1、納米材料分類和納米科學技術(shù) 第一次工業(yè)革命： 發(fā)生在18世紀中葉， 以蒸汽機為代表，新的動力 解放了人類的雙手，使人類 跨入了以機械代替人力的機 械化工業(yè)時代，它的標志尺度 是毫米，可以稱作毫米技術(shù) 應(yīng)用時代。第一次工業(yè)革命（毫米時代）第二次工業(yè)革命： 20世紀以電子技術(shù)為代表，它的標志是微米技術(shù)的應(yīng)用，使人類進入電氣化、電子化，以計算機和網(wǎng)絡(luò)通訊為代表的新時代，不僅縮短了人類之間的空間距離，而且部分地解放了人類的腦力勞動，促進了生產(chǎn)力的飛速發(fā)展。第二次工業(yè)革命（微米時代） 21世紀，以納米技術(shù)為代表的新興科技，將給人類帶來第三次工業(yè)革命，使人類的生產(chǎn)和科技活動從微米層次深入到納米層次，它將為

2、人類創(chuàng)造出許多新材料、新產(chǎn)品；將徹底改變?nèi)藗兦О倌陙硇纬傻纳盍晳T和生產(chǎn)模式；將對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來極大的變革。納米科技與信息和生物技術(shù)的交叉、綜合將為人類創(chuàng)造出一個全新的世界。納米技術(shù)將成為21世紀的科技發(fā)展的領(lǐng)頭羊。第三次工業(yè)革命： 第三次工業(yè)革命（納米時代）What is Nano ?In Greek, “nano” means dwarfReally really really small! 1 nanometer (nm) = 10-9 mNanoscale generally refers to the size scale of 1 100 nm. How small is 1 nan

3、ometer? Human Hair一納米有多小？Sizes of ObjectsAndromeda Galaxy 1022m（仙女座星系直徑）Sun 1.4 x 109 mEarth 1.2 x 107 mSolar System 1.2 x 1013 m（太陽系）Singapore 4.2 x 104 m by2.3 x 104 m Qomo Langma Feng Height 8.9 x 103 mRaffles CityHeight 2.8 x 102 mApatosaurusLength 2.1 x 101 mSizes of ObjectsAfrican Elephant Hei

4、ght 3.3 mRabbit (Length) 3 x 10-1 mRed Blood Cell 7x10-6 m by 10 x10-6 mVirus (Length) 9 x 10-7 m（病毒）Carbon-Carbon Bond Length 1.5 x 10-10 mAtom 10-10 mNucleus 10-14 mCross section of human hair 8 x 10-5 mCdSe Nanocrystal 3 x 10-9 mHousefly 7.5 x 103 m納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(10-910-7m)或由它們作為基本

5、單元構(gòu)成的材料 (相當于10-100個原子緊密排在一起) 納 米 材 料 的 形 態(tài) 零維：顆粒、球、核殼結(jié)構(gòu)復合顆粒 一維：絲、棒、管二維： 薄膜、多層膜、刻制圖案、分子組裝 三維：大塊納米固體() 零維指在空間三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等。零維-Al2O3 TiO2 () 一維指在空間有一維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等。Xenon（氙） on Nickel（鎳） (110)鐵在銅111面上Media : Gadolinium（ 釓）on Niobium（鈮）(110) 小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)四大效應(yīng)小尺寸效應(yīng)當微粒的尺寸與光波波長、德

6、布羅意波長、超導態(tài)的相干長度或透射深度等特征物理尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，導致聲、光、電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)新的效應(yīng)，即：小尺寸效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng) 當微粒尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。 例如良導體銀，當微粒粒徑小于20nm時變?yōu)榉墙饘俳^緣體。如高的光學非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等 表面效應(yīng)微粒尺寸降至納米級時，隨著尺寸的減小，位于表面的原子數(shù)越來越多，表面能迅速增加的現(xiàn)象稱為表面效應(yīng)。納米微粒尺寸d(nm) 包含總原子數(shù) 表面原子所占比例（） 103104 20441034022.51028013099

7、納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系宏觀量子隧道效應(yīng)微觀離子具有貫穿壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如：微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。重要意義：限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限，確立了微電子器件進一步微型化的極限。由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生四大效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學性能。由于納米材料在磁、熱、光、電、催化、生物等方面具有奇異的特性，使其在諸多領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用前景，并已經(jīng)成為當今世界科技前沿的熱點。納米金屬材料高矯頑力：磁性信用卡，磁性鑰匙，磁 性流體（電聲器件、旋轉(zhuǎn)密封）黑色強吸波：改變顆粒

8、尺寸，可改變吸收邊的位置，用于不同波長電磁波的吸收屏蔽，制造隱形飛機低熔點：金的熔點1337K,2nm金的熔點600K，有些納米金屬的熔點甚至可降至室溫。粉末冶金納米陶瓷材料韌性好、強度高、抗腐蝕：疏水疏油：自清潔材料（涂料，織物） 納米材料的奇異性能陶瓷韌性提高納米納米材料具有奇特韌性，在經(jīng)受彎曲不斷裂；氧化鋁粉體添加到常規(guī)85瓷、95瓷中，觀察到強度和韌性均提高50以上；納米材料在溫度下，塑性提高。催化活性增強以粒徑小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超細微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機物氫化的效率提高到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍催化劑（尾氣、空氣、水等凈 化） 、炸藥、推進劑隱身材料隱身

9、的基本原理：降低目標自身發(fā)出的或反射外來的信號強度；或減小目標與環(huán)境的信號反差，使其低于探測器的門檻值；或使目標與環(huán)境反差規(guī)律混亂，造成目標幾何形狀識別上的困難。隱身的方式：結(jié)構(gòu)隱身和涂層材料隱身。納米隱身涂料隱身涂料是固定覆蓋在武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的隱身材料，按其功能可分為：雷達隱身涂料、紅外隱身涂料、可見光隱身涂料、激光隱身涂料、聲納隱身涂料和多功能隱身涂料等。根據(jù)隱身原理又可分為：吸波隱身涂料和透波隱身涂料納米隱身涂料：納米材料和有機涂料復合而成（Nanocomposite coating)。金屬納米隱身涂料：納米金屬粒子，如Al、Ti、Cr、Nb、Mo等與聚合物的復合。金屬氧化物，如TiO2

10、、SiO2、ZnO、Al2O3、Fe2O3等與聚合物的復合。有機納米隱身涂料：有機納米粒子的熔融、復合而成。 奇異性能實例納米材料的制備方法真空冷凝法物理粉碎法機械球磨法氣相沉積法化學沉淀法水熱合成法溶膠凝膠法微乳液法班產(chǎn)公斤級納米金屬微雙腔體電爆炸制備納米金屬微粉裝置什么是納米科學技術(shù)？ 創(chuàng)造和制備各種新型具有優(yōu)異性能的納米材料設(shè)計、制備各種納米器件和裝置探測分析納米材料,器件的結(jié)構(gòu),性質(zhì)及其相互關(guān)系和機理納米科技概念的提出與發(fā)展 人類能夠用宏觀的機器制造比其體積小的機器,而這較小的機器可以制作更小的機器, 這樣一步步達到分子線度, 即逐級地縮小生產(chǎn)裝置, 以至最后直接按意愿排列原子,制造產(chǎn)

11、品.那時, 化學將變成根據(jù)人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。 當2000年人們回顧歷史的時候, 他們會為直到1959年才有人想到直接用原子, 分子來制造機器而感到驚訝。 - Richard P.Feynman,19591974年Taniguchi最早使用納米技術(shù)(Nanotechnology)一詞描述精細機械加工;1977年美國麻省理工學院德雷克斯勒教授提出, 可以從模擬活細胞的生物分子的人工類似物 -分子裝置開始研究, 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。20世紀80年代初出現(xiàn)的掃描隧道顯微鏡系列（STM）極大促進了納米科技的發(fā)展。1990年7月，第一屆

12、國際納米科學技術(shù)會議在美國巴爾的摩召開。1996/9/8-12，Nano IV,Beijing納米技術(shù)涉及的領(lǐng)域納米電子學與計算學傳感器結(jié)構(gòu)材料納米電子學與計算學分子電子學和光子學計算建筑學分子組裝傳感器生命探測預報健康和安全汽車狀況檢測結(jié)構(gòu)材料復合材料多功能材料自復原材料納米存儲器存儲密度可達每平方厘米100萬億字節(jié)納米材料硬盤，存儲容量為現(xiàn)有的100多倍20世紀的發(fā)展靠的是微米技術(shù)，21世紀要靠納米技術(shù)。未來的某一天，現(xiàn)在像“銀河”那樣的巨型計算機小到可以被隨手放進口袋；美國國會圖書館的全部信息，將會被壓縮到一個糖塊大小的設(shè)備中。甚至星際旅行也將因為納米技術(shù)變成現(xiàn)實，宇宙的奧秘將在納米技術(shù)

13、的推動下迅速被人類揭曉。 衣：應(yīng)用納米技術(shù)，在化纖布料中加入少量的金屬納米微 粒就可以解決衣服的靜電現(xiàn)象。食：納米微粒可以除味殺菌，已生產(chǎn)出可以抗菌的冰箱， 食品延長了食用期，居民不用過于擔心食品腐爛。住：抗老化的外墻涂料，耐洗刷性提高10倍；自潔玻璃和自 潔瓷磚（蓮花效應(yīng)）；吸收紫外線。行：納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。用：防曬油、化妝品因為加入了納米微粒而具備了防紫外 線的功能。用納米微粒襯在燈泡里，不影響透光，節(jié)電。 醫(yī)：微型藥物輸送器 ；微型機器人；納米導向藥物等生 活 中 的 納 米 技 術(shù)納米冰箱納米多功能鞋納米醫(yī)藥學修復DNA使人類可以消滅各種遺傳缺陷清理血栓、血脂修

14、復人體器官壞損部分納米中藥疾病檢測指示劑，檢測出來只有幾個細胞大小的腫瘤抗菌劑 納米藥物導向劑 一些分子大的小液滴，其大小只有針尖的l5000，能殺滅生化武器炭疽的孢子、流感病毒、疤疹大腸桿菌、沙門氏茵和李氏桿菌。 納米智能炸彈 國際納米技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢美國啟動納米技術(shù)促進計劃 克林頓說：“我正在支持一項對美國未來經(jīng)濟和發(fā)展將產(chǎn)生深遠影響的納米技術(shù)，它是21世紀最重要、應(yīng)該優(yōu)先發(fā)展的計劃”。科學技術(shù)主席助理（1984年4月）Neal Lane說：“如果人們問我哪個科學和工程領(lǐng)域最有可能在未來產(chǎn)生突破性成就，我認為會是納米科學和工程。”威廉姆斯說：“納米技術(shù)對經(jīng)濟社會的影響將超過計算機”日本和德國

15、出臺了相應(yīng)的研究計劃日本政府和國會作出決定：要向抓微電子那樣抓納米技術(shù)，把發(fā)展納米技術(shù)作為21世紀前20年立國之本。德國：納米技術(shù)是21世紀高科技的制高點。2000年布署了跨部門的六大中心,發(fā)展納米技術(shù).其他國家的納米科技發(fā)展概況 印度：要向抓軟件產(chǎn)業(yè)那樣，快速發(fā)展納米技術(shù)。 韓國和瑞典：21世紀對納米科技投入增長最快的國家。納米技術(shù)醫(yī)療藥物環(huán)境能源宇航交通生物農(nóng)業(yè)電子器件計算機國家安全新材料制 造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 推動GDP快速增長 對關(guān)鍵問題的影響力羅雷爾-諾貝爾物理獎獲得者 七十年度重視微米技術(shù)的國家都已成為發(fā)達國家,現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家有可能成為下一世紀的先進國家 中國在21世紀魔術(shù)般的成為

16、超級先進國家，納米技術(shù)是可選擇的重要途徑。 喬納森.斯彭斯-美國耶魯大學中國現(xiàn)代史教授名人預測 21世紀，高科技產(chǎn)業(yè)如信息、生物技術(shù)、資源環(huán)境、新型能源、宇航、海洋和新材料等領(lǐng)域都面臨著新的挑戰(zhàn)，納米技術(shù)的切入，使這些高科技領(lǐng)域的發(fā)展出現(xiàn)新的機遇，蘊藏著巨大的潛力。水平和機遇信息產(chǎn)業(yè)單電子 器件磁電子 器件過濾器截止器諧振器微電容微電極自旋電子器件共振隧穿器件光電子 器件巨磁電阻器件量子點和分子電子器件納米結(jié)構(gòu)器件納米加工環(huán) 境納米技術(shù)能消除水中小于200納米和空氣中小于20納米的污染物。 環(huán)境探測器 納米結(jié)構(gòu)反應(yīng)器能 源新能源發(fā)現(xiàn)： 非可燃氣體 NT 可燃氣體提高能量轉(zhuǎn)化效率 太陽能 30% 電能 氫能源利用 海