《奈米知识教学园地》PPT课件

1、奈米知识教学园地,奈米是什么？ 奈米是英文 nanometer 的译名，还有一种说法是源自拉丁文NANO，意思是矮小。奈米是一种长度单位，数学符号为nm；一奈米为百万分之一公厘，也就是十亿分之一公尺（10-9米），相当于4个原子的直径，是10个氢原子并排起来的长度。 由奈米材料组成的物质，是看不到、摸不着的微细物质，如果用实物来比较：人的头发一般直径为 20至50 微米，约2万至5万奈米长；一个典型的病毒大约有100奈米长。 数据源： .tw/pages/Communication/TeachProject/,前言： 1996年诺贝尔化学奖得主 Smal

2、ley 于1999年美国参议院奈米科技听证会上强调：奈米科技对未来人类健康及生活福祉之贡献，绝对不亚于本世纪为电子产品、医学影像、计算机辅助工程、人造高分子材料的总合贡献。随科技发展日新月异，反应慢、笨重的材料已日渐被淘汰，取而代之的是反应速度较快且体积微小的奈米材料。以长期的眼光来看，之学生将是未来十至二十年台湾于各国奈米领域发展的竞争主力，基于这样的理念，相信向下扎根为人才培育工作首要之任务。,如果用一公尺来代表地球的直径 那么一奈米大约是一个 弹珠 的直径大小！,大自然的奈米现象,当我们走过河边或湖边，偶尔可以看到鹅或鸭子在水中戏水寻找食物，却不见牠们羽毛被水弄湿，这是因为鹅毛、鸭毛是可

3、以防水的。牠们的羽毛排列非常整齐而致密，毛与毛之间的缝隙极细小，可以小到奈米尺寸，使得鹅或鸭子得以在水中保持身体的干燥。 由于雁鸭及鹅类动物其羽毛上具有奈米颗粒的防水结构，故可浮于水面上。鸭、鹅羽毛排列非常紧密,毛和毛之间的空隙有奈米尺寸那么小,因此,水分子没有办法穿过牠们身上的羽毛而沾附在身上。当然,在寒冷的冬天里,因为有不透气的羽毛保暖,鸭子和鹅快快乐乐的戏水玩耍,也不会冷呢！,大自然的奈米现象,莲花效应是指莲叶表面具有超疏水(superhydrophobicity)及自洁 (self-cleaning) 的特性。由于莲叶具有疏水、不吸水的表面，落在叶面上的雨水会因表面张力的作用形成水珠，

4、换言之，水与叶面的接触角(contact angle)会大于140度，水珠与叶面接触面积大约只占总面积的23%，只要将叶面倾斜，则滚动的水珠会吸附起叶面上的污泥颗粒，一同滚出叶面，达到清洁的效果，达到自我洁净的效果，这就是莲花总是能一尘不染的原因。 在电子显微镜下，莲叶的表面具有大小约515微米细微突起的表皮细胞(epidermal cell)，表皮细胞上又覆盖着一层直径约1奈米的蜡质结晶(wax crystal)。蜡质结晶本身的化学结构具有疏水性，当水与这类表面接触时，会因表面张力而形成水珠，再加上叶表的细微结构，使水与叶面的接触面积更小而接触角变大，因此加强了疏水性，同时也降低污染颗粒对叶

5、面的附着力。 世人对莲叶的这些特性并不陌生，但真正有系统地研究与分析却是最近几年的事。1997年，德国波恩大学的植物学家 Wilhelm Barthlott 针对这个特殊现象进行了一系列的实验，发现了上述莲花的疏水性与自我洁净的关系，因此创造了莲花效应 (Lotus effect) 一词，从此以后，莲花效应就成了奈米科技最具代表性的名词。 数据源：.tw/dictionary/lotus_effect.html,大自然的奈米现象,美丽的蝴蝶表现在蝶翼的色彩斑斓绚丽，服饰工业再怎么先进也望尘莫及。人类漂亮的衣着通常用染料来成色，蝴蝶却只用无色的蛋白质，就能产

6、生吸引众人目光的色彩，令人不禁要赞叹大自然的巧夺天工。蝴蝶到底是怎么做到的呢？ 科学家利用电子显微镜解开了这个谜，原来构成蝶翼的鳞片表面有许多类似树枝状的奈米结构，其细枝之间的距离约在 70100 奈米，对光线而言，看到的是两种物质，也就是空气和蛋白质组成的结构。空气和蛋白质的折射率不同，再加上这些结构是有些规则但又不是很规则，可反射部分颜色的光，并让其余颜色的光穿透过去。经由光照射后就产生了所谓的彩虹效应。不同的结构组合可以造成不同的颜色及图案，当光与鳞片结构夹角改变时，会使鳞片结构反射不同频率的光，所以翅膀颜色会随观看角度而改变，这说明蝴蝶的翅膀为何看起来如此五彩缤纷，让我们有机会欣赏到千

7、百种不同的美丽蝴蝶。 但就材料组成而言，这些不过是蛋白质，本身是无色的。大自然神奇之处在于，它不只是利用元素或分子的本质特性、个体功能而已，更重要的是能以原子、分子，甚或奈米点、奈米线为构件，自组装成各种结构，因此产生全新的特性或功能。 数据源： .tw/main/9/9_02.html；.tw/pages/Communication/TeachProject/,大自然的奈米现象, 攀爬高手壁虎 壁虎是最常见的小爬虫，时常在墙壁爬上爬下。用显微镜观察壁虎脚底，发现有 650 万根细毛(tinyhairs)，每根细毛分成

8、数百根细尖端(tips)，每根细尖端的大小约 200nm。每根细尖端可支撑200mg 的重量，一百万根便可举起20公斤，细毛利用分子间彼此吸引的凡得瓦尔力与各种物体表面黏着，每平方吋可支撑 200 磅的重量。所以壁虎的脚能轻易黏上天花板，并支撑自己身体的重量。当要移动时，只需以30度角的方式拔起或撕起，就可以轻松做到。,奈米科技的特殊性,(1) 特殊的光学性质 当金属被细颗粒大小达到奈米尺寸时，即失去了原有的金属光泽而呈黑色并且产生吸收峰等离子的共振频移，产生新的光学特性， 。尺寸越小，颜色越黑。由此可知，金属奈米微颗粒对光的反射率低于1%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以提高将

9、太阳能转变为热能、电能的效率，不同颗粒大小的遮蔽力将随光波长大小而有所不同。 (2) 特殊的热学性质 固态物质在大尺寸时，熔点是固定的，超细微化后却发现熔点有显著降低，当颗粒小于10奈米量级时特别显著。例如，金的熔点为1064 ，当颗粒尺寸减小到10奈米尺寸时，则降低27，2奈米尺寸时的熔点仅为327 左右。随着粒径逐渐减小，表面原子的比例也逐渐倍增，使得奈米材料的熔点降低。奈米微粒在低温时，具有热阻小、热导性极佳，因此可做为低温导热材料。 (3) 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、蜜蜂等生物体中存在奈米磁性颗粒，这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性奈米微颗粒实质上是一个生物磁罗

10、盘，透过电子显微镜的研究发现，在趋磁细菌体内通常含有直径约为20奈米的磁性氧化物颗粒。由于奈米材料的小尺寸效应，使得磁有序态转变成磁无序态，因而产生新的磁学特性。当颗粒粒径减小时，磁化率随之逐渐减少。 (4) 特殊的力学性质 陶瓷材料通常呈脆性，然而由奈米微颗粒压制成的奈米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为奈米材料具有大的接口，而接口的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，因此产生新奇的力学性质，再加上极强的凡得瓦力的作用下，使得奈米复合材料的强度、耐磨性、韧性、耐压性、抗老化性、致密性与防水性等特性大为增加和改善。,奈米科技生活产品,奈米未来生活,在公元1966 年惊异大奇航（Fantastic Voyage）电影中描述人类以微小化机器进入人体的奇妙旅程。想象日后这类生物分子推进器载运医疗器材与药品可望放进人体，进行清理血管、抵抗病菌等医疗行为，就如同奈米机器人进入体内做诊疗的幻想得以实现。 .tw/index.html,奈米碳管是一个非常强韧的物质，机械强度非常好而且在反复弯曲后也不容易断裂，它的强度约为钢的10-100倍，但是重量却只有钢的六分之一，是一种轻且机械强度