納米科學與技術(shù)第一章

納米科學與技術(shù)

NanoscaleScience&Technology材料科學與工程學院李桂村第二實驗樓312房間E-mail:guicunli@參考書：1、納米技術(shù)與納米材料，張志焜、崔作林著，國防工業(yè)出版社，20002、納米材料與納米結(jié)構(gòu)，張立德等著，科學出版社，20013、納米材料和器件，朱靜等著，清華大學出版社，20034、NanoscaleScienceandTechnology,RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,20055、國外著名雜志：Science,Nature,Nat.Mater.,Nat.Nanotech.,Angew.Chim.Int.Ed.,J.Am.Chem.Soc.,Adv.Mater.,NanoLetters第一章納米科學技術(shù)簡介第二章納米結(jié)構(gòu)單元第三章納米材料的檢測分析技術(shù)第四章納米科學的基本理論第五章納米材料的制備方法第六章納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理化學特性第一章納米科學技術(shù)簡介教學目的：了解納米科技的基本內(nèi)涵、發(fā)展歷史、最新進展和趨勢。

重點內(nèi)容：1、掌握基本概念介觀領(lǐng)域、納米科學技術(shù)、納米材料、納米陶瓷、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。2、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。3、納米科技的分類。4、納米科技的前沿動態(tài)。

難點內(nèi)容：納米科技的前沿動態(tài)中的部分內(nèi)容。熟悉內(nèi)容:了解納米科學技術(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:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.緒論(Introduction)美國盧克斯研究公司2005調(diào)查報告:2004年美國聯(lián)邦政府在納米技術(shù)領(lǐng)域投入了10億美元，各州又另外投入了4億美元。迄今只有很少一些納米技術(shù)產(chǎn)品走向市場，也幾乎沒有盈利，但對納米技術(shù)的前景保持樂觀。1997年各國政府對納米技術(shù)的投入總計不到5億美元，到2003年就增長到35億美元。(摘自：科技日報2005-01-27)“紐約時報”2006年9月26日報道，美國國家研究委員會在向國會提交的有關(guān)美國“國家納米科技計劃”的一份評估報告中表示，美國納米科技研究繼續(xù)在國際上保持領(lǐng)先，但要使政府所投入的高達數(shù)十億美元的資金成效顯著還要等上數(shù)十年時間。但評估報告中也提出警告，處理納米級別的物質(zhì)可能會對我們的健康和環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害，對這方面研究的資金投入明顯不夠。納米科技研究涉及一系列快速發(fā)展的設(shè)備和工業(yè)流程，要求對單一的原子或分子簇進行加工處理，這些材料通常只有1納米到100納米大小。在納米級別，一些傳統(tǒng)材料可以表現(xiàn)出其有價值的特性，如不同尋常的強度、電導性或者通過肉眼無法察覺的某些性質(zhì)，可以通過對不同納米級材料間的重新組合制造出新的藥物、新的食品和設(shè)備，將對全球經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的影響。報告中表示，由于納米科技屬于一項基礎(chǔ)科技，納米技術(shù)的進步使得其它一些科技創(chuàng)新成為可能，對納米科技研究的投資，從邏輯上來說，應(yīng)該像對計算機和通信技術(shù)的早期投資一樣，這兩項科技也是在早期投資20到40年后才顯示出其對社會的深遠影響的。但同時科學家們也有一些擔憂，這些新材料的產(chǎn)生也可能帶來新的安全威脅，科學家們對這些新威脅可能要經(jīng)過數(shù)十年才能完全了解。新華網(wǎng)洛杉磯2007年2月18日電：在舊金山舉行的美國科學促進協(xié)會年會上，美國納米技術(shù)專家科爾文提出，開發(fā)和應(yīng)用納米技術(shù)必須首先保證其安全性。根據(jù)科爾文公布的動物試驗數(shù)據(jù)，小于100納米的物質(zhì)進入動物體內(nèi)后會侵入大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而影響大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。

2008年3月，據(jù)英國《新科學家》雜志報道，納米材料、轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物、人造病毒和仿生機器人等25個因素將嚴重威脅未來的地球環(huán)境，納米材料居榜首。2008年美國《探索》雜志列舉的9大最佳納米產(chǎn)品：1、納米啤酒瓶—納米復合材料米勒醇酒公司采用黏土納米材料制造塑料啤酒瓶，可保留二氧化碳，不讓氧氣輕易進入，避免啤酒變質(zhì)，而且不易碎裂。但一些消費者關(guān)注納米材料用于食物包裝是否安全，是否它們會像灰塵一樣對人體無害。2、納米防彈衣“首選防彈衣”公司使用Nanorepel納米材料制造新型防彈衣，具有更出色的防御安全性能。在子彈擊中人體的瞬間，這種納米防彈衣纖維層表面的有機分子薄層將凍結(jié)加固，鎖定子彈的作用力于防彈衣表面，作用力將擴散至身體更廣的范圍，從而緩沖子彈對人體的傷害。3、納米電池日常充電電池中，鋰離子從鈷酸鋰正極快速地穿過隔膜抵達碳負極，這種傳統(tǒng)充電電池功率較低，很快就會耗完電，使用時還很容易著火或爆炸。美國MIT的常業(yè)明教授采用新型納米材料—磷酸鐵鋰代替正極，可以大幅改善充電電池的性能。目前，一些公司現(xiàn)已開始使用這種納米電池應(yīng)用于高功率電器和儀器，這種電池很可能將安裝在雪佛萊電動汽車，該款汽車將于2010年上市。4、金納米微粒用于遺傳基因測試Verigene醫(yī)療系統(tǒng)采用金納米微粒涂層的DNA分子鑒別關(guān)鍵性的蛋白質(zhì)和重要基因，僅僅按一下按鈕便能進行復雜的血液測試，完成醫(yī)學診斷。5、納米等級汽車光澤劑如果汽車使用普通光澤劑，涂上之后會出現(xiàn)漩渦狀痕跡，或者出現(xiàn)難看的光澤或霧狀結(jié)構(gòu)。汽車美容公司“神鷹1號”稱，使用納米等級巴西棕櫚蠟將永遠保持清潔。由于棕櫚蠟微粒非常小，它們呈現(xiàn)出透明狀。它們的分子尺寸大小能夠填充細微的瑕疵。目前，防曬霜制造商在生產(chǎn)防曬霜時也采用了納米等級的氧化鋅。6、納米太陽能電池板太陽能電池的價格非常昂貴，其原因是它們很難制造。多數(shù)太陽能電池是在真空室制造的。目前，納米太陽能技術(shù)可將太陽能電池技術(shù)實現(xiàn)得更加便捷，該技術(shù)可以在廉價金屬薄片上打印納米微粒，制造出可打印的太陽能電池板。目前的太陽能電池受到多方面限制，比如相對較低的產(chǎn)電效率（15%左右）和較高的制造成本。在傳統(tǒng)太陽能電池中，一個光子只能精確釋放出一個電子。一種可能的改進就是，利用半導體納米晶體來制造新型太陽能電池。在一些半導體納米晶體材料中，一個光子可以釋放出兩到三個電子，這也就是所謂的“雪崩效應(yīng)”。在這種情況下，太陽能電池理論上的最大效率可以達到44%。此外，它們的造價更便宜。2008年5月，荷蘭LaurensSiebbeles教授證實，硒化鉛(PbSe)納米晶體中確實會發(fā)生雪崩效應(yīng)。Nano

Lett.,2008,8(6),pp1713–1718。7、金納米微粒女性驗孕紙

女性驗孕紙測試條碼上覆蓋抗體的一些金納米微?？梢钥焖冁i定絨毛膜促性腺激素,從而使驗孕測試更加快速有效。8、納米網(wǎng)球威爾遜體育用品公司采用由納米科技公司InMat研制的納米技術(shù)制造出高端雙核網(wǎng)球，這種黏性納米微粒技術(shù)將使網(wǎng)球更加堅硬、使用時間更長。但是美國網(wǎng)球愛好者們并不想購買價格昂貴的網(wǎng)球，威爾遜公司不得不停止這種納米網(wǎng)球的制造生產(chǎn)。

9、納米止血繃帶美國加州大學圣塔芭芭拉分?；瘜W家莎拉－貝克等意識到鋁矽酸鹽納米微粒可引起人體自然的凝血進程，并已經(jīng)使用鋁矽酸鹽納米微粒測試了患者的凝血功能。這種納米繃帶已申請了專利權(quán)，預計在戰(zhàn)場上可以止住嚴重的傷口流血，能夠有效地挽救戰(zhàn)場上的受傷士兵。***§1.1納米科學技術(shù)簡介

Nanoscalescience&technology人類對客觀世界的認識分為兩個層次：一是宏觀領(lǐng)域，二是微觀領(lǐng)域。宏觀領(lǐng)域是指以人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體；微觀領(lǐng)域是以分子原子為最大起點，下限是無限小的領(lǐng)域。基本粒子：電子、質(zhì)子、中子等。介觀領(lǐng)域：在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間，存在著一塊近年來才引起人們極大興趣和有待開拓的“處女地”，三維尺寸都很細小，出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理性能。1959年，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾預言：“毫無疑問，當我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴充我們可能獲得物性的范圍”。這個領(lǐng)域包括了從微米(1-100μ

m)、亞微米，納米到團簇尺寸(從幾個到幾百個原子以上尺寸)的范圍。介觀領(lǐng)域中產(chǎn)生以相干量子輸運現(xiàn)象為主的介觀物理，成為當今凝聚態(tài)物理學的熱點。(導體與絕緣體的轉(zhuǎn)變，順磁性和鐵磁性變化、納米碳管導電性等)。從廣義上來說，凡是出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團簇、納米體系和亞微米體系。納米體系和團簇從這種介觀范圍獨立出來，形成一個單獨的領(lǐng)域(狹義的介觀領(lǐng)域)。一、納米科學技術(shù)的基本概念和內(nèi)涵納米(nanometer)是一個長度單位，簡寫為nm。1nm=10(-9)m=10埃。頭發(fā)直徑：50-100m,1nm相當于頭發(fā)的1/50000。如圖氫原子的直徑為1埃，所以1納米等于10個氫原子一個一個排起來的長度。Nanotechnologyisthetermusedtocoverthedesign,constructionandutilizationoffunctionalstructureswithatleastonecharacteristicdimensionmeasuredinnanometers.Howsmallis1nanometer?

HumanHair一納米有多?。刻轭^發(fā)紅細胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2

催化劑DNA2nm單壁碳管1.4nmC600.7nmUnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize1.納米科學技術(shù)(Nano-ST):20世紀80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬分之一米(10–7)到十億分之一米(10–9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子等進行操縱和加工的技術(shù)，又稱為納米技術(shù)。2.納米科技的主要研究內(nèi)容:創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料、制備各種納米器件和裝置、探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。(基礎(chǔ)，目標，前提)1993年，國際納米科技指導委員會將納米技術(shù)劃分為6個分支學科（1）納米電子學、（2）納米物理學、（3）納米化學、（4）納米生物學、（5）納米加工學、（6）納米計量學(定位、測長等)。其中，納米物理學和納米化學是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。3.納米材料(Nanomaterials)的定義:把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸控制在1-100納米范圍的具有特殊功能的材料稱為納米材料。即三維空間中至少有一維尺寸在1-100納米范圍的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的具有特殊功能的材料。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.納米材料有兩層含義：其一，至少在某一維方向，尺度小于100nm，如納米顆粒、納米線和納米薄膜，或構(gòu)成整體材料的結(jié)構(gòu)單元的尺度小于100nm，如納米晶合金中的晶粒；其二，尺度效應(yīng)：即當尺度減小到納米范圍，材料某種性質(zhì)發(fā)生神奇的突變，具有不同于常規(guī)材料的、優(yōu)異的特性。量子尺寸效應(yīng)有些人對納米材料真正的本質(zhì)存在著某種程度的誤解，不切實際的商業(yè)宣傳導致了市場“炒作”現(xiàn)象。有的商家甚至通過長度單位的換算將微米或亞微米材料宣傳為納米材料。常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑為3nm的原子團包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條300多米長的帆船跟整個地球的比例。4.納米材料的分類(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按結(jié)構(gòu)(維度thenumberofdimensions）分為5類：(1)0維材料quasi-zerodimensional—三維尺寸為納米級(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2維材料—厚度為1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)體相納米材料(由納米材料組裝而成)。ananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation.(5)納米孔材料(孔徑為納米級)。MCM-41;SAB-15;Nanoporoussilicon;ActivatedcarbonsMCM-41Activatedcarbons6,9,20,26nmSAB-15按組成（component）分類金屬納米材料、半導體納米材料、有機和高分子納米材料、復合納米材料、……復合納米材料：無機納米粒子與有機高分子復合材料、無機半導體的核殼結(jié)構(gòu)量子阱(超晶格)材料…………從應(yīng)用的角度看，納米材料可以分為兩大類：一類距現(xiàn)在的應(yīng)用相對較遠，如納米量子結(jié)構(gòu)、量子器件等，但是這類材料和器件的發(fā)展將大大拓展和深化人們對客觀世界的認識，使人們能夠在原子、分子水平上制造材料及器件，將導致信息、能源、環(huán)境、醫(yī)療、生物與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的技術(shù)變革。如芯片另一類具有現(xiàn)實的應(yīng)用，并且在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和高新技術(shù)的發(fā)展過程中起到了重要的作用。如納米復合材料如碳納米管增強Cu。5.納米材料的新性質(zhì)：當物質(zhì)小到1~100nm(10-9~10-7m)時,由于其巨大的表面及界面效應(yīng),物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變,呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體,也不同于單個孤立原子的奇異現(xiàn)象。(如量子化效應(yīng)，非定域量子相干效應(yīng)，量子漲落與混沌，多體關(guān)聯(lián)效應(yīng)和非線性效應(yīng)等等)6.納米科技的最終目標：直接利用物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理化學和生物學特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。(如納米尺度上的能帶、費米能級及逸出功特意味著什么?)7.納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別：第一、這種材料至少有一個方向是在納米的數(shù)量級上。比如說納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。尺寸第二、由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。比如物體的強度、韌性、比熱、導電率、擴散率等完全不同于或大大優(yōu)于常規(guī)的體相材料。性能目前我們實驗室的主要研究內(nèi)容：A制備納米尺寸范圍材料的相關(guān)技術(shù)液相法：如沉淀法、溶膠-凝膠法、水熱法、聚合法、化學鍍法。氣相法：如蒸發(fā)法、電弧法、化學氣相沉積法、微弧氧化法。B分析、觀察、檢測納米體系物質(zhì)的相關(guān)技術(shù)如AFM，STM，XRD，SEM，TEM，激光粒度儀，比表面吸附(研究晶相、尺寸、表面等)，紫外可見光吸收光譜，熒光光譜，熱分析，磁性儀等。C納米體系物質(zhì)的物理性能如小尺寸效應(yīng)，隧道效應(yīng)，表面效應(yīng)，量子尺寸效應(yīng)，光、電、熱、磁效應(yīng)等。D納米體系物質(zhì)的化學性能納米金屬粒子、半導體粒子等,如化學活性、催化性能、穩(wěn)定性、生物活性等。E納米體系物質(zhì)的應(yīng)用如Nano-Pd/Al2O3，CO助燃劑；Nano-TiO2：抗菌，光催化，自清潔；碳纖維：吸波，聚苯胺：化學傳感器；V2O5：鋰電池正極材料等。二、納米科技的分類納米科技從研究內(nèi)容上可以分為三個方面：1.納米材料2.納米器件3.納米尺度的檢測和表征1.納米材料納米材料是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度,并且具有特殊性能的材料。是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要類型為：團簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料的制備技術(shù)、原理及性質(zhì)。納米材料的研究包括兩個方面：一、系統(tǒng)地研究納米材料的微結(jié)構(gòu)和譜學特征,通過和常規(guī)材料對比,找出納米材料特殊的規(guī)律,建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。二、發(fā)展新型納米材料。例如：納米陶瓷。目前，納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中,如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據(jù)性質(zhì)設(shè)計各種特殊功能納米材料。2.納米器件納米科技的最終目的是以原子分子為起點,去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此,納米器件的研制和應(yīng)用水平是進入納米時代的重要標志。----微米時代(微米技術(shù))Moore(Intel創(chuàng)始人)定律：芯片上晶體管數(shù)量每18個月將會增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效應(yīng)，特征尺寸在50nm以下的器件難以工作。目前，32nm(2009)。所謂納米器件，就是指從納米尺度上，設(shè)計和制造功能器件。有人預計，目前微米級的信息技術(shù)在21世紀會走到盡頭，進一步發(fā)展會受到物理學的局限。根據(jù)美國半導體協(xié)會的預計，那時整個器件的尺度可以小到100納米，而電子器件小到100納米時，量子效應(yīng)就會起到很重要的作用，利用量子效應(yīng)而工作的電子器件稱為量子器件。這時就需要用全新的理論和方法來構(gòu)建新的納米器件。與微電子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降為1/1000)、高效、高集成度、經(jīng)濟可靠、信息存儲量大(在一張不足巴掌大的5英寸光盤上，至少可以存儲30個北京圖書館的全部藏書)等優(yōu)點。納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)研究的是以控制單個原子、分子來實現(xiàn)設(shè)備特定的功能，是利用電子的波動性來工作的；而微電子技術(shù)則主要通過控制電子群體來實現(xiàn)其功能，是利用電子的粒子性來工作的。人們研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的，就是要實現(xiàn)對整個微觀世界的有效控制。制造納米產(chǎn)品的技術(shù)路線可分為兩種：

“自上而下”(topdown)：是指通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化。如：切割、研磨、蝕刻、光刻印刷等。特點：尺寸從大到小“自下而上”(bottomup)

：是指以原子分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進行設(shè)計和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這種技術(shù)路線將減少對原材料的需求,降低環(huán)境污染。如化學合成、自組裝、定位組裝等。Theuseofbottom-upandtop-downtechniquesinmanufacturing3納米尺度的檢測和表征納米尺度的檢測與表征：在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能。包括：在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、熱、光學等特性。納米空間的化學反應(yīng)過程、物理傳輸過程。研究原子分子的排列組裝與奇異物性的關(guān)系。納米技術(shù)發(fā)展的典型代表掃描隧道電子顯微鏡1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根據(jù)電子的隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope,STM)，獲1986年諾貝爾物理獎。目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡來觀察原子、分子和直接操縱安排原子。Z軸分辨率達到0.01nm。至今，具有最高的分辨率。世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)A1990年，美國加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標。這張放大了的照片登在《時代》周刊上，被稱為當年最了不起的公司廣告。每個字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準選中的Xe原子，使原子間作用力達到讓Xe原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。在Xe原子搬遷后，又實現(xiàn)了分子的搬遷排列。在鉑單晶的表面上、將吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬遷排列起來、構(gòu)成一個身高僅5nm的世界上最小的人的圖樣。用來構(gòu)成這圖樣的CO分子間距離僅為0.5nm,人們稱它為"一氧化碳小人"。來自同一實驗室的科學家又用鐵原子排列在銅表面上組成了漢字“原子”兩字。漢字的大小只有幾個納米。用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運和操縱48個Fe原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時向圓內(nèi)傳播的電子相互干涉形成干涉波。B1991年，日本日立研究室實驗了在室溫下用STM移去二硫化鉬晶體表面上的一些原子，進行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“Peace91”的字樣，其每個字母的尺寸均小于1.5納米。C1994年，中國科學院化學所和中國科學院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法，獲得了(線寬2nm)硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10nm的“中國”字符。漢字的大小只有幾個納米。白春禮院士1988年4月12日，中國第一臺計算機控制的STM研制成功。這些技術(shù)的突破對于高密度信息儲存、納米電子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。光刻技術(shù)線寬為幾百納米。***§1.2納米科學技術(shù)發(fā)展史一、納米材料及納米技術(shù)的自然存在1人和動物堅硬牙齒的外表面，即牙釉質(zhì)，是由納米尺寸的微晶組成。2天體隕石的碎片和海洋中存在亞微米膠體粒子。3蜜蜂的定向。英國科學家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的體內(nèi)存在磁性的納米粒子，具有“羅盤”的作用，可以為蜜蜂的活動導航。以前人們認為蜜蜂是利用北極星或通過搖擺舞向同伴傳遞信息來辨別方向。1975年磁性細菌，體內(nèi)有一排磁性粒子。細菌體內(nèi)的納米指南針螃蟹橫行

4海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導航。5螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂。6蓮花效應(yīng)—蓮花出污泥而不染荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。每個乳突是由許多直徑為200納米左右的突起組成的。7壁虎飛檐走壁。每只腳底部長著數(shù)百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細的分支。這種精細結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。8蝴蝶翅膀上炫目的色彩。蝴蝶翅膀由兩層僅有3至4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，每個鱗片的構(gòu)造也很復雜。而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體。

動植物按照微基準來說，就是納米機器的組合體。這些納米機器，就是人們熟知的蛋白質(zhì)。而細胞則可以說是由這些納米機器在組裝而成的微米機器。二、納米技術(shù)的人工造就1、無意識的方面：人工制備納米材料至少追溯到5000多年前。中國古代利用松枝燃燒收集炭黑作為墨的原料(中國古代字畫歷經(jīng)千年而不褪色)，是最早的納米材料。中國古代銅鏡表面形成氧化錫或二氧化錫晶狀納米薄膜。這層膜不論是一氧化錫，還是二氧化錫，均呈酸性，是惰性物質(zhì)，即與酸堿很難發(fā)生作用，因而有很好的防銹蝕性能。早在2000多年前，古希臘人和古羅馬人就已經(jīng)利用在纖維核心上形成黑色硫化鉛的納米晶體，來染黑白色的頭發(fā)和羊毛。2006年，Leveque用Ca(OH)和PbO處理頭發(fā)模擬了這一過程。用電子顯微鏡觀察其橫斷面，可以看到微小的鉛成分積聚在皮質(zhì)層和表皮層內(nèi)；再進一步放大可以發(fā)現(xiàn)，微纖維內(nèi)聚集著硫化鉛晶體。因此得出的結(jié)論可以肯定，顏色來自于微纖維以及微纖維之間的表皮層和皮質(zhì)層內(nèi)聚集著的5納米大小硫化鉛納米晶體。用Ca(OH)和PbO處理頭發(fā)Nano

Lett.2006,10,22150h6h72h5nm的結(jié)晶硫化鉛是如何獲得的，2000年前配制化妝品的化學家就已經(jīng)懂得應(yīng)用納米技術(shù)了么？古代的人還不知道我們現(xiàn)代意義上的納米科技，對納米材料的使用可能只是個偶然事件。因為人的肉眼根本就看不到納米尺度小顆粒。他們只知道這樣的工藝所做的工件好。但毫無疑問，他們已經(jīng)通過經(jīng)驗上的積累無意中使用了納米技術(shù)。2、有意識的制作：

1959年12月，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼作了“There‘sPlentyofRoomattheBottom”的報告：“我認為物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且在原則上是可以實現(xiàn)的”。《在底部還有很大空間》“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureate約1861年，膠體化學的建立(ColloidChemistry)，科學家就開始了對于直徑1~100nm的粒子系統(tǒng)，即所謂膠體的研究。但是當時并沒有意識到在這個尺寸范圍是人們認識世界的一個新層次，而只是從化學的角度研究，并沒有從納米材料的角度或其特殊性能作為重點。英國化學家ThomasGraham最早使用膠體術(shù)語。1932年，德國的Ruska發(fā)明了世界上第一臺透射電子顯微鏡(TEM)，為探索微觀物質(zhì)世界打下了基礎(chǔ)。1986年諾貝爾物理獎。到1998年，透射電子顯微鏡的分辨率已達到1.3埃。而用光學顯微鏡是看不到納米尺寸的物體的。但是透射電子顯微鏡只能看，不能搬動原子。20世紀初，有人開始用化學方法制備作為催化劑使用的鉑超微顆粒。1929年，Kchlshuthe用A1、Cr、Cu、Fe等金屬作電極，在空氣中產(chǎn)生弧光放電，得到了15種金屬氧化物的溶膠。同年，Welesley等人開始對超微顆粒進行X光射線實驗研究。1940年，Ardeume首次采用電子顯微鏡對金屬氧化物的煙狀物進行觀察。1945年，Balk提出在低壓惰性氣體中獲得金屬超微粒子的方法?，F(xiàn)在看來，20世紀上半葉的研究特點是，人類已經(jīng)有意識地把納米微粒作為研究對象來探索納米體系的奧秘。3、自覺地研究(理論研究的開始)人們自覺地研究納米微粒，始于上個世紀60年代，并開始發(fā)現(xiàn)納米尺寸物體的特殊性能。20世紀50年代末，Aharonov

和Bohm預計，在微米、亞微米(納米材料尺寸上限)的細小體系中，一束電子分成兩束，以形成不同的位相，重新相遇后會產(chǎn)生電子波函數(shù)相干現(xiàn)象，從而導致電導的波動性。60年代初，Chambers等人用實驗觀察到了電子束的波動性，證明了Aharonov的預言。久保理論1961年，久保(Kubo)

針對金屬超微粒子的研究提出了久保理論---超微粒子的量子限域理論。隨著粒子中原子數(shù)的減少，F(xiàn)ermi能級附近的電子能級由連續(xù)狀態(tài)分裂為分立狀態(tài)，能級的平均間距與粒子中的電子數(shù)成反比，在能級間距大于熱能、磁能、靜電能、光子能量以及超導態(tài)的凝聚能時，就會產(chǎn)生與宏觀物體不同的所謂量子效應(yīng)(QuantumEffect)。

被科學界稱做Kubo效應(yīng)。氣體蒸發(fā)冷凝法制得納米微粒

1963年，Uyeda通過金屬在高純惰性氣體中蒸發(fā)和冷凝過程獲得清潔表面的超微顆粒，并用透射電子顯微鏡研究了單個顆粒金屬的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。提出納米顆粒的定義是：用電子顯微鏡才能看到的顆粒稱為納米微粒。半導體超晶格1970年，江畸等考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導體超晶格的概念。是將兩種(或兩種以上)組分不同或?qū)щ婎愋筒煌臉O薄(幾埃到幾百埃)半導體單晶薄膜交替外延生長在一起而形成的周期性結(jié)構(gòu)材料。利用分子束外延技術(shù)制備了能隙大小不同的半導體多層膜，在實驗中實現(xiàn)了量子阱和超晶格，成為半導體物理中熱門的領(lǐng)域。發(fā)現(xiàn)半導體隧道效應(yīng)，1973諾貝爾物理獎。4、系統(tǒng)研究(久保理論日臻完善）70年代末到80年代初，人們對納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究，描述金屬顆粒費密面附近電子能級狀態(tài)的久保理論日臻完善。在用量子尺寸效應(yīng)理論解釋超微顆粒的某些特性時獲得成功。1974年，Taniguchi最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞，即“納米加技術(shù)”，并用于精細機械加工，原意為公差在納米尺度的加工技術(shù)。70年代末，美國MIT的Cannon等人發(fā)明了激光驅(qū)動氣相合成數(shù)十納米尺寸的硅基陶瓷粉末(Si、SiC、Si3N4)，從此，人類開始了規(guī)模生產(chǎn)納米材料的歷史。1977年美國MIT德雷克斯勒(時為大學生)提出,可以制作模擬活細胞的生物分子的人工類似物---分子裝置。即用原子建造無機機器，并稱之為納米科技。他70年代末在斯坦福大學建立第一個納米科技研究小組。當時多數(shù)主流科學家對此的反應(yīng)是：一派胡言！但巴基球的誕生使研究人員開始著手做這件事。他想，為什么不建造有自行復制能力的機器呢？一臺機器會變成兩臺，兩臺變成四臺，然后再變成八臺……這樣無窮地變下去。被德雷克斯勒稱為裝配工的小型機器人會給饑餓的人生產(chǎn)無窮數(shù)量的食物，或者為無家可歸的人建造無數(shù)的房屋，它們還可以在人的血管里游戈并修復細胞，從而可以防止疾病和衰老。

分子納米技術(shù)（MNT）-“灰古”（greygoo）世界STM的發(fā)明1981年，G.Binning和H.Rohrer博士（IBM的）發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡，使得人類首次在大氣及常溫下觀察到了原子。這是到目前為止，表面分析最精密的儀器。分辨率達到0.01nm,可以直接觀察到原子，且能搬動原子。納米結(jié)構(gòu)材料首次合成1984年，德國薩爾大學的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型，制備了具有清潔表面的納米晶體Pd,Fe,Cu等塊狀材料。隨后發(fā)現(xiàn)TiO2納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。NanostructuredmaterialsC60等富勒烯（Fullerence）1985年，Smalley(2005.10去世)、Curl、英國的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學的實驗室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來收集碳團簇、用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子構(gòu)成的碳團簇豐度最高，通稱為C60。1996年諾貝爾化學獎見下圖。Fullerenes–1985(1996)RobertF.CurlJr.RichardE.SmalleySirHaroldW.Kroto納米多晶體1987年，美國Argon實驗室Siegel博士用惰性氣體原位加壓法制備出來了納米晶材料TiO2多晶體，發(fā)現(xiàn)超韌性陶瓷。1994年曾到我院講學。巨磁電阻效應(yīng)1988年，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，稱為巨磁電阻效應(yīng)(GiantMagneto-Resistive，GMR)。有趣的是，就在3年前，德國格林貝格爾教授在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而獲得2007年諾貝爾物理學獎。1990年，費曼指出：納米科技的基本思想是在分子水平上，通過操縱原子來控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。它使我們可以利用單個原子組建分子系統(tǒng)，制備不同類型的納米器件。1990年，L.T.Canham發(fā)現(xiàn)了多孔硅在室溫下的光致發(fā)光現(xiàn)象，而傳統(tǒng)塊狀硅不發(fā)光。納米物質(zhì)特有的現(xiàn)象。1991年，日本NEC基礎(chǔ)研究實驗室的飯島教授(S.Iijima)在利用透射電子顯微鏡分析電弧放電產(chǎn)物時，發(fā)現(xiàn)多壁納米碳管；Y.Ando隨后，他還發(fā)現(xiàn)了僅由單層碳原子石墨層層卷曲而成的單壁納米碳管。納米科技的發(fā)展大致可以劃分為3個階段：第一階段(1990年以前)主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點是根據(jù)奇特物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復合材料：納米微粒與納米微粒復合(0-0復合)，納米微粒與常規(guī)塊體復合(0-3復合)，復合納米薄膜(0-2復合)。

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝成的一種新的體系，它包括一維、二維、三維體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。納米組裝體系是以納米顆粒或納米絲、納米管及納米尺寸的孔洞為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。

根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程中的驅(qū)動力是靠外因，還是靠內(nèi)因來劃分，大致可分為兩類:一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，二是納米結(jié)構(gòu)自組裝體系。所謂人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，按人類的意志，利用物理和化學的方法人工將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系。人工組裝已經(jīng)不滿足于簡單地在物體表面搬運原子構(gòu)造圖形，新的趨勢是能夠?qū)w相的物體實現(xiàn)三維的納米調(diào)控，采用一種雙光子吸收技術(shù)，利用非線性光學效應(yīng)超越了普通光刻技術(shù)的衍射極限，成功獲得了120nm高分辨率的三維結(jié)構(gòu)。2001年日本科學家就成功地制備了總長僅10μm的微米牛。用該技術(shù)制備的微型機器可能穿透人體最細的血管，并用于臨床治療。

NATURE412(2001):697-698

微米牛所謂納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米自組裝體系、人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系越來越受到人們的關(guān)注，稱為納米尺度的圖案材料(patterningmaterialsonthenanometerscale)。伯克利國家實驗室在Nature上指出：納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學和物理學的重要前沿課題。納米結(jié)構(gòu)的自組裝在自然界里是一種相當普遍的現(xiàn)象，從閃閃發(fā)光的貝殼到致密堅實的骨骼。美國《商業(yè)周刊》上曾經(jīng)有這樣一段精彩的描述：在圣巴巴拉加州大學的一間化學實驗室里，鮑魚準確無誤地鋪下一層超薄有機基質(zhì)。在這層基質(zhì)上，她把連結(jié)在一起的方解石晶體按原子逐個排列好。這兩層物質(zhì)構(gòu)成一個精巧的晶格。鮑魚經(jīng)過幾百萬年的進化獲得了一種形式奇特的分子機器來構(gòu)筑她的外殼。這種機器使當今最好的制造工具相形見拙。在圖中，磚由片狀CaCO3(文石)組成，而灰漿由大分子如結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)和多糖組成它們在片基周圍形成一片薄膜。這種設(shè)計賦予鮑魚殼極大的結(jié)構(gòu)強度，從而減少破裂的危險。第一屆納米科學技術(shù)會議1990年7月，在美國巴爾德摩召開了國際第一屆納米科學技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。NanostructuredMaterials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召開了第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會議。我院張志焜和崔作林參加。80年代以來，各國已投入大量人力，物力開展納米超微粒的研究，如美國、日本。美國的政策：從1999年開始,美國政府把納米科技研究列入21世紀前10年11個關(guān)鍵領(lǐng)域之一。2000年美國總統(tǒng)克林頓宣布將以4.95億美元投入全美納米科技計劃。美國總統(tǒng)科技助理寫信給國會稱:納米技術(shù)將與信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，對21世紀經(jīng)濟、國防和社會產(chǎn)生重大影響，可能引導下一場工業(yè)革命(leadingtothenextindustrialrevolution)，應(yīng)把它放在科學技術(shù)的最優(yōu)先地位(toppriority)。納米技術(shù)是80年代初迅速發(fā)展起來的前沿學科，它使人們認識、改造微觀世界的水平提高到了一個新的高度。納米技術(shù)將用于下一代的微電子器件即納米電子器件，使未來的電腦、電視機、衛(wèi)星、機器人等的體積變得越來越小。1）可以制造一種材料，其強度為鋼的幾倍，而重量僅為鋼的幾分之一。碳管2）可以將國會圖書館的信息都存儲在一塊方糖大小的存儲器上。STM3）可以檢測出幾個癌細胞。

----克林頓

我國的發(fā)展情況1995年，我國召開“材料中的前沿問題研討”香山科學會議，納米材料的制備為主題之一。1997年，我國召開納米化學香山會議，研討我國的納米化學的發(fā)展。2000年，中共中央明確提出將新材料和納米科學的進展作為“十五”規(guī)劃中科技進步和創(chuàng)新的重要任務(wù)。國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點

2002-2006

一、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃(一)發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃，其宗旨是開展納米尺度的科學、工程和技術(shù)開發(fā)工作。2003年11月，通過了《21世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，標志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。

日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟復興”的關(guān)鍵。第二期科學技術(shù)基本計劃將生命科學、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點研發(fā)領(lǐng)域。歐盟在2002～2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術(shù)給予了空前的重視。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。

(二)新興工業(yè)化經(jīng)濟體瞄準先機

韓國政府2001年制定了《促進納米技術(shù)10年計劃》，2002年頒布《促進納米技術(shù)開發(fā)法》，2003年又頒布了《納米技術(shù)開發(fā)實施規(guī)則》。目標是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個主要技術(shù)領(lǐng)域，提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年計劃結(jié)束進入世界前5位。中國臺灣自1999年開始，制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。

(三)發(fā)展中大國奮力趕超中國政府在2001年7月就發(fā)布了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學中心和納米技術(shù)專門委員會。南非科技部2005年度開始執(zhí)行一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構(gòu)和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。二、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋

(一)在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下

2000~2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本(12.76%)、德國(11.28%)、中國(10.64%)和法國(7.89%)列在其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國三年累計論文總數(shù)都超過了1000篇。(二)申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭美國專利商標局2000～2002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國(1454項)，日本(368項)和德國(118項)。60%、16.46%和5.28%。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。專利反映了研究成果實用化的能力。在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實用化能力較弱。(三)就整體而言納米科技大國各有所長

美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。醫(yī)學納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術(shù)計劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學相結(jié)合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內(nèi)的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5~10年有望商業(yè)化。雖然醫(yī)學納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點，納米技術(shù)在半導體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學家試圖利用化學反應(yīng)來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術(shù)未來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。日本納米技術(shù)的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應(yīng)用大學開發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來的1/10，兩三年內(nèi)即可進入批量生產(chǎn)階段。日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高?？茖W家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。日本企業(yè)、大學和研究機構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過，這些研究大都處于探索階段。歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。中國在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。***§1.3發(fā)展納米科技的意義費曼：1959年，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾預言：“毫無疑問，當我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴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移動原子，那么這將給科學帶來什么？”這正是對納米科技的預言—小尺寸大世界。量子動力學

1965諾貝爾獎。1991年：IBM的首席科學家Armstrong曾預言：“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70年代初以來微米技術(shù)已經(jīng)起的作用那樣。”克林頓：納米技術(shù)可能是下個世紀前二十年最重要的技術(shù)。

錢學森預言：“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，會是一次技術(shù)革命，從而將使21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學獎的科學家?！ち_雷爾：微米技術(shù)曾同樣被認為對使用牛耕地的農(nóng)民無關(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。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年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標準，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學會并使用微米技術(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受納米作為新標準、并首先學習和使用它的國家?！?/p>

這些預言十分精辟的指出了納米體系的地位和作用。納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景納米科技的重要進展表現(xiàn)在以下幾個方面：[1]直接操縱原子方面：日本科學家成功將硅原子堆成一個“金字塔”，首次實現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷。1991年，IBM的科學家制造了超快的氙原子開關(guān)?？赡軐⒚绹鴩鴷D書館的全部藏書存儲在一個直徑為0.3cm的硅片上。納米刻蝕：目前微電子技術(shù)中最細刻度為幾分之一微米，即激光光列。如果把搬遷原子的位置按照電路的方式搬遷，便可以用STM進行納米級的刻蝕。我國已能用STM刻出10nm的細線。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件。[2]新材料的出現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，其應(yīng)用受到限制。納米陶瓷可能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(理想)。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料。也就是說，晶粒尺寸、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。要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散，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)檠有缘模軌虬l(fā)生100%的韌性形變。并發(fā)現(xiàn)納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。英國著名科學家萊恩Cahn在Nature雜志上撰文說：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑?！奔{米陶瓷的應(yīng)用：摔不碎的陶瓷，防彈玻璃。設(shè)計新型復合材料碳納米管/高分子復合材料----高強度材料模擬生物功能設(shè)計新型材料鮑魚殼鮑魚殼牙質(zhì)腱大多數(shù)材料在朝一個方向拉伸時，另一個方向就會變細變窄，如橡皮筋。可以用泊松比(Poisson’sratio，側(cè)向收縮比例與實際伸長比例的比值)來定量描述。2008年4月美國Baughman等利用古老的造紙方法—烘干纖維漿來制造上述的納米管薄層。實驗用的“漿”是單壁碳管和多壁碳管的混合物。Science，Vol.320,pp.504碳納米管薄層(也稱巴克紙)能夠在均勻壓縮時，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0.06突然躍變?yōu)?0.20，即這種材料具有負的泊松比。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合物，制造人工肌肉、墊圈、壓力傳感器和化學傳感器等。

2008年3月，美國哈佛—麻省理工羅伯特·蘭格和杰弗里·卡普教授開發(fā)出一種具有彈性的、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膠水制成的，它是第一個能呈現(xiàn)出良好黏性強度和動物安全性的膠貼。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200nm-500nm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?；冇驳木酆衔镞M行旋涂。當膠貼被使用時，毛細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，這樣葡聚糖膠就黏附在組織蛋白上。這種膠貼能取代外科手術(shù)的縫線及縫釘，也可制成藥物控釋貼片直接安放在包括心臟在內(nèi)的器官上。[3]納米技術(shù)在微電子學上的應(yīng)用

納米電子學是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。它包括納米有序(無序)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。納米電子學的最終目標：是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。美國威斯康星大學馬克斯·拉加利等人已制造出可容納單個電子的量子點，在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件。此外，若能將幾十億個量子點連結(jié)起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結(jié)合微電子機械系統(tǒng)方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。美國普林斯頓NEC研究所和賴斯頓大學的科學家研究發(fā)現(xiàn)，納米管的強度比鋼高100倍，重量只有其1/6，納米管很細，5萬個納米管排列起來才只有一根頭發(fā)絲那么粗，輕而柔軟，結(jié)實的材料用作防彈背心。它是理想的導體，導電性很可能遠遠超過銅，是最佳超微導線和超微開關(guān)的首選新材料。納米管最終可以用于納米級的電子線路。

英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計2006年，芯片廠商英特爾正指望用碳納米管取代半導體芯片內(nèi)部的銅連線。芯片連線已經(jīng)成為半導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體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會增加電阻，降低芯片的性能。90年代把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個問題。遺憾的是，隨著芯片尺寸的縮小，這個電阻問題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問題。碳納米管導電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。2008年2月1日亞利桑那州立大學DavidK.Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計算機的運行速度。碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會燒毀。用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球—月球的電梯，人們在月球定居就很容易了。利用納米磁學中顯著的巨磁電阻效應(yīng)和很大的隧道磁電阻現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。1997年，明尼蘇達大學電子工程系納米結(jié)構(gòu)實驗室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)磁盤，長度為40nm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400Gb×in-2。

[4]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。美國桑迪亞國家實驗室發(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，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后透過此結(jié)構(gòu)。激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器工作時只需約100微安的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個，接近了無能量運行所要求的條件。麻省理工學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。碳納米管場發(fā)射顯示器1999年韓國，2000年日本制成顯示器樣管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?！禨cience》IBM開發(fā)的發(fā)光元件為直徑1.4nm的納米管狀單分子，可發(fā)出波長1.5μm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。將該發(fā)光元件嵌入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。由于這是在同時具有雙極性的元件上進行的，能夠同時向一個碳納米管的源極中注入負電荷(電子)，向漏極中注入正電荷(空穴)。當電子和空穴在納米管中相遇時，電荷發(fā)生中和后就會發(fā)光。五光子糾纏態(tài)理論潘建偉：在量子物理學及量子信息學的交叉實驗領(lǐng)域做出了一系列研究成果，并成為首個被歐、美兩大物理學會同年評入2003年度國際物理學十大進展的中國科學家?！蹲匀弧冯s志發(fā)表評論時說，“盡管五粒子糾纏以及終端開放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶崿F(xiàn)非常困難，但是中國科學技術(shù)大學的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實驗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”。[5]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。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，化學反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。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。一般認為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%，即可充分屏蔽紫外線。如用添加0.1~0.5%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。分子篩(納米)反應(yīng)器分子篩具有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面、較高的機械強度做成納米反應(yīng)器。該反應(yīng)器能夠使化學反應(yīng)局限于一個很小的范圍內(nèi)進行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在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。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅MCM-41材料為基，利用液晶模板技術(shù)，在納米尺度上實現(xiàn)有機/無機離子的自組裝反應(yīng)。其特點是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm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，使其在分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應(yīng)用前景。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)構(gòu)，可以作為納米粒子的微型反應(yīng)容器。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。---納米反應(yīng)器清華大學的范守善教授利用SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。還制備出了GaN納米線。1998年與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領(lǐng)域。2007年7月美國Grimes在(NanoLetters)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組成的薄膜，可在太陽光的照射下將水分解為氫氣和氧氣。

photographshowingthecolorvariationinthesamplesasafunctionofironcontent.2009年2月，Grimes在Nanoletters報道了“水變油”實驗：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入?！爱旉柟庹丈湓诩{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。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)生成了甲烷和水?！痹谡麄€反應(yīng)后期，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。試驗所用的設(shè)備

[6]納米技術(shù)在生物學上的應(yīng)用

每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關(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。美國南加州大學的Adelman博士等應(yīng)用DNA分子計算技術(shù)有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”。分子計算機目前處于理想階段，但幾種生物分子已經(jīng)被考慮制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質(zhì)最具前景。在整個光循環(huán)過程中，細菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調(diào)諧激光束，將信息并行地寫入細菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。DNA不僅是生命遺傳信息的承載者，未來還可能充當納米級“電線”，用于制造超微電子設(shè)備。2007年6月日本大阪大學產(chǎn)業(yè)科學研究所發(fā)現(xiàn)電流可以通過DNA流動。研究發(fā)現(xiàn)：電流通過橫跨DNA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動。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，而另一端添加熒光色素。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，正電荷通過堿基移動到附著有熒光色素的一端，正電荷和熒光色素反應(yīng)后，熒光消失。此外，如果4種堿基排列的順序被改變，電流的速度也有所變化。[7]納米技術(shù)在醫(yī)學上的應(yīng)用

生物