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1、第一章 概论1.1 纳米简介1.1.1 介观领域人类对客观事物的认识是不断发展的。从认识用肉眼能直接看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展到两个层次：宏观领域和微观领域。1、 宏观领域：用人的肉眼可见的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。2、 微观领域：以分子原子为最大起点，直至在时间和空间的坐标中，下限是无限的领域。然而，在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和开拓的“处女地”。这块“处女地”领域即不同于宏观领域，有不同于微观领域，我们称之为介观领域。介观领域：包括了微米、亚微米、纳米到团簇尺寸（几个到几百个原子的尺寸）的范围。在这个领域，由于三维尺寸都很细小，出
2、现了许多奇异、崭新的物理性能。1.1.2 纳米（nanometer）“纳（nano）”含义：十亿分之一 ，数量级为：10-9 ，比如：1纳秒 = 10-9秒。纳米（nanometer）：是一个长度单位，简写nm 1nm = 10-9m在原子物理中还常使用埃作为长度单位（）1 = 10-10m ，所以1nm = 10 。氢原子的直径为1 ，所以1纳米就相当于十个氢原子一个挨一个地排列起来的长度。一纳米的尺度与一人的尺度相比就相当于一人的尺度与月亮尺度相比。长度单位：1米（m） = 103毫米（mm） = 106 微米（m） = 109纳米（nm） = 1012 皮米（pm）= 1015 费米（f
3、m）1.2 纳米科学技术的重要意义1.2.1 纳米科技指的是什么？纳米科学技术（Nano Science and technology）纳米科学技术的内容：在纳米尺度范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。纳米科学技术（Nano Science and technology）是80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技。它的出现标志着人类改造自然的能力已经延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已经进入一个新的时代纳米科技时代。许多专家预测，纳米科技必将成为21世纪主导高新技术之一。1959年，美国著名物理学家费因曼（R.P.Feynman）教授（1965年诺贝尔物理学
4、奖获得者）就曾指出：“如果有一天人类能够安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？”今天，这个美好愿望已经开始走向现实。目前，人类已经能够制造出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质而传统物质材料完全不具备的奇异性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。1.2.2 纳米科学技术的重要意义近年来，人们在制造分子机器方面已经取得许多突破性进展，比如能攻击病毒的抗生素就是一个杰出例子。人类一旦制造出新型纳米机器，它就可以象脱氧核糖核酸（DNA）以及它的伴生酶那样，根据所储存的指令或控制输入来完成通常方法所不能完成的任务。纳米科学技
5、术的重要意义是什么？纳米技术将会给人类带入一个奇迹层出不穷的时代。如果能在原子尺度上控制纳米机器的结构造型，那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。（1） 首先，纳米技术能改变材料制造业的现状，制造出纯度很高的材料。（2） 纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素；纳米机器还能清除废水中的有毒化学物质。如果采用传统方法回收，这些元素就会散失到环境中。（3） 纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质等。（4） 纳米技术可以奇迹般地缩短产品的生产时间。纳米机器每秒可以完成数十亿操作，几天或几个月的事情，纳米机器可能在数秒内完成。（5） 使用纳米仪器，
6、可以使传统装配工艺变成一次成型工艺。（6） 纳米逻辑器件亿倍于目前微处理器和随机存储器芯片的容量，实现通讯瞬时化。1.3纳米材料的地位及研究特点1.3.1 纳米材料的地位以美国为例，美国自 2001年正式实施国家纳米技术计划(NNI）以来，其纳米科技无论在基础研究还是在应用研究和产品开发方面都取得了长足的进步。2004 财年，美国加大力度执行该计划，并制定了新的战略目标：到2010年要培养80万纳米科技人才，确保美国在21 世纪上半叶占据纳米科技发展的领导地位。该法案将授权资助以下5个联邦政府机构的纳米技术研发项目：国家自然科学基金会、能源部、航空航天局、国家标准和技术研究院、环保局。它们是美
7、国NNI 计划16 个联邦机构的重要成员。各年度资助金额详见下表。新目标强调：纳米基础研究与应用研究要并重发展，加强跨学科的交流与合作；在纳米应用研究方面，优先项目的安排应体现国家利益需求与产业驱动的特点；利用国家实验室、大学和工业界等科研优势进行联合纳米技术攻关，联邦政府侧重于支持、引导和组织协调；注重与其它技术领域发展计划的协调，特别是纳米技术与信息技术、生物技术的交叉融合；重视基础设施及纳米技术人才队伍的建设；注重促进研究成果向创新技术转移。对我国纳米科技发展的思考1.积极培养纳米科技和产业化人才 纳米技术作为一个正处于原始创新发展阶段的前沿科技领域，其发展的关键在于人才。据统计，我国目
8、前从事纳米技术的研究人员不足5000人，而我国至少需要 1 万名复合型纳米科研人员。到2010年，我国对纳米人才的需求量将增长10倍。 我国应注重纳米科技人才的培养，首先要做好纳米科技的教育和科普工作，在各个层次的教学中开设有关纳米技术的课程，激发和培养青年人对纳米技术的兴趣，吸引一流人才从事纳米科技的工作，并培养和造就一批具有较高水平的师资队伍。 实施纳米科技人才战略，要坚持引进与自培的方针。引进纳米科技发展所需要的高技术人才，这是最直接、最有效的方式。因此，还要加大对研究成果和研究水平宣传的力度，吸引国外一流人才参与国内的研究，为我国的纳米科技发展服务。此外，还要鼓励跨学科研究，吸引多学科
9、专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进既懂科技、又懂经营和管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。2.注重提高纳米专利申请的技术含量 根据有关统计，近年来我国纳米技术专利申请数大幅上升，已排世界第3 位，占申请总数的12 ，仅次于美国（32) 和日本（21) ，取得了可喜的成绩。但我国纳米技术专利的申请领域，主要集中于纳米材料方面，而在纳米电子学及纳米医药学方面相对较少。在纳米材料领域，我国专利质量和国外相比也有一定差距，尤其是纳米技术在电子信息和生物技术领域的应用严重不足。国外侧重纳米有机物材料的应用，而且主要应用在催化剂、光学器件、半导体和导电材料、磁性材料和显示器等高技术含量的电
10、子信息领域。而目前我国只是在纳米涂料、纳米橡胶等民品等技术含量不高的领域上有所应用，技术含量相对较低。 3.尽快制定纳米技术标准，加快纳米科技的产业化步伐目前，我国纳米技术产品在社会上出现了一些混乱状况，核心问题是没有技术标准，国家有关部门对此应给予充分的重视，尽快制定纳米技术的产品和检测标准，这是未来纳米技术市场化的重要步骤。制定纳米技术标准不仅仅是科研单位的事情，应该鼓励科研单位同产业界结合，共同来制定纳米产品标准和检测标准。 纳米技术产业化要以企业为主体，鼓励和引导地方政府、企业积极参与和支持纳米技术的开发，鼓励风险投资的介入，鼓励地方经济结合本地区的优势发展纳米技术，加强研究机构和企业
11、界的合作，通过全社会的共同努力，让科技优势变为经济优势，实现我国在21 世纪纳米研发的良性循环。4.注重纳米科技对社会影响方面的研究美国在提出 NNI计划的同时就开始思考纳米科技对社会的影响，将其作为NNI计划的一个重要研究课题，并将成立纳米技术防备中心，以加强纳米技术对社会、伦理、环境、教育、法律和劳动力等方面的影响的研究。美国国会目前也在讨论纳米技术管制法案。美国还让社会科学家和人文学者（如伦理道德哲学家）参与纳米技术远景的设计，这将有助于使社会效益达到最大，并减少引发公众纠纷的可能性。与西方发达国家相比，我国在此方面的研究还很薄弱。随着纳米科技的不断发展，这个问题将越来越突出，因此应当尽
12、早着手展开这方面的研究。1.3.2纳米材料研究的几个重点：（1）以纳米材料的设计和制备研究为重点纳米材料及技术的研究重点,仍然将是纳米材料的设计和制备,特别是那些具有特定形态、成分、结构和性能的纳米材料。通过调控和改善纳米材料的尺度、形状、微组织结构、化学状态、界面环境等因素,来获得新的物理、化学、生物学等特性,或使这些性能提高,或进行控制,进而使材料实用化。预计将来最受重视的研究课题为:具有工程性能的金属与陶瓷结构材料;聚合物大分子的分子操纵;软纳米材料结构的化学自组装技术;纳米结构涂料和热喷工艺以及相关的化学基础技术;电子产品和传感器的纳米制作;与信息技术相关的纳米材料,如记录媒体、谐振器
13、、过滤器、超微开关、微电极、放大器;用于能量相关工艺的纳米结构材料,如催化剂、电池、软磁体、纳米机加工!航天、器系统的小型化。将纳米尺度的材料进行适当地组装,能获得某种特殊性能,或形成某种特殊的器件,这将是纳米材料研究中的一个重要发展方向如计算机中的运算器正在从微电子器件向纳电子器件发展,这将通过纳米颗粒!纳米线!纳米管的适当组装来实现。（2） 进一步深入进行纳米材料的性能及理论研究对纳米材料性能和理论的研究,是认识纳米材料的关键。纳米材料是不同于宏观和微观的领域,在物性方面的研究将推动介观理论的发展。通过对纳米结构物质性能的深入研究,可以描述和模拟自然和生物体系内纳米结构的形成过程和条件、所
14、具有的特殊功能、以及它们的关联和再现性,可以掌握在不同纳米结构单元中的能量和物质输运规律,以描述、模拟、设计和探索新型纳米功能器件的物理过程,并在此基础上建立纳米结构体系的维度、界面、成分和环境等对其状态、功能、稳定性影响的理论基础,并预期其工作原理、发展方向、以及应用的可能性。例如,雷达波的隐身中就涉及到纳米结构的物质与电磁波的作用。常用的麦克斯韦方程是建立在均匀体系下的理论,在纳米结构这种非均匀体系下,这种理论是否成立尚未解决。集成电路的电子学理论是建立在晶体管开关理论基础之上的,但在小于100nm的尺度上,开关特性就变得不理想了；而到了50nm时,开关特性就消失了。所以,微电子学理论就要
15、向纳电子学理论方面发展。（3） 加强纳米材料的应用开发研究我国是发展中国家,应该以应用为龙头来促进纳米材料的研究。应该重点发展的纳米产业包括纳米涂料和涂层、纳米催化剂(含净化剂、助燃剂、光催化剂)、功能性纳米粉体材料(金属和陶瓷)、纳米生物医学产品、纳米润滑剂、纳米信息材料和纳米能源材料。在应用研究中应注意以下几点:提高纳米材料生产量,走出实验室的规模,实现成本的大幅度降低； 大幅度提高纳米材料的性能； 与应用密切相关的技术也急待开发,如纳米材料的分散、表面处理、复合、造粒、稳定性、安全性等； 目前只有少量的纳米材料得到了实际应用,更多的离应用还有很远的距离,因此对纳米材料的应用难度要有足够的
16、认识和理解,需要用更长远一些的眼光去对待。1.4 纳米历史、现状与发展趋势1.4.1 纳米材料的历史在自然界、生物界早已充满了纳米科学的内涵。比表面积高易于产生光合作用的高活性，在生机勃勃的的植物群体中存在了几亿年，植物叶子表面存在纳米颗粒；在坚硬牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶；考古学家观察到了几千年前制备的铜镜和古瓷器表面至今完好无损，这些表秒都是由纳米级晶粒组成；早在1000年前，我们的祖先就有了制造和利用纳米材料的历史，它们利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑，作为墨的原料及用做色的染料。约1861年，随着胶体化学的建立，科学家就对直径为1100nm的粒子进行了系统的研究。但是当时的化学家只是从化学的
