球球C纳米管纳米管

11、多层多层C纳米管纳米管纳米变阻箱纳米变阻箱C脚手架脚手架C60晶体管晶体管纳米棒纳米棒纳米纳米洋葱状洋葱状2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展n实心的纳米棒、纳米线、量子线实心的纳米棒、纳米线、量子线材料世界中的大力士材料世界中的大力士- -纳米金属块体纳米金属块体金属纳米颗粒粉体制成块状金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。富于弹性。纳米金属铜的超延展性纳米金属铜的超延展性纳米陶瓷粉制成的陶纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高瓷有一定的塑性，高硬度和

12、耐高温，使发硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷纳米陶瓷p 如果有一种超微型镊子，能如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易意组合，制造纳米机械就容易多了。多了。p 科学家用科学家用DNA制造出了一种制造出了一种纳米级的镊子纳米级的镊子。利用它将可以利用它将可以制造出分子大小的电子电路，制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运使未来的计算机体积更小，运算速度更快。算速度更快。匪夷所思的

13、匪夷所思的DNA镊子镊子纳米存储器，存储密度可达每平纳米存储器，存储密度可达每平方厘米方厘米10万亿字节。万亿字节。用光刻技术做成的用光刻技术做成的微米尺寸的微机械微米尺寸的微机械用光刻技术做成的用光刻技术做成的微米尺寸的微机械微米尺寸的微机械机器人配备纳米机器人配备纳米“大脑大脑”美国军方日前公布了取名为美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士毫微科技战士”研发计划，希望十年内打造出目前只能在电研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子游戏中才能看到的刀枪不入的子游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战超级战士士”。美国未来。美国未来“超级战士超级战士”可能配备的装可能配备的装备有：埋有传感器的头盔，

14、使士兵多只后眼备有：埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击；由层的军服可以抵抗生化武器袭击；由“铰合铰合分子分子”制造的比人体肌肉强壮制造的比人体肌肉强壮10倍的倍的“肌肌肉肉”，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。军靴里，跳过高墙不在话下。“纳米科技战士纳米科技战士”这种人手模型上的聚这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战服上作可装备

15、在作战服上作为为“辅助肌肉辅助肌肉”增强增强士兵跳跃、搬运的能士兵跳跃、搬运的能力，同时也可用于战力，同时也可用于战场急救。场急救。 用纳米技术制造出防水布料。用纳米技术制造出防水布料。用这种超薄布料制成的作战服用这种超薄布料制成的作战服几乎感觉不到重量，而现在一几乎感觉不到重量，而现在一名全副武装的美军士兵负重介名全副武装的美军士兵负重介于于9090到到120120磅之间。另外根据磁磅之间。另外根据磁场变化的原理，科学家们正在场变化的原理，科学家们正在研制通常状态下柔软舒适，一研制通常状态下柔软舒适，一旦侦测到弹道威胁时立刻强化旦侦测到弹道威胁时立刻强化僵硬的装甲系统。僵硬的装甲系统。 未来

16、的美军作战服可能就是这个样子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纳米科技的战略地位 21世纪前世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成年，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，术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳纳电子代替微电子，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替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在。只有认识它、

17、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。未来经济竞争的格局中占据主动。p 计算机技术从计算机技术从20世纪世纪70年代开始，每年代开始，每57年都有一个大变化。年都有一个大变化。一是每一是每18个月个月单位面积存储信息量要增加一倍单位面积存储信息量要增加一倍，而且价格更便宜；，而且价格更便宜；二是计算机每隔二是计算机每隔57年年尺寸要缩小尺寸要缩小10倍倍，价格便宜，价格便宜10倍，同时计倍，同时计算的速度提高算的速度提高10倍。倍。p 1998年，美国明尼苏达大学率先研制出年，美国明尼苏达大学率先研制出量子磁盘量子磁盘。一个量子。一个量子磁盘只有磁盘只有100纳米大小，完全是纳米阵列

18、，它的存储密度是纳米大小，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一个量子磁盘相当于我们现在的磁盘10万个到万个到100万个。这样一万个。这样一个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。个器件，就要用纳米材料，在纳米尺度内加工。纳米技术将成为纳米技术将成为2121世纪的主导技术世纪的主导技术目前，基因芯片研究已经进入实验室，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，下一步生物技术生物学研究内涵之一，下一步生物技术的发

19、展，就要和纳米技术相结合。譬如的发展，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，毒性感冒等都可以治疗，20032003年以后这年以后这已经成为又一个研究热点。已经成为又一个研究热点。放在指尖上的放在指尖上的400400支支排整齐的无痛型微型针排整齐的无痛型微型针节约资源、节约能源、净化环境是下一次节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命工业革命的必然趋势。

20、在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度中要想节约资源、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。命当中将发挥重要的作用。从纳米产业未来的市场发展从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。占纳米产业这个巨大的市场。新华网沈阳新华网沈阳2005年月日（记者王炳坤）年月日（记者王炳坤）对细胞、染色体进行对细胞、染色体进行手术手术，像摆弄棋子一样移动原子，像摆弄棋子一样移动原子，在发丝横截

21、面大小的面积上任意写字在发丝横截面大小的面积上任意写字这些这些精细得只能想象的精细得只能想象的活儿活儿，如今人类可以亲手来做了。，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作机器人样机，使我国纳米微操作技术达到世界先进水平平。 我国成功研制出纳米操作机器人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全球纳米技术产业的年产值已经接近接近1000亿美元亿美元，据估计，据估计，到，到2010年美国要培养年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科万真正懂纳米科技

22、的人才，纳米科技对美国国民生产总值（技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到）的贡献要达到1万亿美元，万亿美元，并提供并提供200万个就业机会。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。产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色 。“纳米经济纳米经济”“”“钱钱”途广途广纳米科技对经济发展的

23、影纳米科技对经济发展的影响响1、纳米技术暗藏着杀机、纳米技术暗藏着杀机 2、纳米技术引发安全问题、纳米技术引发安全问题 3、纳米技术需要公众支持、纳米技术需要公众支持4、纳米技术需要政府管理、纳米技术需要政府管理 有利有弊有利有弊“双刃剑双刃剑” 2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展n朗讯公司和牛津大学朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子纳米镊子n碳纳米管碳纳米管“秤秤”，称量一个病毒的重量，称量一个病毒的重量n称量单个原子重量的称量单个原子重量的“纳米秤纳米秤”2.1 国外纳米技术进展国外纳米技术进展n纳米存贮器及纳米存贮器及DNA开关开关2.2 纳米技术在美国纳米技术在美国n2010年年:

24、80万纳米科技人才万纳米科技人才,GDP1万亿美元万亿美元, 200万个就万个就业机会业机会n能源部的能源部的8项优先研究中，项优先研究中，6项有关纳米材料项有关纳米材料n本世纪前本世纪前10年几个关键领域之一，制定了年几个关键领域之一，制定了“国家纳米国家纳米技术倡议技术倡议”:n纳米材料纳米材料n纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学n纳米医学和生物学纳米医学和生物学 2.2 纳米技术在美国纳米技术在美国n军工军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料n美国总统布什美国总统布什2003.12.3日签署了日签署了21世纪纳米技术研世纪纳米技术研

25、究开发法案，批准联邦政府在从究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始财政年度开始的的4年中共投入约年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究亿美元，用于促进纳米技术的研究开发开发2.3 纳米技术在日本纳米技术在日本n国会国会: 21世纪前世纪前20年的立国之本，年的立国之本，日本政府日本政府总总共投共投资资了多了多于于38亿亿美元美元在在研究上研究上 n著名大企业著名大企业: 纳米实用化技术的计划纳米实用化技术的计划n三菱化工建立了三菱化工建立了(富勒烯富勒烯)纳米碳管生产线纳米碳管生产线n自洁净玻璃、光催化净化水或空气自洁净玻璃、光催化净化水或空气2.4 纳米技术在欧洲纳米技术在

26、欧洲n第一个第一个五年五年纳米纳米科技研究科技研究(99-03)已已结束结束n第二个第二个五年五年纳米纳米科技研究科技研究(04-09)正在进行中，正在进行中，共计投入了几十亿欧元共计投入了几十亿欧元纳米技术与当代中国纳米技术与当代中国n1993年，中科院操纵原子写字年，中科院操纵原子写字n国家纳米科技发展纲要国家纳米科技发展纲要2001-2010和和国家纳米科技发展国家纳米科技发展指南框架指南框架 纳米绘画艺术纳米绘画艺术 纳米中国纳米中国 p 中国科学院化学所的科技人员利用纳米加工技术在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石墨表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界

27、上最小的中绘制出的世界上最小的中国地图。国地图。p 这幅地图到底有多小呢？打个比方吧，如果把这幅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。纳米绘画艺术纳米绘画艺术 纳米中国纳米中国 3.1 纳米技术对竞争力的提升纳米技术对竞争力的提升n能源领域能源领域：石油、煤等不可再生资源。石油、煤等不可再生资源。n环保领域：环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问解决水污染的问题、解决空气污染的问题。题。n微电子微电子：纳米电子器件、纳米