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1、纳米材料简介及其应用,纳米定义： 纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10-9米（10亿分之一米），即10-6毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。,纳米技术与微电子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。,纳米科技是90年代初迅速发展起来的新兴科技，其最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子，制造出
2、具有特定功能的产品。纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。这表明，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。有资料显示，2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的第二大产业,纳米科技的科学意义,（1）纳米科技将促使人类认知的革命 首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域， 也是一片新的研究疆土。 其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。,再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和
3、与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。,(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命,纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.,纳米材料的三种概念,从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合
4、所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。,第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。,第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。 所谓纳米技术，是指在0.1100纳米的尺度里，研究电子、原子和分
5、子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。,纳米材料的具体应用,纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。 纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革
6、命，从而将引起21世纪又一次产业革命。,纳米电子学,当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量级, 电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。,纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件,在单电子器件中，利用库仑阻塞效应，甚至能够对电子一个一个的加以控制，这有可能开发出单
7、电子的数字电路或存储器。开发单电子晶体管, 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的100010000分之一。,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。,基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？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！,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
8、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,纳米陶瓷,陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。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材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。,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
9、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.,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。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。,碳纳米管,太空升降机 由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成“太空电梯”缆绳，使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。,纳米壁挂电视 用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点
10、是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米管制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。,纳米固体燃料 实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。,纳米隐身飞机 在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收红外光和电磁波，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，起到了隐身作用。,美国F117隐形轰炸机机,美国B2隐形轰炸机,纳米机械学,车、钳、刨、铣等机械加工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以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵
11、技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。,分子自组装,两种不同的分子在分子之间力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。,由碳纳米管制作的纳米齿轮模型，纳米齿轮上的原子清晰可见。,纳米齿轮,分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。,ATP酶（分子马达
12、）,ATP酶（adenosinetriphosphatase）可催化ATP水解生成ADP及无机磷的反应，这一反应放出大量能量，以供生物体进行生命过程,纳米直升机,美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备-“纳米直升机”。其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈，利用这个能量它们可以在人的细胞内“飞翔”和“着陆”。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。,美国朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米
13、级的镊子，每条臂长只有7nm 。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料” 控制这种镊子反复开合。利用它将可以制造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。,匪夷所思的DNA镊子,如果有一种超微型镊子，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。,用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、微型车床，可望钻进核电站管道系统检查裂缝； 只有蜜蜂大小且能升空的直升机，眼睛几乎看不见的发动机； 提供化工使用的火柴盒大小的反应器； 驰骋未来战场上的纳米武器，如麻雀卫星、蚂蚁士兵、蚊子导弹、苍蝇飞机、间谍草等。,纳米机械产品,“麻雀卫星”,质量不足10
14、千克，各种部件全 部用纳米材料制造，一枚小型 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 部署648颗功能不同的“麻雀卫 星”，就可以保证在任何时刻对 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 的工作也不会受影响。,纳米生物学,纳米生物学的产生是与扫描探针显微镜 （SPM）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过程。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。,生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它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
15、，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。,右图为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。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，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（纳米人造细胞）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。,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
16、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。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作,纳米生物机器人在疏通血管,用纳米材料制成的人工眼球，不仅可以象真的眼睛一样同步移动，也能通过电脉冲刺激大脑神经，看到精彩的世界。,“纳米生物导弹”专门对付癌症，这一针对癌症的超细纳米药物，能将抗肿瘤药物连接在磁性超微粒子上，定向射向癌细胞，并把它们全歼。,Treating Disease: Nanoparticles would deliver treatments to specifically targeted sites, including places that standard drugs do not reach easily. For example, gold nanoparticles (spheres) that were targeted to tumors might, when hit by infrared light, heat up enough to destroy the growths.,纳米细胞修复器
