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1、第六讲第六讲 纳米机械技术纳米机械技术1.引言引言2.纳米机械加工方法纳米机械加工方法3.微型机器人及应用微型机器人及应用纳米机械学课件1 引言引言n纳纳米米科科技技的的最最终终目目的的是是以以原原子子、分分子子为为起起点点，去去制制造造具具有有特特殊殊功功能能的的产产品品。因因此此，纳纳米米器器件件的的研研制制和和应应用水平是进入纳米时代的重要标志。用水平是进入纳米时代的重要标志。纳米机械学课件n纳纳米米机机械械技技术术主主要要研研究究微微型型机机械械、纳纳米米加加工工、超超精精度测量和材料处理学等技术应用。度测量和材料处理学等技术应用。n微微型型机机械械是是80年年代代末末出出现现的的一一
2、项项新新技技术术。它它虽虽问问世世不不久久，但但现现已已在在工工业业、医医疗疗等等方方面面获获得得了了很很多多应应用用。微微机机械械作作为为现现代代高高技技术术发发展展的的综综合合产产物物和和必必然然结结果果，必必将将对对固固有有产产业业和和技技术术产产生生深深远远影影响响，但但是是，由由于于微微机机械械是是才才有有二二十十几几年年历历史史的的边边缘缘学学科科，在在目目前还有着诸多的科学难题有待于解决。前还有着诸多的科学难题有待于解决。纳米机械学课件n人人类类进进入入20世世纪纪，空空间间技技术术、生生物物工工程程、信信息息科科学学、临临床床医医学学都都得得到到了了巨巨大大的的发发展展，上上述
3、述高高技技术术在在21世世纪纪能能否否保保持持目目前前的的发发展展速速度度，在在某某种种程程度度上取决于微机械的进步。上取决于微机械的进步。n就就空空间间技技术术而而言言，科科学学家家们们经经过过多多年年的的实实践践、分分析析、论论证证后后，得得出出一一个个出出人人意意料料的的结结论论：与与其其花花数数亿亿美美元元构构造造一一个个庞庞大大而而又又复复杂杂的的智智能能系系统统，不不如如把把整整个个系系统统化化整整为为零零，以以一一群群可可大大量量生生产产的的、廉价的、简单的、低智能的小单元来取而代之。廉价的、简单的、低智能的小单元来取而代之。纳米机械学课件n该该结结论论的的基基本本出出发发点点是
4、是：尽尽管管就就单单个个小小单单元元来来说说其其功功能能无无法法与与大大系系统统相相比比，但但可可通通过过简简单单单单元元之之间间的的分分散散协协调调作作业业，完完成成大大系系统统难难以以实实现现或或不不能能实实现现的的目目的的，并并具具有有极极高高的的可可靠靠性性，因因为为数数量量众众多多的的智智能能单单元元在在执执行行某某一一项项任任务务的的过过程程中中，可可能能有有一一小小部部分分单单元元失失效效，但但由由于于同同功功能能的的单单元元的的数数量量众众多多，所所以以个个别别单单元元的的失失效效并并不不影影响响目目标标的的最最终终实实现现。大大系系统统的的情情况况则则不不然然，任任何何设设计
5、计和和制制作作过过程程的的失失误误，都都可能导致整个计划的失败。可能导致整个计划的失败。纳米机械学课件n例例如如，挑挑战战者者号号航航天天飞飞机机失失事事就就是是由由于于小小小小的的失失误误造造成成的的，而而这这些些失失误误事事实实上上是是难难以以避避免免的的。无无数数历历史史的的失失败败与与教教训训已已迫迫使使设设计计师师们们不不得得不不重重新新考考虑虑他他们们的的总总体体设设计计，并并从从根根本本上上认认识识到到科科学学发发展展的不平衡性。的不平衡性。纳米机械学课件n纵纵观观医医学学科科学学的的发发展展也也会会发发现现，现现代代医医学学正正在在受受传传统统医医学学宏宏观观诊诊查查、定定性性
6、施施治治的的束束缚缚。21世世纪纪，心心脑脑血血管管疾疾病病和和癌癌症症将将成成为为威威胁胁人人类类健健康康的的主主要要疾疾病病，而而最最终终战战胜胜这这些些疾疾病病将将有有赖赖于于微微机机械械技技术术在精密的定量、定点诊治技术中的发展和应用。在精密的定量、定点诊治技术中的发展和应用。n在在生生物物工工程程、信信息息科科学学和和工工程程技技术术等等诸诸多多领领域域，需需要要人人们们有有分分析析和和处处理理微微观观事事物物的的能能力力。所所有有这这一切都为微机械的产生和发展提供了机会。一切都为微机械的产生和发展提供了机会。纳米机械学课件n微微机机械械的的含含义义十十分分广广泛泛，至至今今还还没没
7、有有一一个个权权威威性性的的定定义义。一一个个约约定定俗俗成成的的概概念念是是微微小小电电气气机机械械系系统统（ Micro Electron Mechanical systems， 缩缩 写写MEMS）。在在人人们们致致力力于于微微观观物物质质的的研研究究时时，需需要要越越来来越越小小的的器器件件，因因而而MEMS就就应应运运而而生生了了。上上世世纪纪崛崛起起的的集集成成电电路路技技术术，使使电电子子产产品品的的集集成成度度大大大大提提高高，现现在在工工程程师师又又探探索索用用这这一一技技术术使使机机械械结结构构尽尽量量小小，以以便便它它们们能能与与微微电电子子器器件件匹匹配配。在在微微机机
8、械的研究内容和发展趋势上已有人作过论述。械的研究内容和发展趋势上已有人作过论述。纳米机械学课件MEMS技术技术n从广义上讲，MEMS是指集微型传感器、微型执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源于一体的微型机电系统nMEMS技术是一种多学科交叉的前沿性领域，它几乎涉及到自然及工程科学的所有领域，如电子、机械、光学、物理学、化学、生物医学、材料科学、能源科学等纳米机械学课件MEMS 微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠微小型、智能、集成、高可靠?MEMSMEMS是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合是人类科
9、技发展过程一次重大的技术整合是人类科技发展过程一次重大的技术整合微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术微电子技术、精密加工技术、传感器技术、执行器技术?微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性微小型化、智能化、集成化、高可靠性?MEMSMEMS能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成能够完成真正意义上的微小型系统集成在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现
10、了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变在芯片上实现了力、热、磁、化学到电的转变?MEMSMEMS极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活的质量极大地改善了人类生活的质量大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护大批量、低成本的传感器生产方式给人们更多的保护?MEMSMEMS将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长将会带动一个充满活力的产业迅速成长不是钢铁、汽车、微电子，而是微系
11、统不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统不是钢铁、汽车、微电子，而是微系统纳米机械学课件n总总的的来来说说微微机机械械应应是是一一个个独独立立的的智智能能系系统统，它它由由传传感感器器、致致动动器器（也也称称执执行行器器）和和微微能能源源三三大大要要素素技技术术组组成成。这这些些要要素素技技术术的的实实现现必必须须有有相相应应的的基基础础理理论论和和工工艺艺技技术术的的支支持持才才能能完完成成，并并且且针针对对微微机机械械的的具具体体应应用用对对象象，还还要要有有相相应应的的专专业业技技术术提提供供保保障障。从从这这种种意意义义上上说说，微微机机械械是是一一个个多
12、多学学科科、高高技技术术的的边边缘缘学学科科。它它的的生生存存和和发发展展以以广广大大的的科科学学技技术术为为基基础础，反反过过来来也也促促进进着着多多学学科科的的相相互渗透和全面发展。互渗透和全面发展。纳米机械学课件n微机械技术具有许多优点：微机械技术具有许多优点：体体积积小小，但但功功能能强强。如如轮轮齿齿只只有有一一个个红红血血球球细细胞胞那那样样大大，如如此此小小的的部部件件运运转转起起来来非非常常快快，其其体体积积小小使使得得引引力力和和惯惯性性几几乎不起作用。乎不起作用。制制造造成成本本低低。可可以以在在一一块块很很小小的的硅硅片片上上制造数十万个微型机械。制造数十万个微型机械。纳
13、米机械学课件nMEMS在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景n微惯性传感器及微型惯性测量组合能应用于制导、卫星控制、汽车自动驾驶、汽车防撞气囊、汽车防抱死系统(ABS)、稳定控制和玩具n微流量系统和微分析仪可用于微推进、伤员救护nMEMS系统还可以用于医疗、高密度存储和显示、光谱分析、信息采集等等n已经制造出尖端直径为5m的可以夹起一个红细胞的微型镊子，可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等MEMS技术的应用技术的应用纳米机械学课件MEMS技术的应用技术的应用n空间应用n用作运行参数测量的微加速度计已进行了地面辐照实验，正在进行飞行搭载
14、实验n微陀螺、微推进和微喷管等微系统基础研究n通信方面n光通信正在向有光交换功能的全光通信网络方向发展n无线通信则要求增强功能（如联网等）和减小功耗。包括美国朗讯公司在内的一些公司和大学正在研究全光通信网用的微系统及无线通信用射频微系统纳米机械学课件MEMS技术的应用技术的应用n在生物医学方面，将光、机、电、液、生化等部件集成在一起，构成一个微型芯片实验室，用于临床医学检测，为医生甚至家庭提供简单、廉价、准确和快捷的检测手段n光显示、高密度存储、汽车、国防等微系统纳米机械学课件典型微纳系统及微纳器件 德国德国Karlsruhe 的核能研究中心在的核能研究中心在80 年代末开发的年代末开发的1
15、cm3 小型换热器的小型换热器的换热功率最大可达换热功率最大可达20kW； 90 年代初，美国太平洋西北国家实验室（年代初，美国太平洋西北国家实验室（PNNL），建立了），建立了Micro-CATS(Micro- Chemical and Thermal System)开发平台，开发了微型换开发平台，开发了微型换热器、微型蒸发器、微型热泵、微型反应器、微型吸收器等尖端设备；热器、微型蒸发器、微型热泵、微型反应器、微型吸收器等尖端设备； 麻省理工学院开展了微燃烧器技术的研究；麻省理工学院开展了微燃烧器技术的研究； 近年来华东理工大学在微型换热器和制氢反应器的设计制造方面也取近年来华东理工大学在微
16、型换热器和制氢反应器的设计制造方面也取得了进展。得了进展。纳米机械学课件磁阻元件 铁磁性薄膜磁阻元件铁磁性薄膜磁阻元件/ /半导体磁阻元件半导体磁阻元件 原理原理 电阻率与磁场关系推导电阻率与磁场关系推导 结构结构磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长磁阻金属或合金制成矩形薄膜，在无外磁场时磁矩沿着长度度x x方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度方向（易轴方向），外加磁场沿薄膜的宽度y y方向等方向等材料在磁场中表现出的电阻率各向异性材料在磁场中表现出的电阻率各向异性存在问题：非线形关系存在问题：非线形关系纳米机械学课件施加偏场的方法施加偏场的方法解决线性化问题解决线性化问题磁阻
17、元件 重要用途重要用途磁盘驱动器中磁盘驱动器中的读出磁头的读出磁头 器件发展器件发展MR-GMR-MI灵敏度指标灵敏度指标 %/%/OeOe纳米机械学课件磁通门 原理原理固有状态固有状态在外加磁场信号的影响在外加磁场信号的影响通过分析脉冲的相位变化，可测通过分析脉冲的相位变化，可测量外加磁场的大小量外加磁场的大小最常用的形式：读出偶次谐波，最常用的形式：读出偶次谐波，傅里叶分析出结果傅里叶分析出结果 特点特点直流或很低频率直流或很低频率高灵敏度高灵敏度1010-10-10T T纳米机械学课件磁通门 MEMSMEMS磁通门结构磁通门结构材料选用材料选用 线圈线圈/ /磁芯磁芯/ /绝缘层绝缘层/
18、 /基底基底注意工艺结构特点注意工艺结构特点分析工艺兼容性分析工艺兼容性纳米机械学课件2 微型机械微型机械（1）微型机械零件）微型机械零件（2）微型电机）微型电机（3）纳米尺度定位马达）纳米尺度定位马达（4）微型机器）微型机器纳米机械学课件（1）微型机械零件）微型机械零件n微微型型机机械械就就是是很很小小的的机机械械装装置置，其其零零件件的的尺尺寸寸多多在在1毫毫米米以以下下。对对微微型型机机械械进进行行观观察察需需要要借借助助于于显显微微镜镜。在在微微型型机机械械世世界界里里，一一粒粒尘尘埃埃就就是是一一个个庞庞然然大大物物，一一旦旦流流入入轮轮间间就就能能卡卡住住齿齿轮轮，使使其其停停止转
19、动。止转动。n美美国国的的贝贝尔尔实实验验室室用用半半导导体体材材料料硅硅制制出出了了直直径径为为125微微米米的的齿齿轮轮，齿齿轮轮的的宽宽度度是是15微微米米，为为头头发发丝丝直直径径的的16。美美国国威威斯斯康康星星大大学学制制出出了了直直径径为为100微微米米的的金金属属齿齿轮轮。此此外外还还有有人人制制出出了了微微型型连连杆、微型弹簧、微型曲柄等零件。杆、微型弹簧、微型曲柄等零件。纳米机械学课件这些微机械部件有多小呢？我们可以将它与灰尘尺寸做个对比右图正前方毛毛嘈嘈的东西是一粒灰尘，其后方是一个微机械部件。只有几个微米。纳米机械学课件n不不久久前前美美国国桑桑迪迪亚亚国国家家实实验验
20、室室研研制制出出微微型型发发动动机机，齿齿轮轮只只有有花花粉粉颗颗粒粒大大小小，需需借借助助于于显显微微镜镜观观看看它它的的旋旋转转，其其速速度度为为每每分分钟钟30万转。万转。纳米机械学课件n日本开发出微型机械零件日本开发出微型机械零件“自组织化自组织化”装配技术。装配技术。n东东京京大大学学山山下下勋勋教教授授日日前前开开发发出出一一种种微微型型机机械械零零件件“自自组组织织化化”自自动动装装配配技技术术。原原子子在在硅硅酸酸化化物物基基片片上上可可以以自自然然成成形形，这这种种现现象象被被称称为为“自自组组织织化化”。山山下下教教授授受受此此启启发发，先先在在微微型型零零件件表表面面涂涂
21、上上化化学学物物质质，让让他他们们具具有有亲亲水水性性或或疏疏水水性性，然然后后放放入入溶溶液液中中。结结果果疏疏水水性性零零件件互互相相吸吸引引，而而与与亲亲水水性性零零件件互互相相排排斥斥。只只要要在在零零件件表表面面涂涂料料上上下下功功夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。夫，零件就会根据需要很好地结合在一起。纳米机械学课件n美美国国山山迪迪亚亚国国家家实实验验室室的的科科学学家家创创造造了了世世界界最最先先进进的的微微型型机机器器，科科学学家家称称这这类类微微型型机机器器为为微微型型电电机机系系统统，是是一一种种只只有有微微米米大大小小的的复复杂杂机机器器，微微型型机机器器的的用用途途
22、很很广广，包包括括安安装装在在光光学学仪仪器器、电电脑脑游游戏戏玩玩具具、汽汽车车气气袋袋、喷喷墨墨印印表表机等。机等。纳米机械学课件（2）微型电机）微型电机n科科学学家家们们不不仅仅研研制制出出了了微微型型零零件件，而而且且还还制制作作了了微微型型涡涡轮轮机机和和电电动动机机。德德国国的的一一个个核核研研究究中中心心制制出出的的涡涡轮轮机机的的直直径径为为0.10.3毫毫米米，中中轴轴只只有有40微微米米。1988年年华华裔裔美美国国留留学学生生冯冯龙龙生生等等人人制制作作出出了了第第一一台台具具有有微微米米量量级级转转子子尺尺寸寸的的微微型型静静电电马马达达，引引起起国国际际上上的的轰轰动
23、动。马马达达宽宽度度不不到到1毫毫米米，他他们们在在显显微微镜镜下下看看到到了了这这台台马马达达转转动动。此此后后，许许多多国国家家的的实实验验室室重重复复了了他他们们的的实实验验，并并在在电电机机结结构构、性性能能和和尺尺寸寸上上作作了了许许多多改改进进，转转子子直直径径从从最最初初的的数数百百微微米米降降到到50微微米米，转转速速提提高高到到10万万转转分分钟钟。在在结结构构上上派派生生出出了了摇摇摆摆式式、悬悬浮浮式式等等多多种种结结构构形形式。式。纳米机械学课件微型马达微型马达纳米机械学课件两种微电机的结构两种微电机的结构纳米机械学课件（3）纳米尺度定位马达）纳米尺度定位马达n除除了了
24、本本身身尺尺寸寸很很小小的的马马达达已已问问世世之之外外，在在纳纳米米级级尺尺度度上上移移动动和和定定位位的的“纳纳米米”马马达达已已研研制制成成功功，并并已已投投入入使使用用。已已有有两两种种构构造造可可实实现现这这个个要要求求：一一是是基基于于线线性性马马达达的的Yoshida系系统统，有有1nm的的定定位位精精度度和和200nm/s的的速速度度；另另外外一一种种是是基基于于压压电电陶陶瓷瓷管管的的蠕蠕动动爬爬行行装装置置，以以步步进进方方式式很很容容易易达达到到1nm的的定定位位。例例如如，在在扫扫描描隧隧道道显显微微镜镜（STM）、原原子子力力显显微微镜镜（AFM）上上用用于于精精确确
25、定定位位的的由由压压电电陶陶瓷瓷材材料料制制成成的的纳纳米米级级逼逼近近装装置置。它它们们能能以以简简单单的的方方式式将将1mV1000V的的电电压压信信号号转转换换成成几几分分之之一一埃埃到到几几微微米的位移。米的位移。纳米机械学课件最近美国最近美国Burleigh仪器公司推出一种压电陶瓷仪器公司推出一种压电陶瓷步进马达，其工作原理示如下图所示步进马达，其工作原理示如下图所示压电陶瓷步进电机工作原理压电陶瓷步进电机工作原理纳米机械学课件研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出了一种分子马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。
26、分子马达分子马达，又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和ADP的交替结合而改变，ATP水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。就是说，分子马达本质上是一类ATP酶。例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”-如：质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。纳米机械学课件分子马达分子马达n分分子子马马达达是是由由生生物物大大分分子子构构成成，利利用用化化学学能能进进行行机机械械做做功功的的纳纳米米系系统统。天天
27、然然的的分分子子马马达达，如如：驱驱动动蛋蛋白白、RNA聚聚合合酶酶、肌肌球球蛋蛋白白等等，在在生生物物体体内内参参与与了了胞胞质质运运输输、DNA复复制制、细细胞胞分分裂裂、肌肌肉肉收收缩缩等等一一系系列列重重要要生生命命活活动动。以以微微管管蛋蛋白白为为轨轨道道，沿沿微微管管的的负负极极向向正正极极运运动动，并并由由此此完完成各种细胞内外传质功能成各种细胞内外传质功能。纳米机械学课件n美美国国康康纳纳尔尔大大学学的的科科学学家家利利用用ATP酶酶作作为为分分子子马马达达，研研制制出出了了一一种种可可以以进进入入人人体体细细胞胞的的纳纳米米机机电电设设备备-“纳纳米米直直升升机机”。该该设设
28、备备共共包包括括三三个个组组件件，两两个个金金属属推推进进器器和和一一个个附附属属于于与与金金属属推推进进器器相相连连的的金金属属杆杆的的生生物物分分子子组组件件。其其中中的的生生物物分分子子组组件件将将人人体体的的生生物物“燃燃料料”ATP转转化化为为机机械械能能量量，使使得得金金属属推推进进器器的的运运转转速速率率达达到到每每秒秒8圈圈。这这种种技技术术仍仍处处于于研研制制初初期期，它它的的控控制制和和如如何何应应用用仍仍是是未未知知数数。将将来来有有可可能能完完成成在在人人体体细细胞胞内内发发放放药药物物等等医疗任务。医疗任务。纳米机械学课件（4）微型机器）微型机器微型汽车和大米粒微型汽
29、车和大米粒纳米机械学课件微型机器微型机器小型小型机器机器人，人，它用它用吸盘吸盘式的式的脚垂脚垂直在直在墙壁墙壁上移上移动动纳米机械学课件纳米火车纳米火车n美美国国华华盛盛顿顿大大学学正正在在制制造造纳纳米米火火车车。用用神神经经细细胞胞中中的的微微管管片片段段为为车车厢厢，微微管管直直径径只只有有人人头头发发丝丝的的1%；以以牛牛脑脑中中的的驱驱动动蛋蛋白白为为牵牵引引机机车车，装装配配后后可可在在特特氟氟隆隆轨轨道道上上奔奔驰。驰。n该该项项研研究究填填补补了了纳纳米米技技术术中中没没有有动动力力的的空空白白，向向实实现现纳纳米米技技术术自自组组装装工工厂厂这这一一目目标标迈出了有意义的一
30、步。迈出了有意义的一步。纳米机械学课件3 纳米机械加工方法纳米机械加工方法n德德国国弗弗里里茨茨哈哈贝贝尔尔研研究究所所的的科科学学家家研研究究出出使使用用超超短短电电脉脉冲冲进进行行电电解解的的新新技技术术，并并成成功功地地在在纳纳米米尺尺度度上上切切割割金金属属材材料料，加加工工微微型型机机械械。据据介介绍绍，科科学学家家使使用用持持续续时时间间以以纳纳秒秒计计的的超超短短电电脉脉冲冲，实实现现“微微型型电电镀镀”过过程程，对对金金属属进进行行“雕雕刻刻”，加加工精度可达几百纳米。工精度可达几百纳米。n他他们们使使用用直直径径10纳纳米米的的铂铂线线作作为为一一个个电电极极，金金制制的的金
31、金属属片片为为另另一一个个电电极极，将将它它们们浸浸泡泡在在硫硫酸酸铜铜和和高高氯氯酸酸混混和和溶溶液液里里。来来回回移移动动铂铂线线，就就可可以以将将铂铂线线用用作作“刀刀具具”，像像铣铣床床一一样样对对金金属属片片的的铜铜进进行行“雕雕刻刻”加加工工。由由于于电电流流脉脉冲冲只只持持续续极极短短的的时时间间，铜铜的的沉沉积积与与溶溶解解都都只只发发生生在在非非常常靠靠近近电电极极表表面面的的地方，加工精度较高。地方，加工精度较高。纳米机械学课件用活细菌建造纳米机械用活细菌建造纳米机械n美美国国威威斯斯康康星星麦麦迪迪逊逊大大学学的的科科学学家家罗罗伯伯特特哈哈默默斯斯说说：“自自然然界界已
32、已产产生生了了这这些些奇奇异异的的建建筑筑构构块块，而而我我们们开开发发出出的的方方法法，仅仅仅仅是是很很巧巧妙妙地地抓抓住住细细菌菌的的这这种种能能力力。”哈哈默默斯斯研研究究小小组组已已经经能能够够采采用用电电极极来来调调控控单单个个细细菌菌细细胞胞。他他们们的的研研究究成成果果发发表表在在纳纳米米通通信信刊物上。刊物上。纳米机械学课件纳米机械学课件n该该研研究究小小组组选选择择的的细细菌菌是是5微微米米长长、0.8微微米米宽宽的的蕈蕈（xn）状状杆杆菌菌。之之所所以以选选择择这这种种细细菌菌，是是因因为为其其个个头头足足够够大大，能能够够让让科科学学家家在在光光学学显显微微镜镜下下看看到
33、到它它。他他们们把把电电场场加加到到这这种种微微生生物物上上，使使它它们们被被极极化化，并并“粘粘贴贴”到到电电极极上上。随随着着电电极极的的电电流流发发生生极极化化，将将会会显显示示出出这这些些小小细细菌菌被被“粘粘”到到电电极极上上。研研究究人人员员甚甚至至能能让让细细菌菌构构成成正正负负电电极极之之间间的的导导电电桥桥梁梁，这这一一现现象象可可能能导导致致形形成成可可再再组组合合的的纳纳米米电电路路。哈哈默默斯斯说说：“采采用用细细菌菌细细胞胞作作为为更更复复杂电子电路的部件，是一种非常重要的创意杂电子电路的部件，是一种非常重要的创意”。纳米机械学课件n在在哈哈默默斯斯的的实实验验中中，
34、细细菌菌本本身身被被依依附附到到一一根根长长电电极极上上，借借助助于于所所悬悬浮浮的的溶溶液液的的运运动动，细细菌菌沿沿其其长长度度可可以以转转向向。当当细细菌菌同同另另外外一一个个电电极极结结合合时时，两两电极的极性可牢牢地将细菌固定在一定的位置上。电极的极性可牢牢地将细菌固定在一定的位置上。n目目前前，纳纳米米结结构构物物必必须须人人为为地地进进行行组组装装，但但是是当当使使用用特特定定生生物物分分子子连连接接的的元元器器件件，向向细细菌菌“粘粘”上上互互补补的的表表面面蛋蛋白白质质时时，有有可可能能采采用用细细菌菌使使装装配配过过程程自自动动化化。像像哈哈默默斯斯小小组组这这类类电电极极
35、的的另另外外一一种种应应用用，将将用用来来制制造造生生物物传传感感器器，以以探探测测诸诸如如炭炭疽疽菌菌等等生生物物制制剂剂，因因为为，由由于于“粘粘”上上炭炭疽疽孢孢芽芽，电极电流会发生变化。电极电流会发生变化。纳米机械学课件纳米机械加工系统纳米机械加工系统n日日本本开开发发出出了了可可在在扫扫描描电电子子显显微微镜镜（SEM）中中工工作作的的纳纳米米机机械械加加工工系系统统，成成功功地地以以视视频频方方式式拍拍摄摄到到了了以以单单晶晶硅硅为为切切削削材材料料进进行行纳纳米米级级切切削削的的过过程。程。n这这套套加加工工系系统统使使用用了了原原子子力力显显微微镜镜（AFM）装装置置，加加工工
36、工工具具则则使使用用自自主主开开发发的的加加工工悬悬臂臂。通通过过改改变变加加在在悬悬臂臂顶顶端端刀刀刃刃上上的的接接触触荷荷重重，在在1100nm的的范范围围内内控控制制切切进进深深度度，以以纳纳米米为为单单位位进进行行切切削削。利利用用SEM把把刀刀刃刃顶顶端端放放大大以以后后进进行行观观察，能够以视频方式记录纳米级切削的过程。察，能够以视频方式记录纳米级切削的过程。纳米机械学课件n实实验验使使用用的的单单晶晶硅硅通通常常称称为为硬硬脆脆材材料料，质质地地坚坚硬硬。从从其其性性质质上上来来说说，在在机机械械微微加加工工中中像像玻玻璃璃一一样样易易碎碎。而而在在纳纳米米切切削削中中，即即使使
37、像像玻玻璃璃一一样样的的硬硬脆脆材材料料也也表表现现得得和和普普通通金金属属材材料料一一样样，可可顺顺利利进进行行延延性性模模式式切切削削。本本次次实实验验结结果果证证实实，既既然然单单晶晶硅硅比比普普通通金金属属材材料料还还硬硬，因因而而纳纳米米机机械加工可广泛应用于金属和玻璃等多种材料。械加工可广泛应用于金属和玻璃等多种材料。纳米机械学课件纳米秤纳米秤美国研究人员通过打造世界首个全功能性的纳米管装置，成功建造了一个可以给金原子称重的纳机电系统(NEMS)。以此装置测得的金原子质量为3.25x10-25千克。此新式纳机电系统质量传感器由单个碳纳米管组成，有双层壁，具有全部电子特性，且硬度增加
38、了。碳纳米管的一端可自由活动，而另一端入则连接在一个电极上，且距离相对的电极相当近。来自电池或太阳能电池上的直流电源与这对电极相连，导致它以某种波动的共振频率振动。当一个原子或分子被存放在此碳纳米管上面时，此碳纳米管的共振频率就会因此原子或分子的质量而改变，类似于不同体重的跳水运动员会改变跳水板的共振频率一样。此研究小组成员肯尼思延森说：让碳纳米管振动很简单，难的就是探知其振动的微小变化。我们通过磁场发射或喷雾让它产生了振动，并探测到此碳纳米管一端的电流变化。利用此纳机电系统质量传感器，泽特尔小组对单个金原子称了重量，其质量为3.25x10-25千克。这意味着大约3亿亿亿个金原子才能达到1千克
39、。纳米机械学课件摆动中的纳米线将很有可能接触到与之相邻的铂电极表面，由于纳米线所具有的压电效应和它与铂电极间形成的肖特基势垒，每次接触均是通过纳米线带负电势的内表面把形变产生的压电电能释放出来。肖特基势垒的整流作用使得输出的电流为直流，纳米发电机表现出了对超声波良好的响应。在41千赫的超声波的作用下，只有2平方毫米面积的基片能输出约1纳安(nA)的连续电流，并且其电流输出可以保持一个多小时而没有任何衰减。这一原创性设计在世界上率先实现了一种适应性广、生产成本低，并能从周围环境中收集并转换能量的纳米发电机。直流纳米发电机-纳米压电现象纳米机械学课件(a)低倍扫描电子显维照片显示两个互相缠绕的、表
40、明长有氧化锌纳米线阵列的纤维，其中一个镀有金。(b)高倍扫描电子显维照片显示两纤维界面处的纳米线对纳米线结构。(c)显示多根纤维组成的纤维纳米发电机的串/并连式连接来提高输出电压/电流。(图片来源：王中林实验室)复合型纳米发电机复合型纳米发电机基于压电电子学原理，超声波可带动纳米线阵列运动，能独立从外界吸取机械能、并将之转化为电能的纳米发电机模型。在超声波带动下，这种纳米发电机已能产生上百纳安的电流。但是，在实际环境中，机械能主要以低频震动形式存在，如空气的流动、引擎的震动等。要让纳米发电机能广泛应用于各方面，一个关键的问题就是要降低纳米发电机的响应频率，让纳米线阵列在几个赫兹的低频震动下也能
41、将机械能转化为电能。通过让氧化锌纳米线在纤维之上生长，可实现柔软，可折叠的电源系统（如“发电衣”）。另外，基于纤维的纳米发电机能在低频震动下发电，这就使得步行、心跳等低频机械能的转化成为可能；再次，由于其合成方法简单，条件温和，这就大大扩展了基于氧化锌纳米线的纳米发电机的应用范围。根据目前的实验数据，他估计，如果能用这些纤维编织成布在极端优化的条件下，每平方米这样的布可能输出大约2080毫瓦的电能。纳米机械学课件4 微型机器人及应用微型机器人及应用n别别看看微微型型机机器器人人小小，有有的的甚甚至至要要用用放放大大镜镜才才能能看看到，可它们的本事却很大呢！到，可它们的本事却很大呢！n在在工工业
42、业上上，微微型型机机器器人人可可以以按按设设制制的的程程序序，成成群群结结队队地地钻钻进进飞飞机机的的发发动动机机中中，进进行行精精细细的的维维修修工工作作，或或钻钻进进核核反反应应堆堆内内清清洗洗管管道道、修修补补裂裂缝缝，甚甚至至长长期期驻驻守守在在里里面面进进行行定定期期检检查查维维修修。在在船船舶舶底底部部，微微型型机机器器人人可可咀咀嚼嚼和和清清除除依依附附在在上上面面的的苔苔藓藓和贝类。和贝类。n在在农农业业上上，可可利利用用微微型型机机器器人人捕捕捉捉害害虫虫，使使农农作作物物获获得得丰丰收收。微微型型机机器器人人还还可可以以在在田田野野上上空空监监控控农农作作物物生生长长，当当
43、农农作作物物需需要要灌灌溉溉时时，它它们们便便降降落落在阀门上，开启阀门，进行灌溉。在阀门上，开启阀门，进行灌溉。纳米机械学课件n在在通通讯讯方方面面，微微型型机机器器人人可可以以爬爬入入电电缆缆中中去去检检查查电电路路，一一旦旦发发现现断断头头，使使用用自自己己的的前前后后“腿腿”搭搭接接在在断断开开的的电电缆缆上上，使线路畅通。使线路畅通。n在在家家庭庭服服务务方方面面，微微型型机机器器人人可可以以打打更更放放哨哨，发发现现“不不速速之之客客”或或防防止止火火灾灾发发生生，还还可可以以在在家家庭庭的的隐隐蔽蔽角角落落清清除除尘尘埃，消灭蛀虫。埃，消灭蛀虫。n在在军军事事上上，微微型型机机器
44、器人人可可代代替替卫卫兵兵和和警警犬犬进进行行巡巡逻逻；可可以以飞到敌军内部，用各种传感器收集情报等。飞到敌军内部，用各种传感器收集情报等。n在在航航空空航航天天方方面面，微微型型机机器器人人可可到到外外星星球球去去采采集集标标本本，为为行行星星车车开开路路；可可以以检检查查航航天天飞飞机机、空空天天飞飞机机的的各各种种机机件件是是否否运运转转工工常常，并并为为机机罩罩除除尘尘；还还可可以以定定期期检检查查修修理理空空间间望望远镜等。远镜等。n微微型型机机器器人人将将在在未未来来各各种种行行业业中中大大显显身身手手，并并使使用用途途广广泛泛的机械学发生一场划时代的革命。的机械学发生一场划时代的
45、革命。纳米机械学课件n这这款款会会飞飞的的机机器器人人来来自自美美国国哈哈佛佛大大学学，其其身身长长不不到到一一英英寸寸。它它的的飞飞行行原原理理是是利利用用碳碳素素纤纤维维制制成成的的翅翅膀膀的的高高频频振振动动来来达达到到飞飞行行的目的。的目的。纳米机械学课件n它它的的飞飞行行原原理理与与苍苍蝇蝇类类似似，利利用用碳碳素素纤纤维维制制成成的的翅翅膀膀的的高高频频振振动动来来达达到到飞飞行行的的目目的的。虽虽然然目目前前这这款款机机器器人人还还不不能能够够通通过过遥遥控控器器控控制制，只只能能借借助助两两条辅助的轨道来控制飞行方向。条辅助的轨道来控制飞行方向。这是一款来自美国哈佛大这是一款来
46、自美国哈佛大学的微型机器人，身长不学的微型机器人，身长不到一英寸。与其他微型机到一英寸。与其他微型机器人的最大不同在于：它器人的最大不同在于：它是会飞的！是会飞的！纳米机械学课件微微型型机机器器人人能能在在人人的的脊脊椎里穿行椎里穿行纳米机械学课件美美美美国国国国喷喷喷喷气气气气推推推推进进进进实实实实验验验验室室室室(JPL)(JPL)展展展展示示示示的的的的采采采采用用用用MEMSMEMS技技技技术术术术的的的的电电电电阻阻阻阻电电电电热热热热式式式式微微微微推推推推进进进进器器器器样样样样机机机机( (固固固固体体体体升升升升华华华华方方方方式式式式) )。微微微微推推推推进进进进器器器
47、器由由由由推推推推进进进进剂剂剂剂出出出出贮贮贮贮箱箱箱箱、微微微微阀阀阀阀、微微微微过过过过滤滤滤滤器器器器、微微微微型型型型喷喷喷喷口口口口等等等等组组组组成成成成，微微微微型型型型喷喷喷喷口口口口利利利利用用用用MEMSMEMS技技技技术术术术中中中中的的的的体体体体硅硅硅硅工工工工艺艺艺艺制制制制作作作作。其其其其性性性性能能能能目目目目标标标标为为为为：比比比比冲冲冲冲505075s75s，推推推推力力力力0.5mN0.5mN，功率，功率，功率，功率 2W/mN 2W/mN，质量为几克，大小为，质量为几克，大小为，质量为几克，大小为，质量为几克，大小为1cm1cm2 2。微推进器微推进器纳米机械学课件纳米机械学课件纳米机械学课件课程总结报告的提纲课程总结报告的提纲1.阐阐 述述 所所 学学 过过 体体 会会 深深 刻刻 的的 内内 容容（10%）；）；2.学习本课程的体会（学习本课程的体会（10%）；）；3.举举出出你你所所知知道道的的关关于于纳纳米米科科学学技技术术应应用的例子（用的例子（10%）；）；4.与与自自己己所所学学（或或某某一一）专专业业相相结结合合谈谈谈谈纳纳米米科科技技对对该该行行业业的的推推动动作作用用（10%）纳米机械学课件
