通识教育讲座幻灯片.ppt

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1、通识教育讲座第1页，共74页，编辑于2022年，星期三一一.什么是纳米与纳米科技什么是纳米与纳米科技?“纳米纳米”（nanometer）nano一词源于希腊语，一词源于希腊语，意为小矮人。意为小矮人。“纳米”是没有物理内涵的度量单位，1纳米即一米的十亿分之一,约一根头发丝直径的68 万分之一。纳米科技是指在纳米尺度（1100nm）上研究物质（包括原子，分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学技术。第2页，共74页，编辑于2022年，星期三 一只手掌（10厘米）以每一步缩小100倍得到的宏观、微观、纳米尺度的图像，直至构成DNA结构的原子l纳米尺度单词nano(=10-9

2、m)取自希腊语，意思是矮子，表示非常小的意思。l1/1000m=10-3 m=1mm(毫米)，1/1000mm=10-6m=1m(微米)l1/1000m=10-9m=1nm(纳米)l十亿分之一米是一纳米。一纳米大约是六个碳原子的宽度。一个氢原子大小是0.1纳米。纳米尺度可以由图1形象的表示。第3页，共74页，编辑于2022年，星期三1.1纳米尺度是个什么概念纳米尺度是个什么概念?传统意义上人们对物质的认识分为两个层次，一个是宏观，另一个是微观。而纳米尺度是处于介观的一种形态。纳米尺度的材料通常处于微观粒子和宏观物体交界的中间过渡区域，纳米材料一方面可以被看作一种“超分子”，另一方面也可以被视为

3、一种非常小的“宏观物质”。也就是说，纳米材料正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间介观状态。第4页，共74页，编辑于2022年，星期三 l纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级 (1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。l纳米材料由于其独特的结构，表现出许多特异的性质，使其能够产生不同于传统材料的显著的比表面效应、界面效应、量子尺寸效应和量子隧道效应等，表现出宏观物质和微观粒子所不具有的奇异的力学、电学、磁学、光学、热学和化学特性。纳米材料的表面效应是指

4、纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：小而急剧增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：第5页，共74页，编辑于2022年，星期三1.2是谁最先提出纳米这个概念的是谁最先提出纳米这个概念的?最早提出纳米尺度上科学技术问题的是美国著名物理学家、两度诺贝尔物理学奖获得者 理查德.费曼（Richard P Feynman）。1959年12月费曼在加州理工学院（CIT）召开的美国物理学会（APS）年会上做了一次题为“底部到底有多大空间”的著名演讲。在演讲中他预言，人类可以用小的机器制作

5、更小的机器，如果有一天人类能够对物体微小规模上的排列加以某种控制，按照人类自己的意愿，逐个排列原子或分子，那将会产生许多激动人心的新发现，将从此打开另一个世界的大门。他的这一番话被科学界视为纳米科技萌芽的标志。第6页，共74页，编辑于2022年，星期三1.3纳米科学是如何正式出现的纳米科学是如何正式出现的?1963年日本东京大学的科学家久保良五第一次发现，材料颗粒缩小到纳米尺度性能就会发生改变，并提出了有名的“久保效应”。1967年日本科学家上田良二第一次用蒸发法人工制备了纳米尺度的金属颗粒。1984年德国科学家Gleiter教授第一次采用惰性气体冷凝法制备了尺度由5nm晶体组成的铁纳米粉。G

6、leiter教授并提出纳米材料的概念，真正揭开了纳米时代的序幕。1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，并将纳米材料科学正式作为材料科学的一个分支。纳米技术、纳米生物学两个国际性专业期刊正式诞生。由此，纳米科技作为一门崭新的学科出现，并受到各国重视。第7页，共74页，编辑于2022年，星期三1.4纳米科技都研究什么纳米科技都研究什么?纳米科学与技术主要包括：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米机械学、纳米力学等。七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器材、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。1982年

7、发明了观察纳米结构的重要工具扫描隧道显微镜（STM），可以直接观测原子，分子，STM在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到七个分支领域中，以其为分析和加工手段所做的工作占所有研究工作的一半以上。第8页，共74页，编辑于2022年，星期三1.5纳米科技认知上的误区纳米科技认知上的误区正确认识纳米技术的科学内涵。纳米是一个度量单位,而纳米科学的内涵就是在纳米尺度下来认识世界、认识自然,进行知识创新、技术创新乃至于产品创新。判断一个产品、一种材料,是否达到了纳米尺度,实现了量变到质变，关键是看其性能的升级。如果用纳米技术提高了产品性能,那就体现了纳米技术的作用。如果性能没升级、没被市场接受,贴上再多纳

8、米的标签也没有价值。现在传统产业应用纳米技术,应该在新产品中说清楚在什么地方采用了纳米技术,什么性能得到了提高。第9页，共74页，编辑于2022年，星期三前一阶段出现了商业上的炒作,不顾纳米技术科学内涵,随便以纳米冠名,夸大纳米的作用,甚至出现了假纳米产品,在社会上造成了不良的影响。如纳米杯、纳米洗衣机、纳米被、纳米鞋垫、纳米卫生巾等。这些产品的不科学宣传,实际上是误区,不但给消费者带来了损害,也伤害了纳米技术的本身。科学家们可以根据纳米材料的品种、尺度范围来分析其功能特性。如果讲不清楚为什么有神奇的功效,如果忽视了科学内涵,商业宣传超越了科学,那就是炒作,随便贴纳米标签也属于炒作的范畴。如果

9、产品的材料尺度不是纳米级的，那么在杯子贴上100 个纳米标签也是没用的,也不能说是应用了纳米技术。第10页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米材料l当物质到纳米尺度以后，大约是在1100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。第11页，共74页，编辑于2022年，星期三在2002年之前，世界上最大的飞机是波音747，它的载客量是400人。而空中客车公司上马的380，是双层飞机，载客量达到800人，而且还可以洗澡，飞行速度不

10、减。为什么空中客车公司现在能够上马380？因为研制出了一种做飞机的轻型材料：铝基复合材料。碳纳米管增强铝基复合材料.汽车上40钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替,节省汽油40，减少co2，排放40 第12页，共74页，编辑于2022年，星期三第13页，共74页，编辑于2022年，星期三二二.纳米科技的全面介绍纳米科技的全面介绍.纳米物理学 .纳米化学.纳米材料学.纳米生物学.纳米电子学.纳米机械学 .纳米力学 .纳米材料第14页，共74页，编辑于2022年，星期三2.1纳米物理学纳米物理学纳米物理学纳米物理学纳米材料的发现与研究开拓了物理学研究的一个新领纳米材料的发现与研究开拓了物理学研究的

11、一个新领域域纳米物理学纳米物理学.纳米尺寸介于宏观尺寸与微观纳米尺寸介于宏观尺寸与微观尺寸之间尺寸之间,用于解释纳米材料或纳米科技的新物理理论用于解释纳米材料或纳米科技的新物理理论称为纳米物理称为纳米物理.纳米物理学研究的介观系统的线度约为纳米量级纳米物理学研究的介观系统的线度约为纳米量级,是是原子线度的几十到几千倍原子线度的几十到几千倍.纳米物理学主要是研究纳米纳米物理学主要是研究纳米尺度以上物质的结构、物理特征、量子效应、界面效应尺度以上物质的结构、物理特征、量子效应、界面效应等等.它是一个与微观和宏观都不相同的领域它是一个与微观和宏观都不相同的领域.第15页，共74页，编辑于2022年，

12、星期三按照费曼的预言，人类用扫描隧道显微镜（STM），直接操纵原子，分子，按照人类自己的意愿，逐个排列原子或分子。这是物理学一个崭新的时代。第16页，共74页，编辑于2022年，星期三“千纸鹤千纸鹤千纸鹤千纸鹤”（ZnOZnOZnOZnO纳米线）纳米线）纳米线）纳米线）（该材料是采用化学沉积法制备的（该材料是采用化学沉积法制备的ZnOZnO纳米线。其具纳米线。其具有高亮度和良好的发光稳定性的特点，是一种很有潜质有高亮度和良好的发光稳定性的特点，是一种很有潜质的平板显示器发光材料。）的平板显示器发光材料。）第17页，共74页，编辑于2022年，星期三“飘摇飘摇”（碳纳米管）（碳纳米管）(该图片是

13、一种特定工艺条件下生长的碳纳米管形貌。碳纳米管具有强度高，该图片是一种特定工艺条件下生长的碳纳米管形貌。碳纳米管具有强度高，韧性好的特点，可用于复合材料，还可用于特殊电子元件韧性好的特点，可用于复合材料，还可用于特殊电子元件(如场发射灯丝和如场发射灯丝和平板显示器发光材料平板显示器发光材料)第18页，共74页，编辑于2022年，星期三“散落的金币散落的金币”(TiO2(TiO2粉末粉末)(图中所示为图中所示为TiO2TiO2粉末的形貌。粉末的形貌。TiO2TiO2是一种重要的是一种重要的功能材料，其具有良好的光催化性能、光电转换特性，功能材料，其具有良好的光催化性能、光电转换特性，可广泛用于污

14、水处理、空气净化和太阳能利用等领域可广泛用于污水处理、空气净化和太阳能利用等领域)第19页，共74页，编辑于2022年，星期三“迷城迷城”（多孔（多孔SiCSiC）(图中所示为多孔图中所示为多孔SiCSiC的显微结构。多孔的显微结构。多孔SiCSiC是是近年来材料研究领域的新热点近年来材料研究领域的新热点)第20页，共74页，编辑于2022年，星期三“石榴菊石榴菊”（碳酸盐粉末）（碳酸盐粉末）(上图为碳酸锶钡粉末形貌，该粉末在电子工业、磁性材料及特种玻璃上图为碳酸锶钡粉末形貌，该粉末在电子工业、磁性材料及特种玻璃等多个领域有着广泛的应用前景，用它制备涂料和釉料时可使涂层产生等多个领域有着广泛的

15、应用前景，用它制备涂料和釉料时可使涂层产生丰富而神秘的色彩，还具有防尘、防火的功能丰富而神秘的色彩，还具有防尘、防火的功能)第21页，共74页，编辑于2022年，星期三2.2纳米化学纳米化学纳米化学是对纳米物质化学性质的研究，和近年来发展起来的纳米材料的化学制备方法。化学制备法主要是由下到上的方法,即通过适当的化学反应,从原子、分子出发制备纳米材料。纳米材料合成是纳米化学的首要任务,化学合成的优势在于化学反应丰富多彩,适用于制备各种纳米材料。纳米化学作为NST 的一个分支学科,在纳米物质的制备方面已经做出了许多令人瞩目的研究成果。可以肯定,纳米化学是一个发展前景十分广阔的领域,在纳米物质的合成

16、制备方法的研究,纳米物质化学性质的研究,与其他学科结合,研制开发具有特殊功能的纳米材料等诸多领域都充满巨大的机遇和挑战,纳米化学必将在这种机遇和挑战中迅速发展。第22页，共74页，编辑于2022年，星期三中国科学家运用分子纳米技术打造出了一顶新颖的铂金“纳米皇冠”。中科院“百人计划”入选者的于澍燕研究员，在2001年12月回国后，短短的一年时间里，提出了“金属矢量”以及“金属原子的矢量操纵”新概念“。根据新的概念，他们自组装出了前人一直探索但没有突破的“金属杯芳烃”类似物。“金属杯芳烃”类似物第23页，共74页，编辑于2022年，星期三美国科学家研究出一种刺激微小纳米晶体发光的新方法。利用半导

17、体材料制造的发光二极管寿命很长，能耗只有普通灯泡的五分之一，已经应用于交通信号灯等设备。但它们倾向于发蓝光，要得到白光必须经过转换，这便降低了效率。为了解决这个问题，人们将半导体材料制造成微小的纳米晶体，这类晶体称为“量子点”，调整其尺寸就能改变它们发出的光的颜色。用量子阱使量子点更有效发光用量子阱使量子点更有效发光用量子阱使量子点更有效发光用量子阱使量子点更有效发光 CREDIT:CREDIT:CREDIT:CREDIT:MOLLIE BOORMAN AND MARC MOLLIE BOORMAN AND MARC MOLLIE BOORMAN AND MARC MOLLIE BOORMAN

18、 AND MARC ACHERMANN/LANLACHERMANN/LANLACHERMANN/LANLACHERMANN/LANL 第24页，共74页，编辑于2022年，星期三Quantum Dots(量子点量子点)第25页，共74页，编辑于2022年，星期三 温度的高低直接影响到量子点颗粒的大小，一般情况T越高，制得量子点的颗粒越小，发出的荧光波长越短，因此颗粒大小不同的量子点，可以显示出不同的颜色：用于追踪神经细胞膜中的氨基乙酸受体的活动性及扩散性第26页，共74页，编辑于2022年，星期三生物芯片技术：量子点色彩的多样性满足了对生物高分子（蛋白质、DNA）所蕴含海量信息进行分析的要求：

19、将聚合物和量子点结合形成聚合物微珠，微珠可以携带不同尺寸（颜色）的量子点，被照射后开始发光，经棱镜折射后传出，形成几种指定密度谱线（条形码），这种条形码在基因芯片和蛋白质芯片技术中有光明的应用前景第27页，共74页，编辑于2022年，星期三但是，纳米晶体表面需要涂一层有机分子，这会阻碍外来电子刺激量子点发光。美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的科学家将硒化镉量子点放置在一种称为“量子阱”的设备上，利用量子阱为媒介间接刺激量子点发光。粗略计算表明，新方法能使发光二极管的效率比目前的产品高出一倍。有关成果发表在英国自然杂志上。量子阱有着三明治一样的结构，中间是很薄的一层半导体膜，外侧是两个隔离层。用激光朝

20、量子阱闪一下，可以使中间的半导体层里产生电子和带正电的空穴。通常情况下，电子会与空穴结合，放出光子。科学家将量子阱的上层制造得特别薄，厚度不足30埃，这样就可迫使中间层产生的电子与空穴结合时，以变化的电场而不是光子的形式释放能量。电场的作用使邻近的量子点中产生新的电子和空穴，从而令它们结合并放出光子。第28页，共74页，编辑于2022年，星期三2.3纳米材料学纳米材料学科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。纳米材料学是指研究大小在1100nm之间的微小物质,他们的材料

21、性质。更广泛的纳米材料定义则是:物体的长、宽、高三维中,只要任一维处于纳米尺度,就可称为纳米材料。纳米材料可分为零维;一维;二维;零维是指三维尺度均在纳米尺度内,如纳米粒子、分子团、量子点等.一维是指三维中二维处于纳米尺度内,如纳米丝、纳米棒、纳米管和量子线等.二维是指三维中仅有一维处于纳米尺度内,如纳米薄膜、超晶格层和量子井等.第29页，共74页，编辑于2022年，星期三具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异

22、，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。有人设想过碳纳米管的可能用途，例如做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。第30页，共74页，编辑于2022年，星期三l。碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量估计可高达5 TPa，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的 “超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。第31页，共74页，编辑于2022年，星期三 碳纳米管是由多个碳碳纳米管是由多个碳原子六方点阵的同轴圆柱原子六方点阵的同轴圆柱面套构而成

23、的空心小管，面套构而成的空心小管，其中石墨层可以因卷曲方其中石墨层可以因卷曲方式不同而具有手性。碳纳式不同而具有手性。碳纳米管的直径一般为几纳米米管的直径一般为几纳米至几十纳米，长度为几至至几十纳米，长度为几至几十微米。几十微米。碳纳米管可以因直径碳纳米管可以因直径或手性的不同而呈现很好或手性的不同而呈现很好的金属导电性或半导体性。的金属导电性或半导体性。第32页，共74页，编辑于2022年，星期三具有极好的可弯折性具有极好的可弯折性第33页，共74页，编辑于2022年，星期三具有极好的可扭曲性具有极好的可扭曲性第34页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米颗粒材料潜在的应用前景是多方面的。

24、例如，实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，这也许可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力纳米有机发光材料的特点是材料即具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。有人设想用纳米有机发光材料制作的电视屏幕甚至可以象一幅图画一样卷起来带走。日本东京，展示采用纳米技术开发的超日本东京，展示采用纳米技术开发的超薄显示屏。薄显示屏。这种超薄显示屏不仅显示效果好，这种超薄显示屏不仅显示效果好，而且能够节电，因为它不需要电力支持而且能够节电，因为它不需要电力支持便能维持显示效果。便能维持显示效果。第35页，共74页，编辑于2022年，星期三 IBM的研究人员利用纳米技术制作的硬盘，

25、其数据存储容量超过现在硬盘存储容量的100倍。从显微镜下我们可以观察到，现在的硬盘表面上看上去非常杂乱无章，而IBM发明的新材料的表面磁化颗粒更小，且排列均匀。新型纳米材料硬盘，容量增加100多倍第36页，共74页，编辑于2022年，星期三左图为现在存储器介质的表面，IBM发明的新材料的表面-磁化颗粒更小，且排列均匀第37页，共74页，编辑于2022年，星期三隐身材料 “隐身”是指把物体伪装起来不易被发现。纳米磁性材料，特别是类似铁氧化的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之密度小，在隐身方面的应用上有明显的优越性。纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤

26、维及纳米碳管在隐身材料方面的应用也将大有作为。第38页，共74页，编辑于2022年，星期三2.4纳米生物学纳米生物学纳米生物学的产生是与SPM扫描探针显微镜的发明和在生命科学中的应用分不开的。生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的事情。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。生物器件的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；利用生物零件可以组装具有特定功能的纳米生物机器人。第39页，共74页，编辑于2022年，星期三美国

27、普渡大学研制的纳米级抗癌药纳米颗粒的药物可以定向攻击癌细胞黑色细胞是被药物攻击的癌细胞最大的优点是这种纳米级药物不会攻击正常细胞（不会被正常细胞吸收）第40页，共74页，编辑于2022年，星期三科学家构想的生物机器人科学家构想的生物机器人科学家幻想的人体中的血红细胞和人造细胞在一起的情景。我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。画中的蓝色小球称为呼吸者，它们不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。第41页，共74页，编辑于2022年，星期三图

28、描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。第42页，共74页，编辑于2022年，星期三用量子点检测肿瘤细胞Quantum dots modified with antibodies to human prostate specific membrane antigen light up murine tumors that developed from human prostate cells.第43页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米尺度发展制

29、药业l国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。l纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。l对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。第44页，共74页，编辑于2022年，星期三2.5纳米电子学纳米电子学纳米技术对微电子科技发展的影响是巨大的，纳米器件突破了微电子器件的工作机理。它利用量子效应来构筑电子器件、量子器件和运用分子中电子行为组成分子电器件等。随着纳米器件的发展与应用，微电子学已经向纳米电子学转化，纳米电子学时代已初现曙光

30、。第45页，共74页，编辑于2022年，星期三英特尔公司利用英特尔公司利用6565纳米工艺制造纳米工艺制造的的70Mbit70Mbit容量容量 SRAMSRAM芯片，芯片，面积只有面积只有110110平方毫米。平方毫米。6565纳米纳米SRAMSRAM芯片的基本存芯片的基本存储单元储单元白虚线区域的面积只有白虚线区域的面积只有0.570.57平方微米。平方微米。第46页，共74页，编辑于2022年，星期三以90纳米的工艺加工生产的 PPU内建1.25亿个晶体管AEGIA公司设计这款PPU处理器从传统的中央处理器（CPU）和绘图处理器（GPU）中抽离出来专门用来处理复杂物理运算的物理处理器（PP

31、U）第47页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米电子学中一个有趣的研究热点是单电子器件。在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单电子的数字电路或存储器。基于STM对分子、原子进行搬迁的事实，人们开始利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器。物体的表面，有原子的位置为“1”，没原子的位置为“0”，这就可以表示二进制，从而制作存储器。有人做过计算，一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！第48页，共74页，编辑于2022年，星期三2.6纳米机械学纳米机械学机械加工的方法

32、是用车、磨、铣、刨、钻等机床把材料加工成各种需要的工件。这是一种自上而下，或者说从大到小的加工方法。加工的过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是由相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。这是机械加工的一场革命，原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技已经为这种突破提供了可能性。目前，纳米科技的前沿已经深入到单原子的探测和操纵中，制作具有特殊功能的人造分子和纳米器件已经成为可能。一些科学家已经制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关、甚至分子马达等纳米机械雏型。第49页，共74页，编辑于2022年，星期三精密、超精密及纳米加工技术是现代制造业的主

33、要发展方向之一,也是先进制造技术的主要内容。这些技术在提高机电产品的性能、质量和发展高新技术方面都起着极为重要的作用。近些年来,加工精度从0.1m 提高到0.01m,可以说超精密加工技术正从亚微米级向纳米级发展。纳米加工技术的加工精度可达到0.001m（1 根头发丝的十万分之一），用高倍显微镜才能看得见。由于固体原子晶格间距为0.10.2 nm,也就是说,纳米加工精度相当于晶格间距的10 倍左右,即是10 个原子的大小。所以,可以认为这已接近了对材料进行微细加工的极限。第50页，共74页，编辑于2022年，星期三F两种不同的分子两种不同的分子在分子之间力的作在分子之间力的作用下在溶液中自组用下

34、在溶液中自组装的情形。装的情形。F由于纳米尺寸由于纳米尺寸非常之小，纳米非常之小，纳米机械必须具有自机械必须具有自组装、自我复制组装、自我复制等功能。等功能。具有自组装、自我复制等功能的纳米机械具有自组装、自我复制等功能的纳米机械第51页，共74页，编辑于2022年，星期三科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。一种纳米仿生术机器人。这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。游荡者纳米仿生术机器人第52页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米机器人l“纳米机器人”的研制属于分子仿生学的范畴，它根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对

35、纳米空间进行操作的“功能分子器件”。纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。第53页，共74页，编辑于2022年，星期三2.7纳米力学纳米力学纳米力学是纳米科学的重要组成部分。克林顿著名的加州理工学院报告中提出纳米科学技术的三项光辉前景中有两个与纳米力学息息相关（1.发展强度为钢的10倍而重量仅为钢几分之一的纳米结构材料2.发展可将美国国会图书馆全部信息凝聚存储的厘米见方大小的纳米材料存储器）纳米力学包含了两层含义：一为纳米尺度力学，即特征尺度为（1100）nm之间的微细结构所涉及的力学问题；二为纳观力学，即从纳米尺度上展示力学新

36、观察。与细观力学不同（其适用的特征尺度约100nm100um之间），纳米力学并不仅以连续介质力学为载体，而兼具连续介质和离散描述的特征；与探讨微观世界、尺度在纳米以下的单纯量子力学研究不同，纳米力学着力于探讨由成千上万原子组成的凝聚态物质所涌现的带有整体特征的力学行为。第54页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米力学的范畴纳米力学的范畴从不同的视角来考察从不同的视角来考察第55页，共74页，编辑于2022年，星期三从研究的手段上，纳米力学可以分为纳米计算力学、纳米实验力学和纳米力学理论。纳米计算力学包括不同类型的数值模拟方法。纳米实验力学也有两层含义：一是对特征尺度为（1100）nm之间的

37、微细结构进行的实验力学研究；二是以纳米层次的分辨率来测量力学场。纳米力学理论的框架可用两种方式来建立：一是混合型或嵌套型，即将固态物质中比较完整、缓时变的区域考虑为连续介质，而将缺陷密度高、变化快的区域用分子动力学来描述；二是兼容型，即考虑可兼容连续介质力学与分子动力学的描述框架。第56页，共74页，编辑于2022年，星期三从研究的问题上，纳米力学可以分为纳米塑性力学、纳米断裂力学和纳米结构稳定性等内容。纳米塑性力学是探讨在纳米尺度上的形变特征，涉及到纳米结构形变机制的转变、位错在纳米尺度的形态等。纳米断裂力学也有两层含义，一是在裂纹位错结构特征、纳米裂纹的萌生特征，如有无位错区（DFZ）特征

38、、高应变梯度特征、裂尖位错结构特征、纳米裂纹的萌生特征等；二是具有纳米尺度的微结构所特有的断裂行为。纳米结构的稳定性研究主要讨论纳米结构材料在温度和应力场作用下的演化，包括微结构演化、晶粒长大、三晶交的孔隙演化、纳米自组装花样的形成等。第57页，共74页，编辑于2022年，星期三第58页，共74页，编辑于2022年，星期三从具有纳米尺度的特殊构形上，纳米力学可包含纳米薄膜力学、纳米晶体力学、纳米管力学等内容。纳米薄膜力学是研究：外延式的生长方式造成纳米薄膜上的强烈的错赔应力，而薄膜的纳米尺度又使量子限制效应得到凸现，这一系列问题。纳米薄膜中的高应力还造成对其能带结构的调制，从而实现特异的微电子

39、、光电子行为。基底上沉积的具有高额残余应力的复合膜是未来实现纳米导线的一条制造途径。从纳米力学的应用来看，可包括以NEMS为代表的微电子器件，以光绝缘体、光导体、光半导体为代表的光电子器件，纳米力学将对其能带结构做出新的诠释。纳米材料（包括纳米复合材料）也为纳米力学提供了广阔的内涵。第59页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米材料的四大效应纳米材料的四大效应1.小尺寸效应小尺寸效应 纳米粒子是由有限个原子和分子组成的集体属性，当纳米材料的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，力、光、热、磁等与普通晶粒相比都发生很大变化，这就是小尺寸效应。2量子尺寸效应量子尺寸

40、效应 纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由连续能级变为分立的量子化能级中的电子的波动性，导致纳米材料的一系列特殊性能。3.表面效应表面效应 随着材料粒子直径尺寸减小，最外层表面原子所占的比例大幅度增加。当材料粒子直径减小到纳米级时，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化,故称之为宏观量子隧道效应。第60页，共74页，编辑于2022年，星期三2

41、.8纳米材料纳米材料纳米尺度上的物质，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分他们是长程有序（晶态），短程有序（液态），还是完全无序（气态）了，而成为物质的一种新的状态纳米态。人们很早就注意到这种纳米态的性质并不主要取决于其体内的原子或分子，而是主要取决于表面或界面上分子排列的状态。由于他们具有量子力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质，这就是纳米材料。第61页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米复相陶瓷 晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这

42、些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。第62页，共74页，编辑于2022年，星期三表1：一些典型纳米材料的尺寸：纳米结构和它们的集合 纳米结构尺寸材料簇纳米晶体量子点半径：110纳米绝缘体半导体、金属磁性材料其它纳米颗粒半径：1100纳米氧化物陶瓷纳米生物材料图像合成反应中心半径：510纳米膜蛋白纳米电线直径：1100纳米金属、半导体、氧化物、硫化物、氮化物纳米管直径：1100纳米碳、分层的硫族（元素）化物纳米生物杆直径：5纳米DNA2D排列的纳米颗粒区域：几nm2到m2金属、半

43、导体、磁性材料表面和薄的膜厚度：11000纳米绝缘体、半导体、金属、DNA3D纳米颗粒的超点阵半径：几纳米金属、半导体、磁性材料第63页，共74页，编辑于2022年，星期三水泥混凝土材料中的纳米技术l纳米技术在建筑材料中的应用还处于初级阶段。l混凝土是具有水泥水化相的部分纳米结构、掺和料和集料组成的一个复杂体系，是纳米技术对性能控制和操作的极好的对象。图：水泥集料体系中的尺寸 第64页，共74页，编辑于2022年，星期三硅灰的SEM图 硅灰是以纳米尺度掺入的，报道称纳米尺寸的硅灰增加了抗压强度。强度的增加可能是由于硅灰的细颗粒填充到孔里和硅灰Ca(OH)2反应的火山灰效应产生的额外的C-S-H

44、。此外，加入到混凝土的硅灰可以有效减小混凝土干缩，更加耐磨，增加和钢筋的粘结强度，降低渗透性。第65页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米材料的特异性纳米材料的特异性半导体材料能隙结构分裂。大家都知道铜是个良好导体，而纳米尺度的铜不具有导电性。常态下二氧化硅不导电，而纳米二氧化硅却是良导体。铁一般是弱磁性，纳米铁具有极强的磁性。正常的陶瓷很容易碎，而纳米陶瓷具有金属一样的柔韧性和可加工性。如果考察电子通过纳米圆环所组成电路，它的行为将不遵守欧姆定律，而表现出彼此之间的关联性。第66页，共74页，编辑于2022年，星期三自然界的纳米材料自然界的纳米材料神奇的自然界早已充满了纳米科技的内涵。高

45、比表面、易于对阳光产生光合作用的高活性纳米单元已在生机勃勃的植物群体中存在了几亿年。科学发现人类和动物的牙齿就是由纳米材料组成的；这也是为什么经历了数千万年的历史变迁，它们依然能够保留下来的主要原因。第67页，共74页，编辑于2022年，星期三中国古代神奇的中国古代神奇的纳米材料纳米材料中国宋明两代的名画历经千年，颜色如新，作画的颜料就是纳米颗粒。中国古代的墨是千古珍宝，著名的“徽墨”和“青烟墨”经分析都是纳米级碳黑微粒。中国古代有各种铜镜，各个朝代都视为珍宝。虽然是铜制，却既不出铜绿，照人也堪比现在的水银镜子，表层材料的微粒也是纳米级氧化锡。中国古代“汝窑”和景德镇的瓷器表面也是由纳米级的晶

46、粒组成，千年前的艺术珍品至今仍然保持着它的独特魅力。这些历史的奇迹，我们不由对自己伟大的先民充满了自豪与敬畏。第68页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米科技是学科的交叉与合作纳米科技是学科的交叉与合作纳米科技的发展，有一条主线贯穿其间，即从简单到复杂，沟通了相关学科的发展和新材料的研制。20世纪的科学分别重视宏观和微观的结构，21世纪将更加重视介乎两者之间的纳米尺度，并注意到从小的原子、分子组装成大的纳米分子，以至微型分子机器。研究纳米材料的目的和纳米力学的目的是一样的。同时力学指导着材料学的研究，而材料学的发展反过来又促进力学的完善与发展，这就要求不同学科之间的交叉融合和渗透。这实际上

47、与我们大学教育所强调的重基础宽专业的思想也是一致的，教师要从多学科领域教给学生知识，做到举一反三，融会贯通，同时也要求他们要有宽广的知识面和多学科的基础。第69页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米科技是一个多学科交叉的领域，在这样的领域内往往会出现创新的机会。纳米科学是一个任何学科无法单独驾御的学科。没有纳米材料无法真正展开纳米电子学与纳米机械学，如果不清楚纳米物理学和纳米化学的机理，又无法真正的制造纳米材料。没有诸如SPM等强有力的物理学工具无法进行研究。生物体内的分子行为又大多是纳米级的，要用到所有已知的纳米物理与纳米化学知识。反过来纳米生物学又有可能使得纳米级的机械产生。这都是学科

48、交叉与融合才能共同完成的。第70页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米科学的内涵纳米科学的内涵制高点制高点n-电子学电子学n-加工加工n-生物生物基基 础础n-材料材料n-材料材料基基 础础纳米物理纳米物理纳米化学纳米化学纳米力学纳米力学第71页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米技术纳米技术医疗药物医疗药物环境能源环境能源宇航交通宇航交通生物农业生物农业电子器件电子器件计算机计算机国家安全国家安全新材料新材料制制 造造传统产业传统产业纳米技术对关键问题的影响纳米技术对关键问题的影响第72页，共74页，编辑于2022年，星期三纳米时代的到来纳米时代的到来“纳米技术计划”是继人类基因组计划之后美国提出的又一项重大科技计划。纳米科技将对人类产生深远的影响,甚至改变人们的思维方式和生活方式。纳米技术将在二十一世纪对社会、经济以及国家安全生产重大影响。必须大力加强纳米科技的研发工作,动员多学科的力量参加到这一领域中来。纳米时代的到来不会很久,它在未来的应用将远远超过计算机工业,并成为未来信息时代的核心。正如著名科学家钱学森所说的那样,纳米将会带来一次技术革命,从而将引起21 世纪又一次产业革命。第73页，共74页，编辑于2022年，星期三l电话：84110006,13503008590(hp)l电子邮件：第74页，共74页，编辑于2022年，星期三