納米科技之意義PPT課件

1、1、掌握基本概念、掌握基本概念 介觀領(lǐng)域、納米科學(xué)技術(shù)、納米材料、納米器件、量子器件、蓮花效應(yīng)、介觀領(lǐng)域、納米科學(xué)技術(shù)、納米材料、納米器件、量子器件、蓮花效應(yīng)、納米組裝體系、自上而下、自下而上納米組裝體系、自上而下、自下而上 。 2、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。 3、納米科技的分類。、納米科技的分類。 4、納米科技的前沿動態(tài)。、納米科技的前沿動態(tài)。 第1頁/共80頁 難點(diǎn)內(nèi)容難點(diǎn)內(nèi)容：納米科技的前沿動態(tài)中的部分內(nèi)容。 熟悉內(nèi)容熟悉內(nèi)容: 了解納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展史。 了解發(fā)展納米科技的意義。 納米技術(shù)在國內(nèi)的研究情況及取得的成果。 主要英文詞匯主要英文詞匯: Mesost

2、ructure, Macrostructure, Nanostructure, Nanotechnology; nanomaterial, Nanostructure, Nanodevice，Top-down, Bottom-up.第2頁/共80頁3.3 發(fā)展納米科技的意義發(fā)展納米科技的意義 費(fèi)曼費(fèi)曼：1959年，著名理論物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者費(fèi)曼曾預(yù)言：“毫無疑問，當(dāng)毫無疑問，當(dāng)我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍將大大的擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍”。 還設(shè)想“如果有朝一日人們能把百科全書儲存在一個針尖大小的空間并能

3、移動原子，那么這將給科學(xué)帶來什么？”這正是對納米科技的預(yù)言小尺寸大世界小尺寸大世界。量子動力量子動力學(xué)學(xué) 1965諾貝爾獎。諾貝爾獎。第3頁/共80頁1991年： IBM的首席科學(xué)家Armstrong曾預(yù)言： “我們相信納米科技將在信息時代的下一個階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如20世紀(jì)70年代初以來微米技術(shù)已經(jīng)起的作用那樣。” 克林頓：克林頓：納米技術(shù)可能是下個世紀(jì)前二十年納米技術(shù)可能是下個世紀(jì)前二十年最重要的技術(shù)。最重要的技術(shù)。 第4頁/共80頁 錢學(xué)森錢學(xué)森預(yù)言：“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一個階段科技發(fā)展的一個重點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而將使21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?1993年，

4、因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學(xué)獎的科學(xué)家海羅雷爾： 微米技術(shù)微米技術(shù)曾同樣被認(rèn)為對使用牛耕地的農(nóng)民的農(nóng)民無關(guān)緊要。的確，微米與牛毫無關(guān)系，但它無關(guān)緊要。的確，微米與牛毫無關(guān)系，但它卻改變了耕作方式，帶來了拖拉機(jī)。卻改變了耕作方式，帶來了拖拉機(jī)。第5頁/共80頁第6頁/共80頁 1993年，Rohrer博士寫信給江澤民主席。 他寫道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接未來的技術(shù)將屬于那些明智地

5、接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家國家?！?這些預(yù)言十分精辟的指出了納米體系的地位和作用。第7頁/共80頁納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景 納米科技的重要進(jìn)展表現(xiàn)在以下幾個方面：1直接操縱原子方面：直接操縱原子方面： 日本科學(xué)家成功將硅原子堆成一個“金字金字塔塔”，首次實(shí)現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷原子三維空間的立體搬遷。 1991年，IBM的科學(xué)家制造了超快的氙原子氙原子開關(guān)開關(guān)?？赡軐⒚绹鴩鴷D書館的全部藏書存儲在一個直徑為0.3 cm的硅片上。第8頁/共80頁納米刻蝕納米刻蝕： 目前微電子技術(shù)中最細(xì)刻度為幾分之一微米，即激光光列激光

6、光列。 如果把搬遷原子的位置按照電路的方式搬遷，便可以用STM進(jìn)行納米級的刻蝕。我國已能用STM刻出10 nm的細(xì)線。一是可制備高密度的存儲器一是可制備高密度的存儲器。 日本NEC公司研制出高密度記錄技術(shù)，在一張郵票大小的襯底上可以記錄下400萬頁報紙的內(nèi)容。二是可用分子束外延技術(shù)制造出三維納米量子器二是可用分子束外延技術(shù)制造出三維納米量子器件。件。第9頁/共80頁2 新材料的出現(xiàn)新材料的出現(xiàn) 傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，其應(yīng)用受到限制。 納米陶瓷納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性金屬一樣的柔韌性和可加工性(會嗎？理想)。 所謂

7、納米陶瓷納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料納米級尺度的陶瓷材料。也就是說，晶粒尺晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。第10頁/共80頁 要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決：要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決： 粉體尺寸尺寸形貌和粒徑分布粒徑分布的控制，團(tuán)聚體團(tuán)聚體的控制和分散，塊體塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。 Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有阅軌蛟诘蜏叵伦優(yōu)檠有缘模軌虬l(fā)生的，能夠發(fā)生100%的韌性形變。的韌性形變。 并發(fā)現(xiàn)納米并發(fā)現(xiàn)納米T

8、iO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在的韌性，在180經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。第11頁/共80頁 許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大抑制晶粒長大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50 nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點(diǎn)。 英國著名科學(xué)家萊恩萊恩Cahn在Nature雜志上撰文說：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑徑?！?納米陶瓷的應(yīng)用：摔不碎的陶瓷，防彈玻璃。第12頁/共80頁 設(shè)計新型復(fù)合材料設(shè)計新型復(fù)合

9、材料 碳納米管碳納米管/高分子復(fù)合材料高分子復(fù)合材料-高強(qiáng)度材料高強(qiáng)度材料第13頁/共80頁 模擬生物功能設(shè)計新型材料 鮑魚殼鮑魚殼鮑魚殼牙質(zhì)腱第14頁/共80頁 大多數(shù)材料在朝一個方向拉伸時，另一個方向就 會 變 細(xì) 變 窄 ， 如 橡 皮 筋 。 可 以 用 泊 松 比泊 松 比(Poissons ratio，側(cè)向收縮比例與實(shí)際伸長比例側(cè)向收縮比例與實(shí)際伸長比例的比值的比值)來定量描述。 2008年4月美國 Baughman 等利用古老的造紙方法烘干纖維漿來制造納米管薄層。實(shí)驗(yàn)用的“漿”是單壁碳管和多壁碳管的混合物。 Science，Vol. 320, pp. 504第15頁/共80頁 碳

10、納米管薄層碳納米管薄層(也稱巴克紙也稱巴克紙) 能夠在均勻壓縮能夠在均勻壓縮時，長度和寬度同時增加時，長度和寬度同時增加。隨著多壁碳管在薄層中的增加，薄層的泊松比會從薄層的泊松比會從0.06突然突然躍變?yōu)檐S變?yōu)?0.20，即這種材料具有負(fù)的泊松比負(fù)的泊松比。 新的研究成果具有重要的應(yīng)用價值，比如設(shè)計源自碳納米薄層的復(fù)合物碳納米薄層的復(fù)合物，制造人工肌肉、墊圈、壓力傳感器和化學(xué)傳感器等。 第16頁/共80頁碳納米管薄膜基人工肌肉致動器 第17頁/共80頁寂寞時抱抱這個枕頭第18頁/共80頁 2008年3月，美國哈佛麻省理工羅伯特羅伯特蘭蘭格和杰弗里格和杰弗里卡普教授卡普教授開發(fā)出一種具有彈性的、

11、彈性的、可生物降解的膠貼可生物降解的膠貼。 該膠貼的靈感來自壁虎的足部， 這種膠貼，也是依靠納米尺度的柱體和化學(xué)納米尺度的柱體和化學(xué)膠水膠水制成的，它是第一個能呈現(xiàn)出良好黏性它是第一個能呈現(xiàn)出良好黏性強(qiáng)度和動物安全性的膠貼。強(qiáng)度和動物安全性的膠貼。第19頁/共80頁第20頁/共80頁 這種膠貼由一種能嵌藥物的可生物降解彈性體制成。為制作這種膠貼，將液態(tài)聚合物注入遍布為制作這種膠貼，將液態(tài)聚合物注入遍布200nm-500nm寬凹孔的微型硅模，然后再用具寬凹孔的微型硅模，然后再用具有生物相容性的葡聚糖膠水對?；冇驳木酆衔镉猩锵嗳菪缘钠暇厶悄z水對?；冇驳木酆衔镞M(jìn)行旋涂進(jìn)行旋涂。 當(dāng)膠貼被使用時

12、，毛細(xì)管的力量將組織拉入柱體當(dāng)膠貼被使用時，毛細(xì)管的力量將組織拉入柱體間的空間，這些柱體具有一些微弱的電荷引力，間的空間，這些柱體具有一些微弱的電荷引力，這樣葡聚糖膠就黏附在組織蛋白上這樣葡聚糖膠就黏附在組織蛋白上 。 這種膠貼能取代能取代外科手術(shù)的縫線及縫釘縫線及縫釘，也可制制成藥物控釋貼片成藥物控釋貼片直接安放在包括心臟在內(nèi)包括心臟在內(nèi)的器官上。第21頁/共80頁第22頁/共80頁3納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用 納米電子學(xué)納米電子學(xué)是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件計并制備納米量子器件。 它包括納米有序納米有序(無序無序)陣列

13、體系、納米微粒陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。 納米電子學(xué)的最終目標(biāo)：納米電子學(xué)的最終目標(biāo)： 是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子單原子或單分子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。第23頁/共80頁美國威斯康星大學(xué)馬克斯馬克斯拉加利拉加利等人已制造出可容納單個電子的量子點(diǎn)，量子點(diǎn)，在一個針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件。件。此外，若能將幾十億個量子點(diǎn)連結(jié)起來，每個量子點(diǎn)的功能相當(dāng)于大腦中的神經(jīng)細(xì)胞大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，再結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)方法，它將

14、為研制智能型微智能型微型電腦型電腦帶來希望 。第24頁/共80頁量子點(diǎn)發(fā)光二極管：不足10nm；不同顏色；電或光激發(fā)第25頁/共80頁量子點(diǎn)太陽能電池第26頁/共80頁量子點(diǎn)醫(yī)療應(yīng)用-治療癌癥: 第27頁/共80頁 美國普林斯頓NEC研究所和賴斯頓大學(xué)的科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，納米管的強(qiáng)度比鋼高，納米管的強(qiáng)度比鋼高100倍，重倍，重量只有其量只有其1/6，納米管很細(xì)，納米管很細(xì)，5萬個納米管排列萬個納米管排列起來才只有一根頭發(fā)絲那么粗起來才只有一根頭發(fā)絲那么粗，輕而柔軟，結(jié)實(shí)的材料用作防彈背心。 它是理想的導(dǎo)體，導(dǎo)電性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過銅，是最佳最佳超微導(dǎo)線和超微開關(guān)超微導(dǎo)線和超微開關(guān)的首選新材料。納米管最終可

15、以用于納米級的電子線路納米級的電子線路。 第28頁/共80頁英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計 2006年，芯片廠商英特爾用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片年，芯片廠商英特爾用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的銅連線。內(nèi)部的銅連線。 芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個頭疼的問題芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個頭疼的問題。根據(jù)摩爾定律，芯片廠商每兩年就要縮小一次半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會增加電阻，降低縮小連線會增加電阻，降低芯片的性能。芯片的性能。 90年代把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個問題。年代把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個問題。遺憾的是，隨

16、著芯片尺寸的縮小，這個電阻問題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問題。碳納米管導(dǎo)電性碳納米管導(dǎo)電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。第29頁/共80頁2008年2月1日 亞利桑那州立大學(xué)David K. Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計算機(jī)的運(yùn)行速度。第30頁/共80頁 在航天事業(yè)中，利用碳納米管利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電衛(wèi)星供電，還可以耐受很耐受很高的溫度高的溫度而不會燒毀。 用碳納米管做繩索用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自

17、身重量所拉斷的繩索。 如果用它做成地球地球月球的電月球的電梯梯，人們在月球定居就很容易了。第31頁/共80頁 利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)巨磁電阻效應(yīng)和很大的隧道磁電阻隧道磁電阻現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。 2007年，明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米納米平板印刷術(shù)平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)磁盤納米結(jié)構(gòu)磁盤，長度為40 nm的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。 由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。 利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達(dá)利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達(dá)400Gbin-2。 第32頁/共80頁 4 納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)

18、用納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用 納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，使光電器件的性能大大提高。 美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。 激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器工作時只需約納米激光器工作時只需約100微安的電流微安的電流。第33頁/共80頁單晶納米線的受激發(fā)射行為 第34頁/共80頁 最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上

19、，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個，接近了無能量運(yùn)行無能量運(yùn)行所要求的條件。 麻省理工學(xué)院麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。第35頁/共80頁碳納米管場發(fā)射顯示器第36頁/共80頁 2003年5月1日，IBM宣布成功開發(fā)出了由單分子碳納米管構(gòu)成的最小發(fā)光元件。Science IBM開發(fā)的發(fā)光元件為直徑開發(fā)的發(fā)光元件為直徑1.4nm的納米管狀單分子，的納米管狀單分子，可發(fā)出波長可發(fā)出波長1.5m的光的光。這一波長的光廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域。 直徑不同的納米管會產(chǎn)生波長不同的光。直徑不同的納米管會產(chǎn)生波長不同的光。 將該發(fā)光元

20、件嵌入3引腳晶體管內(nèi)部，并在晶體管柵極部分施加低電壓后，在納米管的兩端(源極和漏極之間)產(chǎn)生了電流。第37頁/共80頁 光子糾纏態(tài)理論 潘建偉潘建偉：在量子物理學(xué)及量子信息學(xué)的交叉實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域做出了一系列研究成果，并成為首個被歐、美兩大物理學(xué)會同年評入2003年度國際物國際物理學(xué)十大進(jìn)展的中國科學(xué)家理學(xué)十大進(jìn)展的中國科學(xué)家。 2008,自然雜志發(fā)表評論時說，“盡管五粒盡管五粒子糾纏以及終端開放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)子糾纏以及終端開放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)非常困難，但是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教非常困難，但是中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實(shí)驗(yàn)授和他的同事們完成了這一壯

21、舉，他們的實(shí)驗(yàn)方法將在量子計算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重方法將在量子計算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重要的應(yīng)用要的應(yīng)用”。第38頁/共80頁5納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用 納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點(diǎn)。納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點(diǎn)。 首先首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會重新結(jié)合面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，化學(xué)反應(yīng)活性高。 其次其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移

22、、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度表面態(tài)密度的影響。第39頁/共80頁 將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。一般認(rèn)為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.51%，即可充分屏蔽紫外線。 如用添加0.10.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品，既可以防止紫外線對食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。 TiO2納米粒子具有光催化作用，用于污水處理、空納米粒子具有光催化作用，用于污水處理、空氣凈化等。氣凈化等。 TiO2薄膜具有超親水和自清潔功能，可以用作防霧涂層和自清潔陶瓷。第40頁/共80頁 分子篩分子篩(納米納米)反應(yīng)器反應(yīng)器 分子篩具有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面

23、、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器納米反應(yīng)器。 該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。 在納米反應(yīng)器納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上分子水平上有一定的取向和有序排列，同時限制了反應(yīng)物分子和反應(yīng)中間體的運(yùn)動，這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應(yīng)的方向和速度影響和決定反應(yīng)的方向和速度。第41頁/共80頁 1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅MCM-41材料為基，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)有機(jī)/無機(jī)離子的自組裝反應(yīng)。 其特點(diǎn)是孔道大小均勻，孔徑可以在孔道大小均勻，孔徑可以在510nm內(nèi)連續(xù)可內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性，使其在調(diào)，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性，使其在

24、分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應(yīng)用前分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應(yīng)用前景。景。 同時，這類材料在較大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)其納米孔道結(jié)在較大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)其納米孔道結(jié)構(gòu)構(gòu)，可以作為納米粒子的微型反應(yīng)容器。 第42頁/共80頁第43頁/共80頁 碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100 nm以下。 電子在碳納米管的運(yùn)動在徑向上受到限制電子在碳納米管的運(yùn)動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制在軸向上則不受任何限制。 -納米反應(yīng)器第44頁/共80頁 清華大學(xué)的范守善教授范守善教授 利用SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長出

25、 Si3N4納米線納米線，其徑向尺寸為440 nm。 還制備出了GaN納米線。 1998年與美國斯坦福大學(xué)合作，在國際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，大大推進(jìn)碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨(dú)特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。第45頁/共80頁 2007年7月美國Grimes在(Nano Letters)上發(fā)文稱，由自動排列、垂直定向的鈦鐵氧化物納米管陣列鈦鐵氧化物納米管陣列組成的薄膜，可在太陽光的照射下將水分解為氫氣和氧氣。photograph showing the color variation in the samples as a func

26、tion of iron content.第46頁/共80頁 2009年2月，Grimes在Nature報道了“水變油水變油”實(shí)驗(yàn)：向鋼管內(nèi)通入二氧化碳和水蒸氣，用納米管薄膜覆蓋住儀器的后部，然后在容器頂部安裝石英窗戶使陽光進(jìn)入。 “當(dāng)陽光照射在納米管上時，納米管釋放出高能量的載荷子，使得水分子分解為氫氧自由基和氫離子氫氧自由基和氫離子。二氧化碳分解后的產(chǎn)物氧氣、一氧化碳和氫氣后，就反應(yīng)生成了甲甲烷和水烷和水。” 在整個反應(yīng)后期，銅和鉑催化作用明顯銅和鉑催化作用明顯，但由于鉑的價格昂貴，如何減少鉑含量而使得催化效果不變，仍值得研究。第47頁/共80頁第48頁/共80頁 6 納米技術(shù)在生物學(xué)上的

27、應(yīng)用納米技術(shù)在生物學(xué)上的應(yīng)用 每一個生物大分子生物大分子本身就是一個微型處理器微型處理器，分子在運(yùn)動過程中以可預(yù)測方式預(yù)測方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機(jī)的邏輯開關(guān)計算機(jī)的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計量子計算機(jī)量子計算機(jī)。 美國南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用DNA分子計分子計算技術(shù)算技術(shù)有效地解決了目前計算機(jī)無法解決的問題“哈密頓路徑問題” 。第49頁/共80頁 DNA不僅是生命遺傳信息的承載者，未來還可能充當(dāng)納米級“電線電線”，用于制造超微電子設(shè)備。 2007年6月日本大阪大學(xué)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究所發(fā)現(xiàn)電電流可以通過流可以通過DNA流動流動。 研究發(fā)現(xiàn)：電流通過橫跨電流

28、通過橫跨DNA雙鏈之間的堿基雙鏈之間的堿基流動，而不是像人們想象的那樣沿雙螺旋鏈流流動，而不是像人們想象的那樣沿雙螺旋鏈流動。動。美國科學(xué)院學(xué)報-2007Nature Nanotechnology-2008第50頁/共80頁 驗(yàn)證過程： 用人工方法合成含10個至100個堿基的一些DNA片斷，將它們分別固定在玻璃基板上。在DNA的一端添加光增感劑光增感劑，而另一端添加熒光熒光色素色素。用紫外線從玻璃基板的相反一側(cè)照射DNA，可以觀察到光增感劑產(chǎn)生正電荷光增感劑產(chǎn)生正電荷，正電荷通過堿基移動到附著有熒光色素的一端，正正電荷和熒光色素反應(yīng)電荷和熒光色素反應(yīng)后，熒光消失后，熒光消失。此外，如果4種堿基

29、排列的順序被改變，電流的速度也有所變化。第51頁/共80頁7納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用 生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在1520 nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒病毒，也是納米粒子。10 nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。 將超微粒子注入到血液中，可以作為監(jiān)測和診斷疾病將超微粒子注入到血液中，可以作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。的手段。 磁性導(dǎo)航藥物、分子識別藥物，熒光標(biāo)識等。磁性導(dǎo)航藥物、分子識別藥物，熒光標(biāo)識等。 例如利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離。用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用。 但也有缺點(diǎn)。(納米粒子的毒性)

30、第52頁/共80頁 生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子生物分子芯片芯片)和基因芯片和基因芯片(即即DNA芯片芯片)等等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的已成為納米生物工程的前沿科技前沿科技。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。 利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。 小型攝像機(jī)小型攝像機(jī) ：用于檢測消化系統(tǒng)疾病。：用于檢測消化系統(tǒng)疾病。第5

31、3頁/共80頁Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells.Nature 451, 770-771 (14 February 2008) |第54頁/共80頁 2007年11月英國劍橋大學(xué)的A. Porter研究證明，碳碳納米管納米管能夠進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)、特定的細(xì)胞器和細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)、特定的細(xì)胞器和細(xì)胞核。 利用兩種類型的顯微設(shè)備透射電子顯微鏡透射電子顯微鏡(TEM)和共聚焦顯微鏡和共聚焦顯微鏡，對單壁碳納米管入侵人類巨噬細(xì)胞的過程進(jìn)行了直接成像觀測。

32、之所以選擇巨噬細(xì)胞巨噬細(xì)胞(一種人體免疫細(xì)胞)，是由于它們是人體許多組織(尤其是肺部)抵御外來物質(zhì)入侵的第一道防線。人們吸入的納米顆粒會被巨噬細(xì)人們吸入的納米顆粒會被巨噬細(xì)胞截留下來，防止對血液和淋巴等身體系統(tǒng)的進(jìn)一胞截留下來，防止對血液和淋巴等身體系統(tǒng)的進(jìn)一步入侵步入侵。 第55頁/共80頁 研究發(fā)現(xiàn)：將巨噬細(xì)胞浸入不同濃度的碳納米管溶液中，從零到每毫升10微克。兩天后，單壁碳納米管進(jìn)入了細(xì)胞的溶酶體細(xì)胞的溶酶體，4天后，碳納米管會熔合到一起，其中一些進(jìn)入了細(xì)胞質(zhì)甚至細(xì)胞核細(xì)胞質(zhì)甚至細(xì)胞核。 研究人員還檢測了巨噬細(xì)胞在有碳納米管條件下的生生存活力存活力，并與正常細(xì)胞進(jìn)行了對比。 結(jié)果表明，即

33、使是浸入最高碳納米管濃度溶液中的巨即使是浸入最高碳納米管濃度溶液中的巨噬細(xì)胞，在兩天后依然比較健康，與未處理的正常巨噬細(xì)胞，在兩天后依然比較健康，與未處理的正常巨噬細(xì)胞相差無幾噬細(xì)胞相差無幾。不過在4天后，即使是浸入濃度較低溶液中的巨噬細(xì)胞，生存能力和活性也會顯著降低生存能力和活性也會顯著降低。 第56頁/共80頁A 2天后，溶酶體c-f 4天后，細(xì)胞質(zhì)膜、溶酶體、核膜、細(xì)胞核第57頁/共80頁 目前的癌癥活組織檢查有時不準(zhǔn)確目前的癌癥活組織檢查有時不準(zhǔn)確，例如檢查所取的組織樣本中恰好癌細(xì)胞太少，于是檢查得出陰性的結(jié)果，但實(shí)際上患者體內(nèi)有癌細(xì)胞存在。 2007年7月新墨西哥大學(xué)和一家名叫“高級

34、科學(xué)”的公司的研究人員利用磁性吸引力磁性吸引力研究出一種解決方法。 他們用生物相容物質(zhì)(在生物體內(nèi)引起正確反應(yīng)、與天然生物物質(zhì)類似的物質(zhì))包裹帶磁性的氧化鐵納米粒子氧化鐵納米粒子，然后在外層涂上特定的抗體，這些抗體能且僅能與癌癌細(xì)胞產(chǎn)生的特殊物質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生的特殊物質(zhì)相結(jié)合。 第58頁/共80頁 經(jīng)過這樣處理的納米粒子注射到人體中后，數(shù)以千計數(shù)以千計的粒子因抗體作用而附著在癌細(xì)胞上的粒子因抗體作用而附著在癌細(xì)胞上，使癌細(xì)胞變成微小“磁鐵”。此時用帶有磁性的探針進(jìn)行檢查，癌細(xì)胞就會在磁性吸引力作用下游向探針。 利用這種方法，在兩到三分鐘之內(nèi)就會有相當(dāng)數(shù)量的利用這種方法，在兩到三分鐘之內(nèi)就會有相當(dāng)數(shù)量

35、的癌細(xì)胞被吸引到探針上癌細(xì)胞被吸引到探針上。 癌癥患者需要經(jīng)常檢查以確定病情，其中一些檢查非常痛苦，例如血癌患者的骨髓穿刺，這項(xiàng)技術(shù)可以減這項(xiàng)技術(shù)可以減少檢查次數(shù)少檢查次數(shù)。它還可用于檢查癌細(xì)胞是否有擴(kuò)散跡象它還可用于檢查癌細(xì)胞是否有擴(kuò)散跡象，癌細(xì)胞擴(kuò)散數(shù)量有時極為微小，普通方法難以檢查出來。 第59頁/共80頁 2007年8月美國馬薩諸塞大學(xué)的文斯羅泰洛等報道了一組涂層各不相同的黃金微粒能通過模擬人類鼻子辨一組涂層各不相同的黃金微粒能通過模擬人類鼻子辨別氣味的方式鑒別蛋白質(zhì)別氣味的方式鑒別蛋白質(zhì)，正在利用它們檢測體液中呈現(xiàn)的疾病跡象。 這套新的“納米鼻”系統(tǒng)有6個感受器，每個感受器由包含黃金

36、微粒的溶液組成，這些黃金微粒直徑約2 nm，有不同的涂層。這些涂層由含有氮原子的有細(xì)微差別這些涂層由含有氮原子的有細(xì)微差別的有機(jī)分子構(gòu)成的有機(jī)分子構(gòu)成。不同的蛋白質(zhì)將黏附在上述多種感不同的蛋白質(zhì)將黏附在上述多種感受器上，但是同一感受器黏住不同蛋白質(zhì)的難易程度受器上，但是同一感受器黏住不同蛋白質(zhì)的難易程度不同不同。 通過熒光分子測量被黏住蛋白質(zhì)的多少，這些熒光分子原本黏附在感受器的微粒上，但蛋白質(zhì)被感受器黏住時將它置換了出來。 第60頁/共80頁 2007年12月美國 Gimzewski等從疑似腫瘤患者身上提取樣本，將它們放在納米級的顯微鏡下檢驗(yàn)。用探針向樣本中的每一個細(xì)胞施以微弱電壓，探針的另

37、一頭與一個機(jī)械臂相連。通過對比癌變細(xì)胞與正常細(xì)胞的彈性差別診斷癌癥。 研究發(fā)現(xiàn)，癌變細(xì)胞表面彈性比正常細(xì)胞柔軟研究發(fā)現(xiàn)，癌變細(xì)胞表面彈性比正常細(xì)胞柔軟70。這一發(fā)現(xiàn)可用來幫助醫(yī)生提高癌癥診斷準(zhǔn)確率。這一發(fā)現(xiàn)可用來幫助醫(yī)生提高癌癥診斷準(zhǔn)確率。第61頁/共80頁 Gimzewski指出正常細(xì)胞發(fā)生癌變后，形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會隨之發(fā)生改變，癌變細(xì)胞因此變得更軟癌變細(xì)胞因此變得更軟。但這一特征無法通過對比細(xì)胞外形發(fā)現(xiàn)。 現(xiàn)階段，醫(yī)學(xué)界診斷癌癥主要有兩種方法：一種是活體切片活體切片，將切下的組織放在顯微鏡下，觀察是否有癌變跡象；另一種是利用抗體檢驗(yàn)蛋白質(zhì)利用抗體檢驗(yàn)蛋白質(zhì)，分辨癌變細(xì)胞和正常細(xì)胞。但利用這兩

38、種方法檢驗(yàn)肺癌的平均誤差率達(dá)到15。第62頁/共80頁8納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用納米技術(shù)以往的研究主要集中在： A 在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。 B 研究評估表征的方法，并探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。 C 利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料。第63頁/共80頁 1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的“納米算盤納米算盤”，算盤架是蝕刻而成的銅槽和銅脊，算珠由球狀的C60分子構(gòu)成，槽脊柱只有一個原子高，每個槽內(nèi)可容納任意個巴基球，巴基球由掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡操縱在銅槽內(nèi)滑

39、動。 理論上金澤夫斯基金澤夫斯基的算盤儲存信息的容量是常規(guī)電子計算機(jī)存儲器的10億倍。第64頁/共80頁 1999年，(王中林)美國、中國、法國和巴西科學(xué)家用精密的電子顯微鏡電子顯微鏡測量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時，發(fā)現(xiàn)可以測出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量億億億分之二百克億分之二百克的單個病毒的“納米秤”。該成果在Science發(fā)表，這種世界上最小的秤，為科學(xué)家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻(xiàn)。(10-15g)第65頁/共80頁 1999年美國波士頓大學(xué)的化學(xué)家Kelly在自然報道世界上最小的馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個原子構(gòu)成。The chemically driven ro

40、tary molecular motor by Kelly and co-workers.120 rotation第66頁/共80頁 自然雜志還報道了另一個由荷蘭和日本科學(xué)家研究的另一種由太陽能驅(qū)動的分子馬達(dá)，其在光照作用下，能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。Rotary cycle of the light-driven rotary molecular motor by Feringa and co-workers.360 第67頁/共80頁 1 9 9 9 年 ， 美 國 哈 佛 大 學(xué) 的 P h i l i p K i m 和Charles Lieber研制出納米鑷子鑷子,能抓住直徑約500納米的聚苯乙烯原子團(tuán) 納米鑷子是在一個圓錐形的直徑約納米鑷子是在一個圓錐形的直徑約100納米的微型滴納米的微型滴管的內(nèi)外壁沉積金電極制成的管的內(nèi)外壁沉積金電極制成的，鑷子的每個臂則是用一束像蔥一樣的同心層碳納米管制作，而這些同心層中的一層用導(dǎo)電的膠粘在每根電極上。 Nanotube NanotweezersCharles M. Lieber， 納米鑷子納米鑷子第68頁/共80頁 納米鑷子用電操