納米技術(shù)與納米材料課件

納米技術(shù)楊修春同濟(jì)大學(xué)材料學(xué)院1納米：10-9米，是人頭發(fā)直徑萬(wàn)分之一。納米技術(shù)：是20世紀(jì)80年代末期剛剛誕生并正在迅速崛起的用原子和分子創(chuàng)制新物質(zhì)的技術(shù)，是研究尺寸范圍在1一100nm之間的物質(zhì)的組成，結(jié)構(gòu)和性能的技術(shù)。納米技術(shù)包括：納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)和醫(yī)學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米加工學(xué)和納米力學(xué)等。2Dimensionalscale3第一次工業(yè)革命：18世紀(jì)中葉，以蒸汽機(jī)為代表，毫米技術(shù)的應(yīng)用；它使人們從手工為主的時(shí)代跨進(jìn)了以機(jī)械代替人力的工業(yè)時(shí)代，結(jié)束了人類進(jìn)化以來(lái)最漫長(zhǎng)的以體力勞動(dòng)為標(biāo)志的時(shí)代。DB1達(dá)波1型28號(hào)。美國(guó)1907年生產(chǎn)4第二次工業(yè)革命：20世紀(jì)以微電子學(xué)技術(shù)為代表，微米技術(shù)的應(yīng)用。微米技術(shù)使人類進(jìn)入了計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)的新時(shí)代，不僅縮短了人類的空間距離，而且極大地促進(jìn)了人類生產(chǎn)力的發(fā)展。特征：

atop-downfabricationparadigm。lithographytodefinepatternsonsurfaces,etchingtoremovematerial,depositiontoaddmaterialandthusallowcomplexstructurestobemade.5第三次工業(yè)革命：納米尺度介于宏觀和微觀之間，人們對(duì)這一過(guò)渡區(qū)域的認(rèn)知還處于起步階段，有大量的新現(xiàn)象、新規(guī)律有待發(fā)現(xiàn)，充滿了原始創(chuàng)新的機(jī)會(huì)，是新技術(shù)發(fā)展的源頭。納米科技不歸屬于任何一門(mén)傳統(tǒng)的學(xué)科領(lǐng)域，必須建立新的理論體系。納米技術(shù)有可能推動(dòng)產(chǎn)品高性能化、微型化、環(huán)境友好、節(jié)約能源、資源等方面起到關(guān)鍵的作用。6信息產(chǎn)業(yè)：納米器件將代替微電子器件，芯片的設(shè)計(jì)和集成方法將改變；所有的生產(chǎn)線均要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，檢測(cè)方法、手段、標(biāo)準(zhǔn)都要變化。生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)：生物計(jì)算機(jī)，新藥。傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)：染料、涂料、建材、紡織等行業(yè)采用納米技術(shù)，使性能有很大提高，大大提高產(chǎn)品的市場(chǎng)份額。7美國(guó)IBM公司首席科學(xué)家Amstrong在1991年曾說(shuō)：“我相信納米科技將在信息時(shí)代的下一個(gè)階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如微米科技從20世紀(jì)70年代初以來(lái)所起的作用那樣?！敝茖W(xué)家錢學(xué)森也預(yù)言：“納米科技是21世紀(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，而且還會(huì)是又一次產(chǎn)業(yè)革命。”特征：Bottom-upself-assembly.Structuresarebuiltupfromatomic-ormolecular-scaleunitsintolargerandincreasinglycomplexstructures-biologicalsystems.8納米技術(shù)的發(fā)展過(guò)程1000多年前，中國(guó)古代利用燃燒蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料以及用于著色的染料，這就是最早的納米材料；中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層，經(jīng)檢驗(yàn)證實(shí)為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的一層薄膜。1861年，隨著膠體化學(xué)(colloidchemistry)的建立，科學(xué)家們開(kāi)始研究1nm-100nm的粒子系統(tǒng)。91959年，美國(guó)著名物理學(xué)家、1965年諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者RichardFeynman在當(dāng)年的美國(guó)物理學(xué)會(huì)年會(huì)的發(fā)言中曾對(duì)未來(lái)的物理學(xué)作了一個(gè)精彩的預(yù)言：“如果我們按自己的愿望一個(gè)一個(gè)地排列原子，將會(huì)出現(xiàn)什么呢？這些物質(zhì)將有什么性質(zhì)？這是十分有趣的問(wèn)題。雖然我現(xiàn)在不能精確地回答它，但我決不懷疑當(dāng)我們能在如此小的尺寸上進(jìn)行操縱時(shí)，將得到具有大量獨(dú)特性質(zhì)的物質(zhì)?！?01962年，日本物理學(xué)家久保亮武(R.Kubo)在研究金屬粒子理論中發(fā)現(xiàn)，由于超微粒子中原子數(shù)目的減少，使得能帶中能級(jí)間距加大，變?yōu)椴贿B續(xù)能級(jí)，這就是著名的久保效應(yīng)。1963年，上田良二及其合作者發(fā)展了所謂的氣體蒸發(fā)-凝聚法(gasevaporation-condensationmethod)制備超微顆粒，第一次提出超微顆粒概念。111974年，日本科學(xué)家Taniguchi最早使用納米技術(shù)一詞描述精細(xì)機(jī)械加工。70年代末，麻省理工學(xué)院K.EricDrexler提倡納米技術(shù)的研究。70年代末80年代初，對(duì)納米微粒結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。久保理論解釋超微粒子某些特性方面獲得成功。1981年，隨著掃描隧道顯微鏡(STM)的發(fā)明，大大推進(jìn)了納米技術(shù)的發(fā)展。121984年原聯(lián)邦德國(guó)薩爾大學(xué)格萊教授最早用納米微粒制備三維塊狀試樣。用惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備了具有清潔界面納米晶體鈀、銅、鐵等。1987午，美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室Siegel用相同方法制備出鈉米氧化鈦多晶體。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩召開(kāi)，標(biāo)志納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域正式形成。13納米研究計(jì)劃：1991年4月將納米技術(shù)列入“國(guó)家關(guān)鍵技術(shù)”。2000年2月提出“國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃”，2001年1月21日美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布了“納米技術(shù)倡議”，涉及國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)、國(guó)防部、商務(wù)部、能源部等12個(gè)部門(mén)。美國(guó)納米科技的研究進(jìn)展14納米科技研究開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)從2001財(cái)年的４.22億美元增至2004財(cái)年的８.49億美元。

美國(guó)總統(tǒng)布什在白宮簽署了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)法案》，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府從2005財(cái)政年度開(kāi)始的4年中共投入約37億美元，用于促進(jìn)納米技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)。

15主要研究?jī)?nèi)容“設(shè)計(jì)”組裝更強(qiáng)、更輕、更硬并具有自修復(fù)和安全性的納米材料：10倍于當(dāng)前工業(yè)、運(yùn)輸和建筑用鋼材強(qiáng)度的碳和陶瓷結(jié)構(gòu)材料；強(qiáng)度３倍于目前遇100攝氏度高溫就融化的汽車工業(yè)用材料的聚合物材料、多功能智能材料。16納米電子學(xué)、納米光電子學(xué)和納米磁學(xué)：提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度并使芯片的存儲(chǔ)效率提高百萬(wàn)倍；使電子的存儲(chǔ)量增加到數(shù)千太比特，將單位表面積的存儲(chǔ)量提高１千倍；增加數(shù)百倍的帶寬改變通信方式。17衛(wèi)生保健方面，通過(guò)診斷和治療器件減少衛(wèi)生保健的昂貴費(fèi)用并增強(qiáng)其有效性；利用基因的快速排序和細(xì)胞內(nèi)傳感器進(jìn)行診斷和治療；探測(cè)早期癌細(xì)胞并傳遞藥物；研究能使人工器官的排斥率降低50％、探測(cè)早期疾病的生物傳感器；研制最大限度減少人體組織損害的小型醫(yī)療器件。18在納米尺度加工和環(huán)境保護(hù)方面，清除水中小于300納米和空氣中小于50納米的污染微粒，以促進(jìn)環(huán)境和水的清潔；提高能源轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)效率，使太陽(yáng)能電池的能效提高１倍；研制探索太陽(yáng)系外層空間的低功率(Lowpower)微型空間飛行器；19研究納米生物器件，以減輕人類因治療產(chǎn)生的痛苦：快速有效的生物化學(xué)探測(cè)器；保護(hù)健康、修復(fù)受損組織的納米電子／機(jī)械／化學(xué)器件；在經(jīng)濟(jì)與安全運(yùn)輸方面，引入新型材料、電子學(xué)、能源和環(huán)境等方面的概念；在國(guó)家安全方面，密切注視納米電子學(xué)、多功能材料和納米生物器件的重大挑戰(zhàn)。20日本納米科技發(fā)展概況納米研究計(jì)劃：早在1981年的“先進(jìn)技術(shù)探索研究(ERATO)”涉及了許多有關(guān)納米粒子、納米結(jié)構(gòu)、納米生物學(xué)和納米電子學(xué)等方面的探索性研究。項(xiàng)目研究期限定為５年，均由政府出資，５年間政府對(duì)項(xiàng)目的平均資助金額為1600萬(wàn)美元。每個(gè)項(xiàng)目通常由15－25名科學(xué)家和技術(shù)人員組成，分為３個(gè)研究小組。211991年至2001年，日本通產(chǎn)省制定了納米科技研究計(jì)劃，包括：1）原子技術(shù)計(jì)劃（1.85億美元）2）量子功能器件（4000萬(wàn)美元）3）分子操縱（2.5億美元）,其中1.67億美元用于微機(jī)器人開(kāi)發(fā)。22日本通產(chǎn)省2001年制定了“納米材料計(jì)劃”(NMP)，每年經(jīng)費(fèi)3500萬(wàn)美元，為期７年（2001-2007年），由政府部門(mén)、政府研究機(jī)構(gòu)、大學(xué)和產(chǎn)業(yè)界聯(lián)合研究，旨在為產(chǎn)業(yè)界建立集研究開(kāi)發(fā)新的納米功能材料和教育功能于一體的納米技術(shù)材料研究開(kāi)發(fā)平臺(tái)。23日本內(nèi)閣府綜合科學(xué)技術(shù)會(huì)議于2003年7月14日召開(kāi)了“納米技術(shù)及材料研究開(kāi)發(fā)推動(dòng)項(xiàng)目”第６次會(huì)議，確定了研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域：“納米藥物傳輸系統(tǒng)”、“納米醫(yī)療設(shè)備”以及“創(chuàng)新性納米結(jié)構(gòu)材料”。

24日本政府在第二個(gè)“科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃”(2001-2006年）中，將納米技術(shù)和材料與生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境保護(hù)等作為國(guó)家的科技重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略的重中之重領(lǐng)域。該計(jì)劃在2001年投入納米科技的研究經(jīng)費(fèi)達(dá)１４２億日元，比2000年度增加了８８億日元。該計(jì)劃確定的納米技術(shù)與材料重點(diǎn)研究領(lǐng)域：25納米物質(zhì)與材料及其在電子、電磁、光學(xué)上的應(yīng)用；納米物質(zhì)與材料及其在結(jié)構(gòu)材料中的應(yīng)用；納米信息元件；納米科技在醫(yī)療、生命科學(xué)、能源科學(xué)及環(huán)境科學(xué)方面的應(yīng)用；有關(guān)表面和界面控制的物質(zhì)及材料；26納米計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)；納米加工、合成和工程技術(shù)；納米技術(shù)的計(jì)算、理論和模擬技術(shù)；形成安全空間的材料技術(shù)等。27歐洲共同體歐洲共同體在第６個(gè)框架計(jì)劃(2002-2006年）中，將納米技術(shù)和納米科學(xué)作為７個(gè)重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略領(lǐng)域之一，經(jīng)費(fèi)為12億美元。將長(zhǎng)期的跨學(xué)科研究轉(zhuǎn)向了解新現(xiàn)象、掌握新工藝和開(kāi)發(fā)研究工具；重點(diǎn)研究分子和介觀尺度現(xiàn)象、自組織材料和結(jié)構(gòu)、分子和生物分子力學(xué)與馬達(dá)；28集成開(kāi)發(fā)無(wú)機(jī)、有機(jī)、生物材料和工藝的跨學(xué)科研究的新方法。納米生物技術(shù)：其目標(biāo)是支持一體化的生物和非生物體的研究，有廣泛應(yīng)用的納米生物技術(shù)，如能用于加工、醫(yī)學(xué)和環(huán)境分析系統(tǒng)的納米生物技術(shù)。29重點(diǎn)研究領(lǐng)域涉及芯片實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-chip)，生物實(shí)體的界面，納米粒子表面修復(fù)，先進(jìn)的藥物傳遞方式和納米電子學(xué)；生物分子或復(fù)合物的處理、操縱和探測(cè)，生物實(shí)體的電子探測(cè)，微流體，促進(jìn)和控制在酶作用基礎(chǔ)上的細(xì)胞生長(zhǎng)。30人工材料和部件的納米工程技術(shù)：通過(guò)控制納米結(jié)構(gòu),開(kāi)發(fā)超高性能的新的功能和結(jié)構(gòu)材料,包括開(kāi)發(fā)材料的生產(chǎn)技術(shù)和加工技術(shù).重點(diǎn)研究納米結(jié)構(gòu)合金和復(fù)合材料,先進(jìn)的功能聚合物材料,納米結(jié)構(gòu)的功能材料。31開(kāi)發(fā)操作和控制器件及儀器：開(kāi)發(fā)分辨率為10納米的新一代的納米測(cè)量和分析儀器。重點(diǎn)研究領(lǐng)域涉及各種先進(jìn)的納米測(cè)量技術(shù)；突破探索物質(zhì)自組織特性的技術(shù)、方法或手段和開(kāi)發(fā)納米機(jī)械。納米技術(shù)在衛(wèi)生、化學(xué)、能源、光學(xué)和環(huán)境中的應(yīng)用。重點(diǎn)研究計(jì)算模擬，先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)；開(kāi)發(fā)能改性的創(chuàng)新材料。32德國(guó)聯(lián)邦教育與研究部和德國(guó)聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)部資助６個(gè)納米技術(shù)能力中心，每年投資6500萬(wàn)德國(guó)馬克，資助的領(lǐng)域主要有：超薄功能薄膜；納米結(jié)構(gòu)在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用；新型納米結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā)；超精細(xì)表面測(cè)量；納米結(jié)構(gòu)的分析方法。33英國(guó)政府的納米技術(shù)應(yīng)用分委員會(huì)咨詢專家組調(diào)查了上百個(gè)科學(xué)家和發(fā)明者后，在２００２年６月題為“英國(guó)納米技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略”的報(bào)告中勾畫(huà)了英國(guó)納米技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略，選定了認(rèn)為英國(guó)具有研究?jī)?yōu)勢(shì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展機(jī)會(huì)的６個(gè)納米技術(shù)領(lǐng)域：電子與通信；藥品傳遞系統(tǒng)；生物組織工程、藥物植入和器件；納米材料，尤其是生物醫(yī)學(xué)和功能界面納米材料；納米儀器、工具和度量；傳感器和致動(dòng)器(actuators)。34法國(guó)政府目前主要資助３個(gè)納米科技項(xiàng)目：“法國(guó)微納米技術(shù)網(wǎng)絡(luò)”(1000萬(wàn)歐元)；“納米結(jié)構(gòu)材料”(230萬(wàn)歐元)；“獨(dú)立納米對(duì)象”(1200萬(wàn)歐元)。澳大利亞在2003財(cái)年將納米材料與生物材料作為重點(diǎn)戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，主要研究通過(guò)原子和分子的納米自組織形成塊材。35為了避免重蹈我國(guó)在半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域起步早，轉(zhuǎn)化難，最終落后的覆轍，一些國(guó)家級(jí)的納米研究專家在2000年6月聯(lián)名向黨中央、國(guó)務(wù)院提出關(guān)于加快制定國(guó)家納米技術(shù)科技發(fā)展計(jì)劃，盡快搶占這一世界前沿科技領(lǐng)域的建議。建議引起了中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，并被采納，由此拉開(kāi)了我國(guó)納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的序幕。36科技部、國(guó)家發(fā)展計(jì)劃委員會(huì)、教育部、中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)聯(lián)合制定了“國(guó)家納米科技發(fā)展綱要（2001-2010年）”。該公約明確指出納米科技將對(duì)未來(lái)科技、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大影響，已成為國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

37主要任務(wù)加強(qiáng)納米科技前沿的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)性工作，如研究新型納米器件，發(fā)明新的量子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)新的量子效應(yīng)。研究物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出的物理、化學(xué)和生物特性，研究單分子的特性和相互作用，為以原子、分子為起點(diǎn)，設(shè)計(jì)和構(gòu)筑新的納米結(jié)構(gòu)、材料和器件提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。加強(qiáng)對(duì)納米結(jié)構(gòu)新的測(cè)試方法和表征方法的研究和探索。建立納米科技數(shù)據(jù)庫(kù)，制定納米技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。38突破一批納米科技發(fā)展共性關(guān)鍵技術(shù)。1）納米材料制備與加工技術(shù)：突破納米材料低成本、環(huán)境友好、高穩(wěn)定性的規(guī)?；苽渑c加工技術(shù)。研究輕質(zhì)、高強(qiáng)材料，生物醫(yī)用材料及納米藥物，多功能智能化材料;2）納米器件的構(gòu)筑和集成技術(shù)：實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可重復(fù)的原子操縱技術(shù)和自生長(zhǎng)自組裝技術(shù)；研究高集成度多功能智能化的納米器件，使之具有高的運(yùn)行速度、存貯密度和低的功耗。393）納米加工技術(shù)：將“自上而下”和“自下而上”兩種納米加工技術(shù)結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)納米尺度的光機(jī)電系統(tǒng)的加工和組裝；4）納米尺度的結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試技術(shù)：?jiǎn)畏肿雍图{米結(jié)構(gòu)的表征和性能分析技術(shù)和手段，利用納米生物傳感器探測(cè)細(xì)胞內(nèi)部生物化學(xué)反應(yīng)等；5）裝備技術(shù)：納米制造、加工和測(cè)試裝備的自主開(kāi)發(fā)。406）國(guó)家安全：發(fā)展納米高能燃料和節(jié)能技術(shù)；研發(fā)特種納米涂料技術(shù)；發(fā)展納米技術(shù)傳感器、控制與制動(dòng)系統(tǒng)；開(kāi)發(fā)微/納飛行器、衛(wèi)星和制備平臺(tái)。開(kāi)拓納米材料和器件的應(yīng)用，促進(jìn)納米科技成果轉(zhuǎn)化；建設(shè)國(guó)家納米科技基礎(chǔ)設(shè)施和研究開(kāi)發(fā)基地；形成高素質(zhì)的納米科技骨干隊(duì)伍。41納米材料物理學(xué)納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。物質(zhì)材料的結(jié)構(gòu)組成相或晶粒尺寸小于100nm者并具有特殊性能的材料。納米材料物理：研究納米尺度范圍內(nèi)出現(xiàn)的物理現(xiàn)象和物理效應(yīng)，主要包括量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面效應(yīng)等。42按維度劃分：零維：指空間三維尺度均在納米尺度范圍，如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等。一維：指在空間有兩維處于納米尺度范圍，如納米絲、棒、管等。二維：指在三維空間中有一維在納米尺度范圍，如納米薄膜、納米多層膜、超晶格等。三維：指塊體材料中含有納米顆?；蚣{米晶體。43從經(jīng)典物理到量子物理機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速時(shí)，符合牛頓力學(xué)規(guī)律。電磁學(xué)包括光波動(dòng)現(xiàn)象符合麥克斯韋方程組。熱現(xiàn)象能用熱力學(xué)第一、二、三定律和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理來(lái)解釋。不能解釋：黑體輻射問(wèn)題、光電效應(yīng)和原子的線光譜及原子結(jié)構(gòu)。441900年，普朗克發(fā)現(xiàn)：黑體是一個(gè)帶電的諧振子，對(duì)于一定頻率的電磁輻射，是不連續(xù)的，無(wú)論是發(fā)射還是吸收，均以不可分割的能量子ｈ為單元進(jìn)行的，即絕對(duì)黑體所發(fā)射或吸收的能量是ｈ的整數(shù)倍。其中ｈ=6.610-34Js為普朗克常數(shù)。光電效應(yīng)：金屬及其化合物在光照射下發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。1888年由赫茲（Herts）發(fā)現(xiàn)。45愛(ài)因斯坦光子理論：光在空間傳播時(shí)也具有粒子性，這些粒子被稱為光量子或光子。原子的線光譜及原子結(jié)構(gòu)：1911年盧瑟福提出原子是由帶正電的原子核和帶核外作軌道運(yùn)動(dòng)的電阻組成。按照經(jīng)典理論，電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)發(fā)射電磁波，該頻率等于電子繞核旋轉(zhuǎn)的頻率，原子系統(tǒng)的能量會(huì)因此不斷減少，電子最終被原子核吃掉。實(shí)驗(yàn)結(jié)果并非如此。46納米效應(yīng)

表面效應(yīng)：表面效應(yīng)表現(xiàn)在兩個(gè)方面：(a)隨著粒度的減小，顆粒的比表面積增大，其表面能也隨之提高；(b)顆粒表面所占原子數(shù)與其總原子數(shù)的比例隨顆粒的變小而增大。47Fe、Ni、Co等超細(xì)顆?？捎脕?lái)取代貴金屬而作為汽車排氣凈化的催化劑等。在火箭燃料推進(jìn)劑中只要添加小于1%的超細(xì)鋁粉或鎳粉，可使燃燒熱提高至2倍多。超細(xì)金屬顆粒用作推進(jìn)力大的火箭固體燃料，其燃燒效率比目前所使用的高100倍。

48小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意（DeBroglie）波長(zhǎng)、激子波爾（Bohr）半徑等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、催化等物理、化學(xué)性能的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。49特殊的熱學(xué)性能50MeltingtemperatureversussizeforCdSnanocrystals5152顆粒尺寸對(duì)晶格常數(shù)的影響=a/a=(a1-a)/a53奇特的磁學(xué)性能超順磁性：納米顆粒尺寸小于一臨界值時(shí)，進(jìn)入超順磁狀態(tài)。例如，-Fe，F(xiàn)e3O4和-Fe2O3在塊體時(shí)都呈現(xiàn)很強(qiáng)的鐵磁性，但當(dāng)-Fe、Fe3O4和-Fe2O3顆粒直徑分別小于5nm,16nm和20nm時(shí)，它們都變成了超順磁性體。矯頑力：強(qiáng)磁性納米顆粒（Fe、Co合金、鐵氧體等），隨著顆粒尺寸降低，飽和磁化強(qiáng)度下降，但矯頑力卻顯著增加。54量子尺寸效應(yīng)當(dāng)顆粒尺寸降低到臨界值時(shí)，金屬納米顆粒在費(fèi)米能級(jí)(EF)附近的電子態(tài)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象和半導(dǎo)體納米顆粒禁帶變寬的現(xiàn)象。久保理論指出相鄰電子能級(jí)間距和金屬顆粒直徑d之間的關(guān)系為：N-納米顆粒內(nèi)導(dǎo)電電子總數(shù)，V-納米顆粒體積55Idealizeddensityofstatesforonebandofasemiconductorstructure

56RoomtemperatureopticalabsorptionspectraofCdSenanocrystallitesdispersedinhexane57Wavelengthofabsorptionthresholdasafunctionofparticlesize

582023/6/75960Rayleighlight-scatteringofparticlesdeposited

onamicroscopeglassslide.61宏觀量子隧道效應(yīng)電子具有粒子性又具有波動(dòng)性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。62在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0．25微米。63WorldwidegovernmentR&Dspendingonnanotechnology64研究重點(diǎn)65納米化學(xué)納米化學(xué)主要研究納米材料的制備及其化學(xué)性質(zhì)。納米材料按維度分為零維、1維、二維和三維納米材料。66納米顆粒的制備物理制備方法：由大到小法和由小到大法。由大到小法是早期制備納米粉體的主要方法，即借助外力將較大的固體顆粒粉粹成納米顆粒，如高能球磨法。另一種方法是使固體材料在真空或惰性氣體氣氛中被氣化，然后冷凝成納米顆粒。氣化方法包括：電阻爐加熱法、高頻感應(yīng)加熱法、等離子體加熱法、電子束、離子束、激光束、和渦流加熱等。67化學(xué)氣相反應(yīng)法基本原理：氣相分解法和氣相合成法：A(g)B(s)+C(g)A(g)+B(g)C(s)+D(g)電阻爐加熱氣相反應(yīng)法激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相反應(yīng)法等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相反應(yīng)法化學(xué)氣相凝聚法濺射法68液相法和固相法沉淀法：共沉淀法和均相沉淀法水解法：無(wú)機(jī)鹽水解法和金屬醇鹽水解法噴霧法：噴霧干燥法、霧化水解法和噴霧焙燒法溶劑熱法：水熱法、有機(jī)溶劑熱法蒸發(fā)溶劑熱解法乳液法輻射化學(xué)合成法溶膠-凝膠法69納米粉體的團(tuán)聚與表面改性納米粉體的團(tuán)聚問(wèn)題納米顆粒表面修飾（納米材料制備技術(shù)）70一維納米材料的制備納米碳管的制備納米碳管的純化納米棒、絲、線、帶的制備同軸納米電纜的制備71二維納米材料的制備溶膠-凝膠法電沉積法離心沉積法等離子體化學(xué)氣相沉積法濺射法化學(xué)氣相沉積法惰性氣體蒸發(fā)法72三維納米材料的制備納米金屬和合金的制備方法納米陶瓷制備方法73納米復(fù)合材料的制備方法復(fù)合材料是由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的一種多相固體材料。在復(fù)合材料中，通常有一相為連續(xù)相，稱為基體；另一相為分散相。兩相之間存在相界面。復(fù)合材料中各個(gè)組分雖然保持其相對(duì)的獨(dú)立性，但復(fù)合材料的性質(zhì)卻不是各個(gè)組分性能的簡(jiǎn)單加和，而是在保持其相對(duì)獨(dú)立性的基礎(chǔ)上，各組分協(xié)同作用產(chǎn)生的綜合性能。因此開(kāi)創(chuàng)了材料設(shè)計(jì)新局面。74納米復(fù)合材料是指復(fù)合材料中至少有一相在納米尺度。聚合物-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料：聚合物-層狀硅酸鹽納米復(fù)合材料特點(diǎn)：插層聚合物法：即先將聚合物單體分散，插入層狀硅酸鹽片層中，然后原位聚合，利用聚合時(shí)放出的大量熱量，克服硅酸鹽片層間的庫(kù)侖力，使其剝離，從而使納米尺度的硅酸鹽片層與聚合物基體以化學(xué)鍵的方式相結(jié)合。聚合物插層法：即將聚合物熔體或溶液與層狀硅酸鹽混合化學(xué)及熱力學(xué)作用使層狀硅酸鹽剝離成納米尺度的片層并均勻地分散在聚合物基體中。分散在溶液中的聚合物大分子鏈借助溶劑而插層進(jìn)入蒙脫土的硅酸鹽片層間，然后再揮發(fā)掉溶劑，這種方法75金屬納米顆粒-玻璃復(fù)合材料(見(jiàn)文獻(xiàn)）無(wú)機(jī)-無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料76納米生物學(xué)和納米醫(yī)學(xué)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)10年的不懈努力，美國(guó)總統(tǒng)克林頓和英國(guó)首相布萊爾于2000年6月26日聯(lián)合宣布了人類基因草圖繪制完成的消息。人類基因組草圖的繪制成功將標(biāo)志著，在21世紀(jì)中，人類將要從真正認(rèn)識(shí)人類自身開(kāi)始，來(lái)不斷解開(kāi)人類生命和疾病的奧秘。77大幅度提高醫(yī)學(xué)診斷和疾病檢測(cè)的精度，研制可以直接插入活細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行探測(cè)的納米級(jí)微型探測(cè)器。醫(yī)學(xué)生物芯片對(duì)極少量血液中的蛋白質(zhì)和DNA進(jìn)行分析后，可以迅速地診斷出各種疾病。在分子的水平上認(rèn)識(shí)和理解病變的機(jī)理。78研制在血液和細(xì)胞介質(zhì)中工作的納米醫(yī)用機(jī)器人。這種極其微小的機(jī)器人能在血管中游走。它們可以用來(lái)捕捉和移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞，也可以用來(lái)清除血管壁上，甚至心臟動(dòng)脈上的脂肪沉積物。由此減少心血管疾病的發(fā)病率。它們還可以進(jìn)入人體組織的間隙里清除病毒細(xì)菌或癌細(xì)胞，甚至可以代替外科手術(shù)，修復(fù)心臟，大腦和其他器官等。79除了顯微手術(shù)之外，還可以利用納米醫(yī)用機(jī)器人在人體內(nèi)來(lái)回行走自如的能力，進(jìn)行定位給藥，把藥直接送到損傷部位，也可以在人體內(nèi)實(shí)施顯微注射，將藥物直接注射到病變的細(xì)胞內(nèi)。以達(dá)到最快最好的療效。納米醫(yī)用機(jī)器人也可以對(duì)人體進(jìn)行定期的健康檢查。80納米技術(shù)在中醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用。1998年，國(guó)內(nèi)學(xué)者首次提出了納米中藥的概念。一般認(rèn)為，納米中藥是指運(yùn)用納米技術(shù)制造粒徑小于100nm的中藥有效成分、有效部位、原藥及其復(fù)方制劑。它是中藥納米化后的產(chǎn)物，不是一種新的藥種。納米技術(shù)不但可大幅度提高藥物的活性和生物利用度，甚至可能產(chǎn)生新的藥效及降低毒副作用。81納米電子技術(shù)

迄今為止，作為電子器件只利用了電子波粒二象性的粒子性，其次，各種傳統(tǒng)電子元器件都是通過(guò)控制電子數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的。

電子學(xué)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展，將以“更小，更快，更冷”為目標(biāo)?！案　笔沁M(jìn)一步提高芯片的集成度，“更快”是實(shí)現(xiàn)更高的信息運(yùn)算和處理速度，而“更冷”則是進(jìn)一步降低芯片的功耗。82著名的莫爾定律（Moore’slaw）預(yù)言：“每隔18個(gè)月新芯片的晶體管容量要比先前的增加一倍，同時(shí)性能也會(huì)提升一倍”。2010年微電子器件的尺寸和集成電路的最小線寬都將小于100nm，而目前的光刻技術(shù)能夠加工的最小線寬為130nm，達(dá)到現(xiàn)代微電子學(xué)光刻加工技術(shù)的極限。83量子器件不單純通過(guò)控制電子數(shù)目的多少，主要是通過(guò)控制電子波動(dòng)的相位來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應(yīng)速度和更低的功耗，從根本上解決日益嚴(yán)重的功耗問(wèn)題。提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度并使芯片的存儲(chǔ)效率提高百萬(wàn)倍。84STM使得人們可以在納米尺度上對(duì)材料表面進(jìn)行各種加工處理，甚至可以操縱單個(gè)原子。這一特定的應(yīng)用將會(huì)使人類從目前微米尺度的加工技術(shù)跨入到納米尺度和原子尺度，成為未來(lái)器件加工（納米電子學(xué)）和分子切割（納米生物學(xué)）的一個(gè)重要手段。851990年，美國(guó)IBM公司Almaden研究中心Eigler研究小組使用工作在超高真空和液氦溫度（4.2K）條件下的STM成功地移動(dòng)了吸附在Ni（110）表面上的惰性氣體Xe原子,并用35個(gè)Xe原子排列成“IBM”三個(gè)字樣，這一研究立刻引起了世界上科學(xué)家們的極大興趣并開(kāi)創(chuàng)了用STM進(jìn)行單原子操縱的先例。86NanoscaleprocessesforenvironmentalimprovementDevelopafundamentalunderstandingofnanoscaleprocessesimportanttomaintainingenvironmentalquality,controllingandminimizingunwantedemissions.Findmethodstobothmeasurepollutantsandremovenanoscalepollutantsfromthewaterandair.87EfficientenergyconversionandstorageObtainmoreefficientsourcesofenergythroughimprovednanocrystalcatalysts,moreefficientandcolortunablesolarcells,andefficientphotoactivematerialsforsolarconversionofmoleculestofuels.Develophigh-efficiencylightsourcesusinglayeredquantumwellstructures.88Explorethepotentialofcarbonnanotubesforhigh-densityhydrogenstorageandtheuseoffluidswithsuspendednano-crystallineparticlestoimprovetheefficiencyofheatexchangers.Develophigh-performancemagneticmaterialsanddevicesusingnanoscale,layeredmaterials.

89NationalsecurityMilitaryplatformswillbenefitfromnewnanomaterialsthroughthedevelopmentofself-assemblymethodstoreducemanufacturingcostsandmaterialswithimprovedproperties,e.g.,higherstrength-to-weightratio.Nanodeviceswillprotectthewarfighterthroughdetectionofchemicalandbiologicalhazardsandextendthewarfighter’scapabilitybyextendinghissenses.90NBIC會(huì)聚技術(shù)是指納米、生物、信息和認(rèn)知等當(dāng)前迅猛發(fā)展的四大科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的有機(jī)結(jié)合與融合，簡(jiǎn)稱為(nano-bio-info-cogno)。其中：納米領(lǐng)域包括納米科學(xué)和納米技術(shù)；生物領(lǐng)域包括生物技術(shù)、生物醫(yī)藥及遺傳工程；信息領(lǐng)域包括信息技術(shù)及先進(jìn)計(jì)算和通訊；認(rèn)知領(lǐng)域包括認(rèn)知科學(xué)與相關(guān)的神經(jīng)科學(xué)。這四個(gè)領(lǐng)域中每一個(gè)領(lǐng)域都具有巨大潛力。而其中任何技術(shù)的兩兩融合、三種會(huì)聚或者四者集成，都將產(chǎn)生難以估量的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效能，并將顯著地提升整個(gè)人類智力和能力。91激光刻蝕法制備納米陶瓷粉激光刻蝕裝置NozzleforaggregationgasLaserbeamQuartzwindowGlassfiberfilterVacuumPump92Formingmechanismofnanoparticles93Al2O3-ZrO2mixture94NS1from28.5mol%Al2O3-ZrO2producedinAirNS2from31.0mol%Al2O3-ZrO2producedinAir95NS3from33.0mol%Al2O3-ZrO2producedinAr(1-x)ZrO2+xAl3+

Zr1-xAlxO2-x/2+3x/4O296HRTEMofAl2O3-ZrO2solidsolution97ZrK-edgeEXAFSspectroscopy9899EXAFSresultsofnanometert-ZrO2

andZrO2-Al2O3compositepowdersSampleZr-OZr-Zr（Al）R/?CN2/?2R/?CN2/?2t-ZrO220K2.2403.71.50.00663.6579.21.30.0036RT2.2424.