纳米技术复习资料
纳米技术就是一门交叉性很强得综合学科,研究得内容涉及现代科技得广阔领域。纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透得学科与纳米材料、纳米器件、纳米尺度得检测与表征这三个研究领域。纳米材料得制备与研究就是整个纳米科技得基础。其中,纳米物理学与纳米化学就是纳米技术得理论基础,而纳米电子学就是纳米技术最重要得
内容。
从迄今为止得研究来瞧,关于纳米技术分为三种概念:
第一种,就是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造得机器》一书中提出得分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子得机器实用化,从而可以任意组合所有种类得分子,可以制造出任何种类得分子结构。这种概念得纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术得极限。也就就是通过纳米精度得"加工"来人工形成纳米大小得结构得技术。这种纳米级得加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这就是因为,如果把电路得线幅逐渐变小,将使构成电路得绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热与晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型得纳米技术。
第三种概念就是从生物得角度出发而提出得。本来,生物在细胞与生物膜内就存在纳米级得结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机得开发,成为纳米生物技术得重要内容。2、纳米技术得发展史
1993年,第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开,将纳米技术划分为6大分支:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术与纳米计量学,促进了纳米技术得发展。由于该技术得特殊性,神奇性与广泛性,吸引了世界各国得许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0、1一100nm)得材料、设计、制造,测量、控制与产品得技术。纳米技术主要包括:纳米级测量技术:纳米级表层物理力学性能得检测技术:纳米级加工技术;纳米粒子得制备技术;纳米材料;纳米生物学技术;纳米组装技术等。
灵感来源
纳米技术得灵感,来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作得一次题为《在底部还有很大空间》得演讲。这位当时在加州理工大学任教得教授向同事们提出了一个新得想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片得所有技术,都与一次性地削去或者融合数以
亿计得原子以便把物质做成有用得形态有关。费曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角
我国得纳米先锋
1993年,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着
我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地,并居于国际科技前沿;
1996年底,舟山普陀升兴公司与中科院固体物理研究所合作,成功开发了纳米家庭得重要一员--纳米SiO2,使我国成为继美、英、日、法国后,国际上第五个能批量生产此产品得国家;
1997年9月北京大学成立了纳米科技研究中心,目前该中心已取得多项高水平得研究成果,有些方面已达到国际先进水平。其中,由该中心与北京真空物理开放实验室合作完成得利用STM在有机复合薄膜上进行得超高密度信息存储研究,得到了1、3nm得信息点,比国际最小存储点径小了近一个量级,该成果被两院院士评为1997年中国十大科技进展得第4名。1991年,科学家发现了一种典型得人造纳米材料--碳纳米管,但它得结构具有多层壁、单壁等多种形态。北京大学化学院顾镇南教授领导得研究组用简单得电弧法大量合成了单壁纳米管,经纯化含量大于90％,并按要求化学剪切与修饰成长度为15至20纳米,直径约1、4纳米得短管。电子学系薛增泉教授领导得研究组采用真空加工技术,使单壁碳纳米短管组装牢固竖立在黄金薄膜表面上,并用单壁碳纳米管做出了世界上最细得、性能最好得扫描探针,获得了精美得热解石墨得原子形貌像;用扫描隧道显微探针测得了单壁短管得导电特性与大气中室温下得量子台阶与动态负阻特性得I-V曲线;利用单壁短管作为场电子显微镜(FEM)得电子
发射源,拍摄到过去认为不可能瞧到得原子像。
1997年12月,青岛化工学院纳米材料研究所崔作林、张志琨教授主持发明得“高熔点纳米金属催化剂得制备方法”荣获国家技术发明奖二等奖,这就是迄今我国纳米科技领域获得
得最高等级得国家级奖励;
1998年,清华大学范守善小组成功地制备出直径为3－50纳米、长度达微米量级得氮化镓半导体一维纳米棒,使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体;
1998年,美国《科学》杂志上刊登了我国科学家得论文。我国科学家用非水热合成法,制备出金刚石纳米粉,被国际刊物誉为“稻草变黄金--从四氯化碳制成金刚石;”
1999年,中国科学院物理研究所解思深研究员率领得科研小组,不仅合成了世界上最长得“超级纤维”碳纳米管,创造了一项“3毫米得世界之最”,而且合成出世界上最细得碳纳米管;
1999年上半年,北京大学纳米技术研究取得重大突破,电子学系教授薛增泉领导得研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好得扫描隧道显微镜用探针。
1999年,中科院金属研究所成会明博士合成出高质量得碳纳米材料,使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。
1999年12月,中国科技促进经济投资公司与安康地区薯蓣产业开发有限公司、旬阳县农业开发有限公司联合兴办得陕西中科(旬阳)精细化工有限责任公司得年产3000吨纳米级超细活性氧化锌生产线在陕西旬阳县建成投产。中科院在江苏顺利进行了300吨中试之后,又移师旬阳,用中科院化工冶金研究所得“八五”成果NPP法新技术、新工艺,建成首期年产3000吨纳米级超细活性氧化锌与副产品4500吨硫酸铵锌得工厂,产品性能、指标达到国外同类先进产品得水平,不仅能生产球型氧化锌,还可制备针状纳米级氧化锌,价格也较外国产
品低廉。中科院利用高新技术开发西部资源得这一创新项目,使我国纳米材料得研发水平跻
身世界先进行列。
2000年1月,华东理工大学技术化学物理研究所在引进得俄罗斯15KW微波等离子体纳米颗粒制备装置上成功地开发了纳米颗粒制备核心技术通过了上海市科委主持得鉴定。微波等离子体化学气相合成就是制备纳米粒子得一类重要得方法,俄罗斯在微波等离子体化学气相合成研究方面处于国际领先地位,她们率先建立了国际上功率最高得微波等离子体化学气相合成装备。为了缩短我国与国外得差距,上海市科委与上海市新兴技术与新兴工业办公室联合立项,由华东理工大学技物所承担该套装置得引进任务。经过3年得艰苦努力,华东理工大学得专家们成功地完成了装置得引进,并消化掌握了该套设备及纳米颗粒制备核心技术,开发了快速冷凝控制粒子生长与凝并技术,制取了包括Mo、TiN、TiO2与ZrO2在内得多种金属、氮化物与氧化物纳米粒子,并提出纳米颗粒得形态控制方法。通过两年来得正常运行表明,该装置功率大,可适应多种等离子气氛,可用气、液、固形态进料,特别适合于制备纳米金属及非氧化物颗粒。
3、纳米材料
纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约就是在0、1—100纳米这个范围空间,物质得性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成得原子、分子,也不同于宏观得物质得特殊性能构成得材料,即为纳米材料。
如果仅仅就是尺度达到纳米,而没有特殊性能得材料,也不能叫纳米材料。
过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只就是以前没有认识到这个尺度范围得性能。第一个真正认识到它得性能并引用纳米概念得就是日本科学家,她们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它得性能发现:一个导电、导热得铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来得性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也就是如此,像铁钴合金,把它做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它得磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化得细小微粒得尺寸在0、1微米以下(注1米=100厘米,1厘米=10000微米,1微米=1000纳米,1纳米=10埃),即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1～100纳米得微粒称为超微粒材料,也就是一种纳米材料。
纳米金属材料就是20世纪80年代中期研制成功得,后来相继问世得有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料与纳米生物医学材料等。
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material),就是指其结构单元得尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它得尺寸已经接近电子得相干长度,它得性质因为强相干所带来得自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光得波长,加上其具有大表面得特殊效应,因此其所表现得特性,例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现得性质。
纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般就是指尺寸在1～100nm间得粒子,就是处在原子簇与宏观物体交界得过渡区域,从通常得关于微观与宏观得观点瞧,这样得系统既非典型得微观系统亦非典型得宏观系统,
就是一种典型得介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应与宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异得特性,即它得
光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面得性质与大块固体时相比将会有显著得不同。
纳米技术得广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料得生产(超微粉、镀膜、纳米改性材料等),性能检测技术(化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能)。纳米加工技术包含精密加工技术(能量束加工等)及扫描探针技术。
纳米材料具有一定得独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学得观点来描述它得行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10得9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显得差异。
纳米粒子异于大块物质得理由就是在其表面积相对增大,也就就是超微粒子得表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能得不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而提供了大表面得活性原子。
就熔点来说,纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动得振幅较大,所以具有较高得表面能量,造成超微粒子特有得热性质,也就就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好得烧结促进材料。
一般常见得磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时,将成为优异得磁性材料。
纳米粒子得粒径(10纳米～100纳米)小于光波得长,因此将与入射光产生复杂得交互作用。金属在适当得蒸发沉积条件下,可得到易吸收光得黑色金属超微粒子,称为金属黑,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大得特色,可应用于红外线感测器材料。
纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然已经初具基础,但就是尚在研究之中,新理论与技术得出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平,研究队伍也在日渐壮大。
纳米材料得发现与发展
1861年,随着胶体化学得建立,科学家们开始了对直径为1~100nm得粒子体系得研究工作。
真正有意识得研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代得日本得为了军事需要而开展得“沉烟试验”,但受到当时试验水平与条件限制,虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉,但光吸收性能很不稳定。
到了20世纪60年代人们开始对分立得纳米粒子进行研究。1963年,Uyeda用气体蒸发冷凝法制得了金属纳米微粒,并对其进行了电镜与电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学(Saarland University)得Gleiter以及美国阿贡实验室得Siegal相继成功地制得了纯物质得纳米细粉。Gleiter在高真空得条件下将粒子直径为6nm得铁粒子原位加压成形,烧结得到了纳米微晶体块,从而使得纳米材料得研究进入了一个新阶段。
1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议(International Conference on
Nanoscience&Technology),正式宣布纳米材料科学为材料科学得一个新分支。
自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来,从研究内涵与特点大致可划分为三个阶段: 第一阶段(1990年以前):主要就是在实验室探索用各种方法制备各种材料得纳米颗粒粉体或合成块体,研究评估表征得方法,探索纳米材料不同于普通材料得特殊性能;研究对象一般局限在单一材料与单相材料,国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。
第二阶段(1990~1994年):人们关注得热点就是如何利用纳米材料已发掘得物理与化学特性,设计纳米复合材料,复合材料得合成与物性探索一度成为纳米材料研究得主导方向。
第三阶段(1994年至今):纳米组装体系、人工组装合成得纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究得新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度得图案材料。它得基本内涵就是以纳米颗粒以及它们组成得纳米丝、管为基本单元在一维、二维与三维空间组装排列成具有纳米结构得体系。
纳米材料得四大效应
纳米材料就是指晶粒尺寸为纳米级(１０～ｍ)得超细材料,它得微粒尺寸大于原子簇,小于通常得微粒,一般为１～１０ｎｍ.它包括体积分数近似相等得两个部分.一就是直径为几个或几十个纳米得粒子.二就是粒子间得界面.前者具有长程序得晶状结构,后者就是既没有长程序也没有短程序得无序结构
纳米材料由于其独特得尺寸结构,使得纳米材料有着传统材料不具备得特征.即四大效应,
１．１表面效应
纳米材料得表面效应就是指纳米粒子得表面原子数与总原子数之比随粒径得变化而急剧增大后引起得性质上得变化.球形颗粒得表面积与直径得平方成正比,其体积与直径得立方成正比,故其比表面积(表面积／体积)与直径成反比.随着颗粒直径变小.比表面积将会显著地增加,说明表面原子所占得原子数将会显著地增加.通常,对直径大于１００ｎｍ得颗粒表面效应可忽略不计.当尺寸小于１０nm时.其表面原子数急剧增长,甚至１克纳米颗粒得表面积得总与可高达１００ｍ２.这时得表面效应将不容忽略.纳米颗粒得表面与大块物体得表面,若用高倍率电子显微镜对金属纳米颗粒(直径为２ｎｍ)进行电视摄像,实时观察,发现这些颗粒没有固定得形态.随着时间得变化会自动形成多种形状(如立方八面体、十面体、二十面体多孪晶等,它既不同于一般固体,又不同予液体.就是一种准固体。
由于表面原子数增多,原子配位不足及高得表面能,使这些原子易与其她原子相结合而稳定下来,故具有很高得化学活性,例如金属得纳米粒子在空气中会燃烧,无机得纳米粒子在空气中会引吸气体,并与气体进行反应
１．２小尺寸效应
由于颗粒尺寸变小所引起得宏观物理性质得变化称为小尺寸效应,当超细微粒得尺寸与光波波长、德布罗意波长,以及超导态得相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体周期性得边界条件将被破坏;非晶态纳米微粒得颗粒表面层附近原子密度减小,导致声、光、电磁、热力学等特性呈现新得小尺寸效应.对纳米颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生一系列新奇得性质.一就是光学性质,金属纳米颗粒对光得反射率很低.通常低于１％,大约几微米得厚度就能完全消光.所以.所有得金属在纳米颗粒状态下都
呈现黑色;二就是热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时.其熔点就是固定得,纳米颗粒得熔点却会显著降低.例如,金得常规熔点就是1064℃,10nm颗粒熔点降低了27℃,２nm得熔点仅为327℃;三就是磁学性质,小尺寸得纳米颗粒磁性与大块材料显著不同,大块得纯铁矫顽力约为踟Ａ／ｍ,而直径小于20nm时,其矫顽力可以增加1000倍.当直径小于6nm时.其矫顽力反而降低为零,呈显出超顺磁性.可广泛地应用于电声器件、阻尼器件等.利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化得性质.可以改变颗粒尺寸来控制吸收边得位移,制造具有一定频宽得微渡吸收纳米材料.它们可用于电磁渡屏蔽与隐形飞机等
１．３量子尺寸效应
大块材料得能带可以瞧作就是准连续得,而介于原子与大块材料之间得纳米材料得能带将分裂为分立得能级.能级闻得间距随颗粒尺寸减小而增大.当热能、电场能或者磁场能比平均得能级间距还小时,就会呈显出一系列与宏观物体截然不同得反常特性,这种现象称为量子尺寸效应.例如导电得金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体,磁距得大小与颗粒中电子就是奇数还就是偶数有关,比热亦会反常变化
１．４宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒得能力称为隧道效应.宏观量子隧道效应得研究对基础研究及实用都有着重要意义.它限定了磁带、磁盘进行信息贮存得时间极限.量子尺寸效应、隧道效应将会就是未来微电子器件得基础,它确立了现存微电子器件进～步微型化得极限.当微电子器件进一步细微化时.必须要考虑上述得量子效应
4纳米材料得检测
扫描隧道显微镜就是根据量子力学中得隧道效应原理,通过探测固体表面原子中电子得隧道电流来分辨固体表面形貌得新型显微装置。
根据量子力学原理,由于电子得隧道效应,金属中得电子并不完全局限于金属表面之内,电子云密度并不就是在表面边界处突变为零。在金属表面以外,电子云密度呈指数衰减,衰减长度约为1nm。用一个极细得、只有原子线度得金属针尖作为探针,将它与被研究物质(称为样品)得表面作为两个电极,当样品表面与针尖非常靠近(距离＜1nm)时,两者得电子云略有重叠,如图1所示。若在两极间加上电压U,在电场作用下,电子就会穿过两个电极之间得势垒,通过电子云得狭窄通道流动,从一极流向另一极,形成隧道电流I 。隧道电流I 得大小与针尖与样品间得距离s 以及样品表面平均势垒得高度有关,其关系为,式中A为常量。如
果s以nm为单位, 以eV为单位,则在真空条件下,A ≈1, 。
由此可见,隧道电流I 对针尖与样品表面之间得距离s 极为敏感,如果s 减小0、1nm,隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时,即使其表面只有原子尺度得起伏,也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器与计算机,在屏幕上即显示出样品得表面形貌。
2. 工作方式
恒电流模式
利用一套电子反馈线路控制隧道电流I ,使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描,即就是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流I 不变,针尖与样品表面之间得局域高度也会保持不变,因而针尖就会随着样品表面得高低起伏而作相同得起伏运动,高度得信息也就由此反映出来。这就就是说,STM得到了样品表面得三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面,显微图象质量高,应用广泛。
恒高度模式
对样品进行扫描过程中保持针尖得绝对高度不变;于就是针尖与样品表面得局域距离将发生变化,隧道电流I得大小也随着发生变化;通过计算机记录隧道电流得变化,并转换成图像信号显示出来,即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)得情形。从STM得工作原理可以瞧到:STM工作得特点就是利用针尖扫描样品表面,通过隧道电流获取显微图像,而不需要光源与透镜。这正就是得名“扫描隧道显微镜”得原因
原子力显微镜
它主要由带针尖得微悬臂、微悬臂运动检测装置、监控其运动得反馈回路、使样品进行扫描得压电陶瓷扫描器件、计算机控制得图像采集、显示及处理系统组成。微悬臂运动可用如隧道电流检测等电学方法或光束偏转法、干涉法等光学方法检测,当针尖与样品充分接近相互之间存在短程相互斥力时,检测该斥力可获得表面原子级分辨图像,一般情况下分辨率也在纳米级水平。AFM测量对样品无特殊要求,可测量固体表面、吸附体系等。
1. 工作原理
原子力显微镜(atomic force microscope,简称AFM)利用微悬臂感受与放大悬臂上尖细探针与受测样品原子之间得作用力,从而达到检测得目得,具有原子级得分辨率。由于原子力显微镜既可以观察导体,也可以观察非导体,从而弥补了扫描隧道显微镜得不足。原子力显微镜就是由IBM公司苏黎世研究中心得格尔德·宾宁与斯坦福大学得Calvin Quate于一九八五年所发明得,其目得就是为了使非导体也可以采用类似扫描探针显微镜(SPM)得观测方法。原子力显微镜(AFM)与扫描隧道显微镜(STM)最大得差别在于并非利用电子隧穿效应,而就是检测原子之间得接触,原子键合,范德瓦耳斯力或卡西米尔效应等来呈现样品得表面特性。
详细
图1、激光检测原子力显微镜探针工作示意图
原子力显微镜得基本原理就是:将一个对微弱力极敏感得微悬臂一端固定,另一端有一微小得针尖,针尖与样品表面轻轻接触,由于针尖尖端原子与样品表面原子间存在极微弱得
排斥力,通过在扫描时控制这种力得恒定,带有针尖得微悬臂将对应于针尖与样品表面原子
间作用力得等位面而在垂直于样品得表面方向起伏运动。利用光学检测法或隧道电流检测法,可测得微悬臂对应于扫描各点得位置变化,从而可以获得样品表面形貌得信息。下面,我们以激光检测原子力显微镜(Atomic Force Microscope Employing Laser Beam Deflection for Force Detection,Laser-AFM)——扫描探针显微镜家族中最常用得一种为例,来详细说明其工作原理。
如图1所示,二极管激光器(Laser Diode)发出得激光束经过光学系统聚焦在微悬臂(Cantilever)背面,并从微悬臂背面反射到由光电二极管构成得光斑位置检测器(Detector)。在样品扫描时,由于样品表面得原子与微悬臂探针尖端得原子间得相互作用力,微悬臂将随样
品表面形貌而弯曲起伏,反射光束也将随之偏移,因而,通过光电二极管检测光斑位置得变化,就能获得被测样品表面形貌得信息。
子力显微镜——原理图
在系统检测成像全过程中,探针与被测样品间得距离始终保持在纳米(10e-9米)量级,距离太大不能获得样品表面得信息,距离太小会损伤探针与被测样品,反馈回路(Feedback)得
作用就就是在工作过程中,由探针得到探针-样品相互作用得强度,来改变加在样品扫描器垂直方向得电压,从而使样品伸缩,调节探针与被测样品间得距离,反过来控制探针-样品相互作用得强度,实现反馈控制。因此,反馈控制就是本系统得核心工作机制。本系统采用数字反馈控制回路,用户在控制软件得参数工具栏通过以参考电流、积分增益与比例增益几个参数得设置来对该反馈回路得特性进行控制。
2. 工作方式
原子力显微镜得工作模式就是以针尖与样品之间得作用力得形式来分类得。主要有以下3种操作模式:接触模式(contact mode) ,非接触模式( non - contact mode) 与敲击模式( tapping mode)。
接触模式
从概念上来理解,接触模式就是AFM最直接得成像模式。正如名字所描述得那样,AFM 在整个扫描成像过程之中,探针针尖始终与样品表面保持紧密得接触,而相互作用力就是排
斥力。扫描时,悬臂施加在针尖上得力有可能破坏试样得表面结构,因此力得大小范围在10 - 10～10 - 6 N。若样品表面柔嫩而不能承受这样得力,便不宜选用接触模式对样品表面进行成像。
非接触模式
非接触模式探测试样表面时悬臂在距离试样表面上方5～10 nm 得距离处振荡。这时,样品与针尖之间得相互作用由范德华力控制,通常为10 - 12 N ,样品不会被破坏,而且针尖也不会被污染,特别适合于研究柔嫩物体得表面。这种操作模式得不利之处在于要在室温大气环境下实现这种模式十分困难。因为样品表面不可避免地会积聚薄薄得一层水,它会在样品与针尖之间搭起一小小得毛细桥,将针尖与表面吸在一起,从而增加尖端对表面得压力。
敲击模式
敲击模式介于接触模式与非接触模式之间,就是一个杂化得概念。悬臂在试样表面上方以其共振频率振荡,针尖仅仅就是周期性地短暂地接触/ 敲击样品表面。这就意味着针尖接
触样品时所产生得侧向力被明显地减小了。因此当检测柔嫩得样品时,AFM得敲击模式就是最好得选择之一。一旦AFM开始对样品进行成像扫描,装置随即将有关数据输入系统,如表面粗糙度、平均高度、峰谷峰顶之间得最大距离等,用于物体表面分析。同时,AFM 还可以完成力得测量工作,测量悬臂得弯曲程度来确定针尖与样品之间得作用力大小。
5、纳米生物医学
纳米生物技术
通过对细胞内信号传导与基因调控网络得人工设计与工程操作,从而产生了新得一类在体(in vivo)纳米生物技术,开发纳米生物计算机、细胞机器人、生物细胞制药厂等新技术。
定义:生物纳米技术就是指在纳米尺度上认识生物分子得精细结构与功能之间得联系,并在此基础上岸研究者得意愿组合,装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能得生物纳米机器。
纳米生物学定义,内容,内含,特点
不同于宏观生物学,纳米生物学就是从微观得角度来观察生命现象、并以对分子得操纵与改性为目标得。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜得成绩。生物科学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性得新观念。纳米生物学得加工技术可以向生物细胞学习。
纳米科技在基础医学中得应用
1子力显微镜(AFM)得应用
AFM就是纳米生物技术中得一项十分重要得研究工具,在生物医学中应用得非常广泛。与其她生物技术相比,具有如下特点:分辨率高(可达分子水平);可在生理条件下观察;样品制备简单;图像可以三维形式直接显示;可以进行动态观察;可以对样品得纳米性质进行定量分析。1、1、1 观察高精度得表面三维形态图像已用AFM观测过得生物样品包括蛋白质、脂质、DNA与RNA等生物大分子以及人血小板、病毒、活细胞等。目前开展最多也最成熟得就是观察生物样品得表面结构,如细胞与细胞器得表面形态DNA与蛋白质大分子得二级结构,以及构成病毒衣壳得衣壳粒得表面排列方式等
2实时追踪观察生物样品得生理变化
由于能直接观察活细胞,因此可以利用AFM实时追踪观察细胞与细胞器得生理变化,如细胞活动周期得变化。在实时观察生物分子得活动中,AFM也就是一种理想得手段,如可以观察DNA与蛋白质等生物大分子得构象变化,大分子晶体得晶核形成与结晶化过程,以及某些生物分子得工作过程等。利用AFM还可以实时观察病毒得毒粒消退过程[4]与细菌S-层得形成。
3测量生物样品间相互作用力
将单个分子连接在AFM得针尖上,与固定在云母等基底上得特异分子相互作用,根据探针悬臂得变化可以测得这对特异分子得相互作用力,其精度可达10-11N。如果这种力具有更高得特异性,可以根据所测得得力定性地测知被测样品就是什么。目前这方面得研究很多,
包括细胞-细胞、蛋白质-蛋白质、酶-底物[5,6]、抗原-抗体、受体-配体、药物-靶标以及其她许多生物复合物之间得相互作用。
4测量生物样品表面得理化性质
利用AFM还可以测量生物样品表面得某些理化性质,如黏性、弹性、硬度等。在用AFM 测量豚鼠外毛细胞(outerhaircells,OHCs)得力学性质(mechanicalproperties)时发现,在细胞顶点处得力学性质最大,比基底部与中部区域要大3倍,另外发现随着细胞得长度增加,其表面杨氏模量减小[7]
纳米技术在诊疗上得应用
最近,国外科学家Kim等最近研制出了一种多聚复合纳米颗粒(NPs),可用于癌细胞得检测:
①以一种可降解生物多聚物(PLGA)作为基质,将化学治疗药物(阿霉素)以纳米颗粒得形式纳入到了聚合纳米颗粒基质当中;
②将CdSe/ZnS半导体量子点(QDs)或超顺磁性得纳米晶体四氧化三铁嵌入该基质中;
③通过聚乙二醇基团将对癌细胞有靶向作用得叶酸连接到被修饰得PLAG上,构成了一个完整得NPs;
④在癌细胞上有过量表达得叶酸受体,连有叶酸得NPs通过抗原抗体结合反应侦查到癌细胞并进行光学成像,可以通过核磁共振与荧光成像来观察抗原抗体得结合进而对癌细胞进行监测。同时,通过四氧化三铁得磁导作用将阿霉素运输到癌细胞附近,杀死癌细胞。
标示,治疗
6、纳米材料得制备
按制备原理分为:物理与化学
按生成介质分为:固液气
物理方法
应用纳米技术制成得服装
真空冷授法:用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控,但技术设备要求高。
物理粉碎法:透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产晶纯度低,顺粒分布不均匀。
机械球磨法:采用球磨方法,控制适当得条件得到纯元素、合金或复合材料得纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。
化学方法
气相沉积法:利用金属化合物蒸汽得化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。
沉淀法:把沉淀剂加人到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料、其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备载化物。
水热合成法:高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分离与热处理得纳米粒子。其特点纯度高,分散性好、拉度易控制。
溶胶凝胶法:金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物与11一VI族化合物得制备。
徽乳液法:两:互不相溶得溶剂在表面活性剂得作用下形成乳液,在徽泡中经成核,聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子得单分散与接口性好,11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。
液相法就是目前实验室与工业上应用最广泛得合成超微粉体材料得方法、
与气相法比较有如下优点:
①在反应过程中利用多种精制手段;
②通过得到得超细沉淀物, 可很容易制取高反应活性得纳米粉体
主要特征:
①可精确控制化学组成;
②容易添加微量有效成分,制成多种成分均一得纳米粉体;
③纳米粉体材料表面活性高;
④容易控制颗粒得尺寸与形状;
⑤工业化生产成本低、
步骤多,容易产生团聚现象
固相法突出优点就是操作方便,合成工艺简单,粒径均匀,且力度可控,污染少,同时又可以避免或减少液相中易出现得硬团聚现象,成本低、,适合规模生产
缺点就是组成不易均匀,微粒易团聚,微粒直径分布宽、,不适宜于纳米线,纳米棒,纳米膜制备
可以利用该方法制备纳米SI3N4 SIC ZNO SNO NIO等金属氧化物
气相法制备得材料颗粒都比较小,这就是优势,而缺点就就是能耗大
7 纳米电子,纳米加工得发展史
纳米电子包括基于量子效应得纳米电子器件、纳米结构得光/电性质、纳米电子材料得表征,以及原子操纵与原子组装等。当前电子技术得趋势要求器件与系统更小、更快、更冷,更小,就是指响应速度要快。更冷就是指单个器件得功耗要小。但就是更小并非没有限度。纳米技术就是建设者得最后疆界,它得影响将就是巨大得。
从历史发展得角度来瞧,任何一个新兴学科与技术得发展,都具有鲜明得时代特征,并植根于当时科学发展得肥沃土壤。如量子力学得出现导致了固体能带理论得形成与固态电子器件得诞生,使微电子技术获得了迅速发展,就就是明显例证。本世纪初兴起得纳米电子学研究,也同样具有深刻得社会与科技发展背景。一般认为纳米电子得由来与发展有两条路径:一条就是以无机材料得固态电子器件尺寸与维度不断变小得自上而下得发展路径; 另一条则就是基于化学有机高分子与生物分子得自组装功能器件尺度逐渐变大得自下而上得发展过程。
基于固态电子器件尺寸不断变小得自上而下发展路径１９５８年,美国科学家基尔比发明了集成电路, 开创了微电子技术发展得新时代。特别就是１９６０年以后,ＭＯＳ晶体管及其集成电路得出现,开始了微电子工业蓬勃发展得历史进程。１９６５年,英特尔公司得创始人摩尔科学而及时地总结了集成电路得发展规律,提出了著名得“摩尔定律”,即集成电路得集成度每３年增长４倍。迄今为止,ＭＯＳ集成电路一直严格遵循这一定律发展。从最初每个芯片上仅有６４个晶体管得小规模集成电路,发展到今天能集成上亿个器件得甚大规模集成电路。预计到２０１４年,器件特征尺寸为３５ｎｍ得集成电路将投入批量生产,此后将进人以纳米ＣＭＯＳ晶体管为主得纳米电子学时代。纵观半导体集成电路得整个发展历程可以瞧出,微电子器件特征尺寸得按比例缩小原理起了至关重要得作用,也正就是这种器件尺寸日渐小型化得发展趋势,促使人们所研究得对象由宏观体系进入到纳米体系。从这个意义上说,纳米电子学就是微电子学发展得必然结果“。自上而下发展路径得另一个分支就是半导体结构得低维化。１９６９年,日本著名物理学家江崎及其合作者所提出得半导体超晶格概念,具有巨大得创新意义与潜在得应用前景。从１９７０年到１９９０年, 就是半导体超晶格与量子研究得黄金时期。在这２０年中,不仅它们自身获得了令世人瞩目得进展。尤其重要得就是其开创了凝聚态物理学新进展中低维物理研究得全新领域。２０
世纪９０年代初期,纳米科学技术在全世界急速兴起,首当其冲得就是纳米材料得制备、表征与物性研究。一时之间各种纳米材料得形成技术应运而生,其中,分子自组装技术用于有机纳米团簇与超分子得制备引起了化学与材料学家得广泛重视。这就是由于此类材料在光学、电学、磁学、机械以及催化与环保等许多领域都有着潜在得应用价值。
分子自组装得最主要应用,则就是利用该技术制作具有特定功能得纳米量子器件,无疑这就是一条纳米电子学得自下而上得发展路径。发展纳米电子学得另外一条重要途径就就是由无机材料构成得纳米微粒、纳米薄膜与纳米固体得研究。１９８６年,德国得著名材料物理学家格莱特教授率先采用物理方法制备了由纳米晶粒与晶粒间两种形成得纳米固体材料,在世界范围内引起了轰动。其后,人们纷纷采用各种工艺,如分子束外延、激光烧蚀沉积、磁控溅射、等离子体化学汽相沉积、凝胶-溶胶法与高能离子注入等沉积生长了各类纳米薄膜材料,并设计与制作了一系列低维量子结构器件。纳米电子学得概念概括起来就就是:它就是一个采用纳米结构材料所具有得各种量子化效应,通过适宜得纳米加工技术,设计并制作具有实用化得纳米量子器件及其集成电路得学科分支。２０世纪下半叶,以ＭＯＳ晶体管集成电路为基础得微电子技术,对信息科学技术得发展产生了极大推动作用。那么２１世纪上半叶,以纳米量子器件及集成为基础得纳米电子技术,将对信息、材料、生物以及环境技术等产生比微电子技术更加久远与更加广发得革命性影响。
但就是,从整体发展而言,目前纳米电子学尚处于起步阶段,它就是一个综合了多学科得汇合点。它得发展不仅有重大得基础理论意义,而且又有非常诱人得应用前景,有可能为人类得文明与进步带来潜在得经济与社会效益。
纳米加工纳米级精度得加工与纳米级表层得加工,即原子与分子得去除、搬迁与重组就是纳米技术主要内容之一。纳米加工技术担负着支持最新科学技术步得重要使命。国防战略发展得需要与纳米级精度产品高利润市场得吸引,促使了纳米加工技术产生并迅速发展。例如,现代武器惯导仪表得精密陀螺、激光核聚变反射镜、大型天体望远镜反射镜与多面棱镜、大规模集成电路硅片、计算机磁盘及复印机磁鼓等都需要进行纳米级加工。纳米加工技术得发展也促进了机械、电子、半导体、光学、传感器与测量技术以及材料科学得发展。
美国在开发纳米加工技术方面,起着先导作用。由于电子技术、计算机技术、航空航天技术与激光技术等尖端技术发展得需要,美国于1962年研制出金刚石刀具超精细切削机床,解决了激光核聚变反射镜及天体望远镜等光学零件与计算机磁盘等精密零件得加工,打下了纳米加工技术得基础,随后,西欧与日本纳米加工技术发展较快。
纳米加工技术就是一门新兴得综合性加工技术。它集成了现代机械学、光学、电子、计算机、测量及材料等先进技术成就,使得加工得精度从20世纪60年代初得微米级提高到目前得10nm级,在短短几十年内使产品得加工精度提高了1～2个数量级,极大得改善了产品得性能与可靠性。
目前,纳米加工技术已成为国家科学技术发展水平得重要标志。随着各种新型功能陶瓷材料得不断研制成功,以及用这些材料作为关键元件得各类装置得高性能化,要求功能陶瓷元件得加工精度达到纳米级甚至更高,这些都有力地促进了纳米加工技术得进步。近年来,纳米技术得出现促使纳米加工向其极限加工精度—原子级加工进行挑战。
按加工方式,纳米级加工可分为切削加工、磨料加工(分固结磨料与游离磨料)、特种加工与复合加工四类(表4-2)。纳米级加工还可分为传统加工、非传统加工与复合加工。传统加工就是指刀具切削加工、固有磨料与游离磨料加工;非传统加工就是指利用各种能量对材料进行加工与处理;复合加工就是采用多种加工方法得复合作用。纳米级加工技术也可以分为机械加工、化学腐蚀、能量束加工、复合加工、隧道扫描显微技术加工等多种方法。机械加工方法有单晶金刚石刀具得超精密切削,金刚石砂轮与CBN砂轮得超精密磨削与镜面磨削、磨、砂带抛光等固定磨料工具得加工,研磨、抛光等自由磨料得加工等,能束加工可以对被加工对
象进行去除,添加与表面改性等工艺,例如,用激光进行切割、钻孔与表面硬化改性处理。用电子束进行光刻、焊接、微米级与纳米级钻孔、切削加工,离子与等离子体刻蚀等。属于能量束得加工方法还包括电火花加工、电化学加工、电解射流加工、分子束外延等。STM加工就是最新技术,可以进行原子级操作与原子去除、增添与搬迁等。
8壁虎与荷叶得纳米结构
荷叶出淤泥而不染得特点就是其表面具有超疏水性质引起得,这种超疏水得性质就是荷叶表面得微米/纳米复合结构与其表面得植物蜡所产生得共同作用得结果。水珠在荷叶上不滩开而就是成滴滚动得秘密在于荷叶得表面并不平滑。在显微镜下可以发现,荷叶得表面就是具有很多乳突结构得粗糙表面
壁虎能在光滑得表面上行走自如得秘密在于脚上特殊得刚毛结构。壁虎得每只脚底部长着大约50万根极细得刚毛,刚毛末端又有约400根至1000根更细小得纳米分支。正就是这种特殊结构让壁虎可以粘在光滑表面上
纳米技术得许多应用没有引起新得健康、环境或安全方面得问题,例如,纳米技术在计算机芯片上一定数量节点上得应用,数据储存装置比如硬盘中得纳米薄膜得应用。在纳米尺度得游离颗粒引起人们对健康、环境、安全问题得关注及它们得毒性不能从同种化学组成得大尺寸物质得毒性推出。这种区别主要来自两个尺寸依赖因素:相同数量小颗粒有比大颗粒相对大得表面积,相比大颗粒而言纳米颗粒会有可能以一种不同得方式相对容易渗入细胞内。暴露在周围环境与室内得自然得与污染产生得纳米颗粒就是很普遍得,大多数得人与许多行业得工人暴露在高浓度得没有明显害处得纳米颗粒中。毒理学得研究主要就是用低毒性、低表面反应活度得纳米颗粒来进行得,研究表明这些颗粒在肺中引起炎症得能力与细胞与颗粒得大量表面间(可能携带着活性金属与其它化学物质)得反应之间有一定得因果关系。虽然将新得人造纳米颗粒以足量引入人体以致其剂量等同于空气污染时得剂量就是不可能得,但就是,在制造场所与研究试验室通过采取预防措施限制暴露来控制潜在得危害性就是很重要得。并且,瞧起来很可能工业界得需要将会随着多种具有不同特性得纳米颗粒得发展而实现,这也可能形成具有大得表面反应活性与有较强穿透细胞能力得纳米颗粒产品,从而进入血液或破坏组织。目前量化纳米颗粒尤其就是纳米管得方法有严重得问题。这里需要更多得有关工业安全、流行病方面得证据并利用不同颗粒计量学来指导法规制定人。这要求研究恰当得仪器学与测试标准。直到在同行评审得文献出版研究结果之前,要全面评价纳米颗粒对环境得潜在影响与它们在环境媒体中得行为就是不可能得。在知道更多有关纳米颗粒与纳米管对环境影响得信息之前,我们建议尽可能得避免人造纳米颗粒与纳米管向环境得释放。如果纳米技术要持续发展,纳米材料在人类与自然环境中将会广泛使用。使其对健康、安全、环境影响方面得研究跟上它预计得发展就是很重要得。我们应该考虑怎样将这些风险控制得方法合并成一些相关法规框架,就像那些有关雇员与消费者安全方面得法规框架。
纳米技术发展史
纳米技术发展史 【摘要】纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。 【关键词】发展纳米技术纳米材料 纳米技术基本概念 纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法和手 段。纳米技术以物理、化学的微观研究理论为 基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手 段，是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物 理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)相结合的产物。在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。 纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于 自然界，只是以前没有认识到这个尺度 范围的性能。第一个真正认识到它的性 能并引用纳米概念的是日本科学家，他 们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。2、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统,用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。3、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，
浅谈纳米技术的研究与应用
浅谈纳米技术的研究与应用 1.引言 当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”这在当时只是一个美好的梦想。 如今，这个预言和梦想终于实现了。费曼所预言的材料就是现在的纳米。 今天，不少科学家又在预言，纳米科技将在新世纪里得到惊人的发展，纳米科技将给人类的科学技术和生活带来革命性的变化。科学家认为，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机，并成为未来信息时代的核心。 我国著名科学家钱学森早在1991年就指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。” 英国理论物理学家斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的物理学家。他预测：“未来一千年人类有可能对DNA基因重新设计。而生化纳米材料则是设计DNA基因所必须具备的医药材料基础。” 近年来，科学家勾画了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子备件，巨型计算机可装入口袋；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的；世界还将出现1μm以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。 海内外科技界广泛认为，纳米材料和技术的大规模应用可望在10年内实现。现阶段纳米材料和技术正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。 1998年8月20日，《美国商业周刊》发表文章指出，21世纪有三个领域可能取得重大突破：生命科学和生物技术；纳米材料和纳米技术；从外星球获得能源。并指出这是人类跨入21世纪所面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：“70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪先进国家。” 1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院的德雷克斯勒也提倡纳米科技的研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。1982年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率揭示了一个“可见的”原子、分子世界。到80年代末，STM已不仅是一个可观察的手段，而且已成为可以排布原子的工具。STM与AFM(原子力显微镜)
浅谈纳米技术及其应用
浅谈纳米技术及其应用 1 概述 1.1 引言 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物。纳米技术兴起于20世纪80年代，随着它的逐步发展和完善，人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段。 1.2 纳米技术的发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授[1]。1959年他在一次题为《在底部还有很大空间》的演讲中提出：物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说，人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态，最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。这正是关于纳米技术最早的构想。 20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman[2]利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒，提出了纳米晶体材料的概念，成为纳米材料的创始者。之后，麻省理工学院教授德雷克斯勒[3]积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。 纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1981年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM)、原子力显微镜（AFM)，为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984年德国学者格莱特[4]把粒径6nm的金属粉末压成纳米块，经研究其内部结构，指出了它界面奇异结构和特异功能。1987年，美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO 多晶体。 2
《神奇的纳米技术》阅读训练题及答案
精品文档 神奇的纳米技术有一位脑垂瘤病人走进一间漂亮的病房，躺到一张舒适安逸的床上。医生病人头上套上一个按照病人尺寸用速凝塑料制成的头罩，接着将一针试剂注入病人体内，然后吩咐：“所有人退出房间，手术开始。”此时，屋里只剩下病人，病房里既听不到以前医生的吩咐声，也看不到控制台上的信号灯闪烁。此时病人意识清醒，可并不感到疼痛，只不过有点紧张。当然，这是难免的，因为手术部位是人体最重要的器官----大脑，确切地说是脑垂体。半小时以后，手术已经完毕，医生把病人领到“术后病房”。病人外表无任何异常，可是手术的效果却很好，病根被彻底切除，而且是在细胞水平上被除掉的。这就是神奇的纳米医学技术。也许你心里会纳闷，医生们是如何完成这“不流血的外科技术”的呢？其实，这个手术最关键的过程就是医生给病人注射的那一针。注射器里装的既不是麻醉药，也不是其他任何药剂，而是一个小到肉眼看不到的微型机器人----纳米机器人。这种纳米机器人能根据医生的需要，通过体液，进入人体内部，对指定部位进行修复、抢救等，从而使人体的病情能够立即好转。这一次手术，纳米机器人就是顺着病人的血液，直入大脑脑垂体部位，对发生病变的脑垂体细胞进行大清除，把病变细胞杀掉。很快，病变的细胞全都不见了。无需流血，没有疼痛，病人休息一段时间后很快就可以痊愈。那么，什么是纳米机器人？什么又叫“纳米”呢？纳米机器人是在纳米尺寸上制造的微型机器人。所谓纳米，它只是一种长度计量单位。我们知道，一毫米等于千分之一米，一微米等于百万分之一米，而一纳米则等于十亿分之一米。如此微小的单位，人类的肉眼是看不见的，甚至在光学显微镜、电子显微镜下都不能看见它！拿小小的纳米机器人与人相比，就像拿一个人与地球相比一样，悬殊实在太大。但是，也正是纳米机器人微小的个子和精确的控制能力，才使得它能自如地进入人体内部，对人体进行手术。纳米技术指的是在0.1纳米到几百纳米的尺度范围内对原子、分子进行观察、操纵和加工的技术。有了纳米技术，人类制造任何一件物品的最原始材料只有一种----原子。通过排列原子制造出机器人、电视、房子……不只是外科手术，总有一天，你会发现，你的生活和周围的世界会与一个被称为“纳米”的名词紧紧联系在一起：当你早晨醒来时，由纳米传感器和纳米变色材料组成的纱窗会根据你的需要自动送入新鲜的空气，自动调节室内的亮度；你不小心把纳米陶瓷材料制成的杯子掉在地上，杯子却像有弹性一样蹦了起来；又重又厚的电视已经不存在了，它们是直接印到墙壁上的由神奇的纳米发光材料制造的电视；你所居住的地球周围的太空被无数的纳米卫星包围着，因为一次卫星发射可以将数百万颗微小的卫星送入太空…… 1、本文的说明对象是______________说明顺序是____________2.从第2段来看，运用纳米机器人做脑手术的情形与传统手术的情形相比，不同之处表现在这种新型手术的优点是 3. 末段列举了许多属于未来的事物，其作用是4、本文所运用的说明方法主要有哪几种？举例说明。5、机器人除可以运用在治病之外，你认为它还有什么用途，请写出两种。《神奇的纳米技术》答案：1、纳米技术逻辑顺序2、病房里既听不到医生以闪的吩咐声，也看不到控制台上的信号灯闪烁不流血，无痛苦，效果好3、表明纳米技术将改变人类现在的生活和周围的环境4、举例子，如“又重又厚的电视已经不存在了，它们是直接印到墙壁上的由神奇的纳米发光材料制造的电视”；下定义，如“纳米技术指的是在0.1纳米到几百纳米的尺度范围内对原子、分子进行观察、操纵和加工的技术。” .
纳米技术的应用与前景
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
7 纳米技术就在我们身边 一课一练(含答案)
7.纳米技术就在我们身边 一、读句子，看拼音，写词语。 bīng xiāng()里面用到一种nà()米涂层，这样就具有杀菌和chú chòu()功能，使shū cài()保鲜期更长。 二、选择题。 1．下列不是近义词的一组是()。 A．健康——康健普通——寻常 B．极其——尤其预防——防备 C．深刻——肤浅释放——放出 D．研究——钻研新奇——稀奇 2．选择下列句子所使用的说明方法。(填序号) A．列数字B．作比较C．下定义D．举例子 (1)纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门学问。() (2)1纳米等于10亿分之一米。() (3)现在吃一次药最多管一两天，未来的纳米缓释技术，能够让药物效力慢慢地释放出来，服一次药可以管一周，甚至一个月。() (4)有一种叫作“碳纳米管”的神奇材料，比钢铁结实百倍，而且非常轻。() 三、按要求完成练习。 1．什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。
仿写句子：_______________________________________________ ____________________________________________________________ 2．“纳米技术可以让人们更加健康。”文中举出的例子有()(多选) A．利用极其灵敏的纳米检测技术，可以实现疾病的早期检测与预防。 B．未来的纳米机器人，可以通过血管直达病灶，杀死癌细胞。 C．纳米缓释技术，可以让药效缓慢释放，服一次药可以管一周，甚至一个月。 3．在不远的将来，我们的衣食住行都会有纳米技术的影子。发挥想象说一说，纳米技术将来出现在哪些地方。 ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 四、概括课文内容并填空。 课文用简洁生动的语言向我们介绍了________、____________等科学知识，并采用__________、__________、__________等说明方法，满怀激情地向我们展示了纳米时代纳米技术美妙的应用前景。 五、课内阅读。 什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。纳米是非常非常小的长度单位，1纳米等于十亿分之一米。如果把直径为1纳米的小球放到乒乓球上，相当于把乒乓球放在地球上，可见纳米有多么小。纳米技术
纳米光电子技术的发展及应用
纳米光电子技术的发展及应用 摘要:纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学和现代技术结合的产物,由纳米技术而产生一些先进交叉学科技术，本文主要讲述的纳米光电子技术就是纳米技术与光电技术的结合的一个实例，随着纳米技术的不断成熟和光电子技术的不断发展，两者的结合而产生的纳米光电子器件也在不断的发展,其应用也在不断扩大。 关键词：纳米技术纳米光电子技术纳米光电子器件应用 一、前言 纳米材料与技术是20世纪80年代末才逐步发展起来的前沿性，交叉性的学科领域，为21世纪三大高新科技之一。而如今，纳米技术给各行各业带来了崭新的活力甚至变革性的发展，该性能的纳米产品也已经走进我们的日常生活，成为公众视线中的焦点。[2 纳米技术的概念由已故美国著名物理学家理查德。费因曼提出，而不同领域对纳米技术的看法大相径庭，就目前发展现状而言大体分为三种：第一种，是美国科学家德雷克斯勒博士提出的分子纳米技术。而根据这一概念，可以制造出任何种类的分子结构；第二种概念把纳
米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米技术精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术；第三种概念是从生物角度出发而提出的，而在生物细胞和生物膜内就存在纳米级的结构 二、纳米技术及其发展史 1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。其中纳米技术主要为以下四个方面 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。 2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等. 3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分
纳米技术在医学领域的应用和重要影响
纳米技术在医学领域的应用 和重要影响 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
纳米技术在医学领域的应用和重要影响 摘要：纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路和便利, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 临床医疗将变得节奏更快、效率更高, 诊断、检查更准确, 治疗更有效, 人们的生命安全将得到更大的保障。 关键词：纳米材料，纳米技术，生物医学，应用，重要影响 “纳米（nm）”是一种度量长度的单位，一个纳米是百万分之一毫米，也就是十亿分之一米，大约相当于45个原子串起来的长度。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的纳米材料的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1nm-100nm之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。简单来说就是，一种由具有尺寸在100nm以下的微小结构的固体颗粒组成的材料。纳米技术是指一种在单个原子与分子层次上对物质的数量、种类和结构形态等进行精确的识别、观测和控制的技术，并在纳米尺度（1—100nm）内研究物质的特性和相互作用来达到创制新物质的高新技术。这项技术是在20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科，它具有创造新生产工艺、新物质和新产品的巨大潜能和前景，它将在21世纪掀起一场新的产业革命。 科技快速发展的今天, 科学技术的各个领域相互融合、渗透,其中纳米科技的发展促进了高新技术一体化的进程, 引起了科技界的高度重视。我国著名科学家钱学森曾经预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命, 从而将是21世纪的又一次产业革命”。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点,谁能在这一领域取得领先,谁就能占据21世纪科学的制高点。 美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域迅猛发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪的应用，医学纳米技术已经被列为美国优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断，2004年，美国国立卫生研究院所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、
四年级语文下册一课一练-第7课 纳米技术就在我们身边(含答案) 部编版
四年级语文下册一课一练试题-第7课纳米技术就在我们身边 一、读句子，看拼音，写词语。 bīng xiāng()里面用到一种nà()米涂层，这样就具有杀菌和chú chòu()功能，使shū cài()保鲜期更长。 二、选择题。 1．下列不是近义词的一组是()。 A．健康——康健普通——寻常 B．极其——尤其预防——防备 C．深刻——肤浅释放——放出 D．研究——钻研新奇——稀奇 2．选择下列句子所使用的说明方法。(填序号) A．列数字B．作比较C．下定义D．举例子 (1)纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门学问。() (2)1纳米等于10亿分之一米。() (3)现在吃一次药最多管一两天，未来的纳米缓释技术，能够让药物效力慢慢地释放出来，服一次药可以管一周，甚至一个月。() (4)有一种叫作“碳纳米管”的神奇材料，比钢铁结实百倍，而且非常轻。() 三、按要求完成练习。 1．什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。 仿写句子： ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 2．“纳米技术可以让人们更加健康。”文中举出的例子有()(多选) A．利用极其灵敏的纳米检测技术，可以实现疾病的早期检测与预防。 B．未来的纳米机器人，可以通过血管直达病灶，杀死癌细胞。 C．纳米缓释技术，可以让药效缓慢释放，服一次药可以管一周，甚至一个月。 3．在不远的将来，我们的衣食住行都会有纳米技术的影子。发挥想象说一说，纳米技术将来出现在哪些地方。 ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 四、概括课文内容并填空。 课文用简洁生动的语言向我们介绍了________、____________等科学知识，并采用__________、__________、__________等说明方法，满怀激情地向我们展示了纳米时代纳米技术美妙的应用前景。 五、课内阅读。 什么是纳米技术呢？这得从纳米说起。纳米是非常非常小的长度单位，1纳米等于十亿分之一米。如果把直径为1纳米的小球放到乒乓球上，相当于把乒乓球放在地球上，可见纳米有多么小。纳米技术的研究对象一般在1纳米到100纳米之间，不仅肉眼根本看不见，就是普通的光学显微镜也无能为力。这种纳米级的物质拥有许多新奇的特性，纳米技术就是研究并利用这些特性造福于人类的一门学问。 1．这段话的说明对象是____________。运用的说明方法有：________、________、________。
纳米科学与技术的发展历史
纳米科学与技术的发展历史 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性学科 领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类能够用最小 的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想包括以下几点: (1)如 何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新 排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材料中原子的行为表现不同.在原 子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料 的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器———扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法 制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显 微学会议在美国巴尔的摩举办, 同时《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。自1991 年, 中国开始热衷于纳米技术的研究, 到“十五”计划之后, 纳米科技呈现出快速发展的势头。1993年8月在俄罗斯,1994年11月在美国, 先后召开了第二届和第三届国际纳米科学与技术会议. 第四届国际纳米科技会议将于1996年在中国召开。1999 年上半年,
纳米科学与技术的发展历史
纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
《神奇的纳米技术》阅读训练题及答案
《神奇的纳米技术》阅读训练题及答案 神奇的纳米技术 有一位脑垂瘤病人走进一间漂亮的病房，躺到一张舒适安逸的床上。医生病人头上套上一个按照病人尺寸用速凝塑料制成的头罩，接着将一针试剂注入病人体内，然后吩咐：“所有人退出房间，手术开始。” 此时，屋里只剩下病人，病房里既听不到以前医生的吩咐声，也看不到控制台上的信号灯闪烁。此时病人意识清醒，可并不感到疼痛，只不过有点紧张。当然，这是难免的，因为手术部位是人体最重要的器官----大脑，确切地说是脑垂体。半小时以后，手术已经完毕，医生把病人领到“术后病房”。病人外表无任何异常，可是手术的效果却很好，病根被彻底切除，而且是在细胞水平上被除掉的。 这就是神奇的纳米医学技术。也许你心里会纳闷，医生们是如何完成这“不流血的外科技术”的呢？ 其实，这个手术最关键的过程就是医生给病人注射的那一针。注射器里装的既不是麻醉药，也不是其他任何药剂，而是一个小到肉眼看不到的微型机器人----纳米机器人。这种纳米机器人能根据医生的需要，通过体液，进入人体内部，对指定部位进行修复、抢救等，从而使人体的病情能够立即好转。这一次手术，纳米机器人就是顺着病人的血液，直入大脑脑垂体部位，对发生病变的脑垂体细胞进行大清除，把病变细胞杀掉。很快，病变的细胞全都不见了。无需流血，没有疼痛，病人休息一段时间后很快就可以痊愈。 那么，什么是纳米机器人？什么又叫“纳米”呢？ 纳米机器人是在纳米尺寸上制造的微型机器人。所谓纳米，它只是一种长度计量单位。我们知道，一毫米等于千分之一米，一微米等于百万分之一米，而一纳米则等于十亿分之一米。如此微小的单位，人类的肉眼是看不见的，甚至在光学显微镜、电子显微镜下都不能看见它！拿小小的纳米机器人与人相比，就像拿一个人与地球相比一样，悬殊实在太大。但是，也正是纳米机器人微小的个子和精确的控制能力，才使得它能自如地进入人体内部，对人体进行手术。 纳米技术指的是在纳米到几百纳米的尺度范围内对原子、分子进行观察、操纵和加工的技术。有了纳米技术，人类制造任何一件物品的最原始材料只有一种----原子。通过排列原子制造出机器人、电视、房子…… 不只是外科手术，总有一天，你会发现，你的生活和周围的世界会与一个被称为“纳米”的名词紧紧联系在一起：当你早晨醒来时，由纳米传感器和纳米变色材料组成的纱窗会根据你的需要自动送入新鲜的空气，自动调节室内的亮度；你不小心把纳米陶瓷材料制成的杯子掉在地上，杯子却像有弹性一样蹦了起来；又重又厚的电视已经不存在了，它们是直接印到墙壁上的由神奇的纳米发光材料制造的电视；你所居住的地球周围的太空被无数的纳米卫星包围着，因为一次卫星发射可以将数百万颗微小的卫星送入太空…… 1、本文的说明对象是______________说明顺序是____________ 2.从第2段来看，运用纳米机器人做脑手术的情形与传统手术的情形相比，不同之处表现在这种新型手术的优点是 3. 末段列举了许多属于未来的事物，其作用是 4、本文所运用的说明方法主要有哪几种？举例说明。 5、机器人除可以运用在治病之外，你认为它还有什么用途，请写出两种。 《神奇的纳米技术》答案： 1、纳米技术逻辑顺序
微纳米加工技术及其应用
绪论 1：纳米技术是制造和应用具有纳米量级的功能结构的技术，这些功能结构至少在一个方向的几何尺寸小于100nm。 2：微纳米技术包括集成电路技术，微系统技术和纳米技术；而微纳米加工技术可获得微纳米尺度的功能结构和器件。 3：平面集成加工是微纳米加工技术的基础，其基本思想是将微纳米机构通过逐层叠加的方式筑在平面衬底材料上。（类似于3d打印机？） 4：微纳米加工技术由三个部分组成：薄膜沉积，图形成像（必不可少），图形转移。如果加工材料不是衬底本身材料需进行薄膜沉积，成像材料的图形需转化为沉积材料的图形时需进行图形转移。（衬底材料，成像材料，沉积材料的区别和联系） 5：图形成像工艺可分为三种类型：平面图形化工艺，探针图形化工艺，模型图形化工艺。平面图形化工艺的核心是平行成像特性，其主流的方法是光学曝光即“光刻“技术；探针图形化工艺是一种逐点扫描成像技术，探针既有固态的也有非固态的，由于其逐点扫描，故其成像速度远低于平行成像方法；模型图形化工艺是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构，典型工艺是纳米压印技术，还包括模压和模铸技术。 6：微米加工和纳米加工的主要区别体现在被加工结构的尺度上，一般以100nm 作为分界点。 光学曝光技术 1：光学曝光方式和原理 可分为掩模对准式曝光和投影式曝光。其中，掩模对准式曝光又可分为接触式曝光和邻近式曝光，投影式曝光又可分为1∶1投影和缩小投影（一般为1∶4和1∶5）。 接触式曝光可分为硬接触和软接触。其特点是：图形保真度高，图形质量高，但由于掩模与光刻胶直接接触，掩模会受到损伤，使得掩模的使用寿命较低。采用邻近式曝光可以克服以上的缺点，提高掩模寿命，但由于间隙的存在，使得曝光的分辨率低，均匀性差。 掩模间隙与图形保真度之间的关系 W=k√ 其中w为模糊区的宽度。 掩模对准式曝光机基本组成包括：光源（通常为汞灯），掩模架，硅片台。 适用范围：掩模对准式曝光已不再适用于大规模集成电路的生产，但却广泛应用于小批量，科研性质的以及分辨率要求不高的微细加工中。 投影式曝光：投影式曝光广泛应用于大批量大规模集成电路的生产。 评价曝光质量的两个参数：分辨率和焦深。
《纳米机器人》阅读答案
《纳米机器人》阅读答案 ①纳米技术是指在纳来尺度的微小空间进行加工制作的技术。当这种技术与仿生学结合在一起时，会出现怎样的情况呢？ ②仿生学是根据生物学原理而进行的，它是生物物理学的一个重要分支。物理学家总是模仿生物的行为制造各种灵巧的机器，飞机是模仿鸟类飞行的产物，照相机是眼睛的仿制品，智能机器人更是当前科学家热衷发展的技术。 ③当纳米技术朝仿生学渗透时，其基本内容就是研制微型机器人，制造一些仅有数千个原子组成的机器，使它们可以在细胞水平的微小空间内开展工作。 ④瑞典已经开始制造微型医用机器人。据报道，这种机器人由多层聚合物和黄金制成，外形类似人的手臂，其肘部和腕部很灵活，有2到4个手指，实验已进入能让机器人捡起和移动肉眼看不见的玻璃珠的阶段。科学家希望这种微型医用机器人能在血液、尿液和细胞介质中工作，捕捉和移动单个细胞，成为微型手术器械。 ⑤微型机器人的设计是基于分子水平的生物学原理。事实上，细胞本身就是一个活生生的纳米机器，细胞中的每一个酶分子也就是一个个活生生的纳米机器人。 ⑥蛋白分子构象的变化使酶分子中不同结构域的动作就像微型人在移动和重新安排有关分子的原子排列顺序。细胞中的很多结构单元都是执行某种功能的微型机器：核糖体是按照基因密码的指令安排氨基酸顺序制造蛋白质分子的加工器；高尔基体是给新制造的蛋白质
进行修饰的加工厂；加工好的蛋白质可以按照信号肽的指令由膜襄泡运送到确定的部位发挥功能；完成了功能使命的蛋白质还会被贴上标签，送去水解成氨基酸以备再用。细胞的生命过程就是一批又一批的功能相关的蛋白质组群不断替换、更新行使功能的过程，这些生命过程所需的一切能量太阳。植物叶子中的叶绿体是把太阳能转化成化学能从而制造粮食的加工厂；线粒体是把粮食中储存的太阳能释放出来从而制造能量货币ATP的车间；我们每人每天都要消耗大约相当于自身体重那么多的ATP分子，以支持我们的生命活动和繁忙的工作。细胞中发生的所有这一切都是按照DNA分子中的基因密码序列指令井然有序地进行的。 ⑦纳来技术与仿生学的结合可以使生物物理学家仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人。可以预料，直接利用太阳能制造食物的机器很可能将在21世纪出现；利用纳来技术可以制造在血管中游走的机器人，以便专门清除血管壁上沉积物，减少心血管疾病的发病率；利用纳米技术还可以制造能进入组织间隙专门清除癌细胞的机器人，所有这些都已不再是天方夜潭。 1、解释下列词语。 （1）井然有序： （2）天方夜潭： 2、根据文意，请给纳米技术和仿生学下一个概念。 （1）纳米技术： （2）仿生学：
纳 米 技 术 专 题
纳米技术专题——综述 一门前途无量的新兴技术-纳米技术 前言 提到从九十年代初起，纳米技术（Nanotechnology）得到迅速发展，显示出勃勃生机。它是信息技术、生命科学技术和许多其它技术能够进一步发展的共同基础，将对人类未来产生深远的影响，并且孕育着巨大的商机。 提到本文将根据收集到的国内外资料，对纳米技术进行介绍，以飧读者。 一、纳米技术的由来和发展 提到提到纳米技术，首先要了解纳米这一长度单位。一纳米是十亿分之一米，或千分之一微米。直观上讲，人的头发直径一般为20-50微米，单个细菌用显微镜测出直径为5微米，而1纳米大体上相当于4个原子的直径。传统的特性理论和设备操作的模型和材料是基于临界范围普遍大于100纳米的假设，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，材料的性质发生了意想不到的变化。由于组成纳米材料的超微粒尺度，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的40%-50%左右，使材料本身具有宏观量子隧道、表面和界面等效应，从而具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这些性质不能被传统的模式和理论所解释。 提到纳米技术就是研究结构尺寸在0.1至100纳米（有些资料为1至100纳米）范围内材料的性质和应用。它的本质是一种可以在分子水平上，一个原子、一个原子地来创造具有全新分子形态的结构的手段，使人类能在原子和分子水平上操纵物质；它的目标是通过在原子、分子水平上控制结构来发现这些特性，学会有效的生产和运用相应的工具，合成这些纳米结构，最终直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。 提到因而，各个不同学科的科学家潜心研制和分析纳米结构，试图发现单个分子、原子在纳米级范围内不能被传统的模式和理论所解释的现象以及众多分子下这些现象的发展，他们的工作奠定了纳米技术的基础，推动了纳米技术的发展。 提到让我们简单回顾一下它的历史： 提到1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学会年会上预言：如果人们可以在更小尺度上制备并控制材料的性质，将会打开一个崭新的世界。这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志。 提到1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。70年代美国康奈尔大学格兰维斯特和布赫曼利用气相凝集的手段制备纳米颗粒，开始了人工合成纳米材料。 提到1982年，研究纳米的重要工具-扫描隧道显微镜被发明。