第六章-纳米材料(概念特性与应用).ppt

第六章第六章 纳米材料纳米材料6.1纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料6.3纳米材料的制备纳米材料的制备6.2纳米材料的特性及应用纳米材料的特性及应用16.1纳米科技及纳米材料纳米科技及纳米材料2纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展纳米概念的提出、建立与发展u1959年，年，R.P.Feynman发表有关纳米科技的著名演讲发表有关纳米科技的著名演讲u1962年，日本物理学家年，日本物理学家Kubo,建立建立Kubo理论理论u1974年年，日日本本物物理理学学家家Taniguchi提提出出纳纳米米技技术术（Nanotechnology）的的概念概念u1981年年，德德国国物物理理学学家家H.Gleiter提提出出固固体体纳纳米米结结构构（NanostructureofSolid）的概念）的概念u1990年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）年，第一届国际纳米科学技术会议（美国，巴尔的摩）u纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学纳米科技领域：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米材料学u2000年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系年后，纳米物理与纳米器件提出、原理性器件研制和评价体系3纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想纳米科技的提出：一个神奇的梦想人物：人物：人物：人物：Richard.P.Feynman(1965Richard.P.Feynman(1965年年年年NobelNobel物理奖得主物理奖得主物理奖得主物理奖得主)时间：时间：时间：时间：19591959年年年年1212月月月月2525日日日日地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院地点：美国加州理工学院Thereisaplentyofroomsatthebottom4n n“The principles of physics,as far as I can see,do not The principles of physics,as far as I can see,do not speak against the possibility of maneuvering things atom speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”by atom.”“Put the atoms down where the chemist says,and so “Put the atoms down where the chemist says,and so you make the substance.”you make the substance.”-Richard Feynman(-Richard Feynman(19591959)Physics Nobel LaureatePhysics Nobel Laureate人人类类能能够够用用宏宏观观的的机机器器制制造造比比其其体体积积小小的的机机器器,而而这这较较小小的的机机器器可可以以制制作作更更小小的的机机器器,这这样样一一步步步步达达到到分分子子线线度度,即即逐逐级级地地缩缩小小生生产产装装置置,以以至至最最后后直直接接按按意意愿愿排排列列原原子子,制制造造产产品品。那那时时,化化学学将将变变成成根根据据人人们们的的意意愿愿逐逐个个地地准准确确放放置置原原子的问题。子的问题。当当2000年年人人们们回回顾顾历历史史的的时时候候,他他们们会会为为直直到到1959年年才才有有人人想想到到直直接接用用原原子子,分子来制造机器而感到惊讶。分子来制造机器而感到惊讶。-RichardP.Feynman,19595TaniguchiEricDrexler1974年科学家唐尼古奇年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工一词描述精细机械加工;1977年年美美国国麻麻省省理理工工学学院院德德雷雷克克斯斯勒勒教教授授提提出出,可可以以从从模模拟拟活活细细胞胞的的生生物物分分子子的的人人工工类类似似物物-分分子子装装置置开开始始研研究究,并并称称之之为为纳纳米米科科技技。他他70年代末在斯坦福大学建立年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组第一个纳米科技研究小组。第第一一届届国国际际纳纳米米科科学学技技术术会会议议(Internationalconferenceonnanoscienceandtechnology)1990年年7月，美国巴尔的摩月，美国巴尔的摩6人高人高2020亿亿 纳纳米米100100万万 纳纳米米 针头针头红血球红血球分子及分子及DNA1 1千千 纳纳米米1 1 纳纳米米0.10.1 纳纳米米氢原子氢原子Earth 1.2 x 107 mIn Greek,“nano”means dwarf纳米是一个长度计量单位，纳米是一个长度计量单位，1纳米纳米=10-9米。米。什么是纳米什么是纳米(nanometer)？7 Human Hair一纳米有多小？一纳米有多小？8病毒：病毒：病毒：病毒：30-100nm30-100nm30-100nm30-100nm纳米粒子与病毒大小相当纳米粒子与病毒大小相当红血球：红血球：红血球：红血球：200-300nm200-300nm200-300nm200-300nm细菌：细菌：细菌：细菌：200-600nm200-600nm200-600nm200-600nm胃幽门胃幽门螺杆菌螺杆菌 9目前市场上炒作的目前市场上炒作的“纳米纳米”主要指纳米材料。主要指纳米材料。如何区分纳米和伪纳米？如何区分纳米和伪纳米？衡量纳米材料的两把尺子：衡量纳米材料的两把尺子：颗粒粒径是否介于颗粒粒径是否介于1个纳米到个纳米到100个纳米之间的，均匀度怎么样；个纳米之间的，均匀度怎么样；是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、是否具有纳米材料所具有的特异性能，如比表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等物理性质与常规材料不同，从而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而出现许多新奇特性。例如：铜是电的良导体，而纳米铜纳米铜则是电的绝缘体；则是电的绝缘体；硅是半导体，而硅是半导体，而纳米硅纳米硅则是良导体；陶瓷易碎，而则是良导体；陶瓷易碎，而纳米陶瓷纳米陶瓷既刚又韧，可既刚又韧，可以用来制作发动机零件；而以用来制作发动机零件；而纳米纤维纳米纤维既不沾水又不沾油。既不沾水又不沾油。10什么是纳米材料什么是纳米材料(nanomaterial)?纳纳米米材材料料是是指指在在三三维维空空间间中中至至少少有有一一维维处处于于纳纳米米尺尺度度范范围围(10-910-7m)或由它们作为基本单元构成的材料或由它们作为基本单元构成的材料。11什么是纳米结构什么是纳米结构(nanostructure)？纳纳米米结结构构是是以以纳纳米米尺尺度度的的物物质质单单元元为为基基础础，按按一一定定规规律律构构筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。筑或组装一种新的体系，它包括一维、二维和三维体系。12在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。在纳米尺度上研究材料的制备及其性质、现象的科学。什么是纳米科学什么是纳米科学(nanoscience)？13纳纳米米技技术术是是一一门门高高新新技技术术，它它对对21世世纪纪材材料料科科学学和和微微型型器器件件技技术术的的发发展展具具有有重重要要影影响响。纳纳米米技技术术，就就是是要要做做到到，从从小小到到大大，从从下下到到上上。要要什什么么东东西西，将将分分子子、原原子子搭搭起起来来，就就是是什什么么东东西西，原原材材料料浪浪费费为为零零，能能耗耗降降到到极极低低，彻彻底底从从技技术术上上解决了环保问题。解决了环保问题。在在纳纳米米尺尺寸寸上上对对物物质质和和材材料料进进行行研研究究处处理理的的技技术术称称为为纳纳米米技技术术。纳纳米米技技术术本本质质上上是是一一种种用用单单个个原原子子、分分子子制制造造物物质质的技术。的技术。什么是纳米技术什么是纳米技术(nanotechnology)？14创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料创造和制备各种新型具有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材料探测分析纳米材料,器件的结构器件的结构,性质及其相互关系和机理性质及其相互关系和机理制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度制造和研究纳米尺度(10(10-9-9 1010-7-7m)m)的器件和材料的科学技术。的器件和材料的科学技术。的器件和材料的科学技术。的器件和材料的科学技术。什么是纳米科技什么是纳米科技(Nano-ST)？15这这7个个分分支支是是相相对对独独立立的的。隧隧道道显显微微镜镜在在纳纳米米科科技技中中占占有有重重要要的的地地位位，它它贯贯穿穿到到7个个分分支支领领域域中中，以以扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜为为分分析析和和加加工工手手段段所所做做的的工工作作有有一一半半以以上上。应应当当指指出出的的是是：由由于于电电子子学学在在人人类类的的发发展展和和生生活活中中起起了了决决定定性性的的作作用用，因因此此在在纳纳米米科科技技时时代代，纳纳米米电电子子学学也也将将继继续续对对人人类类社社会会的的发发展展起起更更大大的的作作用用。因因此此在在纳纳米米科科技技的的各各个个分分支支学学科科的的研研究究中中，应应当当重重视视纳纳米米电电子子学学的的研研究究，特特别别是是利利用用扫扫描描隧隧道道电电子子显显微微镜镜(STM)的的相相关关技技术术进进行行超超高密度信息存储的研究。高密度信息存储的研究。纳米科技主要包括纳米科技主要包括:16当当今今的的时时代代，大大规规模模集集成成电电路路的的制制造造已已经经进进入入了了微微米米和和亚亚微微米米的的量量级级,电电子子器器件件的的集集成成度度越越来来越越高高，已已经经接接近近了了它它的的理理论论极极限限。在在纳纳米米尺尺度度上上，由由于于电电子子的的波波动动性性质质而而呈呈现现各各种种量量子子效效应应，使使得得电电子子器器件件已已无无法法按按照照通通常常的的要要求求进进行行工工作作。纳纳米米电电子子学学正正是是面面对对这这种种挑挑战战而而诞诞生生的的。在在纳纳米米电电子子学学这这个个天天地地里里，新的发现，新的成果不断涌现。新的发现，新的成果不断涌现。17纳纳米米电电子子器器件件中中最最有有应应用用前前景景的的是是量量子子元元器器件件。这这种种利利用用量量子子效效应应制制作作的的器器件件不不仅仅体体积积小小，还还具具有有高高速速、低低耗耗和和电电路路简简化化的的特特点点。纳纳米米电电子子学学中中另另一一个个有有趣趣的的研研究究热热点点是是所所谓谓的的单单电电子子器器件件,在在单单电电子子器器件件中中，利利用用库库仑仑阻阻塞塞效效应应，甚甚至至能能够够对对电电子子一一个个一一个个的的加加以以控控制制，这这有有可可能能开开发发出出单单电电子子的的数数字字电电路路或或存存储储器器。开开发发单单电电子子晶晶体体管管,只只要要控控制制一一个个电电子子的的行行动动即即可可完完成成特特定定功功能能,使使功功耗耗降降低低到到原原来来的的1000-100001000-10000分分之一。之一。纳纳米米存存储储器器，存存储储密密度度可可达达每平方厘米每平方厘米10万亿字节。万亿字节。18基基于于利利用用STM对对分分子子、原原子子进进行行搬搬迁迁的的事事实实，人人们们产产生生了了利利用用该该技技术术制制造造分分子子存存储储器器甚甚至至原原子子存存储储器器的的梦梦想想。物物体体的的表表面面有有原原子子的的位位置置为为“1”，没没原原子子为为“0”，这这不不就就可可以以表表示示二二进进制制吗吗？这这不不就就是是存存储储器器吗吗？一一个个分分子子存存储储器器能能够够存存储储的的信信息息，相相当当于于100万万张张光光盘盘的的存存储储量量；而而一一张张同同样样大大小小的的原原子存储器子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！19科科学学研研究究发发现现，当当材材料料的的颗颗粒粒缩缩小小到到只只有有几几纳纳米米到到几几十十纳纳米米时时，由由于于颗颗粒粒表表面面相相对对活活跃跃的的原原子子数数量量与与颗颗粒粒内内部部结结构构稳稳定定的的原原子子数数量量的的比比例例大大大大增增加加，使使得材料的性质发生了意想不到的变化。得材料的性质发生了意想不到的变化。20陶陶瓷瓷材材料料具具有有坚坚硬硬、耐耐高高温温等等优优良良特特性性，工工业业界界一一直直认认为为陶陶瓷瓷是是未未来来汽汽车车、飞飞机机发发动动机机的的理理想想材材料料。陶陶瓷瓷材材料料在在通通常常情情况况下下呈脆性；呈脆性；由由纳纳米米粒粒子子压压制制成成的的纳纳米米陶陶瓷瓷材材料料有有很很好好的的韧韧性性。因因为为纳纳米米材材料料具具有有较较大大的的界界面面，界界面面的的原原子子排排列列是是相相当当混混乱乱的的，原原子子在在外外力力变变形形的的条条件件下下很很容容易易迁迁移移，因因此此表表现现出出甚甚佳佳的的韧韧性性与与延延展展性性。使使发发动动机机工工作作在在更更高高的的温温度度下下，汽汽车车会会跑跑得得更更快快，飞飞机机会会飞飞得更高。得更高。纳米陶瓷纳米陶瓷21具具有有未未来来超超级级纤纤维维之之称称的的碳碳纳纳米米管管是是当当前前材材料料研研究究领领域域中中非非常常热热门门的的纳纳米米材材料料，它它是是一一种种由由碳碳原原子子组组成成的的、直直径径只只有有几几个个纳纳米米的的极极微微细细的的纤纤维维管管。碳碳纳纳米米管管具具有有极极其其奇奇特特的的性性质质：它它的的强强度度比比钢钢高高100100倍倍，但但是是重重量量只只有有钢钢的的六六分分之之一一；它它的的导导电性十分怪异电性十分怪异.不不同同结结构构碳碳纳纳米米管管的的导导电电性性可可能能呈呈现现良良导导体体、半半导导体体、甚甚至至绝绝缘缘体体。因因此此它它也也许许能能成成为为纳纳米米级级印印刷刷电电路路的的材材料料。碳碳纳纳米米管管可可能能做做成成纳纳米米开开关关，或或者者做做成成极极细细的的针针头头用用于于给给细细胞胞“打针打针”等等。等等。碳纳米管碳纳米管22太太空空升升降降机机 由由于于碳碳纳纳米米管管的的强强度度高高、重重量量轻轻，如如果果把把它它做做成成“太太空空电电梯梯”缆缆绳绳，使使缆缆绳绳的的长长度度是是从从同同步步轨轨道道卫卫星星下下垂垂到到地地面面的的距距离离，它它也也完完全全可可以以经经得得住住自自身身的的重重量量。到到那那个个时时候候，人人类类到到太太空空旅旅行行将将是是一一件件轻轻而而易易举举的的事事情情。如如果果用用它它做做成成地地球球-月月球球乘乘人人的的电电梯梯，人人们在月球定居就很容易了。们在月球定居就很容易了。23纳纳米米壁壁挂挂电电视视 用用纳纳米米有有机机发发光光材材料料制制作作的的电电视视屏屏幕幕可可以以象象一一幅幅图图画画一一样样卷卷起起来来带带走走。纳纳米米有有机机发发光光材材料料的的特特点点是是材材料料既既具具有有柔柔性性，同同时时可可以以在在电电场场的的作作用用下下发发出出各各种种颜颜色色的的光光。用用碳碳纳纳米米管管制制成成电电子子枪枪,可可点点亮新一代平面显示屏。亮新一代平面显示屏。24纳纳米米固固体体燃燃料料 实实验验发发现现纳纳米米铜铜和和铝铝一一遇遇到到空空气气就就会会激激烈烈燃燃烧烧，发发生生爆爆炸炸，可可以以作作为为未未来来的的固固体体燃燃料料使使火火箭箭具有更大的推动力。具有更大的推动力。25纳纳米米隐隐身身飞飞机机 在在飞飞机机外外表表面面涂涂上上纳纳米米超超微微粒粒材材料料,可可以以有有效效吸吸收收红红外外光光和和电电磁磁波波，这这就就使使得得红红外外探探测测器器及及雷雷达达得得到到的的反反射射信信号号强强度度大大大大降降低低，因因此此很很难难发发现现被被探探测测目目标标，起起到到了了隐隐身作用。身作用。美国美国F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机美国美国B2隐形轰炸机隐形轰炸机26车车、钳钳、刨刨、铣铣等等机机械械加加工工过过程程必必然然要要去去掉掉一一些些下下脚脚料料，造造成成浪浪费费。而而纳纳米米制制造造技技术术则则是是以以相相反反的的方方向向，直直接接由由原原子子、分分子子来来完完整整地地构构造造器器件件。科科学学家家们们已已经经用用原原子子、分分子子操操纵纵技技术术、纳纳米米加加工工技技术术、分分子子自自组组装装技技术术等等新新科科技技制制造造了了纳纳米米齿齿轮轮、纳纳米米电池电池、纳米探针纳米探针、分子泵分子泵、分子开关分子开关和和分子马达分子马达等。等。27分子自组装分子自组装 两两种种不不同同的的分分子子在在分分子子之之间间力力的的作作用用下下在在溶溶液液中中自自组组装装的的情情形形。由由于于纳纳米米尺尺寸寸非非常常之之小小，纳纳米米机机械械必必须须具具有有自自组组装装、自自我复制等功能。我复制等功能。由由碳碳纳纳米米管管制制作作的的纳纳米米齿齿轮轮模模型型，纳纳米米齿齿轮轮上上的的原原子子清清晰可见。晰可见。纳米齿轮纳米齿轮28分分子子马马达达是是由由生生物物大大分分子子构构成成，利利用用化化学学能能进进行行机机械械做做功功的的纳纳米米系系统统。天天然然的的分分子子马马达达，如如：驱驱动动蛋蛋白白、RNA聚聚合合酶酶、肌肌球球蛋蛋白白等等，在在生生物物体体内内参参与与了了胞胞质质运运输输、DNA复复制制、细细胞胞分分裂裂、肌肌肉肉收收缩缩等等一一系系列列重重要要生生命命活活动动。以以微微管管蛋蛋白白为为轨轨道道，沿沿微微管管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。ATP酶（分子马达）酶（分子马达）ATP酶酶(adenosinetriphosphatase)可可催催化化ATP水水解解生生成成ADP及及无无机机磷磷的的反反应应，这这一一反反应应放放出出大大量量能能量量，以以供供生生物物体体进进行行生命过程生命过程29纳米直升机纳米直升机美美国国康康纳纳尔尔大大学学的的科科学学家家利利用用ATP酶酶作作为为分分子子马马达达，研研制制出出了了一一种种可可以以进进入入人人体体细细胞胞的的纳纳米米机机电电设设备备-“纳纳米米直直升升机机”。其其中中的的生生物物分分子子组组件件将将人人体体的的生生物物“燃燃料料”ATP转转化化为为机机械械能能量量，使使得得金金属属推推进进器器的的运运转转速速率率达达到到每每秒秒8圈圈，利利用用这这个个能能量量它它们们可可以以在在人人的的细细胞胞内内“飞飞翔翔”和和“着着陆陆”。这这种种技技术术仍仍处处于于研研制制初初期期，它它的的控控制制和和如如何何应应用用仍仍是是未未知知数数。将将来来有有可可能能完完成成在在人人体体细细胞胞内内发发放药物等医疗任务放药物等医疗任务。30美国朗讯科技公司和英国牛津大学的美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用科学家用DNA(脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸)制造出制造出了一种纳米级的镊子，每条了一种纳米级的镊子，每条臂长只有臂长只有7nm。利用。利用DNA基本元件碱基的配对基本元件碱基的配对机制，可以用机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制这控制这种镊子反复开合。种镊子反复开合。利用它将可以制造利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的匪夷所思的DNA镊子镊子如果有一种如果有一种超微型镊子超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，能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多了。制造纳米机械就容易多了。31用用极极微微小小部部件件组组装装一一辆辆比比米米粒粒还还小小,能能够够运运转转的的汽汽车车、微微型车床型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝；可望钻进核电站管道系统检查裂缝；只只有有蜜蜜蜂蜂大大小小且且能能升升空空的的直直升升机机，眼眼睛睛几几乎乎看看不不见见的的发发动机；动机；提供化工使用的火柴盒大小的提供化工使用的火柴盒大小的反应器；反应器；驰驰骋骋未未来来战战场场上上的的纳纳米米武武器器，如如麻麻雀雀卫卫星星、蚂蚂蚁蚁士士兵兵、蚊子导弹蚊子导弹、苍蝇飞机苍蝇飞机、间谍草间谍草等。等。纳米机械产品纳米机械产品32“麻雀卫星麻雀卫星”质量不足质量不足10千克，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648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。33纳纳米米生生物物学学的的产产生生是是与与扫扫描描探探针针显显微微镜镜(SPM)SPM)的的发发明明和和在在生生命命科科学学中中的的应应用用分分不不开开的的。生生命命过过程程是是已已知知的的物物理理、化化学学过过程程中中最最复复杂杂的的过过程程。纳纳米米生生物物学学是是从从微微观观的的角角度度来来观观察察生生命命现象、并以现象、并以对分子的操纵和改性对分子的操纵和改性为目标的。为目标的。34生生物物学学家家在在纳纳米米生生物物学学领领域域提提出出了了许许多多富富有有挑挑战战性性的的新新观观念念，如如生生物物器器件件。它它的的特特点点是是象象遗遗传传基基因因分分子子那那样样具具有有自自我我复复制制功功能能。这这样样一一来来，可可以以利利用用纳纳米米加加工工技技术术，按按照照分分子子设设计计的的方方法法合合成成、复复制制成成各各种种用用途途的的生生命命零零件件，利利用用生生物物零零件件可可以以组组装装具具有有生生物物智智能能、运运算算速速度度更更快快的的生生物物计计算算机机；具具有有特特定定功功能能的的纳纳米米生生物物机机器器人人；生生物物零零件件与与无无机机材材料或晶体材料结合可以制成料或晶体材料结合可以制成具有生命功能具有生命功能的的纳米电路纳米电路等。等。35右右图图为为科科学学家家幻幻想想的的人人体体中中的的血血红红细细胞胞和和人人造造细细胞胞在在一一起起的的情情景景。人人体体中中红红血血球球的的重重要要功功能能之之一一是是向向身身体体的的各各个个部部分分输输送送氧氧分分子子，如如果果身身体体的的某某些些部部分分缺缺氧氧，那那部部分分就就会会感感到到疲疲劳劳。画画中中的的蓝蓝色色小小球球(纳纳米米人人造造细细胞胞)称称为为呼呼吸吸者者，它它们们不不仅仅具具有有比比红红血血球球携携带带氧氧分分子子多多数数百百倍倍的的功功能能，而而且且本本身身装装有有纳纳米米计计算算机机、纳纳米米泵泵，可可以以根根据据需需要要将将氧氧释释放放，同时将无用的二氧化碳带走。同时将无用的二氧化碳带走。36由由于于纳纳米米机机器器人人可可以以小小到到在在人人的的血血管管中中自自由由的的游游动动，对对于于象象脑脑血血栓栓、动动脉脉硬硬化化等等病病灶灶，它它们们可可以以非非常常容容易易的的予予以以清清理理，而而不不用用再再进进行行危危险险的的开开颅颅、开开胸胸手手术术。纳纳米米仿仿生生机机器器人人可可以以为为人人体体传传送送药药物物，进行细胞修复进行细胞修复等工作。等工作。纳米生物机器人在疏通血管纳米生物机器人在疏通血管 37用用纳纳米米材材料料制制成成的的人人工工眼眼球球，不不仅仅可可以以象象真真的的眼眼睛睛一一样样同同步步移移动动，也也能能通通过过电电脉脉冲冲刺刺激激大大脑脑神经，看到精彩的世界。神经，看到精彩的世界。“纳纳米米生生物物导导弹弹”专专门门对对付付癌癌症症，这这一一针针对对癌癌症症的的超超细细纳纳米米药药物物，能能将将抗抗肿肿瘤瘤药药物物连连接接在在磁磁性性超超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。纳纳米米细细胞胞修修复复器器用用于于修修复复细细胞胞内内的的各各种种病病变变，如如线粒体、细胞核的病变；线粒体、细胞核的病变；38纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展纳米制备与测试技术发展u自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术自然界天然形成的纳米材料，人类无意识制造及使用的纳米材料与技术u1931年，英国物理学家年，英国物理学家E.Ruska和和M.Knoll发明电子显微镜发明电子显微镜u1968年，美国贝尔实验室年，美国贝尔实验室A.Y.Cho和和J.Arthur发明分子束外延技术发明分子束外延技术u1981年，德国物理学家年，德国物理学家H.Gleiter发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法发明金属纳米粉体真空蒸发冷凝制备法u1982年，年，IBM实验室实验室G.Binig,H.Rohrer发明扫描隧道显微镜发明扫描隧道显微镜(STM)u1985年，日本物理学家年，日本物理学家H.W.Kroto发明富勒烯制备技术发明富勒烯制备技术u1990年，英国物理学家年，英国物理学家L.T.Canham发明纳米多孔硅制备技术发明纳米多孔硅制备技术u1991年，日本物理学家年，日本物理学家SumioLijirma发明碳纳米管制备技术发明碳纳米管制备技术u1998年，荷兰物理学家年，荷兰物理学家C.Dekker制备出基于碳纳米管的纳米晶体管制备出基于碳纳米管的纳米晶体管u1999年，美国物理学家年，美国物理学家J.M.Tour和和M.A.Reed制备出纳米单分子开关制备出纳米单分子开关u进入进入21世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展世纪以来，纳米功能材料与器件研究飞速发展39扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜具具有有很很高高的的空空间间分分辨辨率率，横横向向可可达达0.1纳纳米米，纵纵向向可可优优于于0.01纳纳米米。它它主主要要用用来来描描绘绘表表面面三三维维的的原原子子结结构构图图，在在纳纳米米尺尺度度上上研研究究物物质质的的特特性性，还还可可以以实实现现对对表表面面的的纳纳米米加加工工，如如直直接接操操纵纵原原子子或或分分子子，完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。完成对表面的剥蚀、修饰以及直接书写等。STM头部头部由由STM头部、电子学处理头部、电子学处理系统系统，减震系统以及计算，减震系统以及计算机系统组成。机系统组成。40基基本本原原理理是是基基于于量量子子力力学学的的隧隧道道效效应应和和三三维维扫扫描描。它它是是用用一一个个极极细细的的探探针针(针针尖尖头头部部为为单单个个原原子子)去去接接近近样样品品表表面面，当当针针尖尖和和样样品品表表面面靠靠得得很很近近(小小于于1纳纳米米)时时，针针尖尖头头部部的的原原子子和和样样品品表表面面原原子子的的电电子子云云发发生生重重叠叠。此此时时若若在在针针尖尖和和样样品品之之间间加加上上一一个个偏偏压压，电电子子便便会会穿穿过过针针尖尖和和样样品品之之间间的的势势垒垒而而形形成成纳纳安安级级(10-9A)的的隧隧道道电电流流；隧隧道道电电流流对对距距离离非非常常敏敏感感，保保持持针针尖尖与与样样品品表表面面间间距距的的恒恒定定，控控制制压压电电陶陶瓷瓷使使探探针针沿沿表表面面进进行行精精确确的的三三维维(x,y,z)移移动动扫扫描描时时，由由于于样样品品表表面面高高低低不不平平而而使使针针尖尖与与样样品品之之间间的的距距离离发发生生变变化化，而而距距离离的的变变化化引引起起了了隧隧道道电电流流的的变变化化；控控制制和和记记录录隧隧道道电电流流的的变变化化，并并把把信信号号送送入入计计算算机机进进行行处处理理，就就可可以以得得到到样样品品表表面面高高分分辨辨率率的的三三维维形形貌貌图图像像。扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜一般用于导体和半导体表面的测定一般用于导体和半导体表面的测定。41高序石墨原子高序石墨原子STM图象图象 用用STM描绘样品表面三维的原子结构描绘样品表面三维的原子结构:硅表面硅原子硅表面硅原子STM图象图象 421990年年，纳纳米米技技术术获获得得了了重重大大突突破破。美美国国IBM公公司司阿阿尔尔马马登登研研究究中中心心(AlmadenResearchCenter)的的科科学学家家展展示示了了一一项项令令世世人人瞠瞠目目结结舌舌的的成成果果，他他们们使使用用STM把把35个个氙氙原原子子移移动动到到各各自自的的位位置置，在在镍镍金金属属表表面面组组成成了了“IBM”三三个个字字母母，这这三三个个字字母母加加起来不到起来不到3纳米长，成为纳米长，成为世界上最小的世界上最小的IBM商标商标。431991年年IBM公公司司的的“拼拼字字”科科研研小小组组利利用用STM把把一一氧氧化化碳碳分分子子竖竖立立在在铂铂表表面面上上、分分子子间间距距约约0.5纳纳米米的的“分分子子人人”，这这个个“分分子子人人”从从头头到到脚脚只只有有5纳纳米米，堪堪称称世世界界上上最最小小的的人人形形图图案案。441993年年中中国国科科学学院院北北京京真真实实物物理理实实验验室室用用STM操操纵纵硅硅原原子子写写出出“中中国国”两两个个字字，标标志志着着中中国国开开始始在在国国际际纳纳米米科科技技领领域域占占有有一一席席之之地地。（在在室室温温下下，用用STM的的针针尖尖，并并通通过过针针尖尖与与硅硅样样品品之之间间的的相相互互作作用用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成“中国中国”的图形。）的图形。）45世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图中中国国科科学学院院化化学学所所的的科科技技人人员员利利用用STM在在石石墨墨表表面面上上通通过过搬迁碳原子绘制出的搬迁碳原子绘制出的世界上最小的中国地图世界上最小的中国地图。461993年年 5月月，IBM 的的 科科 学学 家家M.Crommie等等在在4K的的温温度度下下用用电电子子束束将将单单层层的的Fe原原子子蒸蒸发发到到Cu(111)表表面面，然然后后用用STM针针尖尖将将48个个铁铁原原子子排排列列成成直直径径为为14.3nm的圆形围栏。的圆形围栏。围围栏栏由由分分立立的的铁铁原原子子(间间距距0.95nm)组组成成而而不不连连续续，却却能能形形成成一一个个势势阶阶围围住住栏栏内内处处于于铜铜表表面面的的电子，故称为电子，故称为“量子围栏量子围栏”。“量子围栏量子围栏”QuantumCorralM.F.Crommie,et al.,Science 262,218(1993).47第一阶段第一阶段（1990年以前）年以前）第二阶段第二阶段（1994年以前）年以前）第三阶段第三阶段（1994年至今）年至今）研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特研究热点是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。物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。重点在于纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构重点在于纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构材料提出越来越受到关注。材料提出越来越受到关注。纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：主主要要是是在在实实验验室室探探索索用用各各种种手手段段制制备备各各种种材材料料的的纳纳米米颗颗粒粒粉粉体体，合合成成块块体体(包包括括薄薄膜膜)，研研究究评评估估表表征征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。48纳米材料的存在形式纳米材料的存在形式49纳米材料的分类纳米材料的分类50如果如果按维数按维数，纳米材料的，纳米材料的基本单元基本单元可以分为四类：可以分为四类：(1)零零维维，指指在在空空间间三三维维尺尺度度均均在在纳纳米米尺尺度度，如如纳纳米米尺尺度度颗颗粒粒、原子团簇等；原子团簇等；(2)一一维维，指指在在空空间间有有两两维维处处于于纳纳米米尺尺度度，如如纳纳米米丝丝、纳纳米米棒棒、纳米管、纳米带等；纳米管、纳米带等；(3)二二维维，指指在在三三维维空空间间中中有有一一维维在在纳纳米米尺尺度度，如如超超薄薄膜膜、多多层膜层膜、超晶格等。超晶格等。(4)三维，三维，纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。由它们作为基本单元构成的材料。5152Agnanosphereparticles(10nm)CdSnanocrystals(3.8nm)53InSenanocrystals(7.5nm)54Diameter:57nmLength:400nmPbCrO4nanorodsVO2nanorodsDiameter:40-60nmLength:1-2um55Ag2SenanowiresDiameter:30-40nmLength:50um56ZnOnanotubesOuterdiameter:80nmWallthickness:20nm57CdSnanobeltsWidth:severaltenstoseveralhundredsofnanometersThickness:60nmLength:severaltenstoseveralhundredsofmicrometers;someofthemevenhavelengthsontheorderofmillimeter.58Al2O3porousfilmPorousdiameter:70nm59Co(OH)2hexagonalnanoplatelets-Co(OH)2-Co(OH)2W i d t h:s e v e r a l m i c r o m e t e r sThickness:1 5 n mNote:Theinsetsshowbottlesofthesuspensionsobtainedbydispersingtheplateletsinethanol.60纳米块体材料纳米块体材料由纳米微粒组成的体相材料由纳米微粒组成的体相材料由由大大量量纳纳米米微微粒粒在在保保持持表表(界界)面面清清洁洁条条件件下下组组成成的三维系统，其界面原子所占比例很高的三维系统，其界面原子所占比例很高单相微粒组成的纳米相材料；单相微粒组成的纳米相材料；两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料两种或以上的相微粒组成的纳米复合材料61(a)(b)Cu3SnS4 nanoshell tubesTheindividualnanoshelltubeismadeupofsphericalnanoparticleswithdiameterof20-50nm.62-Fe2O3urchin-likesuperstructureTheseFe2O3nanorodsattachtogetherandassembleinto3Durchin-likesuperstructureswith rod-likecrystallitesradiatingfrom the center.Theindividualnanorodshaveameandiameterofabout80nm.63PbS3DdendriticnanostructureThelengthofthetrunkandthediameterofthebranchesofthePbSdendritesisabout2-4umand40-100nm,respectively.64PorousCuInS2microspheresThemicrospheresarecomposedofnanoshee