纳米材料的优异物理特性精.docx
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纳米材料的优异物理特性精
纳米材料及纳米技术
一.相关概念
1.纳米
2.纳米技术
3.纳米材料
二.纳米材料及技术的发展
1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料
2.纳米科技的诞生
3.当今世界出现的“纳米热”
三.我国纳米材料及科技的研发现状
1.在我国召开的标志性纳米会议
2.我国取得的标志性成果
3.我国的研究现状
四.纳米材料的优异性能及应用1.纳米材料的常见物理特性
1表面效应
2小尺寸效应
3量子效应
2.在信息工程和生物医学工程中的应用前景
1纳米分子开关及纳米计算机的研制
2纳米材料及技术在生物医学上的应用
五.“纳米”还不是“大米”
1.现今市场上所谓的纳米产品
2.“纳米”走出实验室的路还很长
一.纳米的有关概念
人类将世界划分为:
宏观、介观、微观。
纳米（nanometer是一个极小的长度单位:
1nm=10-9m,1纳米是1米的十亿分之一,相当于十个氢原子一个挨—个排起来的长度,人的一根头发丝的直径相当6万个纳米。
物质结构的最小单元是原子,一纳米相当于五个原子并排起来的长度。
那么原子有多大?
打个比方,把一个原子放大一亿倍。
它的大小就如一乒乓球,把一乒乓球放大一亿倍,它的大小就如月球。
红血球的尺寸为6000-9000纳米,细菌为2000-3000纳米,病毒为几十纳米,纳米在物理上虽然是一长度单位,但是在纳米科技中却具有更深层次的意义,它不仅意味着空间尺度,而且提供了一种全新的认识方法和实践方法,
纳米技术的内容:
在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。
它的出现标志着人类认识改造自然的能力已延伸到了一个新的层次,标志着人类科技已经进入了一个新时代——纳米时代。
纳米科技是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新技术,纳米科学几乎涉及了现有所有科技领域,1993年,国际纳米科技委员会将纳米科技分为纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学和纳米计量学等6个分学科,纳米技术将成为21世纪的主导科技。
纳米材料是纳米科技的重要组成部分,由尺寸为1-100nm的超微粉组成的固态或液态材料。
可分为两个层次,即纳米微粒和纳米固体或液体。
二.纳米材料及技术的发展
1.自然中存在及人工最早制备的纳米材料
●在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。
量子力学的奠基人薛定谔在《生命是什么》一书中指出:
生命活动是由分子机器实现的,酶是一种分子机器,它能打断化学键而使分子重新组合,DNA可以作为存储系统,把命令转移到核糖体中,而核糖体这种分子机器可以制造蛋白质分子。
在坚硬的牙齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶。
广义地说,动植物按最微基准来定义,就是纳米机器的组合体。
蜜蜂、螃蟹、海龟的体内具有纳米磁性粒子。
●中国古代利用燃烧的蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料,用于着色的染料等。
●1861年胶体化学出现,并随之人们逐渐对直径为1-100nm的微粒进行研究。
●70年代末80年代初,人们对纳米微粒的结构、形态和特性进行了较为系统的研究。
2.纳米科技的诞生
●纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜（ScanningTunnelingMicrosocopy发明为先导的。
该仪器是1981年由美国的IBM公司在苏黎世实验室的教授和
可以直接观察到原子,横向分辨率为0.1nm,纵向分辨率为0.01nm。
●1990年7月在美国巴尔基摩召开了国际第一届纳米科学技术会议。
这次会
议标志着纳米科技领域的正式形成。
●1992年9月在墨西哥召开了国际第一届纳米结构材料会议。
正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世。
每两年召开一次,1994年在德国召开了第二届,第三届在美国的夏威夷召开,1998年在瑞典召开第四届,2000年在日本的仙台召开第五届。
3.现今世界出现的“纳米热”
如今街谈巷议大有言必谈纳米之势,近来科学家们纷纷预测:
“纳米技术将是21世纪科技革命的生力军”。
“纳米技术将像微电子技术引发科技革命一样成为21世纪信息时代的核心。
”美国制定了纳米技术战略。
它与21世纪信息技术战略并列为最优先研究开发的重点。
2000年1月,美国政府发布了《国家纳米技术计划》,此计划被认为是面向未来的重大战略举措。
美国科学技术委员会2000年3月正式向美国政府提出报告,称纳米技术将成为21世纪前20年的主导技术,成为下一次工业革命的核心。
克林顿政府迅速做出反应,于7月间在原批准的研究经费5亿美元的基础上又增加了三倍拨款。
日本政府在其“2001年度科学技术振兴重点方针”中,把纳米技术列为重点,并成立了专门机构。
西欧对纳米技术的投入也已达数亿美元,还将纳米技术列入欧盟2002至2006年科研框架计划。
可以说德、日、英、法等国均已将纳米研究列入国家重点发展领域。
美、日、欧形成了一个“纳米技术大合唱”的阵势。
三.我国纳米材料和纳米技术的发展:
1.在我国召开的标志性纳米会议
●1991年11月召开了纳米科技发展战略学术研讨会。
与会者统一了认识,认为纳米科技是正在兴起的跨实际的战略性科技领域,纳米科技处于重大突破
时期,对有重大应用前景的实验室小试成果转化为生产力,并在会上制定了纳米科技发展战略对策,将纳米材料的制备及性能的研究列为“八五计划”重点项目。
●1993年8月STM‘93国际会议在北京召开。
江泽民会见了与会的包括STM发明者之一H。
Rohrer在内的专家,回国后,在给江的信中说,纳米科技现在已经具有了与150年前微米科技所具有的希望和重要意义,150年前微米成为新的精度标准,奠定了工业革命的基础。
最早和最好学会使用微米科技的国家,都在工业发展中战局了巨大的优势,同样,未来的科技将属于那些明知地接受纳米作为新标准并首先学习和使用它的国家。
我们应当记住,微米技术曾同样地被认为对使用牛耕地的农民是无关紧要的,的确,微米技术与牛和耕梨毫无关系,但它却改变了耕作方式,因为微米技术给我们带来了拖拉机。
●在1995年召开的材料科学中的前沿问题研讨香山会议中就将纳米材料的有关问题作为主要内容。
●1996年在中国召开了第四届纳米科技学术会议。
2.我国取得的标志性成果
●中科院化学所的白春礼研究员等研制出STM,并用其进行了石墨表面刻蚀,刻出线宽为10nm的“中国”字符。
●中科院北京真空物理实验室研究了一种新的表面原子操纵方法,在室温下,成功地在单晶硅表面上提走硅原子,形成宽度为2nm（3-4个硅原子的线条。
同时,他们还实现了原子可提,可植的有序移植原子技术。
还用扫描隧道显微镜获得了硅原子字“毛泽东”
近期的成果
●去年年底,一种几乎与人的自体骨以假乱真的高科技骨置换材料——纳米人骨问世,并顺利通过了国家863项目的验收。
纳米人工骨是川大生物医学工程学科博士生导师李玉宝教授历时3年研究成功的。
由于纳米人工骨具有优异的生物相融性、力学相融性和生物活性,所以它不但能与自然骨形成生物性骨键合,极易与人体肌肉和血管牢牢长在一起,并可诱导软骨生成。
●2001年初,中国科技大学的研究人员在国际上首次直接拍摄到了能够分辨出化学键的碳—60单分子图像,这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段,使科学家人工“组装”新物质分子成为可能。
这为“切割”和重新“组装”化学键,设计和制备单分子级的纳米器件奠定了坚实的基础。
●近期,中南大学湘雅医学院肝胆中心张阳德教授课题组利用纳米技术攻克肝癌的动物实验日前获得成功。
一只患有肝癌的老鼠在接受了高性能磁性阿霉素纳米微粒治疗后,其大部分癌细胞被抑制、杀死,肿块消失
●我国纳米研发现状细览
我国在作纳米科技规划布局时不仅重视近期、易出有显示度工作的领域,同时更重视那些带有根本性、规律性科技问题的研究。
往往后者的突破会带来革命性的变革,美国总统顾问尼尔.莱恩指出:
“（纳米技术并不只是向小型化迈进了一步,而是迈入了一个崭新的微观世界,在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。
”从某种意义来说纳米技术就是人工造构的、具有量子效应的结构技术。
从一开始它就是以量子论主宰世界为前提的科学技术。
虽然21世纪不断被称为“生物工程时代”、“光时代”和“高度信息化时代”如此等等,但是无论哪种称谓,其技术关键都是量子效应,这也是纳米技术是有可能引起计算机革命、材料革命、光革命甚至生物工程革命的原因。
因此,
我们十分重视纳米科技在量子物理层面上的研究,具体来讲就是要重视例如纳米量子结构、量子器件及其集成技术的基础研究。
●我国纳米材料研发力量分布
我国政府对纳米材料及纳米技术的研究一直给予高度重视,国家和各地方通过“国家攻关计划”、“863”计划、“973”计划的实施,积极投入力量和资金,使中国纳米的研发水平获得了很大的发展。
●中国纳米材料和纳米技术的研究,已初步形成以各具特色的两大纳米研发中心——北方中心和南方中心为核心,辐射四周的格局。
北方纳米研究开发中心以北京为中心,包括中国科学院的纳米科技中心、化学所、物理所、金属所、化冶所、感光所、半导体所,以及北大、清华、北京建材科研院、北京钢铁研究总院、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、天津大学、南开大学、吉林大学等;南方纳米研究开发中心以上海为中心,包括中国科学院的冶金所、硅酸盐所、原子核所、固体物理所、上海技术物理所,以及上海交大、复旦、同济、华东理工大学、华东师范大学、中科大、浙江大学、南京大学、山东大学等单位。
除上述两大中心外,西北的西安、兰州,西南的成都以及中南的武汉等也在该领域有所建树。
北方中心的主要研究领域包括碳纳米管、纳米磁性液体材料、纳米半导体、纳米隐身材料、高聚物纳米复合材料、纳米界面材料、纳米功能涂层、纳米材料的制备技术、纳米功能薄膜;南方中心则在纳米医学、纳米电子、纳米微机械、纳米生物、纳米材料、纳米材料制备与应用及产业化等领域具有较强的优势。
从系统分布上分析,纳米研发的主要力量集中在高等院校和中科院系统,
这两部分的科研力量占整个中国纳米研发力量的90%以上;另外,也有部分企业介入了纳米材料及技术的研发领域,但力量薄弱（约占5%,而且层次不高。
从人员结构上分析,中国现有纳米材料及纳米技术的研究人员有4500余人,其年龄结构比较合理,学历背景也非常过硬,70%以上的纳米科研人员拥有硕士以上学位,拥有博士、高级职称的约占30%,拥有硕士、中级职称的约占40%。
从研究的领域分析,现有纳米材料的研究,主要以金属和无机物非金属纳米材料为主,占80%左右,高分子和化学合成材料也是一个重要方面。
但在较低层次的纳米材料领域,集中了一半以上的研发力量,而在纳米电子、纳米生物医药方面,则力量薄弱。
四.纳米材料的优异特性及应用
1.纳米材料的几种物理特性
纳米结构材料的优异特性是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。
当宏观大的物体细分成超微粒子的时候,在一定的尺寸下,它显示出许多奇异的特性。
即它的力、热、光、磁,化学性质与传统固体相比显著不同。
通过研究发现超微粒子的特殊性质主要取决于它的表面效应,小尺寸效应和量子效应。
1表面效应:
表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加,比表面积（表面积/体积增大,粒子的表面能和表面张力也会随之增加,从而引起纳米粒子性质的变化。
纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬空键并具有不
饱和性,因而极易与其它原子相结合趋于稳定,具有很高的化学活性。
刚做出来的金属超微粒子如果不经过钝化在空气中可能自燃。
●由于表面活性高,利用它的表面活性特点,金属超微粒子可以做成新一代的高效环境友好催化剂和储氢材料。
在火箭发射的固体燃料推进剂中添加约1%（质量的超微铝或镍,燃料燃烧热增加约1倍。
●纳米ZnO、TiO2等半导体纳米粒子的光催化作用在环保健康方面有广泛的应用。
利用这些化合物半导体在紫外线和可见光的辐照下产生光生电子和光生空穴来参与氧化-还原反应,从而达到净化空气和降解污水中多种有机物的目的。
●利用它的大表面比作成敏感材料,如气、湿、光敏器件。
这种传感器的优点是敏感度比体材料好得多,体积小,用量也少。
2小尺寸效应当超微颗粒尺寸不断减少,在一定的条件下会引起材料的宏观物理化学性质的变化,称为小尺寸效应。
A.对力学性质的影响:
传统陶瓷呈现出脆性,由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。
由于超微粉具有大的界面,界面原子排列相当混乱,原子在外力变形条件下容易迁移,因此表现出很好的韧性与一定的延展性。
B.特殊的热学性质:
由于在纳米尺寸下,可以说材料的空间维数减少,表面能增大,金属纳米材料的熔点减少。
块状金的熔点为1064℃,当变成10nm时,为1037℃,2nm时为327℃。
银的熔点可由690℃降到100℃。
因此,银超细粉制成的导电浆料可在低温下烧结。
这样元件基片不必采用耐高温的陶瓷,而可采用塑料。
这种浆料做成膜既均匀、覆盖面大,又省料、质量好。
C.特殊的光学性质:
金属超微粉对光的反射率很低,一般低于1%,几乎所有的金属材料在细到小于光波的波长时（几千个埃会失去原有的金属光泽,呈
现黑色。
尺寸越小,颜色越黑。
利用此特性可以做高效的光热,光电转换材料,同时,还可以做防红外,防雷达的隐身材料,例如,用纳米铁氧体微粒制成的吸收波材料在国防军事上有很大的应用,美国已在这方面将此实用化了,1991年海湾战争中,美国的隐身战斗攻击机F-117A共执行任务1270次,无一损伤,D.特别的磁性能:
小尺寸的超微粒子的磁性比大块材料强许多倍。
20nm的磁性氧化物的矫顽力是大块铁的1000倍,但当尺寸再减少的时候,其矫顽力反而又降低了成为超顺磁性。
利用超微粒子具有的高的矫顽力的性质,已做成了高储存密度的磁记录粉,用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等。
如果磁光盘一旦进入纳米级,它的信息储存量将为现有光盘的106倍。
量子磁盘计算机中具有存储功能的磁盘的发展总趋势是尺寸不断减小,存储密度快速提高。
一般磁盘存储密度为106~107比特/英寸2。
光盘问世以后,把存储密度提高到了109比特/英寸2。
由于受到材料的限制,一度认为1011比特/英寸2是磁盘存储密度的极限。
1997年,明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘,磁盘尺寸为100纳米,它是由直径为100纳米,长度为40纳米的钴棒按周期为40纳米排列成的量子棒阵列。
由于纳米磁性单元是彼此分离的,因而人们把这种磁盘称为量子磁盘。
它的存贮密度达到了4*1011比特/英寸2。
这种量子磁盘预计将在2005年进入实用化阶段。
高密度记忆存储元件发展趋势是降低元件尺寸,提高存储密度。
铁电材料,特别是铁电薄膜是设计制造记忆存储元件的首选材料。
目前,国际上实用记忆存储元件的存储密度最高水平是4兆比特/英寸2。
日本NEC公司已经把记忆元件的尺寸缩小到700纳米,但是仍然不能满足下一世纪信息产业的要求。
1998年,德国微结构物理研究所利用自组织生长技术在铁电薄膜中合成
了纳米氧化铋有序平面阵列,记忆元件尺寸比NEC公司的产品小了50倍,达到了14纳米,芯片的存储密度达到了10兆比特/英寸2。
纳米结构有序平面阵列体系已经成为设计下一代超小型、高密度记忆元件的重要途径。
3量子效应:
孤立原子的能级是分立的,能量是量子化的。
当原子形成固体之后,由于晶体周期场的影响,分离的能级形成能带。
后来日本科学家在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子数的减少,电子能级类似孤立原子中的能级,变为不连续,能带中能级间隔加大。
当能隙大于它具有的热能、电磁能时,超微粒子就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的性质,称之为量子尺寸效应。
金属导体可能变成半导体甚至绝缘体。
对半导体材料来说,由于尺寸的减少,价带和导带之间的能隙增大,光吸收或者发光带的特征波长也不同于传统材料。
尺寸减少,发光带的波长向短波移动,这种现象称为“蓝移”。
4量子隧道效应:
电子具有粒子性也具有波动性,因此存在隧道效应。
近年来科学家发现纳米颗粒也具有隧道效应,属于宏观量子隧道效应。
这两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基础。
●目前,最精细的电子线路宽约为1微米,为头发丝的1%,经典电路的极限尺寸约为0.25um,要将电路进一步微型化就很困难,当电路的尺寸接近电子波长时,电子就会通过隧道效应而溢出器件。
●利用量子效应开发新技术和新装置。
电路依靠单个分子改变位置或形状,就能储存信息。
或者做成分子开关。
分子开关的研制及单电子和单分子晶体管的研制
1995年日本科学家率先在实验市里研制成功单电子晶体管,其使用硅和二氧化钛的纳米尺寸达到了几个纳米。
近一两年,美国的大学也制造了在室温下
就具有单电子隧道效应的单电子晶体管。
美国IBM公司在美国时间2001年4月27日就宣布用炭纳米管加工出了晶体管阵列。
与硅晶体管相比,其尺寸只有硅的1/500大小。
IBM的新技术使得原来认为不可能实现的批量生产纳米管晶体管成为可能。
该公司于美国时间8月26日宣布,其研究小组采用碳纳米管成功地开发出了计算机逻辑电路（NOT门。
单分子（single-molecule逻辑电路“在世界上尚无先例。
以色列科学家近日宣布,他们成功研制出一种纳米级DNA计算机。
一根试管可容纳一万亿个此类计算机,运算速度达到每秒10亿次,精确度高达99.8%。
据《自然》介绍,该计算机是世界上第一种由DNA分子构成全部输入输出部件和软件的可编程独立计算机器。
数据以一条DNA链中的分子对表达,负责代码读取、复制和操作的则是作为硬件的两种天然酶。
当软硬件混合在试管中时,可对“输入分子”进行操作,然后生成“输出分子”。
DNA计算机耗能极小,非常适合植入细胞运行。
这种计算机将有很广阔的应用范围。
例如作为监视装置植入人体细胞,当检测到潜在的病变时自动合成有针对性的药物予以治疗;DNA计算机还能以并行而非顺序的方式筛选DNA资料库,从而大大提高检索效率。
生物计算机的主要材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子,并以此做为生物芯片。
在这种芯片中,信息以波的方式传播,运算速度要比当今最快的一代计算机快10万倍左右,能量消耗仅为普通计算机的几亿分之一,而存贮信息空间仅占百亿分之一。
制造生物计算机,纳米技术扮演着很重要的角色。
世界上第一台生物计算机是美国于1994年11月在实验室研制成功的。
可以预见,不久的将来,生物计算机一定能进入实用化阶段,将对未来世界产生巨大的影
响。
而生物计算机和纳米机器人的结合将是科研工作者更高层次上的追求,是人类改造自然、改造宇宙的一个新的目标。
2.在医学和生物方面的应用
纳米医学对于医学的发展具有深刻的含义,对于研究疾病的诊断和治疗具有重大的意义。
疾病诊断上的初试
1.影像学诊断
一种新型的纳米影像学诊断工具“光学相干层析术（OCT”于1997年12月由清华大学研制成功,OCT的分辨率可达1个微米级,较CT和核磁共振的精密度高出上千倍。
它不会像X线、CT、磁共振那样杀死活细胞。
有了如此准确的依据,人们或许有办法把疾病“扼杀在萌芽状态”,而不必等到生命的尾声才被CT或磁共振检查出癌组织病变。
2.实验室诊断
一种具有超高灵敏性激光单原子分子探测术问世了,它可通过人的唾液、血液、粪便以及呼出的气体,及时发现人体中哪怕只有亿万分之一的各种致病或带病游离分子。
3.植入传感器诊断
利用纳米级微小探针技术,可向人体内植入传感器,根据不同的诊断和监测目的,可定位于体内的不同部位,也可随血液在体内运行,随时将体内的各种生物信息反馈于体外记录装置。
此项技术有可能成为21世纪医学界常用的手段。
4.病理诊断方面
目前肿瘤诊断最可靠的手段是建立在组织细胞水平上的病理学方法,但存在
着良恶性及细胞来源判断不准确的问题。
利用原子力显微镜可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。
通过寻找特异性的异常纳米结构改变,以解决肿瘤诊断的难题。
如:
红细胞、巨噬细胞、食管上皮细胞、骨母细胞、精细胞、血管内皮细胞、腹膜巨噬细胞、神经母细胞、纤维母细胞、肝内皮细胞、单核细胞、神经细胞、脊椎细胞、胶质细胞、淋巴母细胞、肾上皮细胞等,以及牙龈组织、骨组织、角膜组织、巩膜组织、胃腺体的表面结构等。
5.遗传病诊断方面
为判断胎儿是否具有遗传缺陷,以往常采用价格昂贵并对人体有损害的羊水诊断技术。
如今应用纳米技术,可简便安全地达到目的。
妇女怀孕8周左右,在血液中开始出现非常少量的胎儿细胞,用纳米微粒很容易将这些胎儿细胞分离出来进行诊断。
6.癌症的早期诊断
中国医科大学第二临床学院把纳米级微粒应用于医学研究,完成了超顺磁性氧化铁超微颗粒脂质体的研究。
运用这项研究成果,可以发现直径3毫米以下的肝肿瘤。
这对肝癌的早期诊断、早期治疗有着十分重要的意义。
治疗疾病显身手
1.在基因治疗方面
基因治疗所面临的最大挑战是,首先要找到病变细胞的DNA链,并进一步明确有病的DNA片段,然后,利用纳米技术,将用于治疗的DNA片段送到病变细胞内,替换有病的DNA片段。
这就需要将DNA浓缩至50-200nm大小且带上负电荷,才能进入细胞核内。
用于治疗的DNA插入细胞核内有病的DNA的准确位点取决于纳米粒子的大小和结构。
2.在器官移植方面
纳米所要做的是寻找生物兼容物质。
在器官移植领域,只要在人工器官外面涂上纳米粒子,就可预防人工器官移植的排异反应。
生物兼容物质的开发,是纳米材料在医学领域中的一个重要应用。
3.在开发新药方面
纳米级粒子可使药物在人体内的传输更为方便。
数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后,可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。
美国麻省理工学院的研究人员最近研制出“微型药店”:
一个微型芯片（可植入或吞服中包含了多达一千个微型药库——每个如针尖般大小,可容纳25毫微升药物。
这种“微型药店”可“出售”止痛药、抗生素等多种药物。
不久前,我国已成功地研制出纳米级的新一代抗菌药物。
这种粉末状的纳米颗粒直径只有25纳米,对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等致病微生物有强烈的抑制和杀灭作用,还具有广谱、亲水、环保等多种性能,并因使用天然矿物质而不会产生耐药性。
科学家目前正在研制一种糖尿病患者专用的超微型传感器,这种传感器会模拟健康人的葡萄糖检测系统。
它可植入患者皮下,监
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