通識教育講座

通識教育講座第一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四一.什么是納米與納米科技?

“納米”（nanometer）nano一詞源于希臘語，意為小矮人?！凹{米”是沒有物理內(nèi)涵的度量單位，1納米即一米的十億分之一,約一根頭發(fā)絲直徑的6~8萬分之一。納米科技是指在納米尺度（1—100nm）上研究物質(zhì)（包括原子，分子的操縱）的特性和相互作用，以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)技術(shù)。

第二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四一只手掌（10厘米）以每一步縮小100倍得到的宏觀、微觀、納米尺度的圖像，直至構(gòu)成DNA結(jié)構(gòu)的原子

納米尺度單詞nano(=10-9m)取自希臘語，意思是‘矮子’，表示非常小的意思。1/1000m=10-3m=1mm(毫米)，1/1000mm=10-6m=1μm(微米)1/1000μm=10-9m=1nm(納米)十億分之一米是一納米。一納米大約是六個碳原子的寬度。一個氫原子大小是0.1納米。納米尺度可以由圖1形象的表示。

第三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1.1納米尺度是個什么概念?傳統(tǒng)意義上人們對物質(zhì)的認(rèn)識分為兩個層次，一個是宏觀，另一個是微觀。而納米尺度是處于介觀的一種形態(tài)。納米尺度的材料通常處于微觀粒子和宏觀物體交界的中間過渡區(qū)域，納米材料一方面可以被看作一種“超分子”，另一方面也可以被視為一種非常小的“宏觀物質(zhì)”。也就是說，納米材料正好處于以原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動空間為代表的宏觀世界的中間—介觀狀態(tài)。第四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

納米材料是指三維空間尺度至少有一維處于納米量級

(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小，界面占用相當(dāng)大的成分。納米材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出許多特異的性質(zhì)，使其能夠產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)材料的顯著的比表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和量子隧道效應(yīng)等，表現(xiàn)出宏觀物質(zhì)和微觀粒子所不具有的奇異的力學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)特性。納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。如下圖所示：

第五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1.2是誰最先提出納米這個概念的?最早提出納米尺度上科學(xué)技術(shù)問題的是美國著名物理學(xué)家、兩度諾貝爾物理學(xué)獎獲得者理查德.費曼（RichardPFeynman）。1959年12月費曼在加州理工學(xué)院（CIT）召開的美國物理學(xué)會（APS）年會上做了一次題為“底部到底有多大空間”的著名演講。在演講中他預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，如果有一天人類能夠?qū)ξ矬w微小規(guī)模上的排列加以某種控制，按照人類自己的意愿，逐個排列原子或分子，那將會產(chǎn)生許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)，將從此打開另一個世界的大門。他的這一番話被科學(xué)界視為納米科技萌芽的標(biāo)志。第六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1.3納米科學(xué)是如何正式出現(xiàn)的?1963年日本東京大學(xué)的科學(xué)家久保良五第一次發(fā)現(xiàn)，材料顆粒縮小到納米尺度性能就會發(fā)生改變，并提出了有名的“久保效應(yīng)”。1967年日本科學(xué)家上田良二第一次用蒸發(fā)法人工制備了納米尺度的金屬顆粒。1984年德國科學(xué)家Gleiter教授第一次采用惰性氣體冷凝法制備了尺度由5nm晶體組成的鐵納米粉。Gleiter教授并提出納米材料的概念，真正揭開了納米時代的序幕。1990年7月在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議，并將納米材料科學(xué)正式作為材料科學(xué)的一個分支。《納米技術(shù)》、《納米生物學(xué)》兩個國際性專業(yè)期刊正式誕生。由此，納米科技作為一門嶄新的學(xué)科出現(xiàn)，并受到各國重視。第七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1.4納米科技都研究什么?納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米力學(xué)等。七個相對獨立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器材、納米尺度的檢測與表征三個研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎(chǔ)。1982年發(fā)明了觀察納米結(jié)構(gòu)的重要工具——掃描隧道顯微鏡（STM），可以直接觀測原子，分子，STM在納米科技中占有重要的地位，它貫穿到七個分支領(lǐng)域中，以其為分析和加工手段所做的工作占所有研究工作的一半以上。第八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四1.5納米科技認(rèn)知上的誤區(qū)正確認(rèn)識納米技術(shù)的科學(xué)內(nèi)涵。納米是一個度量單位,而納米科學(xué)的內(nèi)涵就是在納米尺度下來認(rèn)識世界、認(rèn)識自然,進(jìn)行知識創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新乃至于產(chǎn)品創(chuàng)新。判斷一個產(chǎn)品、一種材料,是否達(dá)到了納米尺度,實現(xiàn)了量變到質(zhì)變，關(guān)鍵是看其性能的升級。如果用納米技術(shù)提高了產(chǎn)品性能,那就體現(xiàn)了納米技術(shù)的作用。如果性能沒升級、沒被市場接受,貼上再多納米的標(biāo)簽也沒有價值?，F(xiàn)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)應(yīng)用納米技術(shù),應(yīng)該在新產(chǎn)品中說清楚在什么地方采用了納米技術(shù),什么性能得到了提高。第九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四前一階段出現(xiàn)了商業(yè)上的炒作,不顧納米技術(shù)科學(xué)內(nèi)涵,隨便以納米冠名,夸大納米的作用,甚至出現(xiàn)了假納米產(chǎn)品,在社會上造成了不良的影響。如納米杯、納米洗衣機(jī)、納米被、納米鞋墊、納米衛(wèi)生巾等。這些產(chǎn)品的不科學(xué)宣傳,實際上是誤區(qū),不但給消費者帶來了損害,也傷害了納米技術(shù)的本身?？茖W(xué)家們可以根據(jù)納米材料的品種、尺度范圍來分析其功能特性。如果講不清楚為什么有神奇的功效,如果忽視了科學(xué)內(nèi)涵,商業(yè)宣傳超越了科學(xué),那就是炒作,隨便貼納米標(biāo)簽也屬于炒作的范疇。如果產(chǎn)品的材料尺度不是納米級的，那么在杯子貼上100個納米標(biāo)簽也是沒用的,也不能說是應(yīng)用了納米技術(shù)。第十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米材料當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。第十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四在2002年之前，世界上最大的飛機(jī)是波音747，它的載客量是400人。而空中客車公司上馬的380，是雙層飛機(jī)，載客量達(dá)到800人，而且還可以洗澡，飛行速度不減。為什么空中客車公司現(xiàn)在能夠上馬380？因為研制出了一種做飛機(jī)的輕型材料：鋁基復(fù)合材料。碳納米管增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料.汽車上40％鋼鐵和金屬材料要被輕質(zhì)高強(qiáng)材料所代替,節(jié)省汽油40％，減少co2，排放40％第十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四二.納米科技的全面介紹１.納米物理學(xué)２.納米化學(xué)３.納米材料學(xué)４.納米生物學(xué)５.納米電子學(xué)６.納米機(jī)械學(xué)７.納米力學(xué)８.納米材料第十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.1納米物理學(xué)納米物理學(xué)納米材料的發(fā)現(xiàn)與研究開拓了物理學(xué)研究的一個新領(lǐng)域———納米物理學(xué).納米尺寸介于宏觀尺寸與微觀尺寸之間,用于解釋納米材料或納米科技的新物理理論稱為納米物理.納米物理學(xué)研究的介觀系統(tǒng)的線度約為納米量級,是原子線度的幾十到幾千倍.納米物理學(xué)主要是研究納米尺度以上物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、物理特征、量子效應(yīng)、界面效應(yīng)等.它是一個與微觀和宏觀都不相同的領(lǐng)域.第十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四按照費曼的預(yù)言，人類用掃描隧道顯微鏡（STM），直接操縱原子，分子，按照人類自己的意愿，逐個排列原子或分子。這是物理學(xué)一個嶄新的時代。第十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四“千紙鶴”（ZnO納米線）

（該材料是采用化學(xué)沉積法制備的ZnO納米線。其具有高亮度和良好的發(fā)光穩(wěn)定性的特點，是一種很有潛質(zhì)的平板顯示器發(fā)光材料。）第十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四“飄搖”（碳納米管）

(該圖片是一種特定工藝條件下生長的碳納米管形貌。碳納米管具有強(qiáng)度高，韌性好的特點，可用于復(fù)合材料，還可用于特殊電子元件(如場發(fā)射燈絲和平板顯示器發(fā)光材料)第十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四“散落的金幣”(TiO2粉末)

(圖中所示為TiO2粉末的形貌。TiO2是一種重要的功能材料，其具有良好的光催化性能、光電轉(zhuǎn)換特性，可廣泛用于污水處理、空氣凈化和太陽能利用等領(lǐng)域)第十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四“迷城”（多孔SiC）

(圖中所示為多孔SiC的顯微結(jié)構(gòu)。多孔SiC是近年來材料研究領(lǐng)域的新熱點)第二十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四“石榴菊”（碳酸鹽粉末）

(上圖為碳酸鍶鋇粉末形貌，該粉末在電子工業(yè)、磁性材料及特種玻璃等多個領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，用它制備涂料和釉料時可使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩，還具有防塵、防火的功能)第二十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.2納米化學(xué)納米化學(xué)是對納米物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的研究，和近年來發(fā)展起來的納米材料的化學(xué)制備方法?；瘜W(xué)制備法主要是由下到上的方法,即通過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng),從原子、分子出發(fā)制備納米材料。納米材料合成是納米化學(xué)的首要任務(wù),化學(xué)合成的優(yōu)勢在于化學(xué)反應(yīng)豐富多彩,適用于制備各種納米材料。納米化學(xué)作為NST的一個分支學(xué)科,在納米物質(zhì)的制備方面已經(jīng)做出了許多令人矚目的研究成果?？梢钥隙?納米化學(xué)是一個發(fā)展前景十分廣闊的領(lǐng)域,在納米物質(zhì)的合成制備方法的研究,納米物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的研究,與其他學(xué)科結(jié)合,研制開發(fā)具有特殊功能的納米材料等諸多領(lǐng)域都充滿巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn),納米化學(xué)必將在這種機(jī)遇和挑戰(zhàn)中迅速發(fā)展。第二十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四中國科學(xué)家運用分子納米技術(shù)打造出了一頂新穎的鉑金“納米皇冠”。中科院“百人計劃”入選者的于澍燕研究員，在2001年12月回國后，短短的一年時間里，提出了“金屬矢量”以及“金屬原子的矢量操縱”新概念“。根據(jù)新的概念，他們自組裝出了前人一直探索但沒有突破的“金屬杯芳烴”類似物?！敖饘俦紵N”類似物第二十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四美國科學(xué)家研究出一種刺激微小納米晶體發(fā)光的新方法。利用半導(dǎo)體材料制造的發(fā)光二極管壽命很長，能耗只有普通燈泡的五分之一，已經(jīng)應(yīng)用于交通信號燈等設(shè)備。但它們傾向于發(fā)藍(lán)光，要得到白光必須經(jīng)過轉(zhuǎn)換，這便降低了效率。為了解決這個問題，人們將半導(dǎo)體材料制造成微小的納米晶體，這類晶體稱為“量子點”，調(diào)整其尺寸就能改變它們發(fā)出的光的顏色。用量子阱使量子點更有效發(fā)光CREDIT:MOLLIEBOORMANANDMARCACHERMANN/LANL

第二十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四QuantumDots(量子點)第二十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四溫度的高低直接影響到量子點顆粒的大小，一般情況T越高，制得量子點的顆粒越小，發(fā)出的熒光波長越短，因此顆粒大小不同的量子點，可以顯示出不同的顏色：用于追蹤神經(jīng)細(xì)胞膜中的氨基乙酸受體的活動性及擴(kuò)散性第二十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四生物芯片技術(shù)：量子點色彩的多樣性滿足了對生物高分子（蛋白質(zhì)、DNA）所蘊(yùn)含海量信息進(jìn)行分析的要求：將聚合物和量子點結(jié)合形成聚合物微珠，微珠可以攜帶不同尺寸（顏色）的量子點，被照射后開始發(fā)光，經(jīng)棱鏡折射后傳出，形成幾種指定密度譜線（條形碼），這種條形碼在基因芯片和蛋白質(zhì)芯片技術(shù)中有光明的應(yīng)用前景第二十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四但是，納米晶體表面需要涂一層有機(jī)分子，這會阻礙外來電子刺激量子點發(fā)光。美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的科學(xué)家將硒化鎘量子點放置在一種稱為“量子阱”的設(shè)備上，利用量子阱為媒介間接刺激量子點發(fā)光。粗略計算表明，新方法能使發(fā)光二極管的效率比目前的產(chǎn)品高出一倍。有關(guān)成果發(fā)表在英國《自然》雜志上。量子阱有著三明治一樣的結(jié)構(gòu)，中間是很薄的一層半導(dǎo)體膜，外側(cè)是兩個隔離層。用激光朝量子阱閃一下，可以使中間的半導(dǎo)體層里產(chǎn)生電子和帶正電的空穴。通常情況下，電子會與空穴結(jié)合，放出光子?？茖W(xué)家將量子阱的上層制造得特別薄，厚度不足30埃，這樣就可迫使中間層產(chǎn)生的電子與空穴結(jié)合時，以變化的電場而不是光子的形式釋放能量。電場的作用使鄰近的量子點中產(chǎn)生新的電子和空穴，從而令它們結(jié)合并放出光子。第二十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.3納米材料學(xué)科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料的顆?？s小到只有幾納米到幾十納米時，由于顆粒表面相對活躍的原子數(shù)量與顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原子數(shù)量的比例大大增加，使得材料的性質(zhì)發(fā)生了意想不到的變化。納米材料學(xué)是指研究大小在1～100nm之間的微小物質(zhì),他們的材料性質(zhì)。更廣泛的納米材料定義則是:物體的長、寬、高三維中,只要任一維處于納米尺度,就可稱為納米材料。

納米材料可分為零維;一維;二維;零維是指三維尺度均在納米尺度內(nèi),如納米粒子、分子團(tuán)、量子點等.一維是指三維中二維處于納米尺度內(nèi),如納米絲、納米棒、納米管和量子線等.二維是指三維中僅有一維處于納米尺度內(nèi),如納米薄膜、超晶格層和量子井等.第二十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四具有未來超級纖維之稱的碳納米管是當(dāng)前材料研究領(lǐng)域中非常熱門的納米材料，它是一種由碳原子組成的、直徑只有幾個納米的極微細(xì)的纖維管。碳納米管具有極其奇特的性質(zhì)：它的強(qiáng)度比鋼高100倍，但是重量只有鋼的六分之一；它的導(dǎo)電性十分怪異，不同結(jié)構(gòu)碳納米管的導(dǎo)電性可能呈現(xiàn)良導(dǎo)體、半導(dǎo)體、甚至絕緣體。因此它也許能成為納米級印刷電路的材料。有人設(shè)想過碳納米管的可能用途，例如做成納米開關(guān)，或者做成極細(xì)的針頭用于給細(xì)胞“打針”等等。碳納米管碳納米管制作的納米齒輪模型第三十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四。碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，楊氏模量估計可高達(dá)5TPa，這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來的“超級纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。第三十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

碳納米管是由多個碳原子六方點陣的同軸圓柱面套構(gòu)而成的空心小管，其中石墨層可以因卷曲方式不同而具有手性。碳納米管的直徑一般為幾納米至幾十納米，長度為幾至幾十微米。碳納米管可以因直徑或手性的不同而呈現(xiàn)很好的金屬導(dǎo)電性或半導(dǎo)體性。

第三十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四具有極好的可彎折性第三十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四具有極好的可扭曲性第三十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米顆粒材料潛在的應(yīng)用前景是多方面的。例如，實驗發(fā)現(xiàn)納米銅和鋁一遇到空氣就會激烈燃燒，發(fā)生爆炸，這也許可以作為未來的固體燃料使火箭具有更大的推動力納米有機(jī)發(fā)光材料的特點是材料即具有柔性，同時可以在電場的作用下發(fā)出各種顏色的光。有人設(shè)想用納米有機(jī)發(fā)光材料制作的電視屏幕甚至可以象一幅圖畫一樣卷起來帶走。日本東京，展示采用納米技術(shù)開發(fā)的超薄顯示屏。

這種超薄顯示屏不僅顯示效果好，而且能夠節(jié)電，因為它不需要電力支持便能維持顯示效果。

第三十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四

IBM的研究人員利用納米技術(shù)制作的硬盤，其數(shù)據(jù)存儲容量超過現(xiàn)在硬盤存儲容量的100倍。從顯微鏡下我們可以觀察到，現(xiàn)在的硬盤表面上看上去非常雜亂無章，而IBM發(fā)明的新材料的表面磁化顆粒更小，且排列均勻。

新型納米材料硬盤，容量增加100多倍第三十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四左圖為現(xiàn)在存儲器介質(zhì)的表面，IBM發(fā)明的新材料的表面-磁化顆粒更小，且排列均勻第三十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四隱身材料“隱身”是指把物體偽裝起來不易被發(fā)現(xiàn)。納米磁性材料，特別是類似鐵氧化的納米磁性材料放入涂料中，既有優(yōu)良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散紅外線的性能，加之密度小，在隱身方面的應(yīng)用上有明顯的優(yōu)越性。納米級的硼化物、碳化物，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用也將大有作為。

第三十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.4納米生物學(xué)納米生物學(xué)的產(chǎn)生是與SPM掃描探針顯微鏡的發(fā)明和在生命科學(xué)中的應(yīng)用分不開的。生命過程是已知的物理、化學(xué)過程中最復(fù)雜的事情。不同于宏觀生物學(xué)，納米生物學(xué)是從微觀的角度來觀察生命現(xiàn)象、并以對分子的操縱和改性為目標(biāo)的。生物器件的特點是象遺傳基因分子那樣具有自我復(fù)制功能。這樣一來，可以利用納米加工技術(shù)，按照分子設(shè)計的方法合成、復(fù)制成各種用途的生命零件，具有生物智能、運算速度更快的生物計算機(jī)；利用生物零件可以組裝具有特定功能的納米生物機(jī)器人。

第三十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四美國普渡大學(xué)研制的納米級抗癌藥納米顆粒的藥物可以定向攻擊癌細(xì)胞黑色細(xì)胞是被藥物攻擊的癌細(xì)胞最大的優(yōu)點是這種納米級藥物不會攻擊正常細(xì)胞（不會被正常細(xì)胞吸收）第四十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四科學(xué)家構(gòu)想的生物機(jī)器人科學(xué)家幻想的人體中的血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一起的情景。我們知道人體中紅血球的重要功能之一是向身體的各個部分輸送氧分子，因為如果身體的某些部分缺氧，那部分就會感到疲勞。畫中的藍(lán)色小球稱為呼吸者，它們不僅具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，而且本身裝有納米計算機(jī)、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時將無用的二氧化碳帶走。第四十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四圖描述的是一個納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由的游動，對于象腦血栓、動脈硬化等病灶，它們可以非常容易的予以清理，而不用再進(jìn)行危險的開顱、開胸手術(shù)。第四十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四用量子點檢測腫瘤細(xì)胞Quantumdotsmodifiedwithantibodiestohumanprostatespecificmembraneantigenlightupmurinetumorsthatdevelopedfromhumanprostatecells.第四十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米尺度發(fā)展制藥業(yè)國際醫(yī)藥行業(yè)面臨新的決策，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。納米生物醫(yī)藥就是從動植物中提取必要的物質(zhì)，然后在納米尺度組合，最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)的想法。在提取精華后，用一種很少的骨架，比如人體可吸收的糖、淀粉，使其高效緩釋和靶向藥物。對傳統(tǒng)藥物的改進(jìn)，采用納米技術(shù)可以提高一個檔次。

第四十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.5納米電子學(xué)納米技術(shù)對微電子科技發(fā)展的影響是巨大的，納米器件突破了微電子器件的工作機(jī)理。它利用量子效應(yīng)來構(gòu)筑電子器件、量子器件和運用分子中電子行為組成分子電器件等。隨著納米器件的發(fā)展與應(yīng)用，微電子學(xué)已經(jīng)向納米電子學(xué)轉(zhuǎn)化，納米電子學(xué)時代已初現(xiàn)曙光。

第四十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四英特爾公司利用65納米工藝制造的70Mbit容量SRAM芯片，面積只有110平方毫米。

65納米SRAM芯片的基本存儲單元白虛線區(qū)域的面積只有0.57平方微米。

第四十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四以90納米的工藝加工生產(chǎn)的PPU內(nèi)建1.25億個晶體管AEGIA公司設(shè)計這款PPU處理器從傳統(tǒng)的中央處理器（CPU）和繪圖處理器（GPU）中抽離出來專門用來處理復(fù)雜物理運算的物理處理器（PPU）

第四十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米電子學(xué)中一個有趣的研究熱點是單電子器件。在單電子器件中，利用庫侖阻塞效應(yīng)，能夠?qū)﹄娮右粋€一個的加以控制，這有可能開發(fā)出單電子的數(shù)字電路或存儲器。基于STM對分子、原子進(jìn)行搬遷的事實，人們開始利用該技術(shù)制造分子存儲器甚至原子存儲器。物體的表面，有原子的位置為“1”，沒原子的位置為“0”，這就可以表示二進(jìn)制，從而制作存儲器。有人做過計算，一個分子存儲器能夠存儲的信息，相當(dāng)于100萬張光盤的存儲量；而一張同樣大小的原子存儲器的容量，將能夠存入人類有史以來的全部知識！第四十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.6納米機(jī)械學(xué)機(jī)械加工的方法是用車、磨、銑、刨、鉆等機(jī)床把材料加工成各種需要的工件。這是一種自上而下，或者說從大到小的加工方法。加工的過程必然要去掉一些下腳料，造成浪費。而納米制造技術(shù)則是由相反的方向，直接由原子、分子來完整地構(gòu)造器件。這是機(jī)械加工的一場革命，原子、分子操縱技術(shù)、納米加工技術(shù)、分子自組裝技術(shù)等新科技已經(jīng)為這種突破提供了可能性。目前，納米科技的前沿已經(jīng)深入到單原子的探測和操縱中，制作具有特殊功能的人造分子和納米器件已經(jīng)成為可能。一些科學(xué)家已經(jīng)制造了納米齒輪、納米電池、納米探針、分子泵、分子開關(guān)、甚至分子馬達(dá)等納米機(jī)械雛型。第四十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四精密、超精密及納米加工技術(shù)是現(xiàn)代制造業(yè)的主要發(fā)展方向之一,也是先進(jìn)制造技術(shù)的主要內(nèi)容。這些技術(shù)在提高機(jī)電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和發(fā)展高新技術(shù)方面都起著極為重要的作用。近些年來,加工精度從0.1μm提高到0.01μm,可以說超精密加工技術(shù)正從亞微米級向納米級發(fā)展。納米加工技術(shù)的加工精度可達(dá)到0.001μm（1根頭發(fā)絲的十萬分之一），用高倍顯微鏡才能看得見。由于固體原子晶格間距為0.1～0.2nm,也就是說,納米加工精度相當(dāng)于晶格間距的10倍左右,即是10個原子的大小。所以,可以認(rèn)為這已接近了對材料進(jìn)行微細(xì)加工的極限。第五十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四兩種不同的分子在分子之間力的作用下在溶液中自組裝的情形。由于納米尺寸非常之小，納米機(jī)械必須具有自組裝、自我復(fù)制等功能。

具有自組裝、自我復(fù)制等功能的納米機(jī)械第五十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四科學(xué)家一直在研究微生物的機(jī)械本領(lǐng)并試圖把它應(yīng)用到納米機(jī)械的設(shè)計中去。一種納米仿生術(shù)機(jī)器人。這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)等工作。游蕩者納米仿生術(shù)機(jī)器人第五十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米機(jī)器人“納米機(jī)器人”的研制屬于分子仿生學(xué)的范疇，它根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，研制可編程的分子機(jī)器人，也稱納米機(jī)器人。第五十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.7納米力學(xué)納米力學(xué)是納米科學(xué)的重要組成部分。克林頓著名的加州理工學(xué)院報告中提出納米科學(xué)技術(shù)的三項光輝前景中有兩個與納米力學(xué)息息相關(guān)（1.發(fā)展強(qiáng)度為鋼的10倍而重量僅為鋼幾分之一的納米結(jié)構(gòu)材料2.發(fā)展可將美國國會圖書館全部信息凝聚存儲的厘米見方大小的納米材料存儲器）納米力學(xué)包含了兩層含義：一為納米尺度力學(xué)，即特征尺度為（1~100）nm之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)所涉及的力學(xué)問題；二為納觀力學(xué)，即從納米尺度上展示力學(xué)新觀察。與細(xì)觀力學(xué)不同（其適用的特征尺度約100nm~100um之間），納米力學(xué)并不僅以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)為載體，而兼具連續(xù)介質(zhì)和離散描述的特征；與探討微觀世界、尺度在納米以下的單純量子力學(xué)研究不同，納米力學(xué)著力于探討由成千上萬原子組成的凝聚態(tài)物質(zhì)所涌現(xiàn)的帶有整體特征的力學(xué)行為。第五十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米力學(xué)的范疇——從不同的視角來考察第五十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四從研究的手段上，納米力學(xué)可以分為納米計算力學(xué)、納米實驗力學(xué)和納米力學(xué)理論。納米計算力學(xué)包括不同類型的數(shù)值模擬方法。納米實驗力學(xué)也有兩層含義：一是對特征尺度為（1~100）nm之間的微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的實驗力學(xué)研究；二是以納米層次的分辨率來測量力學(xué)場。納米力學(xué)理論的框架可用兩種方式來建立：一是混合型或嵌套型，即將固態(tài)物質(zhì)中比較完整、緩時變的區(qū)域考慮為連續(xù)介質(zhì)，而將缺陷密度高、變化快的區(qū)域用分子動力學(xué)來描述；二是兼容型，即考慮可兼容連續(xù)介質(zhì)力學(xué)與分子動力學(xué)的描述框架。第五十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四從研究的問題上，納米力學(xué)可以分為納米塑性力學(xué)、納米斷裂力學(xué)和納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等內(nèi)容。納米塑性力學(xué)是探討在納米尺度上的形變特征，涉及到納米結(jié)構(gòu)形變機(jī)制的轉(zhuǎn)變、位錯在納米尺度的形態(tài)等。納米斷裂力學(xué)也有兩層含義，一是在裂紋位錯結(jié)構(gòu)特征、納米裂紋的萌生特征，如有無位錯區(qū)（DFZ）特征、高應(yīng)變梯度特征、裂尖位錯結(jié)構(gòu)特征、納米裂紋的萌生特征等；二是具有納米尺度的微結(jié)構(gòu)所特有的斷裂行為。納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性研究主要討論納米結(jié)構(gòu)材料在溫度和應(yīng)力場作用下的演化，包括微結(jié)構(gòu)演化、晶粒長大、三晶交的孔隙演化、納米自組裝花樣的形成等。第五十七頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四第五十八頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四從具有納米尺度的特殊構(gòu)形上，納米力學(xué)可包含納米薄膜力學(xué)、納米晶體力學(xué)、納米管力學(xué)等內(nèi)容。納米薄膜力學(xué)是研究：外延式的生長方式造成納米薄膜上的強(qiáng)烈的錯賠應(yīng)力，而薄膜的納米尺度又使量子限制效應(yīng)得到凸現(xiàn)，這一系列問題。納米薄膜中的高應(yīng)力還造成對其能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制，從而實現(xiàn)特異的微電子、光電子行為?；咨铣练e的具有高額殘余應(yīng)力的復(fù)合膜是未來實現(xiàn)納米導(dǎo)線的一條制造途徑。從納米力學(xué)的應(yīng)用來看，可包括以NEMS為代表的微電子器件，以光絕緣體、光導(dǎo)體、光半導(dǎo)體為代表的光電子器件，納米力學(xué)將對其能帶結(jié)構(gòu)做出新的詮釋。納米材料（包括納米復(fù)合材料）也為納米力學(xué)提供了廣闊的內(nèi)涵。第五十九頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米材料的四大效應(yīng)1.小尺寸效應(yīng)納米粒子是由有限個原子和分子組成的集體屬性，當(dāng)納米材料的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，力、光、熱、磁等與普通晶粒相比都發(fā)生很大變化，這就是小尺寸效應(yīng)。2．量子尺寸效應(yīng)納米粒子尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)能級變?yōu)榉至⒌牧孔踊芗壷械碾娮拥牟▌有?，?dǎo)致納米材料的一系列特殊性能。3.表面效應(yīng)隨著材料粒子直徑尺寸減小，最外層表面原子所占的比例大幅度增加。當(dāng)材料粒子直徑減小到納米級時，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，而且納米粒子的比表面積、表面能都會迅速增加。4.宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘能力的效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng),它們可以穿越宏觀體系的勢壘而產(chǎn)生變化,故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。第六十頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四2.8納米材料納米尺度上的物質(zhì)，表面原子或分子占了相當(dāng)大的比例，已經(jīng)無法區(qū)分他們是長程有序（晶態(tài)），短程有序（液態(tài)），還是完全無序（氣態(tài)）了，而成為物質(zhì)的一種新的狀態(tài)——納米態(tài)。人們很早就注意到這種納米態(tài)的性質(zhì)并不主要取決于其體內(nèi)的原子或分子，而是主要取決于表面或界面上分子排列的狀態(tài)。由于他們具有量子力學(xué)上的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性而表現(xiàn)出完全不同于宏觀和微觀世界的介觀性質(zhì)，這就是納米材料。

第六十一頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米復(fù)相陶瓷晶內(nèi)型納米復(fù)相陶瓷，顏色較淺的大晶粒內(nèi)部有一些深色的顆粒，在陶瓷收到外力破壞時，這些晶內(nèi)的深色顆粒像一顆顆釘子，抑制裂紋擴(kuò)散，起到對陶瓷材料的增強(qiáng)和增韌作用。第六十二頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四表1：一些典型納米材料的尺寸：納米結(jié)構(gòu)和它們的集合

納米結(jié)構(gòu)尺寸材料簇納米晶體量子點半徑：1～10納米絕緣體半導(dǎo)體、金屬磁性材料其它納米顆粒半徑：1～100納米氧化物陶瓷納米生物材料圖像合成反應(yīng)中心半徑：5～10納米膜蛋白納米電線直徑：1～100納米金屬、半導(dǎo)體、氧化物、硫化物、氮化物納米管直徑：1～100納米碳、分層的硫族（元素）化物納米生物桿直徑：5納米DNA2D排列的納米顆粒區(qū)域：幾nm2到μm2金屬、半導(dǎo)體、磁性材料表面和薄的膜厚度：1～1000納米絕緣體、半導(dǎo)體、金屬、DNA3D納米顆粒的超點陣半徑：幾納米金屬、半導(dǎo)體、磁性材料第六十三頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四水泥混凝土材料中的納米技術(shù)納米技術(shù)在建筑材料中的應(yīng)用還處于初級階段。混凝土是具有水泥水化相的部分納米結(jié)構(gòu)、摻和料和集料組成的一個復(fù)雜體系，是納米技術(shù)對性能控制和操作的極好的對象。圖：水泥集料體系中的尺寸

第六十四頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四硅灰的SEM圖

硅灰是以納米尺度摻入的，報道稱納米尺寸的硅灰增加了抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度的增加可能是由于硅灰的細(xì)顆粒填充到孔里和硅灰Ca(OH)2反應(yīng)的火山灰效應(yīng)產(chǎn)生的額外的C-S-H。此外，加入到混凝土的硅灰可以有效減小混凝土干縮，更加耐磨，增加和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度，降低滲透性。

第六十五頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四納米材料的特異性半導(dǎo)體材料能隙結(jié)構(gòu)分裂。大家都知道銅是個良好導(dǎo)體，而納米尺度的銅不具有導(dǎo)電性。常態(tài)下二氧化硅不導(dǎo)電，而納米二氧化硅卻是良導(dǎo)體。鐵一般是弱磁性，納米鐵具有極強(qiáng)的磁性。正常的陶瓷很容易碎，而納米陶瓷具有金屬一樣的柔韌性和可加工性。如果考察電子通過納米圓環(huán)所組成電路，它的行為將不遵守歐姆定律，而表現(xiàn)出彼此之間的關(guān)聯(lián)性。第六十六頁，共七十四頁，編輯于2023年，星期四自然界的納米材料神奇的自然界早已充滿了納米科技的內(nèi)涵。高比表面、易于對陽光產(chǎn)生光合作用的高活性納米單元已在生機(jī)勃勃的植物群體中存在了幾億年。