納米材料技術及其應用

TheSmallWorld主講教師：李科敏2021年5月27日一、幾個有關的概念

1、納米〔nm〕：它是長度單位，1納米=米。一根頭發(fā)的直徑一般為7000-8000納米。

2、納米材料：尺度在0.1—100納米這個范圍，具有不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。

如果僅僅是尺度到達納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。3、納米生物學和納米藥物學：如可以用納米材料制成具有識別能力的納米生物細胞或生物醫(yī)藥，注入人體內后可以用于定向殺死癌細胞等有害人類健康的細胞或病毒。

4、納米電子學:包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光電性質、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等，滿足當前電子器件和系統(tǒng)“更小、更快、更冷〞的趨勢要求；更快是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。四、納米材料的根本性質

1、小尺寸效應：當顆粒尺寸減小到納米量級時，一定條件下導致材料宏觀物理、化學性質發(fā)生顯著地變化。例如，由于比外表積大大增加，使納米材料具有極強的吸附能力；光吸收顯著增強；納米陶瓷可以被彎曲，其塑性變形可達100%；納米微粒的熔點低于塊狀金屬，如塊狀金熔點為1337K，而2nm的金微粒的熔點只有600K?！靶〕叽缧暸e例

⑷特殊的熱學性質：當人們足夠地減少組成相的尺寸的時候，由于在限制的原子系統(tǒng)中的各種彈性和熱力學參數(shù)的變化，平衡相的關系將被改變。固體物質在粗晶粒尺寸時，有其固定的熔點，超細微化后，卻發(fā)現(xiàn)其熔點顯著降低，當顆粒小于10nm時尤為顯著。

⑸特殊的力學性質：如納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，這是因為納米微粒制成的固體材料具有大的界面，界面原子的排列相當混亂。原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性能。這就是目前的一些展銷會上推出的所謂“摔不碎的陶瓷碗〞。四、納米材料的根本性質

2、外表效應：物質的尺寸減小到納米級時，將引起物質外表原子數(shù)、外表積、外表能的迅速增加，從而引起物質的化學活性、物理性質〔光熱電磁力〕的明顯變化。例如，5nm的粒子，外表原子占50%；而2nm的粒子，外表原子占80%。

外表原子增加，因其周圍缺少相鄰的原子而有許多懸空不飽和鍵，這使納米材料的外表能增高，從而大大增強了納米粒子的化學活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無法比較的優(yōu)越性。四、納米材料的根本性質

3、量子尺寸效應：隨著粒子由宏觀尺寸進入納米范圍，準連續(xù)能帶將分裂為分立的能級，能級間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級能隙變寬的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應。這種量子尺寸效應導致納米粒子具有與宏觀物質截然不同的反常特性?！步麕Ъ訉挕?/p>

例如，粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時出現(xiàn)由導體變?yōu)榻^緣體的現(xiàn)象。四、納米材料的根本性質

4、宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如納米粒子的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。掃描隧道顯微鏡的根本原理就是基于量子隧道效應.

宏觀量子隧道效應和量子尺寸效應將會是未來微電子、光電子器件的根底。它們確定了微電子器件進一步微型化的極限。四、納米材料的根本性質

5、庫侖阻塞效應：當微粒的尺寸到達納米級時，這個體系的充電和放點是不連續(xù)〔量子化〕的。即電流隨電壓不再成線性增加而是階梯式增加。此時充入一個電子所需的能量成為庫侖阻塞能，它是電子進入和離開體系時前一個電子對后一個電子的庫侖排斥能，所以，對一個納米體系的充放電過程中，電子不能連續(xù)的集體傳輸，而是一個個單電子的傳輸，這種納米體系中電子的單個輸運現(xiàn)象叫做庫侖阻塞效應。五、納米碳管

納米碳管的外徑在1~50納米，長度一般從幾~幾百個微米〔1微米=1000納米〕，管壁分為單層和多層，多層碳納米管有多個單層納米管套疊而成。1、碳納米管可以因碳管的直徑和其中石墨層的卷曲方式不同而呈現(xiàn)很好的金屬導電性或半導體性。2、碳納米管具有良好的微波吸收性能和抗氧化性，可用作空中飛行器的隱形材料。3、碳納米管具有很高的比面積，可用于催化劑的載體。六、納米生物材料的內容和應用前景

1、納米生物材料，包括納米醫(yī)用載體、納米生物器件和納米醫(yī)藥等。

納米生物材料的科學根底是基于基因特征的分子表達，生物分子功能，生物大分子之間、大分子與外表之間、細胞與外表之間的規(guī)律與機理的認識。六、納米生物材料的內容和應用前景

2、納米生物材料的應用前景主要表達在：

〔1〕生物分子的操作和組裝。

〔2〕生物分子機器。

〔3〕生物分子芯片。

〔4〕生物分子識別系統(tǒng)。

〔5〕可以調控的功能分子膜。

〔6〕自組裝分子膜。

八、納米材料在信息領域的應用

4、納米光學材料：

〔2〕光子儲存器：光子存儲的根本原理是基于光子同物質〔記錄信息的介質〕的直接相互作用。它的最大優(yōu)點是：

〔i〕超高的記錄速度〔很容易到達納秒或皮秒量級〕

〔ii〕超高的分辨率〔在理論上到達分子水平〕

〔iii〕超高的存儲密度〔儲存容量特大〕八、納米材料在信息領域的應用

4、納米光學材料：

〔3〕光電腦：即光電腦，它是由激光器、透鏡、反射鏡等組成的電腦。

〔i〕光電腦是依靠激光束進入透鏡和反射鏡組成的陳列來對信息進行處理的，其處理信息的速度可達現(xiàn)有半導體硅器件的1000倍。

〔ii〕不同光束相交時可以互不影響地獨立傳播，這使得光電腦能夠在極小的空間內開辟很多平行的信息通道，如：一塊4平方厘米的通道空間，其容量超過全球現(xiàn)有電纜總和的許多倍。十一、社會需要真納米

目前，國內有關納米產品進入平民百姓家的報道有些炒作成分，媒體和廣告對納米產品的宣傳還缺少科學精神和社會責任感。納米水、納米化裝品、納米內衣、納米洗衣機、納米冰箱等產品的成效令人疑心。

如廣告：大米粥小米粥，我們要喝納米粥。

“納米水〞的報道：……喝納米水能養(yǎng)額、美