专题三 纳米技术.ppt

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1、专题三 纳米技术 Four short words sum up what has lifted most successful Four short words sum up what has lifted most successful individuals above the crowd: a little bit more. individuals above the crowd: a little bit more. -author -author -date-date1.纳米的概念纳米的概念u纳米的概念纳米的概念 纳米纳米”是英文是英文nanometer的译名（希腊语的译名（希腊

2、语“矮小矮小”），），是一种度量单位，是一种度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长，个原子串起来那么长，是氢原子直径的是氢原子直径的10倍，倍，。 纳米结构通常是指尺寸在纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米以下的微小结构。 纳米研究的范围是纳米研究的范围是1到到100纳米，纳米，0.1纳米是单个氢原子的纳米是单个氢原子的尺寸，因此所谓尺寸，因此所谓0.1纳米层面的纳米层面的“纳米技术纳米技术”是不存在的。是不存在的。 2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发

3、展1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造意愿，逐个地排列原子，制造“产品产品”，这是关于纳米技术，这是关于纳米技术最早的梦想。最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。米科技的构想。原子排成的原子排成的“原子原子”字样字样2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展1974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

4、奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。机械加工。 1982年，科学家宾尼西、罗雷尔发明研究纳米的重要工年，科学家宾尼西、罗雷尔发明研究纳米的重要工具具扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，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极促进作用。生了积极促进作用。 1990年年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。CSTM9000型扫描隧道显微镜型

5、扫描隧道显微镜2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。纳米级电子线路等。2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展

6、1993年，继年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯下斯坦福大学英文名字；坦福大学英文名字； 1990年美国国际商用机器公司在镍表面用年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原之后，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子成功写出“中国中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。领域占有一席之地。2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利年，美国科学家首次成功地用单

7、电子移动单电子，利用这种技术可望在用这种技术可望在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。高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的世界上最小的 “秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于相当于个病毒的重量；个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 2.

8、 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展2000年年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加月，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，该手术刀可以每秒扫描工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。断。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. 沙因贝格尔沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状的一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

9、癌细胞的靶向药物。像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。2. 纳米技术的诞生与发展纳米技术的诞生与发展到到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到额达到500亿美元。亿美元。 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基年科技基本

10、计划的研发重点；本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的年的1.16亿美元增亿美元增加到加到2001年的年的4.97亿美元。亿美元。研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。的科学。19901990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，并正式创办了议，并正式创办了纳

11、米技术纳米技术杂志，标志着纳米科学的诞杂志，标志着纳米科学的诞生。生。就其学科方向而言，它既不是化学，也不是物理学和生物就其学科方向而言，它既不是化学，也不是物理学和生物学，而是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术学科；学，而是一门多学科交叉渗透和综合的高新技术学科；就其应用而言，它包括纳米生物学、纳米电子学、纳米化就其应用而言，它包括纳米生物学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等新兴学科；学、纳米材料学和纳米机械学等新兴学科；就其研究领域而言，是人类过去很少涉及的非宏观、非微就其研究领域而言，是人类过去很少涉及的非宏观、非微观的中间领域，即从宏观世界到微观世界的过渡区观的中间领域，

12、即从宏观世界到微观世界的过渡区纳米世纳米世界。界。3. 纳米科学纳米科学宇观宇观(Cosmoscopic)(Cosmoscopic)遥观遥观(Remote sensoscopic)(Remote sensoscopic)宏观宏观(Macroscopic)(Macroscopic)显微观显微观(Optico-microscopic)(Optico-microscopic)介观介观(Mesoscopic) (Mesoscopic) 或纳米观或纳米观(Nanoscopic): 1100nm(Nanoscopic): 1100nm微观微观(Microscopic)(Microscopic)皮米观皮米观

13、(Picosopic)(Picosopic)飞米观飞米观(Fentoscopic)(Fentoscopic)亚飞米观亚飞米观(Subfentoscopic)(Subfentoscopic)3. 纳米科学纳米科学4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性u纳米材料纳米材料（nano material） 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。纳米材料又称为超微颗粒材料，但它却是纳米技术发展的基础。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，

14、一般是指尺寸在1 1100nm100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学

15、、力学以及化学方面的性质和即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。大块固体时相比将会有显著的不同。1nm=10-9m，即，即1毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺度一般定义为度一般定义为10-710-10m内（内（0.1100nm）；）；相当于人发直径的相当于人发直径的1/10万。万。具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。当具有奇异的力学、光学、磁学、热学和化学等特性。当材料晶粒的尺寸小于材料晶粒的尺寸小于1 nm时，材料的性质就会出现意想不时，材料的性质就会出现意想不到的变化。譬如：色、熔点、着火点到的变化

16、。譬如：色、熔点、着火点它很可能成为本世纪前它很可能成为本世纪前20年的主导技术。美国科学技术年的主导技术。美国科学技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心。的核心。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性u纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性 表面效应表面效应 小尺寸效应小尺寸效应 量子尺寸效应量子尺寸效应 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性1.表面效应表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表

17、面积体积）与直径成反比。立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。占的百分数将会显著地增加。 直径大于直径大于 0.1微米的颗粒表面微米的颗粒表面效应可忽略不计，当颗粒尺寸小于效应可忽略不计，当颗粒尺寸小于0.1微米时，其表面原子百微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达克超微颗粒表面积的总和可高达100平平方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面

18、与大块物体的表面是十分不同的。体的表面是十分不同的。 利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。剂和贮气材料以及低熔点材料。 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 表面效应表面效应 100 80 60 40 20 0 比例（%） 表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性2.小尺寸效应小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。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变。由

19、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。增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1） 特殊的光学性质特殊的光学性质（2） 特殊的热学性质特殊的热学性质（3） 特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4） 特殊的力学性质特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。学特性以及化学性能等方面。 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性（1） 特殊的光学性质特殊的光学性

20、质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于反射率很低，通常可低于l %，大约几微米的厚度就能完全，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材消光。利用这个特性可以作为高效

21、率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性（2） 特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级纳米量级时尤为显著。例如，银的常规熔点为时尤为显著。例如，银的常规熔点为670，而超微银颗，而超微银颗粒的熔点可低于粒的熔点可低于10

22、0。超微颗粒熔点下降的性质对粉末。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1 %0.5 %重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。成大功率半导体管的基片。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性（3） 特殊的磁学性质特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生

23、物在地磁场细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为0.002微米的微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为不同，大块的纯铁矫顽力约为 80安安/米，而当颗粒尺寸减小米，而当颗粒尺寸减小到到0.002微

24、米以下时，其矫顽力可增加微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于其尺寸，大约小于0.0006微米时，其矫顽力反而降低到零，微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。呈现出超顺磁性。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性（4） 特殊的力学性质特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外

25、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，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，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材至于金属一陶瓷等

26、复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。料的力学性质，其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。学特性以及化学性能等方面。 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性3.量子尺寸效应量子尺寸效应 各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，对介于原子、分子与大块

27、固体之间的超微颗粒而言，大块释，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子

28、是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。，原有宏观规律已不再成立。 4. 量子隧道效应量子隧道效应 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量干器件中的磁通量等亦显示

29、出隧道效应，称之为宏观的量子隧等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器

30、件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制微米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性u几种典型的纳米材料几种典型的纳米材料纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米固体材料纳米膜材料纳米膜材料纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料碳纳米管碳纳米管4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性n纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度在也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，表面比大和量子尺寸

31、效应等原因，粉末或颗粒。由于尺寸小，表面比大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。它具有不同于常规固体的新特性。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性n用途：用途： 高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修

32、复材料和抗癌制剂等。元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性n 纳米固体材料纳米固体材料通常指通常指由尺寸小于由尺寸小于15纳米的超纳米的超微颗粒在高压力下压制微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密理工序后所生成的致密型固体材料。型固体材料。Fe-B纳米棒纳米棒4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性n纳米膜材料纳米膜材料是指是指尺寸在纳米量级尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及构成的薄膜以及每层厚度在纳米每层厚度在纳米量级的单层或多量级的单层或多层膜。层膜。4. 纳米材料及其特性纳米

33、材料及其特性n磁性液体材料磁性液体材料是由超细微粒包覆一层长键是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。其它液体所没有的磁控特性。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性n碳纳米管是直径非常细的中空管碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个氢气，成为许多个“纳米钢瓶纳米钢瓶” 。n研究表明，约研究表明，约2/3的氢气

34、能够在常的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。温常压下从碳纳米管中释放出来。n据预测，到据预测，到2010年，就可以生产年，就可以生产出氢气汽车，只需携带出氢气汽车，只需携带1.5升左右升左右的储氢纳米碳管，即可行驶的储氢纳米碳管，即可行驶500km。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 碳纳米管，是碳纳米管，是1991年年由日本电镜学家饭岛教授由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般所组成的管状物，它一

35、般为多层，直径为几纳米至为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。米甚至数毫米。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导

36、电率是铜的电率是铜的1万倍，它的强度是钢的万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。熔点是已知材料中最高的。 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级

37、电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，

38、从而使燃烧效其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。率更高。4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 如果用碳纳米管做绳索，是唯如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球果用它做成地球-月球乘人的电梯，月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。的发展方向。 4

39、. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性 然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场却尚未得到工业应用。超高的成本使国际市场90高纯度的碳高纯度的碳纳米管价格高达纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在格也在60美元克，远远高出黄金的价格。美元克，远远高出黄金的价格。 最近，日本科学家开发成功新的纳米碳管制造技术，可将生最近，日本科学家开发成功新的纳米碳管制造技术，可将生产成本降低至目前的产成本降低至目前的1/100。预计。预计2004年可进入大批量

40、生产阶年可进入大批量生产阶段。段。 我国清华我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。模最大的碳纳米管生产基地。 4. 纳米材料及其特性纳米材料及其特性由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁

41、性材料、电子材料、光学性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。同时纳米技术广增韧等方面有广阔的应用前景。同时纳米技术广泛的应用于各个领域。泛的应用于各个领域。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用军事军事居家居家航天航天医学医学能源能源环保环保信息信息纳米纳米科技科技5. 纳米技术的应用纳米技术的应用（1） 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可

42、加工性。许多瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程专家认为，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，则它将具有高硬中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用1）陶瓷增韧）陶瓷增韧n陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子原子排列是相当混

43、乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁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移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。延展性。纳米陶瓷纳米陶瓷5. 纳米技术的应用纳米技术的应用2）红外反射材料）红外反射材料 高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的明，但是电能的69转化为红外线，这就表明有相当多的电转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如

44、何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪世纪80年代以来，人年代以来，人们用纳米们用纳米SiO2和纳米和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约统的卤素灯相同时，可节省约15的电。的

45、电。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用3）隐身材料）隐身材料 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3 34 4个数量级，对红个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这

46、就使得红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。发现被探测目标，起到了隐身作用。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用（2） 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容

47、量为目前芯片上千破，可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑掌上电脑”。纳米电子学将成。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。为下世纪信息时代的核心。 纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。理的能力提高上百万倍，从而

48、实现电子学上的又一次革命。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用n1998年，美国首次研制出由磁性纳米棒组成的“量子磁盘”，每平方英寸可储存20万部红楼梦。l1999年，100 nm的芯片又在美国诞生了。整个美国国会图书馆的藏书都能储存在一个糖块大小的芯片中。5. 纳米技术的应用纳米技术的应用5. 纳米技术的应用纳米技术的应用 将纳米将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有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。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻可以大大降低静电作

49、用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。制作固体润滑剂等。 研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、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

50、很小的范围内进行。限于一个很小的范围内进行。 1 1）治理有害气体）治理有害气体 纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。纳米技术可以制成非常好的催化剂，其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于经它催化的石油中硫的含量小于0.01。因而，在燃煤中。因而，在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进