Transcript 纳米技术
课题组成员: 组长：唐少军 组员：黄家明 慕旭辉 陈涌 鲁璐 袁书悦 1.同学们心中的纳米是什么？ 2.同学们知道纳米技术在我们身边有哪 些应用呢？ 3.设想一下未来纳米的发展会是什么样的结 果呢？ 著名科学家 爱因斯坦曾经 说过：“未来世 界的发展，无非 是继续向宏观世 界和微观世界进 军。” 1.纳米科技 2. 纳米科技的领域 3.纳米对人类的影响 4. 纳米材料的发展概况及展望 技名词定义 中文名称：纳米 英文名称：nanometer;nm 定义：长度单位，1nm = 10-9m。 常用于表示光的波长以及描述纳米技术 纳米科技概念的提出与发展 1.如果人类能在原子、分子的尺度上来加工材料、 制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。 2.我们需要新型化一起来操纵纳米结构并测定其 性质。当人们回顾历史时，会为直到1959年才有 人想到直接用原子，分子来制造机器而感到惊讶 纳米科技方面的研究水平 美国：2010年：80万纳米科技人才，200万个就业机 会，有十几个关于纳米科技的研究中心。 欧共体：在纳米器件，纳米仪器，超精度工程等方面 具有领先地位 德国：在分子电子学技术，在纳米材料方面，超薄膜 方面有很强的优势 日本：在纳米器件和复合材料方面有很强的实力 中国：在纳米材料方面做的比较好，在其他方面比较 弱。材料方面处在第四位左右。 纳米及纳米技术 纳米科技:是指在0.1-100nm尺度上操纵和研 究原子，分子，对材料进行加工，制造具有 特定功能的产品，或对物质进行研究，掌握 其原子，分子的运动规律和特征的高新技术。 这是类似石墨的碳原子六 边形网格所组成的管状物， 一般为多层，直径为几纳米 或几十纳米，长度可达数微 米或数毫米。 碳纳米管 纳米导弹运用纳米颗粒型 材料 纳米导弹 可用于高密度磁记录材料， 吸波隐身材料，磁流体材 料，精密光学器件抛光材 料，微电子封装材料，光 电材料，高效催化剂，敏 感元件，高韧性陶瓷材料， 人体修复材料和抗癌制剂 等。 纳米镀件 纳米薄膜：尺 寸在纳米量级 的晶粒构成的 薄膜以及每层 厚度在纳米量 级的单层或多 层膜 纳米物理学 纳米电子学 纳米化学 纳米材料学 纳米生物学 纳米动力学，主要是微机械和微电机， 或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于 有传动机械的微型传感器和执行器、光纤 通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪 器等.用的是一种类似于集成电器设计和制 造的新工艺。 纳米电子学 纳米电子学，包括 基于量子效应的纳米 电子器件、纳米结构 的光/电性质、纳米电 子材料的表征，以及 原子操纵和原子组装 等。 利用纳米技术将氙原子排成IBM 化学——材料合成 1991年Gleiter 等人率先制得纳米材料 以来，经过10年的发展 纳米材料有了长足的进 步。如今纳米材料种类 较多，按其材质分有： 金属材料、纳米陶瓷材 料、纳米半导体材料、 纳米复合材料、纳米聚 合材料等等。纳米材料 是超微粒材料，被称为 “21世纪新材料”，具 有许多特异性能。 ·纳米陶瓷· 例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大 大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成绝缘 体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结 成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的 熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点 为1064℃，但10nm的 金粉熔点降低到 40℃， snm的金粉熔点降低到 830℃，因而烧结温度 可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的 陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的 效率。 纳米材料的结构 纳 米 材 料 和 纳 米 结 构 纳米材料的力学研究 1.纳米材料的力学性能研究包括硬 度，断裂韧性，压缩和拉伸的应力 等 2.研究纳米材料的力学性能的关键 是获得内部没有（或很少的）空隙， 杂质或裂纹的块状试样 纳米材料的力学性能 纳米材料硬度：对于纳米金属而言，纳米材 料的硬度一般为同成分的粗晶材料的硬度的 2-7倍 纳米材料的强度：纳米晶Cu的压缩屈服强度 远高于微米晶材料 纳米材料韧性：尽管按照常规力学性能与晶 粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强 度，又有较高韧性，但迄今为止，得到的纳 米金属材料的韧性都很低。 纳米材料的力学性能 纳米材料的强度与塑性 控制杂质的含量，减少金属中的孔隙度和 缺陷，提高金属的密度，可大幅度提高纳米 金属在拉应力状态下的塑性和韧性 在压应力的状态下纳米金属能表现出很高 的塑性和韧性，其原因可能是在压应力作用 下金属内部的缺陷得到修复，密度提高，或 纳米晶金属在压应力作用下对内部的缺陷或 表面状态不敏感所致 纳米材料的特性 （1）表面与界面效应 （2）小尺寸效应 （3）量子尺寸效应 （4）宏观量子隧道效应 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子 数之比随粒径变小而急剧增大后所引起 的性质上的变化。 例如：粒子直径为10纳米时， 微粒包含4000个原子，表面原 子占40%；粒子直径为1纳米时， 微粒包含有30个原子，表面原 子占99%。主要原因就在于直径 减少，表面原子数量增多 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的 德布罗易波波长及超导态的相干长度、透射 深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周 期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁， 热力学等性能呈现出“新奇”的现象。 例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导 电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始 导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成 的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特 性，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 外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附 近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当 能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、 光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材 料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、 电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米 粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水 里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得 完全不透明。 （4）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。 纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们 可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种 被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 纳米材料在生物医学上的应用 1.纳米载体 2.纳米生物器件 3.纳米生物组织工程 4.纳米医药 纳米载体 1.纳米药物载体 2.纳米基因载体 纳米药物载体 1 普通载药纳米微粒 这种剂型是将一些药物通 过药剂学和纳米技术的高 度结合，使原本因理化性 质不稳定而影响其使用的 药物经特殊的方法高度分 散于药物载体中，制成载 药纳米微粒，用液体载体 的流动形式给药 2 控释载药纳米微粒 纳米控释系统包括纳 米粒子和纳米胶囊，它 们是粒子在10一500nm 间的固体胶态粒子。 3 靶向定位载药纳米微粒 靶向药物能完成从靶器官、靶细胞到最为先 进的细胞内结构的三级靶向治疗，从而达到 病灶部位缓慢释放药物，维持长期局部有效 的药物浓度。 4 载药磁性纳米微粒（物理靶向） 载药磁性微粒是在微 囊基础上发展起来的新 型药物运载系统。这种 载有高分子和蛋白的磁 性纳米粒子作为药物载 体静脉注射到动物体 (小鼠、白兔)内后，在 外加磁场下，通过纳米 微粒的磁性导航，使药 物移向病变部位，达到 定向治疗的目的。 纳米生物器件 一、纳米机器人的研制 纳米机器人是纳米生物学中最具诱感力的内 容。 动脉粥样硬化的治疗 机器人能够从动脉壁上清除粥样沉积物。这 不仅会提高动脉壁的弹性,还会使通过动脉的 血液流动状况得到改善。 在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米 切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物 纳米机器人在清理 血管中的有害堆积 物 ---中国科学院合肥 研究院 的研究 中国科学院沈阳自 动化所研制研制的 纳米微操作机器人 在10×10微米的基片 上刻出的字样 肾结石、胆结石的 治疗 将纳米机器人以 插入导管的方式引 入到尿道或胆道里 内,直接到达结石所 在的部位,并且直接 把结石击碎。 纳米生物传感器 纳米中药 纳米中药是指运用纳米技术制造的粒径小于 100nm的中药有效成分、有效部位。当物质 的颗粒小到1~100nm时，由于其量子效应、 物质的局域性、巨大的表面及界面效应，会 使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既 不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的 奇异现象。药物的物理活性、靶向性比普通 中药大大提高。 特点： 原药及其复方制剂。在初步的筛选试验 中，对某些矿物药进行纳米化处理，再进行药 效学验研究，结果表明，药物经纳米化处理后 出现了某些新的药效学特性。因此，纳米中药 与微米中药相比，最大的特点是能改变中药的 药学特性，这对于采用高新技术提升传统中药 的质量和水平以及研制开发具有新药效的中药 制剂具有重要的意义。 衣·食·住·行 从纳米这个名词诞生至今，它已 经在不经意之中悄然改变着我们的 生活，并为我们的生活带来了极大 的便利。或许你并没有发现，改变 就在细节之中。 在纺织和化纤 制品中添加纳米 微粒，可以除味 杀菌。化纤布虽 然结实，但有烦 人的静电现象， 加入少量金属纳 米微粒就可消除 静电现象。 利用纳米材料，冰箱 可以抗菌。纳米材料做 的无菌餐具、无菌食品 包装用品已经面世。利 用纳米粉末，可以使废 水彻底变清水，完全达 到饮用标准。纳米食品 色香味俱全，还有益健 康。 纳米技术的运用，使墙 面涂料的耐洗刷性可提高 10倍。玻璃和瓷砖表面涂 上纳米薄层，可以制成自 洁玻璃和自洁瓷砖，根本 不用擦洗。含有纳米微粒 的建筑材料，还可以吸收 对人体有害的紫外线。 纳米材料可以提 高和改进交通工具的 性能指标。纳米陶瓷 有望成为汽车、轮船、 飞机等发动机部件的 理想材料，能大大提 高发动机效率、工作 寿命和可靠性。纳米 卫星可以随时向驾驶 人员提供交通信息， 帮助其安全驾驶。 纳米记事 最早的纳米材料:中国古代铜镜的保护层；纳米氧化锡，中国古 代的墨及染料 1857年：法拉第制备出金纳米颗粒 1867年：胶体化学的建立 1962年：久保提出了著名的久保理论 1982年：STM问世 1984年：利用气体凝固法制得纳米粉块和块体 1990年：在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议 1994年：在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工 程 纳米记事 1959年，著名物理学家，诺贝尔获得者理查德费 曼预言，人类可以利用小的机器制作更小的机器， 最后将变成根据人类意愿，着个地排列原子，制 造产品，这是关于纳米技术的最初梦想 1974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。1982年，科学家发明研究纳 米的重要工具—扫描隧道显微镜，使人类首次在 大气和常温下看见原子，对纳米的科技发展产生 了积极的促进作用。 纳米记事 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 1999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“秤”，它能够称量十亿 分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此 后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量 的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 人类以驾驭原子能进入现代社会，以制造和 利用单晶基础半导体进入电脑与网络通信时 代。进入90年代，全球以IT为核心的高新技 术产业，得到了迅猛的发展。但纳米技术将 使人类真正进入信息时代，它将领导下一场 工业革命，推动社会的发展！ 但在中国，纳米科技产业化还有很长的路要 走。 白春礼院士说： “纳米科技要像信息技术一样产生 广泛而又深刻的影响，那将是二三十年 以后的事情。” 钱学森（1991）： 我认为，纳米左右和纳米以下的 结构是下一阶段科技发展的重点，会是 一次技术革命，从而在21世纪又是一次 产业革命 我们相信， 不久的将来， 纳米技术将给全世界带来巨大影响！