先进制造之纳米科技

1、掌握基本概念介观领域、纳米科学技术、纳米材料、纳米器件、量子器件、莲花效应、纳米组装体系、自上而下、自下而上。2、纳米材料与传统材料的差别。3、纳米科技的分类。4、纳米科技的前沿动态。

第一页，共79页。难点内容：纳米科技的前沿动态中的部分内容。熟悉内容:了解纳米科学技术发展史。了解发展纳米科技的意义。

纳米技术在国内的研究情况及取得的成果。主要英文词汇:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.第二页，共79页。3.3发展纳米科技的意义费曼：1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大的扩充我们可能获得物性的范围”。还设想“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言—小尺寸大世界。量子动力学1965诺贝尔奖。第三页，共79页。1991年：IBM的首席科学家Armstrong曾预言：“我们相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如20世纪70年代初以来微米技术已经起的作用那样。”克林顿：纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术。

第四页，共79页。钱学森预言：“纳米和纳米以下的结构是下一个阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将使21世纪又一次产业革命。”1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海·罗雷尔：微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确，微米与牛毫无关系，但它却改变了耕作方式，带来了拖拉机。第五页，共79页。第六页，共79页。1993年，Rohrer博士写信给江泽民主席。他写道：“我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。”

这些预言十分精辟的指出了纳米体系的地位和作用。第七页，共79页。纳米技术的应用及其前景纳米科技的重要进展表现在以下几个方面：[1]直接操纵原子方面：日本科学家成功将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现原子三维空间的立体搬迁。1991年，IBM的科学家制造了超快的氙原子开关。可能将美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径为0.3cm的硅片上。第八页，共79页。纳米刻蚀：目前微电子技术中最细刻度为几分之一微米，即激光光列。如果把搬迁原子的位置按照电路的方式搬迁，便可以用STM进行纳米级的刻蚀。我国已能用STM刻出10nm的细线。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出高密度记录技术，在一张邮票大小的衬底上可以记录下400万页报纸的内容。二是可用分子束外延技术制造出三维纳米量子器件。第九页，共79页。[2]新材料的出现传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，其应用受到限制。纳米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金属一样的柔韧性和可加工性(会吗？理想)。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。也就是说，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。第十页，共79页。要制备纳米陶瓷，关键需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的韧性形变。并发现纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。第十一页，共79页。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。英国著名科学家莱恩Cahn在Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”纳米陶瓷的应用：摔不碎的陶瓷，防弹玻璃。第十二页，共79页。设计新型复合材料碳纳米管/高分子复合材料----高强度材料第十三页，共79页。模拟生物功能设计新型材料鲍鱼壳鲍鱼壳牙质腱第十四页，共79页。大多数材料在朝一个方向拉伸时，另一个方向就会变细变窄，如橡皮筋。可以用泊松比(Poisson’sratio，侧向收缩比例与实际伸长比例的比值)来定量描述。2008年4月美国Baughman等利用古老的造纸方法—烘干纤维浆来制造纳米管薄层。实验用的“浆”是单壁碳管和多壁碳管的混合物。Science，Vol.320,pp.504第十五页，共79页。碳纳米管薄层(也称巴克纸)能够在均匀压缩时，长度和宽度同时增加。随着多壁碳管在薄层中的增加，薄层的泊松比会从0.06突然跃变为-0.20，即这种材料具有负的泊松比。新的研究成果具有重要的应用价值，比如设计源自碳纳米薄层的复合物，制造人工肌肉、垫圈、压力传感器和化学传感器等。第十六页，共79页。碳纳米管薄膜基人工肌肉致动器第十七页，共79页。寂寞时抱抱这个枕头第十八页，共79页。2008年3月，美国哈佛—麻省理工罗伯特·兰格和杰弗里·卡普教授开发出一种具有弹性的、可生物降解的胶贴。该胶贴的灵感来自壁虎的足部，这种胶贴，也是依靠纳米尺度的柱体和化学胶水制成的，它是第一个能呈现出良好黏性强度和动物安全性的胶贴。第十九页，共79页。第二十页，共79页。这种胶贴由一种能嵌药物的可生物降解弹性体制成。为制作这种胶贴，将液态聚合物注入遍布200nm-500nm宽凹孔的微型硅模，然后再用具有生物相容性的葡聚糖胶水对模化变硬的聚合物进行旋涂。当胶贴被使用时，毛细管的力量将组织拉入柱体间的空间，这些柱体具有一些微弱的电荷引力，这样葡聚糖胶就黏附在组织蛋白上。这种胶贴能取代外科手术的缝线及缝钉，也可制成药物控释贴片直接安放在包括心脏在内的器官上。第二十一页，共79页。第二十二页，共79页。[3]纳米技术在微电子学上的应用

纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件。它包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标：是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。第二十三页，共79页。美国威斯康星大学马克斯·拉加利等人已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。第二十四页，共79页。量子点发光二极管：不足10nm；不同颜色；电或光激发第二十五页，共79页。量子点太阳能电池第二十六页，共79页。量子点医疗应用-治疗癌症:第二十七页，共79页。美国普林斯顿NEC研究所和赖斯顿大学的科学家研究发现，纳米管的强度比钢高100倍，重量只有其1/6，纳米管很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗，轻而柔软，结实的材料用作防弹背心。它是理想的导体，导电性远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料。纳米管最终可以用于纳米级的电子线路。

第二十八页，共79页。英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计2006年，芯片厂商英特尔用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线。芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。90年代把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的缩小，这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。第二十九页，共79页。2008年2月1日亚利桑那州立大学DavidK.Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想，将大大提高计算机的运行速度。第三十页，共79页。碳纳米管制造人造卫星的拖绳在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。用碳纳米管做绳索，是惟一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球—月球的电梯，人们在月球定居就很容易了。第三十一页，共79页。利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应和很大的隧道磁电阻现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍。2007年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构磁盘，长度为40nm的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。

第三十二页，共79页。[4]纳米技术在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件的性能大大提高。美国桑迪亚国家实验室发现：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。激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器工作时只需约100微安的电流。第三十三页，共79页。单晶纳米线的受激发射行为第三十四页，共79页。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要求的条件。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。第三十五页，共79页。碳纳米管场发射显示器1999年韩国，2000年日本制成显示器样管第三十六页，共79页。2003年5月1日，IBM宣布成功开发出了由单分子碳纳米管构成的最小发光元件。《Science》IBM开发的发光元件为直径1.4nm的纳米管状单分子，可发出波长1.5μm的光。这一波长的光广泛应用于光通信领域。直径不同的纳米管会产生波长不同的光。将该发光元件嵌入3引脚晶体管内部，并在晶体管栅极部分施加低电压后，在纳米管的两端(源极和漏极之间)产生了电流。第三十七页，共79页。光子纠缠态理论潘建伟：在量子物理学及量子信息学的交叉实验领域做出了一系列研究成果，并成为首个被欧、美两大物理学会同年评入2003年度国际物理学十大进展的中国科学家。2008,《自然》杂志发表评论时说，“尽管五粒子纠缠以及终端开放的量子态隐形传输的实现非常困难，但是中国科学技术大学的潘建伟教授和他的同事们完成了这一壮举，他们的实验方法将在量子计算和网络化的量子通信中有重要的应用”。第三十八页，共79页。[5]纳米技术在化工领域的应用纳米粒子作为光催化剂的优点。首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。第三十九页，共79页。将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.5~1%，即可充分屏蔽紫外线。如用添加0.1~0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。TiO2纳米粒子具有光催化作用，用于污水处理、空气净化等。TiO2薄膜具有超亲水和自清洁功能，可以用作防雾涂层和自清洁陶瓷。第四十页，共79页。分子筛(纳米)反应器分子筛具有独特的孔状结构，大的比表面、较高的机械强度做成纳米反应器。该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和反应中间体的运动，这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。第四十一页，共79页。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅MCM-41材料为基，在纳米尺度上实现有机/无机离子的自组装反应。其特点是孔道大小均匀，孔径可以在5~10nm内连续可调，具有很高的比表面积和较好的热稳定性，使其在分子催化、吸附与分离等过程，展示了广阔的应用前景。同时，这类材料在较大范围内可连续调节其纳米孔道结构，可以作为纳米粒子的微型反应容器。第四十二页，共79页。第四十三页，共79页。碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。---纳米反应器第四十四页，共79页。清华大学的范守善教授利用SiO2气体与N2在碳纳米管中反应生长出

Si3N4纳米线，其径向尺寸为4~40nm。还制备出了GaN纳米线。1998年与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长，大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。第四十五页，共79页。2007年7月美国Grimes在(NanoLetters)上发文称，由自动排列、垂直定向的钛铁氧化物纳米管阵列组成的薄膜，可在太阳光的照射下将水分解为氢气和氧气。photographshowingthecolorvariationinthesamplesasafunctionofironcontent.第四十六页，共79页。2009年2月，Grimes在Nature报道了“水变油”实验：向钢管内通入二氧化碳和水蒸气，用纳米管薄膜覆盖住仪器的后部，然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入。“当阳光照射在纳米管上时，纳米管释放出高能量的载荷子，使得水分子分解为氢氧自由基和氢离子。二氧化碳分解后的产物—氧气、一氧化碳和氢气后，就反应生成了甲烷和水。”在整个反应后期，铜和铂催化作用明显，但由于铂的价格昂贵，如何减少铂含量而使得催化效果不变，仍值得研究。第四十七页，共79页。第四十八页，共79页。[6]纳米技术在生物学上的应用

每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用DNA分子计算技术有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈密顿路径问题”。第四十九页，共79页。DNA不仅是生命遗传信息的承载者，未来还可能充当纳米级“电线”，用于制造超微电子设备。2007年6月日本大阪大学产业科学研究所发现电流可以通过DNA流动。研究发现：电流通过横跨DNA双链之间的碱基流动，而不是像人们想象的那样沿双螺旋链流动。美国科学院学报-2007NatureNanotechnology-2008第五十页，共79页。验证过程：用人工方法合成含10个至100个碱基的一些DNA片断，将它们分别固定在玻璃基板上。在DNA的一端添加光增感剂，而另一端添加荧光色素。用紫外线从玻璃基板的相反一侧照射DNA，可以观察到光增感剂产生正电荷，正电荷通过碱基移动到附着有荧光色素的一端，正电荷和荧光色素反应后，荧光消失。此外，如果4种碱基排列的顺序被改变，电流的速度也有所变化。第五十一页，共79页。[7]纳米技术在医学上的应用生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，可以作为监测和诊断疾病的手段。磁性导航药物、分子识别药物，荧光标识等。例如利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离。用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。但也有缺点。(纳米粒子的毒性)第五十二页，共79页。生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。小型摄像机：用于检测消化系统疾病。第五十三页，共79页。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|第五十四页，共79页。2007年11月英国剑桥大学的A.Porter研究证明，碳纳米管能够进入细胞质、特定的细胞器和细胞核。利用两种类型的显微设备—透射电子显微镜(TEM)和共聚焦显微镜，对单壁碳纳米管入侵人类巨噬细胞的过程进行了直接成像观测。之所以选择巨噬细胞(一种人体免疫细胞)，是由于它们是人体许多组织(尤其是肺部)抵御外来物质入侵的第一道防线。人们吸入的纳米颗粒会被巨噬细胞截留下来，防止对血液和淋巴等身体系统的进一步入侵。

第五十五页，共79页。研究发现：将巨噬细胞浸入不同浓度的碳纳米管溶液中，从零到每毫升10微克。两天后，单壁碳纳米管进入了细胞的溶酶体，4天后，碳纳米管会熔合到一起，其中一些进入了细胞质甚至细胞核。研究人员还检测了巨噬细胞在有碳纳米管条件下的生存活力，并与正常细胞进行了对比。结果表明，即使是浸入最高碳纳米管浓度溶液中的巨噬细胞，在两天后依然比较健康，与未处理的正常巨噬细胞相差无几。不过在4天后，即使是浸入浓度较低溶液中的巨噬细胞，生存能力和活性也会显著降低。第五十六页，共79页。A2天后，溶酶体c-f4天后，细胞质膜、溶酶体、核膜、细胞核第五十七页，共79页。目前的癌症活组织检查有时不准确，例如检查所取的组织样本中恰好癌细胞太少，于是检查得出阴性的结果，但实际上患者体内有癌细胞存在。2007年7月新墨西哥大学和一家名叫“高级科学”的公司的研究人员利用磁性吸引力研究出一种解决方法。他们用生物相容物质(在生物体内引起正确反应、与天然生物物质类似的物质)包裹带磁性的氧化铁纳米粒子，然后在外层涂上特定的抗体，这些抗体能且仅能与癌细胞产生的特殊物质相结合。

第五十八页，共79页。经过这样处理的纳米粒子注射到人体中后，数以千计的粒子因抗体作用而附着在癌细胞上，使癌细胞变成微小“磁铁”。此时用带有磁性的探针进行检查，癌细胞就会在磁性吸引力作用下游向探针。利用这种方法，在两到三分钟之内就会有相当数量的癌细胞被吸引到探针上。癌症患者需要经常检查以确定病情，其中一些检查非常痛苦，例如血癌患者的骨髓穿刺，这项技术可以减少检查次数。它还可用于检查癌细胞是否有扩散迹象，癌细胞扩散数量有时极为微小，普通方法难以检查出来。第五十九页，共79页。2007年8月美国马萨诸塞大学的文斯·罗泰洛等报道了一组涂层各不相同的黄金微粒能通过模拟人类鼻子辨别气味的方式鉴别蛋白质，正在利用它们检测体液中呈现的疾病迹象。这套新的“纳米鼻”系统有6个感受器，每个感受器由包含黄金微粒的溶液组成，这些黄金微粒直径约2nm，有不同的涂层。这些涂层由含有氮原子的有细微差别的有机分子构成。不同的蛋白质将黏附在上述多种感受器上，但是同一感受器黏住不同蛋白质的难易程度不同。通过荧光分子测量被黏住蛋白质的多少，这些荧光分子原本黏附在感受器的微粒上，但蛋白质被感受器黏住时将它置换了出来。第六十页，共79页。2007年12月美国Gimzewski等从疑似肿瘤患者身上提取样本，将它们放在纳米级的显微镜下检验。用探针向样本中的每一个细胞施以微弱电压，探针的另一头与一个机械臂相连。通过对比癌变细胞与正常细胞的弹性差别诊断癌症。研究发现，癌变细胞表面弹性比正常细胞柔软70％。这一发现可用来帮助医生提高癌症诊断准确率。第六十一页，共79页。Gimzewski指出正常细胞发生癌变后，形状和内部结构会随之发生改变，癌变细胞因此变得更软。但这一特征无法通过对比细胞外形发现。现阶段，医学界诊断癌症主要有两种方法：一种是活体切片，将切下的组织放在显微镜下，观察是否有癌变迹象；另一种是利用抗体检验蛋白质，分辨癌变细胞和正常细胞。但利用这两种方法检验肺癌的平均误差率达到15％。第六十二页，共79页。[8]纳米技术在分子组装方面的应用

纳米技术以往的研究主要集中在：A在实验室探索用各种手段制备各种纳米微粒，合成块体。B研究评估表征的方法，并探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。C利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。第六十三页，共79页。1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”，算盘架是蚀刻而成的铜槽和铜脊，算珠由球状的C60分子构成，槽脊柱只有一个原子高，每个槽内可容纳任意个巴基球，巴基球由扫描隧道显微镜操纵在铜槽内滑动。理论上金泽夫斯基的算盘储存信息的容量是常规电子计算机存储器的10亿倍。第六十四页，共79页。1999年，(王中林)美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量亿亿分之二百克的单个病毒的“纳米秤”。该成果在《Science》发表，这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类，发现新病毒作出了贡献。(10-15g)第六十五页，共79页。1999年美国波士顿大学的化学家Kelly在《自然》报道世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成。ThechemicallydrivenrotarymolecularmotorbyKellyandco-workers.120°rotation第六十六页，共79页。《自然》杂志还报道了另一个由荷兰和日本科学家研究的另一种由太阳能驱动的分子马达，其在光照作用下，能够连续不断地旋转。Rotarycycleofthelight-drivenrotarymolecularmotorbyFeringaandco-workers.360°第六十七页，共79页。1999年，美国哈佛大学的Philip

Kim

和Charles

Lieber研制出纳米镊子,能抓住直径约500纳米的聚苯乙烯原子团纳米镊子是在一个圆锥形的直径约100纳米的微型滴管的内外壁沉积金电极制成的，镊子的每个臂则是用一束像葱一样的同心层碳纳米管制作，而这些同心层中的一层用导电的胶粘在每根电极上。

NanotubeNanotweezersCharlesM.Lieber，纳米镊子第六十八页，共79页。

纳米镊子用电操纵，使用它时，在两根电极上加电压，使一根纳米管臂带正电，另一根纳米管臂带负电通过改变所加电压的大小，可增加或减少镊子之间的吸力(即夹东西的力量)。试验表明，镊子的两臂在电压达到8.5伏时可完全合拢，