纳米材料科学与技术课件.ppt

1、纳米材料科学与技术纳米材料科学与技术1.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展 当当20002000年人们回顾历史的时候年人们回顾历史的时候, , 他们会为他们会为直到直到19591959年才有人想到直接用原子年才有人想到直接用原子, , 分子来制分子来制造机器而感到惊讶。造机器而感到惊讶。 - Richard P. Feynman,1959n 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小尺寸大世界。n 1959年年12月月，费曼费曼所作的题为所作的题为底部还有很底部还有很大空间大空间的演

2、讲，被公认为是纳米技术思想的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源。的来源。费曼曾预言：“毫无疑问，当我们毫无疑问，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大的扩充我们可能获得物性的范围”费曼费曼（Richard Feynman），），物理学家物理学家量子动力学量子动力学 1965诺贝尔奖诺贝尔奖n 19741974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。机械加工。n 19821982年，科学家发明研究纳米的重要工具（扫描隧道显年，科学家发明研究纳米的重要工具（扫描

3、隧道显微镜），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭微镜），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。极促进作用。n 19901990年年7 7月月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生标志着纳米科学技术的正式诞生。1.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展第一阶段第一阶段 (1990年以前年以前)n 在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估

4、表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。第二阶段第二阶段 (1994年以前年以前)n 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。第三阶段第三阶段 (1994之后之后)n 纳米组装体系。1.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展引引 言：言：纳米科技的发展史是一个由幻纳米科技的发展史是一个由幻想到现实的过程，其中不乏里程碑式的想到现实的过程，其中不乏里程碑式的事件事件( (图图1)1)。2 0 0 2年年1 9 5 9年年1981年年1985年年1986年年1 9 8 7年年1 9 8 8年年1989年年1 9 9 0年年1991年年2000年年

5、1997年年图图1 1 纳米科技发展的里程碑节点纳米科技发展的里程碑节点 1.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展100 m100 slicesTake 1 slice1 m1000 slicesTake 1 slice1nmHuman Hair Human Hair纳米（纳米（Nanometer）是长度的单位）是长度的单位n 1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直列一直线线的的长长度。度。n 形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放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，这就是纳米长度的概念在地球上一般，这

6、就是纳米长度的概念。 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。纳米材料的主要形式纳米材料的主要形式纳米粒子纳米粒子纳米线纳米线纳米带纳米带纳米膜纳米膜纳米管纳米管纳米固体材料纳米固体材料某一方向尺度为某一方向尺度为1-100nm的材料称为纳米材料的材料称为纳米材料各种纳米结构各种纳米结构二维二维指在空间中有一维指在空间中有一维在纳米尺度，在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等如超薄膜、多层膜、超晶格等按照维数划分按照维数划分零维零维指在空间三维方向指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒、原均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等子团簇等一维一维指在空间有二维处于纳指在空间有二维

7、处于纳米尺度，如纳米丝、纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等米棒、纳米管等纳米分类纳米分类按化学组成与结构按化学组成与结构: 纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料；按力学性能按力学性能: 纳米增强陶瓷材料、纳米改性高分子材料、纳米耐磨及润滑材料、超精细耐磨材料；按光学性能按光学性能: 纳米吸波(隐身)材料、光过滤材料、光导电材料、感光或发光材料、纳米改性颜料、纳米抗紫外线材料；按电子性能按电子性能: 纳米半导体传感器材料、纳米超纯电子浆料；按磁性按磁性: 高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料、纳米磁性药物、纳米微晶永磁或软磁材料、室温磁制冷材料;按热学性能按热学性

8、能: 纳米热交换材料、低温烧结材料、低温焊料、特种非平衡合金;按生物与医用性能按生物与医用性能:纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗菌材料;按表面活性按表面活性:纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料纳米材料的种类纳米材料的种类2、纳米材料概述、纳米材料概述全球科技经济瞭望全球科技经济瞭望：科学界普遍认为，：科学界普遍认为，纳米技术是纳米技术是2121世纪经济增长的一台主要的发动机世纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学，其作用可使微电子学在在2020世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的

9、变革。学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在美国纳米技术在美国n 美国早在美国早在20002000年就率先制定了国家级的纳米技术计划（年就率先制定了国家级的纳米技术计划（NNINNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。n 20032003年年1111月，美国国会又通过了月，美国国会又通过了2121世纪纳米技术研究世纪纳米技术研究开发法案开发法案，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发，这标志着纳米技术已

10、成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。建立以及人才的培养等全面展开。批准联邦政府在从批准联邦政府在从2005财政年度开始的财政年度开始的4年中共投入约年中共投入约37亿亿美元，用于促进美元，用于促进纳米技术的研究开发。纳米技术的研究开发。纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在美国纳米技术在美国n 2010年年: 80万纳米科技人才万纳米科技人才,GDP1万亿美元万亿美元, 200万个就业万个就业机会机会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 军

11、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 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“国家纳米技国家纳米技术倡议术倡议”: 纳米材料纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学和生物学纳米医学和生物学 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了多多于于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 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 自洁净玻璃、光

12、催化净化水或空气自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在日本纳米技术在日本日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。n 20052005年，欧盟制定年，欧盟制定欧洲纳米技术发展战略欧洲纳米技术发展战略，欧盟成，欧盟成员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发展员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发展计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过140140亿美元。亿美元。n 俄罗斯从俄罗斯从20012001年开始重点推动纳米技术产业，年开始重点推动纳米技术产业，20072007年专年专

13、门成立国有门成立国有 俄罗斯纳米技术集团俄罗斯纳米技术集团 推动产业化发展。推动产业化发展。纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在欧洲纳米技术在欧洲n 我国从我国从20世纪世纪80年代起就一直高度重视纳米技术，作年代起就一直高度重视纳米技术，作为较早开展纳米技术研究的国家之一，为较早开展纳米技术研究的国家之一，2001年就成立年就成立国家纳米科技指导协调委员会，同年国家纳米科技指导协调委员会，同年7月科技部等五部月科技部等五部委发布委发布国家纳米科技发展纲要（国家纳米科技发展纲要（2001-2010）。n 2001-2009年，我国用于纳米科技的研发经费超过年，我国用于纳米科技的研发经费超过26

14、亿元人民币。我国在纳米材料研究方面与国际保持同亿元人民币。我国在纳米材料研究方面与国际保持同步，并已开始产业化。步，并已开始产业化。n 2009年，我国发表纳米科技年，我国发表纳米科技SCI-E论文总数首次超越论文总数首次超越美国，跃居世界第一美国，跃居世界第一，专利申请量世界第二；先后建，专利申请量世界第二；先后建设设国家纳米技术科学中心国家纳米技术科学中心和和纳米技术及应用国家工纳米技术及应用国家工程研究程研究纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术与当代中国纳米技术与当代中国纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产纳米材料的特殊性能是由于纳米材料

15、的特殊结构，使之产生四大效应，即生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景 ， 并 已 经 成 为 当 今 世 界 科 技 前 沿 的 热 点 之 一 。景 ， 并 已 经 成 为 当 今 世 界 科 技 前 沿 的 热

16、点 之 一 。表面效应表面效应u 引发性能：引发性能： 1）表面原子输运构型变化：催化）表面原子输运构型变化：催化2）电子自旋构象能谱变化：光学）电子自旋构象能谱变化：光学u 表面原子特点：表面原子特点：1）原子配位不满，多悬空键）原子配位不满，多悬空键2） 高表面能，高表面活性高表面能，高表面活性纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能表面效应表面效应如如A原子缺少三个近邻，原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺少两个近邻，原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近邻，原子缺少一个近邻，它们均处于不稳定状态，它们均处于不稳定状态， 近邻缺位越多越容易与其他原子结合，说明处于表近邻缺位越多越容易与其他原子

17、结合，说明处于表面的原子面的原子(A、B、C、D和和E)比处于内部的原子的配位有效明显的减少。比处于内部的原子的配位有效明显的减少。纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能宽频带强吸收宽频带强吸收l 纳米粒子呈黑色、极低反射率纳米粒子呈黑色、极低反射率l 纳米氮化硅

18、、碳化硅及氧化铝粉末对红外有一个宽带吸纳米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉末对红外有一个宽带吸收谱收谱n 大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键大的比表面导致了平均配位数下降，不饱和键和悬键增多增多n 可以作为高效率的光热、光电等转换材料，也可以应可以作为高效率的光热、光电等转换材料，也可以应用于红外敏感元件、红外隐身技术等用于红外敏感元件、红外隐身技术等量子限域效应量子限域效应（1）光学性质）光学性质小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能银多面体纳米晶由于等离子体共振吸收峰变化导致散射的颜色发生变化银多面体纳米晶由于等离子体共振吸收峰变化导致散射的颜色发生变化.小尺寸效应小

19、尺寸效应（1）光学性质：蓝移）光学性质：蓝移纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能（1）光学性质：蓝移）光学性质：蓝移小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能（2）光学性质：发光）光学性质：发光小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能n 固态大尺寸物质，熔点固定；固态大尺寸物质，熔点固定；n 超细微化后其熔点显著降低，当粒径小于超细微化后其熔点显著降低，当粒径小于10纳米时尤为显著纳米时尤为显著 例如，块状金的常规熔点为例如，块状金的常规熔点为1064 ， - 当颗粒尺寸减小到当颗粒尺寸减小到10 nm尺寸时，则降低尺寸时，则降低27， - 2 nm尺寸时的熔点仅

20、为尺寸时的熔点仅为327左右。左右。n 比热容、热膨胀系数：比热容、热膨胀系数： - 纳米金属纳米金属 Cu 的比热容是传统纯的比热容是传统纯Cu的的2倍；倍； - 纳米固体纳米固体Pd 的热膨胀比传统的热膨胀比传统Pd材料提高材料提高1倍；倍； - 纳米纳米Ag作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高30%（3）热学性质）热学性质小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能n 纳米颗粒足够小时，呈现超顺纳米颗粒足够小时，呈现超顺磁性。磁性超细颗粒具有高的磁性。磁性超细颗粒具有高的矫顽力。矫顽力。n 磁性材料纳米化后，磁化率也磁性材料纳米化后

21、，磁化率也会发生明显变化。纳米磁性金会发生明显变化。纳米磁性金属磁化率是宏观状态下的属磁化率是宏观状态下的 20 倍，而饱和磁矩是宏观状态下倍，而饱和磁矩是宏观状态下的的1/2。 磁性超微颗粒磁性超微颗粒生物磁罗盘生物磁罗盘 高矫顽力高矫顽力制作高贮存密度制作高贮存密度的磁记录磁粉的磁记录磁粉 超顺磁性超顺磁性制作磁性液体制作磁性液体铁磁流体铁磁流体（4）磁学性质）磁学性质小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能典型案例：典型案例： 银是优良的良导体，银是优良的良导体，(1015)nm的银微粒电阻突然升高，失去了的银微粒电阻突然升高，失去了金属的特征，变成了非导体。金属的特征，

22、变成了非导体。 共价键结构的氮化硅、二氧化硅等，当尺寸达到共价键结构的氮化硅、二氧化硅等，当尺寸达到(1520)nm时电时电阻却大大下降，用扫描隧道显微镜观察时不需要在其表面导电材阻却大大下降，用扫描隧道显微镜观察时不需要在其表面导电材料就能观察到其表面的形貌。料就能观察到其表面的形貌。（5）电学性质）电学性质小尺寸效应小尺寸效应主要原因：主要原因： 晶界上原子体积分数增大，晶界原子排列混乱、厚度晶界上原子体积分数增大，晶界原子排列混乱、厚度大，界面能垒导致电子运动发生变化。大，界面能垒导致电子运动发生变化。纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能布朗运动布朗运动 是由于分子热运动造成的。纳米粒子

23、形成溶胶时会产生无规则是由于分子热运动造成的。纳米粒子形成溶胶时会产生无规则的布朗运动。布朗运动是影响粒子分散物系的布朗运动。布朗运动是影响粒子分散物系(溶胶溶胶)动力稳定性的一个原因。动力稳定性的一个原因。纳米粒子不会稳定地停留在某一固定位置上，不会因重力而发生沉积，另纳米粒子不会稳定地停留在某一固定位置上，不会因重力而发生沉积，另一方面，可能因相互碰撞而团聚，颗粒由小变大而沉淀。一方面，可能因相互碰撞而团聚，颗粒由小变大而沉淀。016RTDNr为分散介质的粘度系数；为分散介质的粘度系数；r为粒子半径为粒子半径（6）动力学性质）动力学性质小尺寸效应小尺寸效应扩散扩散 是在有浓度差时，由于微粒

24、热运动是在有浓度差时，由于微粒热运动(布朗运动布朗运动)而引起的物质迁而引起的物质迁移现移现 象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数象。微粒越大，热运动速度愈小。一般以扩散系数(D)来量度扩散速度。来量度扩散速度。纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能n 原子配位不满，多悬空键；原子配位不满，多悬空键； n 微观粒子具有贯穿势垒的能力；微观粒子具有贯穿势垒的能力；n 宏观量子隧道效应；宏观量子隧道效应；n 一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量）具有的隧道效应的磁通量）具有的隧道效应 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应意义意义:

25、确立了现存微电子器件进一步微型化的极限确立了现存微电子器件进一步微型化的极限 纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能 当粒子尺寸降到某一值时，当粒子尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级金属费米能级附近的电子能级由由准连续变为离散能级准连续变为离散能级的现象的现象和和纳米半导体微粒存在纳米半导体微粒存在不连续的不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变能隙变宽宽现象现象均称为均称为量子尺寸效应量子尺寸效应。能带理论表明能带理论表明: 金属费米能级附近电子能级一般是连续的金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有，这一点

26、只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。在高温或宏观尺寸情况下才成立。 对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的。离散的。 量子尺寸效应量子尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能 制备优异性能的纳米材料制备优异性能的纳米材料设计、制备各种纳米器件和装置设计、制备各种纳米器件和装置探测分析纳米区域的性质和现象探测分析纳米区域的性质和现象transistor 1947 integratedcircuit chip 1959 2001: 100 million transistors per chip纳米科技研究内容纳米科技研究内容n

27、 纳米科技的研究内容：纳米科技的研究内容：纳米纳米物理学、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军事居家航天医学能源环保信息纳米科技视频资料：什么是纳米纳米材料应用领域纳米材料应用领域能源领域能源领域金属防护金属防护路桥领域路桥领域建筑节能建筑节能视频资料视频资料: 1 Nano YouSTM的工作原理的工作原理n 将针尖

28、和样品表面作为两个电极，当两将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流隧道电流”，这种效应就是隧道效应，这种效应就是隧道效应。nSTMSTM工作时的特点利用针尖扫描样品表面工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。，通过隧道电流获取图像。nSTMSTM工作方式工作方式 恒电流扫描恒电流扫描 恒高度扫描恒高度扫描STM的原理示意图的原理示意图STM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观察和研究固体表面的微观结构观察和研究固体

29、表面的微观结构1.3 特点及应用特点及应用n 白春礼院士，白春礼院士，19881988年年4 4月月1212日，中国第一台计日，中国第一台计算机控制的算机控制的STMSTM研制成功。研制成功。n 1989年美国加州IBM实验内，依格勒博士（D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一个个氙原子排出“IBM”。n 之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志我国在纳米科技领域占有一席之地。STM例：例：移动原子移动原子STM例：例：移动铁原子移动铁原子n 19931993年，美国科学家在低温下，用年，美国科学家在低温下，用STMSTM针尖将针尖将484

30、8个铁原子排成一个圆环，并个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形。且直接观察到了电子驻波的图形。u 视频资料：视频资料：扫描隧道显微镜的发明扫描隧道显微镜的发明STMSTM的工作原理的工作原理如何移动、触摸原子如何移动、触摸原子宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构-贝壳和动物贝壳和动物骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了“人工纳米材料人工纳米材料”-烟烟粒。西汉铜

31、镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。图图 2.2 自然界里的纳米材料自然界里的纳米材料纳米材料的自然历史纳米材料的自然历史 图图5 5 王羲之王羲之夜乱贴夜乱贴（局部）（局部） 徽墨徽墨精烟墨精烟墨 莲花叶子表面莲花叶子表面的自我洁净的自我洁净莲花叶面表面的结构莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。状物形成点的接触。液滴在自身的表面张液滴在自身的表面张力作用下形成球状，力作用下形成球状，在滚动中吸

32、附灰尘，在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。并滚出叶面。纳米材料的自然历史纳米材料的自然历史 水滴在涂层表面的表观接触角：水滴在涂层表面的表观接触角： cos =(1-) cos - :表面材质；表面材质；:表面粗糙度表面粗糙度 提高表面憎水性提高表面憎水性/微观凹微观凹-凸形貌凸形貌 150o 耐污性耐污性 5% 自分层自分层表面富集表面富集 有机涂层有机涂层疏水疏水 改性改性蜜蜂蜜蜂-导航功能导航功能蜜蜂体内存在着磁性蜜蜂体内存在着磁性的纳米粒子，这些粒的纳米粒子，这些粒子具有罗盘的作用，子具有罗盘的作用，这就是蜜蜂飞行的导这就是蜜蜂飞行的导航系统。航系统。鹅毛和鸭毛的排鹅毛和鸭毛的排列非常整齐

33、，且列非常整齐，且毛与毛之间的隙毛与毛之间的隙缝极小，小到纳缝极小，小到纳米尺寸，所以水米尺寸，所以水分子无法穿透层分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。层的鹅毛和鸭毛。所以鹅与鸭得以所以鹅与鸭得以在水中保持身体在水中保持身体的干燥。这种结的干燥。这种结构还极其通气。构还极其通气。纳米材料的自然历史纳米材料的自然历史 通过涂层表面微观结构与形貌的设计，使之具有类似海豚皮通过涂层表面微观结构与形貌的设计，使之具有类似海豚皮表面纳米结构与形貌，以实现舰船涂层的长效、无毒防污表面纳米结构与形貌，以实现舰船涂层的长效、无毒防污 影响舰船的战斗性能（影响舰船的战斗性能（污损率为污损率为5%5%时的阻力时的阻力=

34、 =洁净洁净 表面的表面的2 2倍）倍） 燃油消耗（燃油消耗（燃料消耗增加燃料消耗增加10%10%） 维修成本增加维修成本增加 加速船体腐蚀，缩短使用寿命加速船体腐蚀，缩短使用寿命 船舰耐污涂层船舰耐污涂层壁虎的脚底部壁虎的脚底部长着数百万长着数百万根极细的刚毛根极细的刚毛 壁虎的每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲壁虎的每根刚毛末端又有一千多根顶部呈刮铲状的更细的分支毛状的更细的分支毛n 2008年年3月，美国哈佛月，美国哈佛麻省理工罗伯特麻省理工罗伯特兰格兰格和杰弗里和杰弗里卡普教授开发出一种具有弹性的、卡普教授开发出一种具有弹性的、可生物降解的胶贴。可生物降解的胶贴。n 该胶贴的灵感来自壁

35、虎的足部，该胶贴的灵感来自壁虎的足部，n 这种胶贴，也是依靠纳米尺度的柱体和化学胶这种胶贴，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。和动物安全性的胶贴。现代纳米发展与高新科技现代纳米发展与高新科技n 19911991年，碳纳米管被人类年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却积钢的六分之一，强度却是钢的是钢的1010成为纳米技术研成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维米碳管将是未

36、来最佳纤维的首选材料，也将被广泛的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。以及纳米级电子线路等。碳纳米管被发现碳纳米管被发现视频：中国在纳米碳管研究中的突破视频：中国在纳米碳管研究中的突破天梯天梯碳纳米管绳梯碳纳米管绳梯w 古人曾经幻想，顺着天梯就可以上天了。古人曾经幻想，顺着天梯就可以上天了。他们认为，沿着昆仑山顶峰上的大树向上他们认为，沿着昆仑山顶峰上的大树向上爬，爬到树顶就能进入天庭，这棵树就是爬，爬到树顶就能进入天庭，这棵树就是上天的天梯。上天的天梯。n 从地面修造一架天梯从地面修造一架天梯达到几万千米高的卫达到几万千米高的卫星，底部必须是

37、直径星，底部必须是直径358358千米粗的柱子，才千米粗的柱子，才能支撑得住，才不会能支撑得住，才不会被自己的重量压弯，被自己的重量压弯，这样的天梯，其底座这样的天梯，其底座相当于江苏省的面积相当于江苏省的面积那么大。那么大。天梯天梯碳纳米管绳梯碳纳米管绳梯n 建设天梯建设天梯（20世纪世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬上爬下。上爬下。石墨烯石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料材料。是。是一种由碳原子一种由

38、碳原子以以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料的二维材料. A. K. GeimK.S. Novoselov石墨烯的发现石墨烯的发现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”纳米研究进展纳米研究进展20052005年，美国莱斯大学教授詹姆斯年，美国莱斯大学教授詹姆斯- -图尔设计了一个纳米车，虽图尔设计了一个纳米车，虽然没有马达，但可以借助热扩散在金属表面移动

39、。他指出费林加然没有马达，但可以借助热扩散在金属表面移动。他指出费林加研发的新分子是在制造当前只能通过酶的生物学活动实现的机器研发的新分子是在制造当前只能通过酶的生物学活动实现的机器方面迈出的重要一步。图尔说：方面迈出的重要一步。图尔说：“我们可以捕获小分子，组装成我们可以捕获小分子，组装成类似电子存储器那样的小型装置。类似电子存储器那样的小型装置。” ” 世界最小四轮纳米车世界最小四轮纳米车 众所周知，上世纪器官移众所周知，上世纪器官移植，人工器官技术的发展，曾使植，人工器官技术的发展，曾使得外科从修复外科时代得外科从修复外科时代( (对病变对病变器官与组织的切除器官与组织的切除) )向替代

40、外科向替代外科时代时代( (器官移植、人工器官器官移植、人工器官) )发展发展，并有专家预言，并有专家预言2121世纪医学仍然世纪医学仍然是替代外科为主的时代。是替代外科为主的时代。纳米药包纳米药包n 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；n 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞；纳米泵人造红细胞纳米泵人造红细胞n它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气。血液形态图血液形态图 在生物医学领域的应用

41、在生物医学领域的应用纳米技术与基因疗法的结合纳米技术与基因疗法的结合 n 瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。n 用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位；果蝇：遗传学和分子发育生物学的国果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王王图中左侧为雌性，右侧为雄性图中左侧为雌性，右侧为雄性 纳米清洁工纳米清洁工n科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。纳米机器人在清理血管中的有害堆纳米机器人在清

42、理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、予以清理而不用进行危险的开颅、开胸手术。开胸手术。隐形战斗机隐形战斗机防弹衣防弹衣n 因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。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

43、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，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

44、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

45、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December 15, 2000“麻雀卫星麻雀卫星”质量不足质量不足1010千克，各种部件全千克，各种部件全部用纳米材料制造，一枚小型部用纳米材料制造，一枚小型火箭一次就可以发射数百颗。火箭一次就可以发射数百颗。若在太阳同步轨道上等间隔地若在太阳同步轨道上等间隔地部署部署648648颗功能不同的颗功能不同的“麻雀卫麻雀卫星星”，就可以保证在任何时

46、刻对，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，地球上任何一点进行连续监视，即使少数失灵，整个卫星网络即使少数失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。的工作也不会受影响。.五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习“战争战争”发发生在生在20102010年，美国与敌方的飞机、坦克、大炮在战场上频繁调年，美国与敌方的飞机、坦克、大炮在战场上频繁调动。就在双方剑拔弩张之时，天空中出现了许多动。就在双方剑拔弩张之时，天空中出现了许多“苍蝇苍蝇”、“黄蜂黄蜂”等等“小昆虫小昆虫”，地面上也拥出数以万计的，地面上也拥出数以万计的“蚂蚁蚂蚁”。这些这些“小动物小

47、动物”有的在战场上空盘旋，有的则直接进入敌方的有的在战场上空盘旋，有的则直接进入敌方的指挥机关、雷达站、弹药库等。指挥机关、雷达站、弹药库等。突然间，随着一声巨响，敌方弹药库率先发生爆炸。紧接突然间，随着一声巨响，敌方弹药库率先发生爆炸。紧接着，敌方指挥通信系统也莫名其妙地炸开了花，在前线待命的着，敌方指挥通信系统也莫名其妙地炸开了花，在前线待命的飞机、坦克和航母，因接不到指令、失去弹药和能源补给，全飞机、坦克和航母，因接不到指令、失去弹药和能源补给，全都成了废铁。都成了废铁。随着纳米技术的发展，人类也许能够研制出各种随着纳米技术的发展，人类也许能够研制出各种“难以有效防御难以有效防御”的先进

48、武器，尖端的的先进武器，尖端的纳米技术有可能成为纳米技术有可能成为“本世纪人类面临的最大威胁之一本世纪人类面临的最大威胁之一”。 n 2009年年2月月，Grimes在在Nature报道了报道了“水变油水变油”实验：向钢管实验：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，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。然后在容器顶部安装石英窗户使阳光进入。n 在纳米管上时，纳米管释放出高能量的载荷子，使得水分子在纳米管上时，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分解为氢氧自由基和氢离子。二

49、氧化碳分解后的产物氧气、氧气、一氧化碳和氢气后，就反应生成了一氧化碳和氢气后，就反应生成了甲烷和水甲烷和水。”n 在整个反应后期，铜和铂催化作用明显，但由于铂的价格昂在整个反应后期，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。贵，如何减少铂含量而使得催化效果不变，仍值得研究。l 2000年年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析

50、判断。蛋白质信息输入计算机进行分析判断。l 2001年纽约斯隆年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维凯特林癌症研究中心的戴维. 沙沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。了一种消灭癌细胞的靶向药物。n 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1991年：年：n IBM的首席科学家的首席科学家Armstrong曾预言：曾预言：“我们相信纳米科技将在