納米科技之國內外研究進展1、掌握基本概念介觀領域、納米科學技術、納米材料、納米器件、量子器件、蓮花效應、納米組裝體系、自上而下、自下而上。2、納米材料與傳統材料的差別。3、納米科技的分類。4、納米科技的前沿動態。

難點內容：納米科技的前沿動態中的部分內容。熟悉內容:了解納米科學技術發展史。了解發展納米科技的意義。

納米技術在國內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.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，并發揮革命的作用，正如20世紀70年代初以來微米技術已經起的作用那樣?！笨肆诸D：納米技術可能是下個世紀前二十年最重要的技術。

錢學森預言：“納米和納米以下的結構是下一個階段科技發展的一個重點，會是一次技術革命，從而將使21世紀又一次產業革命。”1993年，因發明STM而獲得Nobel物理學獎的科學家海·羅雷爾：微米技術曾同樣被認為對使用牛耕地的農民無關緊要。的確，微米與牛毫無關系，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，并成為工業革命的技術基礎，最早和最好學會并使用微米技術的國家都在工業發展中占據了巨大的優勢。同樣，未來的技術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。納米刻蝕：目前微電子技術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，在一張郵票大小的襯底上可以記錄下400萬頁報紙的內容。二是可用分子束外延技術制造出三維納米量子器件。要制備納米陶瓷，關鍵需要解決：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、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，則能夠在低溫下變為延性的，能夠發生100%的韌性形變。并發現納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優良的韌性，在180℃經受彎曲而不產生裂紋。設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計新型材料鮑魚殼鮑魚殼牙質腱大多數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?？梢杂貌此杀?Poisson’sratio，側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突然躍變為-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用價值，比如設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。碳納米管薄膜基人工肌肉致動器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，它是第一個能呈現出良好黏性強度和動物安全性的膠貼。[3]納米技術在微電子學上的應用

納米電子學是基于納米粒子的量子效應來設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、納米超結構組裝體系。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成的在室溫能使用的各種器件。量子點發光二極管：不足10nm；不同顏色；電或光激發量子點太陽能電池量子點醫療應用-治療癌癥:英特爾將碳納米管技術用于未來芯片設計2006年，芯片廠商英特爾用碳納米管取代半導體芯片內部的銅連線。芯片連線已經成為半導體廠商面臨的一個頭疼的問題。根據摩爾定律，芯片廠商每兩年就要縮小一次半導體芯片內部的元件。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變為銅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想，將大大提高計算機的運行速度。碳納米管制造人造衛星的拖繩在航天事業中，利用碳納米管制造人造衛星的拖繩，不僅可以為衛星供電，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和很大的隧道磁電阻現象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。2007年，明尼蘇達大學電子工程系納米結構實驗室采用納米平板印刷術成功地研制了納米結構磁盤，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]納米技術在光電領域的應用

納米技術的發展，使微電子和光電子的結合更加緊密，使光電器件的性能大大提高。美國桑迪亞國家實驗室發現：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數幾個狀態上，而低音廊效應則使光子受到約束，直到所產生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。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。單晶納米線的受激發射行為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。在這一尺度上，此結構的光子狀態數少于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的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。碳納米管場發射顯示器1999年韓國，2000年日本制成顯示器樣管2003年5月1日，IBM宣布成功開發出了由單分子碳納米管構成的最小發光元件?！禨cience》IBM開發的發光元件為直徑1.4nm的納米管狀單分子，可發出波長1.5μm的光。這一波長的光廣泛應用于光通信領域。直徑不同的納米管會產生波長不同的光。將該發光元件嵌入3引腳晶體管內部，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)產生了電流。光子糾纏態理論潘建偉：在量子物理學及量子信息學的交叉實驗領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。2008,《自然》雜志發表評論時說，“盡管五粒子糾纏以及終端開放的量子態隱形傳輸的實現非常困難，但是中國科學技術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絡化的量子通信中有重要的應用”。[5]納米技術在化工領域的應用納米粒子作為光催化劑的優點。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，大部分不會重新結合。因此，化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。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)反應器分子篩具有獨特的孔狀結構，大的比表面、較高的機械強度做成納米反應器。該反應器能夠使化學反應局限于一個很小的范圍內進行。在納米反應器中，反應物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同時限制了反應物分子和反應中間體的運動，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，在納米尺度上實現有機/無機離子的自組裝反應。其特點是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm內連續可調，具有很高的比表面積和較好的熱穩定性，使其在分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應用前景。同時，這類材料在較大范圍內可連續調節其納米孔道結構，可以作為納米粒子的微型反應容器。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，表現出典型的量子限制效應，而在軸向上則不受任何限制。---納米反應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射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規模集成電路，超導線材等領域。2007年7月美國Grimes在(NanoLetters)上發文稱，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Nature報道了“水變油”實驗：向鋼管內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物—氧氣、一氧化碳和氫氣后，就反應生成了甲烷和水?！痹谡麄€反應后期，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。[6]納米技術在生物學上的應用

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變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用DNA分子計算技術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”。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備。2007年6月日本大阪大學產業科學研究所發現電流可以通過DNA流動。研究發現：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。美國科學院學報-2007NatureNanotechnology-2008驗證過程：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照射DNA，可以觀察到光增感劑產生正電荷，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]納米技術在醫學上的應用生物體內的RNA蛋白質復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。將超微粒子注入到血液中，可以作為監測和診斷疾病的手段。磁性導航藥物、分子識別藥物，熒光標識等。例如利用納米SiO2微粒進行了細胞分離。用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用。但也有缺點。(納米粒子的毒性)生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優點，已成為納米生物工程的前沿科技。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫療，而且可在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。小型攝像機：用于檢測消化系統疾病。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|2007年11月英國劍橋大學的A.Porter研究證明，碳納米管能夠進入細胞質、特定的細胞器和細胞核。利用兩種類型的顯微設備—透射電子顯微鏡(TEM)和共聚焦顯微鏡，對單壁碳納米管入侵人類巨噬細胞的過程進行了直接成像觀測。之所以選擇巨噬細胞(一種人體免疫細胞)，是由于它們是人體許多組織(尤其是肺部)抵御外來物質入侵的第一道防線。人們吸入的納米顆粒會被巨噬細胞截留下來，防止對血液和淋巴等身體系統的進一步入侵。

研究發現：將巨噬細胞浸入不同濃度的碳納米管溶液中，從零到每毫升10微克。兩天后，單壁碳納米管進入了細胞的溶酶體，4天后，碳納米管會熔合到一起，其中一些進入了細胞質甚至細胞核。研究人員還檢測了巨噬細胞在有碳納米管條件下的生存活力，并與正常細胞進行了對比。結果表明，即使是浸入最高碳納米管濃度溶液中的巨噬細胞，在兩天后依然比較健康，與未處理的正常巨噬細胞相差無幾。不過在4天后，即使是浸入濃度較低溶液中的巨噬細胞，生存能力和活性也會顯著降低。A2天后，溶酶體c-f4天后，細胞質膜、溶酶體、核膜、細胞核目前的癌癥活組織檢查有時不準確，例如檢查所取的組織樣本中恰好癌細胞太少，于是檢查得出陰性的結果，但實際上患者體內有癌細胞存在。2007年7月新墨西哥大學和一家名叫“高級科學”的公司的研究人員利用磁性吸引力研究出一種解決方法。他們用生物相容物質(在生物體內引起正確反應、與天然生物物質類似的物質)包裹帶磁性的氧化鐵納米粒子，然后在外層涂上特定的抗體，這些抗體能且僅能與癌細胞產生的特殊物質相結合。

經過這樣處理的納米粒子注射到人體中后，數以千計的粒子因抗體作用而附著在癌細胞上，使癌細胞變成微小“磁鐵”。此時用帶有磁性的探針進行檢查，癌細胞就會在磁性吸引力作用下游向探針。利用這種方法，在兩到三分鐘之內就會有相當數量的癌細胞被吸引到探針上。癌癥患者需要經常檢查以確定病情，其中一些檢查非常痛苦，例如血癌患者的骨髓穿刺，這項技術可以減少檢查次數。它還可用于檢查癌細胞是否有擴散跡象，癌細胞擴散數量有時極為微小，普通方法難以檢查出來。2007年8月美國馬薩諸塞大學的文斯·羅泰洛等報道了一組涂層各不相同的黃金微粒能通過模擬人類鼻子辨別氣味的方式鑒別蛋白質，正在利用它們檢測體液中呈現的疾病跡象。這套新的“納米鼻”系統有6個感受器，每個感受器由包含黃金微粒的溶液組成，這些黃金微粒直徑約2nm，有不同的涂層。這些涂層由含有氮原子的有細微差別的有機分子構成。不同的蛋白質將黏附在上述多種感受器上，但是同一感受器黏住不同蛋白質的難易程度不同。通過熒光分子測量被黏住蛋白質的多少，這些熒光分子原本黏附在感受器的微粒上，但蛋白質被感受器黏住時將它置換了出來。2007年12月美國Gimzewski等從疑似腫瘤患者身上提取樣本，將它們放在納米級的顯微鏡下檢驗。用探針向樣本中的每一個細胞施以微弱電壓，探針的另一頭與一個機械臂相連。通過對比癌變細胞與正常細胞的彈性差別診斷癌癥。研究發現，癌變細胞表面彈性比正常細胞柔軟70％。這一發現可用來幫助醫生提高癌癥診斷準確率。Gimzewski指出正常細胞發生癌變后，形狀和內部結構會隨之發生改變，癌變細胞因此變得更軟。但這一特征無法通過對比細胞外形發現?，F階段，醫學界診斷癌癥主要有兩種方法：一種是活體切片，將切下的組織放在顯微鏡下，觀察是否有癌變跡象；另一種是利用抗體檢驗蛋白質，分辨癌變細胞和正常細胞。但利用這兩種方法檢驗肺癌的平均誤差率達到15％。[8]納米技術在分子組裝方面的應用

納米技術以往的研究主要集中在：A在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。B研究評估表征的方法，并探索納米材料不同于常規材料的特殊性能。C利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。1996年，IBM公司利用分子組裝技術，研制出了世界上最小的“納米算盤”，算盤架是蝕刻而成的銅槽和銅脊，算珠由球狀的C60分子構成，槽脊柱只有一個原子高，每個槽內可容納任意個巴基球，巴基球由掃描隧道顯微鏡操縱在銅槽內滑動。理論上金澤夫斯基的算盤儲存信息的容量是常規電子計算機存儲器的10億倍。1999年，(王中林)美國、中國、法國和巴西科學家用精密的電子顯微鏡測量納米管在電流中出現的擺頻率時，發現可以測出納米管上極小微粒引起的變化，從而發明了能稱量億億分之二百克的單個病毒的“納米秤”。該成果在《Science》發表，這種世界上最小的秤，為科學家區分病毒種類，發現新病毒作出了貢獻。(10-15g)1999年美國波士頓大學的化學家Kelly在《自然》報道世界上最小的馬達，該分子馬達由78個原子構成。ThechemicallydrivenrotarymolecularmotorbyKellyandco-workers.120°rotation《自然》雜志還報道了另一個由荷蘭和日本科學家研究的另一種由太陽能驅動的分子馬達，其在光照作用下，能夠連續不斷地旋轉。Rotarycycleofthelight-drivenrotarymolecularmotorbyFeringaandco-workers.360°1999年，美國哈佛大學的Philip

Kim

和Charles

Lieber研制出納米鑷子,能抓住直徑約500納米的聚苯乙烯原子團納米鑷子是在一個圓錐形的直徑約100納米的微型滴管的內外壁沉積金電極制成的，鑷子的每個臂則是用一束像蔥一樣的同心層碳納米管制作，而這些同心層中的一層用導電的膠粘在每根電極上。

NanotubeNanotweezersCharlesM.Lieber，納米鑷子

納米鑷子用電操縱，使用它時，在兩根電極上加電壓，使一根納米管臂帶正電，另一根納米管臂帶負電通過改變所加電壓的大小，可增加或減少鑷子之間的吸力(即夾東西的力量)。試驗表明，鑷子的兩臂在電壓達到8.5伏時可完全合攏，而加較低的電壓時，鑷子兩臂間可留下一定的間隙。現在制成的實驗性納米鑷子，臂的寬度約50納米、長度約4微米。而如果直接在電極上沉積單層納米管，就可能生產出足