神奇的纳米世界

2013.3.13



纳米

(nm):

纳米是长度单位，

1nm=10

-9

m

。 相当于万分之一头发的粗细

.



纳米技术

:

在纳米尺度上对物质和材料进行 研究和处理的技术被称为纳米技术

.

纳米材料  三维空间中至少有一维尺寸小于 100 nm 的材料或由它们 作为基本单元构成的具有特殊功能的材料 .

 零维纳米材料 : 指在空间三维尺度均在纳米尺度 ; 如纳米颗粒  一维纳米材料 : 指在空间有两维处于纳米尺度 ; 如纳米丝、纳米棒、纳米管等  二维纳米材料 : 指在三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜，多层膜等。

纳米效应 

小尺寸效应

 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波 长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更 小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力 学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化。这种因 尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应， 它是其它效应的基础。

纳米效应 

表面效应

 表面效应是指纳米粒子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。因表面原子 处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键， 易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例如， 利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等 特点，在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效 率。

纳米效应 

量子尺寸效应

 量子尺寸效应是指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准连续变为分散能级的现象。早在 60 年代就采用电子模型给出决定能级间距的著名公式 .

对常 规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数 ），故 常规材料的能级间距几乎为零；而对纳米粒子，因其含原 子数有限， 有一定的数值，即能级发生了分裂。当能级 的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典 型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、 磁、声等特性与常规材料有显著不同。例如，特异的光催 化性、高光学非线性及电学特性等。

纳米效应 

宏观量子隧道效应

 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人 们发现一些宏观量，例如，微颗粒的磁化强度、量子相干 器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产 生变化的隧道效应 述量子效应。 —— 宏观量子隧道效应。宏观量子隧道 效应的研究对基础研究及实用都有重要意义，它限定了磁 带、磁盘进行信息贮存的时间极限，将会是未来微电子器 件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上

一、纳米材料的研究和发展历程

思想起源

纳米科技的基本思想 是在分子水平上，通 过操纵原子来控制物 质的结构。

1959

年，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家 费曼 所作 的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳 米技术思想的来源。

纳米材料概念的提出

1984

年，德国萨尔大学的葛莱 特教授等人首次采用惰性气体 冷凝法制备了具有清洁表面的 纳米晶体

Pd, Fe, Cu

等块状材 料。 纳米固体材料诞生。

1990年7月在美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科学技术 学术会议上，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个分支 公布于世。纳米材料科学的诞生标志着材料科学已经进入了 一个新的层次。 纳米材料科学：对介于团簇和亚微米级体系之间

1-100nm

微小体系的制 备及其特性的研究的一个分支学科。

•

1990

年，美国加州的

IBM

研究室艾格勒等人利用扫描隧道显微 镜

(4K,

超真空

)

，在

Ni

的表面上将

35

个氙原子排布成最小的

IBM

商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最 了不起的公司广告。开创了一个崭新的纳米世界。 • 每个字母高

5nm

。

Xe

原子间最短距离约为

1nm

。 这是人类历史上首次操纵原子，用原子或 分子制造机器，也不再是梦想。

1991年元旦前夕，日本日立电子 公司向公众展示了一个原子大小的 新年祝词。每个字母的高度均小于 1.5nm，它是把硫原子一个一个地 从二硫化钼晶体上轰击出来写成的。 该祝词则是在 室温下 完成的。表明 纳米技术从此步入了实用阶段 。

量 子 围 栏

199 3 年 5 月, 位 于美 国加州 Al m ade n 的I B M研究 中心 的 M.F.Crommie等人,在4 K温度下用电子束将单层铁原子蒸 发到清洁的Cu(111)表面，在扫描隧道显微镜下，科学家 将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。

1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原 子”、绘出中国轮廓图 。

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，可划分为三个阶段 ：  第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方 法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的 方法，探索纳米材料的特殊性能 。  第二阶段（1990-1994年）：人们关注的热点是 如何利用纳米 材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料 ，复合材料 的 合成和物性探索 一度成为纳米材料研究的主导方向。  第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成 的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。基本内 涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、 二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳 米 粒 子 制 备 方 法

化学方法 溶胶－凝胶法 水热法 热分解法 微乳液法 高温燃烧法 化学还原法 模板合成法 电解法 溶液还原法 碳热还原法 气相还原法 化学物理合成方法 物理方法 喷雾法 爆炸反应法 冷冻

-

干燥法 辐照法 蒸发冷凝法 激光聚焦原子沉积法 机械球磨法 离子注入法

化学气相沉积  化学气相沉积是指固态源在特定温 度和压力下汽化，在一定流量的载 气的输运下到达衬底表面，使反应 产物蒸气形成很高的过饱和蒸汽压， 自动凝聚形成大量的晶核，这些晶 核不断地长大 。

化学气相沉积

水热法 水热法是在特制的密闭反应容器，采用水溶液作为反应介质，在 高温、高压的反应环境，使得难溶或不溶的物质溶解且重结晶 。 在特殊反应环境，前躯体充分溶解

→

原子或分子生长基元

→

结晶 。

 光电材料  环境和能源  生物医学  航天和航空  军事

四、 纳米材料的应用

应用一、太阳能电池

传统化石能源

→

不可再生、环境污染、能源枯竭 40% 能源结构调整 每年排放的二氧化碳达210万吨 化石能源开采高峰2020~2030年 可再生能源：风能、地热能、水能、潮汐能、太阳能等 石 油 天然气 24% ↓ 资源丰富、利用方便、洁净无污染 其他 煤炭 10% 太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！ 26% 世界的能源结构 中华人民共和国 国家发展和改革委员会 《中国新能源与可再生能源发展规划1999白皮书》

应用一、太阳能电池

应用一、太阳能电池

⑴ 染料分子受太阳光照射后由基态 跃迁至激发态； ⑵ 处于激发态的染料分子将电子注 入到半导体的导带中； ⑶ 电子扩散至导电基底，后流入外 电路中； ⑷ 处于氧化态的染料被还原态的电 解质还原再生； ⑸ 氧化态的电解质在对电极接受电 子后被还原，从而完成一个循环； ⑹ 和 ⑺ 分别为注入到TiO2 导带 中的电子和氧化态染料间的复合及 导带上的电子和氧化态的电解质间 的复合

应用二、光电传感器

光在光照下会产生光生载流子，可用于制作光敏电阻、光敏 三极管、光电耦合和光电探测器。 最常用的传感材料主要是硅，其次是锗和砷化镓、锑化铟、 碲化铅、硫化镉等。

应用三、气敏传感器

 气敏材料 是对气体敏感，电阻值会随外界气体种类和浓度变 化的材料，如 SnO 2 、ZnO、Fe 2 O 3 、ZrO 2 、TiO 2 和WO 2 等n型或p 型金属氧化物半导体。  气敏材料用于制作气敏传感器，吸附气体后载流子数量变化 将导致表面电阻率变化，进而对气体的种类和浓度进行探测 。 ZnO气敏传感器 SnO 2 气敏传感器

ACS Appl. Mater. Interfaces 2012, 4, 3650−3656

矿用SnO 2 瓦斯检测器

应用四、光催化

应用四、光催化

优点

1.

可在紫外线或日光照射下进行；

2.

反应速度快（几分钟或几小时）；

3.

4.

产物为

CO 2

、

H 2 O

，不会造成二次污染； 无选择性，几乎可分解所有的有机物；

5.

反应所需的温度低，室温即可。

应用四、光催化

光催化

——

拯救水资源   特种半导体纳米材料使海水淡化； 纳米TiO 2 可以用来降解有机磷，降解毛纺染整废 水，降解石油……

应用五、半导体激光器

体积小，寿命长、质量轻、制作简单和成本低 激光存储 激光测距仪 激光雷达 激光打印 目标 实现高效的短波长激光器

Nature Nanotechnology, 2011, 6, 506–510

应用六、纳米发电机

Science

，

312

，

245

，

2006.

2006

年

4

月《

Science

》，王中林研究组 利用竖直结构的

ZnO

纳米线弯曲时内外 表面产生的极化电荷，以及与金属形成 的肖特基势垒，成功地在纳米尺度范围 内将机械能转换成电能，研制出世界上 最小的发电装置－纳米发电机。更重要 的是这一纳米发电机竟然能达到

17%

－

30%

的发电效率。

应用六、纳米发电机

纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，可使纳米器件 或纳米机器人实现能量自供。这些器件在生物医学、军事、无线通信和 无线传感方面都将有广泛的应用。在未来发展的方向上，可以设想把 ZnO纳米发电机植入到体内，为治疗肿瘤等疾病一些微型机械提供电能 。

Nano Letters. , 9 (2009),1201-1205

应用七、纳米存储器

 随着微电子技术的不断发展， 集成度越来越高，计算机信 息存储芯片越来越小，而存 储量却越来越大，信息容量 比现有光盘高 100 万倍，整 个美国国会图书馆的图书都 能存储在一个糖块大小的芯 片中 。

纳米存储器

比利时微电子研究中心IMEC宣布，将与Nantero公司合作开 发临界尺寸小于20nm的碳纳米管非挥发性存储器。 IMEC一直积极研究基于金属氧化物的电阻式RAM ，该组织希 望能成功研发出碳纳米管存储器，以作为DRAM的替代产品。

应用八、纳米机器人

纳米蜘蛛机器人可以用于医疗 事业，以帮助人类识别并杀死 癌细胞以达到治疗癌症的目的， 还可以帮助人们完成外科手术， 清理动脉血管垃圾等。 纳米机器人是根据分子水平的 生物学原理为设计原型，设计 制造可对纳米空间进行操作的 “功能分子器件”，也称分子 机器人；而纳米机器人的研发 已成为当今科技的前沿热点。 图中描述的是纳米机器人正在寻找入侵的病毒

应用八、纳米机器人

一个纳米机器人正在进入红细胞 它能够毫不费力地完成飞行、盘旋、 前进后退等空中动作，加上纳米级的 娇小外形和内置电源，它非常适合用 于室内外各种监视任务。这款蜂鸟机 器人是时代杂志评选出的2011年度五 十项最佳发明之一。

应用九、航天和航空



宇航员头盔的密 封是纳米磁性材料 的最早重要应用之 一

----

磁性液体

应用九、航天和航空

 隐身材料 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，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 .

纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大 3 ～ 4 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 就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降 低，因此很难发现被探测目标。

美国 F117 隐形轰炸机机 美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波复合材料，并成功应用于F 117A隐身战斗机的机身、机翼和V形垂尾外表面，获得很好的隐身 效果，在1991年的海湾战争中，F-117A出动1000多架次无一受损， 最大限度地达到使隐身飞机杀伤敌方人员并保护自身安全的目的。

美国 B2 隐形轰炸机

日常生活 含铅汽油中的铅很容易通过血 液长期蓄积于人的肝、肾、 脾、肺和大脑中，从而导致 人的智能发育障碍和血色素 制造障碍等后果 。 汽车尾气的处理：加入纳米级 的复合稀土氧化物后，对尾气 的净化特别明显，尾气中的CO、 NOx几乎完全转化。

 利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如

Fe

2

O

3

、

TiO

2

、

ZnO

等做成涂料，由于具有较高的导电特 性，因而能起到静电屏蔽作用。  将纳米

TiO

2

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。一般认为，其体系中只 需含纳米二氧化钛

0.5~1%

，即可充分屏蔽紫外线。  目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品 问世。

  纳米TiO 2 ：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的 空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉， 直至生成CO 2 和H 2 O。 杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地 吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和 大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。

二个月不用洗——信不信由你

科技日报2002/3/13报道：日本研制出能随意拉伸、可自 由折叠的弹性陶瓷

——

该陶瓷材料由40%氧化锆、30%铝酸镁尖 晶石和30%的α-氧化铝在1650℃加热25s制成，可从1cm拉到 11cm。

五.我国的纳米科技发展现状

5.1 国内纳米科技发展进展 天安门广场飘扬的纳米国旗（2002.10.1） 国家纳米技术产业化基地于2000年12月6 日正式批准成立，坐落在天津经济技术开 发区，占地2平方公里。 纳米国旗的防水效果达到5级，除高 压水枪外，一般的雨水都不能在旗帜 中渗透，因此雨天一样能飘展。此外， 纳米国旗还具有优异的防尘和固色功 能，可大大延长其使用寿命 。

 ◆ 政府重视 我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告列入十五规划 列入“863”、“973”计划。 ◆ 科研投入 我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势。但因基数太小，根 本不能和美、日、欧盟等技术大国相比。 ◆ 主要研发力量 我国纳米技术研发力量表面相对集中，实际上仍很分散，难以形成规 模优势。研发力量主要集中在高等院校和科研院所。企业介入纳米技术的研 发领域占5%，力量薄弱且层次不高。80%的研发力量集中于金属和无机物非 金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。但在较低层次的纳米材料领 域，就集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术——纳米电子、纳米机 械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。

◆ 科研成果 尽管我国对纳米技术研究投入严重不足，但在过去10 年中我国科学家还是取得了非凡的成绩。在国内外学术刊物上 共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中多篇发表 在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上。 ◆ 技术人才 国内有50多所高等学校、科研院所、4500名纳米科研人员。 ◆ 产业化状况 据调查，全国共有纳米企业323家，其中以“纳米”注 册的企业共57家。但大多数企业尚处初创期，技术尚不成熟， 处在微利或亏损的状态。

存在问题  空有计划 虚有组织 虽然有关部门制定了我国纳米技术发展的十年规划，并成立了国 家纳米技术指导小组，但因种种原因使我国纳米技术发展几乎空有计 划、虚有组织，发挥不了应有的强大作用。  科研投入严重不足，迄今为止，尚无有关纳米技术的国家预算规划 出台 。

◆ 项目重复投资 由于我国传统的科研体制和社会分工的不合理，造成在科研经费严重不足 的情况下，有相当一部分科研项目属于重复投资。例如纳米隐身涂料，需求 的领域专业性很强，但全国就有40多家科研单位在搞。根本原因在于： 传统科研体制的条块分割； 后计划经济的弊端，信息不对称； ◆尚未形成跨学科、跨领域的联合研发体制 传统的科研体制和教育体制决定了科研工作往往表现为各自为战，单打独 斗，不能形成科研领域的强强联合。而纳米技术的跨学科、跨领域等特点恰 恰要求建立联合研发体制，这严重制约了纳米技术的进一步发展。 ◆ 没有纳米技术权威检测机构 造成市场上狂炒“纳米”热的主要原因，就是国家没有建立一个权威的纳 米技术及材料的检测机构。不能对纳米技术及其产品进行检测、鉴别，客观 真实地评价纳米技术对新产品、新材料所带来的性能等方面根本性的提升和 改变。

◆ 缺乏专业人才  尽管我国有4500多人的纳米技术研究队伍，但以传统分门别类的教育 体制培养的“专业人才”，不适合也远远不适应纳米技术发展需要；  据初步测算，为推动我国纳米技术的发展，近期就至少需要1万名复 合型的纳米科研人员，而目前我国从事纳米技术研究的科研人员大都 是从其它领域转到或延伸到纳米领域的，在知识结构和知识面上存在 着一定缺陷，人才缺口非常明显，但每年还有大量的人才流失。 ◆ 原创性成果少  文章数量多，高档次少，专利少；  已经转化的技术中，还有很多是不成熟的。这不仅造成了企业的损失， 而且也给纳米技术的发展造成了严重的影响。 我国与世界各技术大国在纳米技术上的差距不仅仅在 技术本身 ，更重 要的是 机制 和体制上以及政府部门的 支持力度 上。 因此，政府有必要支持建立一个强大的、跨学科的、开放的、流 动的、市场化的、综合的 研发平台 ，推动研发工作在联合中竞争，在竞争 中联合，并以此作为研究机构与企业之间的纽带 。