纳米科技的发展与未来.ppt

1,现代科技进展第五讲 纳米科技发展与未来,河海大学 史路平二九年九月,2,一、纳米科技的意义和发展的过程 二、纳米科技的研究领域 三、纳米科技未来的展望 四、发达国家纳米科技的研究状况 五、我国纳米科技的研究状况简介,目 录,3,一、纳米科技的意义和发展的过程,爱因斯坦说过，未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。宏观世界就是肉眼可以分辨出来的物体，大至宇宙深处。微观世界是原子、分子以及原子、分子以下的层次。（一）纳米是一个长度单位 纳米是个长度单位 1025米大约十亿光年，人类目前能观测到的宇宙的大致范围；1021米十万光年，大致相当于银河系的范围；1014米一千亿公里，我们看到的冥王星的完整轨道；107米 一万公里，航天飞机上分辨出的地球的部分；103米 一公里，飞机上能分辨的城面建筑；101米 十米，清楚分辨足球场上的运动员；10-2米一厘米，能看清汗光孔和皮肤皱纹；10-4米一百个微米，能分辨细胞（一般十几个微米）；,4,一、纳米科技的意义和发展的过程,10-6米一个微米，看到染色体中的染色质；10-7米一百个纳米，可以看到染色质的两个部分；10-9米一个纳米，分辨出DNA里面的分子结构；10-10米一百个皮米，可以看到电子和原子的轮廓；10-13米一百个飞米，已能从整体上分辨出原子核；10-14米十个飞米，看到原子核当中的质子和中子；10-15米一个飞米，可以分辨出组成质子和中子的夸克；10-16米一百阿米，更进一步看清夸克（一个夸克的大小为10-19米，即0.1个阿米左右）。,5,一、纳米科技的意义和发展的过程,纳米是处于宏观世界和微观世界之间的衔接点、交界点。1纳米10-9米，十亿分之一米、1m m的百万分之一光年公里米厘米毫米微米纳米皮米飞米阿米,6,一、纳米科技的意义和发展的过程,（二）纳米科技的定义 纳米科技至少有四个提法。1、纳米科技是微加工领域 指将纳米定位为微加工技术的极限，即通过纳米技术的加工，人工的形成纳米大小的结构这样的一种技术。通过超精细加工制作的微机电装置纳米装置。2、纳米科技是材料领域 指将制备纳米颗粒的技术以及由此引起的材料性能的改变称为纳米，即纳米材料。3、纳米科技是化学角度的生产方式 指通过从原子分子层面来制造特殊功能的分子装置，从而产生生产方式的革命。,7,一、纳米科技的意义和发展的过程,4、纳米科技是生物学仿生的生产方式 指从生物学仿生角度，仿造生物学体系的纳米结构，利用生物分子的自我识别、自我复制功能来制造特定的纳米产品。纳米科技的定义指在纳米的尺度上（1-100个纳米的范围）研究物质的特性和相互作用，包括原子分子的操纵。纳米尺度的物质特性可能以其量子的特性为主，以量子的特性产生多学科交叉的科技含量，如小尺寸量子效应、物质的局域性、巨大的表面及界面效应等，使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子分子。纳米科技最终的目标是要利用物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性，来制造具有物定功能的产品。,8,一、纳米科技的意义和发展的过程,（三）纳米科技的重要意义 美国将纳米科技和生命科学与生物技术、从外星球获得能源一起，并列为21世纪可能取得重要突破的三个领域。美国政府将纳米科技列为21世纪前十年11个关键领域之一。1999年，美国总统科技助理就美国国家科技委员会美国的国家纳米科技倡议报告致函国会：纳米技术将与信息技术、生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导下一场工业革命，应把它放在科学技术最优先的地位。纳米科技的意义集中表现为两个方面：一是，纳米科技将促进人类的认知革命；二是，纳米科技将会带来一场产业革命。,9,一、纳米科技的意义和发展的过程,1、纳米科技将促进人类的认知革命 我们在宏观领域研究宇宙天体，产生了牛顿力学、天文学、地球物理、地理学、物理学、地质学等诸多理论；在微观上研究原子核以下层次基本粒子，形成了量子理论；量子论和相对论是现代通信、信息技术的基础，DNA双螺旋结构模型奠定了生物学、基因技术的基础。目前在纳米尺度上还有很多新的现象、新的规律有待发现，新的理论有待建立，而通过新现象、新规律建立的新理论肯定是新技术发展的源头。纳米科技是物理学、化学、生物学、材料学等多学科交叉融合的领域，现代科技的发展，往住在交叉学科领域容易取得突破，充满更多原始创新机会。,10,一、纳米科技的意义和发展的过程,2、纳米科技将会带来一场产业革命 纳米科技将推动产业的微型化，实现产品的微型化，微型化同时也是高性能化和环境友好化；从而减少污染，极大地节约资源和能源，成为人类可持续发展的技术基础。纳米科技的发展会引发工业革命，是未来信息科技与生命科技的共同基础：芯片技术尺寸不断缩小、存贮密度不断增加、线宽不断减少，已接近极限，必须引入全新概念的纳米结构器件；DNA、蛋白质、生物分子马达的研究都是在纳米的尺寸上。纳米科技不仅是未来高技术的问题，它已经渗透到传统产业之中，促进传统产业的技术改造，形成了巨大的市场规模。,11,12,13,一、纳米科技的意义和发展的过程,（四）纳米科技概念的提出和发展过程 纳米科技概念的首次提出：美国加州理工学院教授、诺贝尔奖获得者、物理学家年的一次演讲；1974年，Taniguchi提出（纳米科技）Nanotechnology，用来描述精细机械加工；70年代后期，美国得力克斯勒提倡纳米科技研究，通过原子分子组装来制备装置，但科技界主流和者甚寡；80年代，扫描隧道显微镜和原子力显微镜出现，积极促进了纳米科技的发展，80年代末、90年代初为其迅速发展期。扫描隧道显微镜和原子力显微镜为原子、分子的观察、研究和构造提供了手段和工具。,15,二、纳米科技的研究领域,纳米科技研究可分为三大领域：纳米材料：制备和制造性能优异的纳米材料；纳米装置：设计制备各种纳米器件和纳米装置；纳米区域的探测和研究，表征分析。（一）纳米材料 纳米材料是纳米科技的基础，分四个类型：第一类为纳米颗粒与纳米粉体；第二类为一维纳米材料，它在一个方向的尺度是纳米量级，如碳纳米管、纳米线、纳米硅线等；第三类为二个方向上是纳米尺寸的，如纳米薄膜；第四类是纳米块材如量子点、量子线。,16,二、纳米科技的研究领域,纳米材料的奇特效应 表面效应 主要表现为限域效应 小尺寸效应 界面效应 量子效应 占主要地位 如：纳米固体金属的硬度为传统的4-6倍；纳米铁比常规铁硬度提高近12倍；纳米的固体铜热扩散增强近1倍；纳米的磁性金属的磁化率是普通磁性金属的20倍；金属纳米颗粒或块状材料强度、韧性增强；纳米铜具有超延展性；纳米颗粒陶瓷具有高硬度、耐高温且不碎，纳米陶瓷 发动机耐高温，无需冷却。,17,二、纳米科技的研究领域,如纳米碳管比重为钢的1/6，强度是钢的100倍，具有极高的抗拉强度和热稳定性，有非常好的弹性，用途非常广泛。包括：制造抗冲击车身、抗震建筑材料、抗震建筑物、非常柔软且防弹强度很好的防弹衣；美国通用汽车公司将碳纳米管加入塑料部件中；以纳米管为基础制造的发光、显示产品；超灵敏传感器等。如纳米氧化物能在电场作用下改变显示颜色，可用于广告版、防晒化妆品、面漆、荧光管、高速公路标志等。纳米结构具有自洁净功能（仿荷叶原理），具防水、防雾、不沾尘土，可用于玻璃、陶瓷、服装等。,18,二、纳米科技的研究领域,纳米复合材料有很多特殊性能，如纳米塑料可有效隔绝氧气，美国已拥有纳米塑料啤酒瓶的专利。有的纳米材料具有阻燃性，可用于室内装钸材料。纳米材料上的研究课题：以新的原理和新的结构，在纳米层次上构筑特定性质的材料，制造自然界不存在的物质、制备生物材料和仿生材料；对材料破坏做纳米级的损伤诊断和修复等等；在纳米层次研究电子、原子的相互作用，探讨如何控制材料的磁性、区辨能力、催化能力，人造组件、装备系统和人体细胞机体的兼容；纳米材料产业化中，大规模制备时均匀化、分散化、稳定化的质量控制。,19,二、纳米科技的研究领域,（二）纳米器件 纳米科技对人类的生活和生产方式产生深刻、广泛的影响：制造成量子点激光器，尺寸小，发光强度大，预置电压低；做成量子磁盘，使存储密度成千上万倍提升；通过纳米微加工技术，构筑量子器件，实现量子点、量子线、量子结构；以纳米器件制造分子马达，实现微小机器人在人体内的治疗功能，如清除血管内胆固醇等；通过纳米微加工，制造计算机存储器，极大地提高存储密度。,20,二、纳米科技的研究领域,（三）纳米结构的表征和检测 1、纳米结构的表征检测、研究的内容 涉及并产生出纳米形貌的检测、纳米电子学、纳米光学、纳米磁学、纳米摩擦学等。2、纳米结构的表征检测、研究的重要性 必须具备表征检测、研究能力，才能判断是否纳米材料，是否具有纳米特性，制造出来的是否纳米器件。3、表征检测、研究的手段和工具 主要依靠发展新的技术、新型检测仪器；扫描探测技术，包括隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜等。,21,二、纳米科技的研究领域,4、表征检测、研究的实例 发现新现象，建立新理论。如量子幻影（量子蜃景）现象：排成圆圈的39个钴原子里面放一个磁化的钴原子，则其对称位置出现完全相同的幻影，如果位置变换就无此现象；它能实现量子信息的无线传输。通过一个一个对原子的操纵，构建具体的化合物。如美国康奈尔大学，利用扫描隧道显微镜针尖，在低温下生成了一个铁与两个氧化氮的特定化合物。,22,三、纳米科技未来的展望,（一）纳米科技在众多领域的应用前景 1、能源与环境领域 发展绿色能源和环境处理技术，减少污染或恢复被破坏的环境。利用孔径10到100纳米的有序纳米材料和纳米薄膜材料，可以去除水中小于200纳米和空气中小于20纳米的污染物；孔径1纳米左右的纳米材料，可以作为催化剂的载体。在能源领域，纳米技术将会对能源的功率、能量的存储以及能量的增长产生显著影响。利用纳米的合成和组合方法，开发出更加节能的照明技术；制造高强度轻质材料，提高运输效率，节省能耗；,23,三、纳米科技未来的展望,利用纳米技术实现低能耗的化学过程，破坏有毒物质（包括污染物、汽车尾气等），从而保护环境；大大降低太阳能电池的制造成本等。2、医学与健康领域 实现体内药物的定点运输，如应用数层纳米粒子，包裹智能药物进入人体，可以主动搜索癌细胞，或者修复损伤组织。在人工器官外围涂上纳米粒子，预防移植后的排异反应，形成与人体友好的人工组织和器官。用纳米传感器作疾病的早期诊断，如纳米氧化物，造影技能在肝癌诊断中的应用等等。,24,三、纳米科技未来的展望,把医药制成纳米颗粒，或者把药物放在磁性纳米颗粒内部，药物颗粒在血管中运动时，在外部加以导向，可大大提高药效。纳米技术在记录治疗中也很有作用。用微小制备技术将食道镜、胃镜等检测探头做成药丸吞下，用腰间的BP机接收，极大地减轻对器官的损伤和病人的痛苦。3、生物技术领域 按照预定的配置、排列将技术生物的活性蛋白质、核酸通过纳米器件植入生物材料，使其兼具生物功能和其他功能，来打破生命物质和非生命物质的界限。,25,三、纳米科技未来的展望,4、航天和航空技术领域 把航天器件、航空器件做成纳米器件，可极大地减少体积、重量和降低能耗，从而极大地增加航天器的有效载荷。美航天航空局期望采用纳米技术后，发射成本1万美元/磅200美元/磅，一个航天器成本降为6万美元。5、国家安全领域 谁掌握了纳米技术，谁就在经济安全和国家安全方面处于非常有利的地位；纳米科技给未来战争将带来巨大的影响，包括数据图像的实时传递、作战指挥、导弹预警、核武器防护、微型侦察装置等。,26,三、纳米科技未来的展望,（二）美国专家预测纳米科技发展的五个阶段 1、第一阶段能准确地控制原子数目100个以下的纳米结构物质；2、第二阶段生产纳米结构物质阶段。纳米结构的物质和复合材料的制造达到实用化水平。3、第三阶段大量制造复杂纳米结构物质将成为可能（2010年左右达到）。4、第四阶段制造纳米计算机成为现实 5、第五阶段将研制出能够制造动力源与程序的自立化的原件装置。,27,四、发达国家纳米科技的研究状况,为了争夺在纳米技术方面的领先地位，美国、欧盟、日本、德国、法国在纳米科技方面都有很多布局，建立国家级纳米科技中心，美国有十几个，德国有六个，法国有国家级中心，日本也有很大的国家计划。不同国家和地区拥有不同方面的特色和优势，如：美国在纳米结构的组装体系、纳米颗粒制备合成、纳米生物学方面处于领先地位；欧盟在纳米器件、纳米仪器、超精细工程等方面居于领先；德国在分子电子学技术、纳米材料、纳米薄膜方面有很强优势；日本在纳米器件复合上有很大实力。,28,五、我国纳米科技的研究状况简况,我国在上一世纪90年代即通过攀登计划进行纳米科技的研究，但与发达国家相此有很大的差距。在纳米科技的具体研究领域中，我国在纳米材料研究方面进展较快，国际地位约处于第4位左右。“十五”期间，我国制定了国家级纳米科技发展纲要，并成立了国家纳米抖技指导协调委员会。从事纳米科技研究的除中国科学院外，国内一些大学也成立了研究中心。,29,END,纳米科技发展与未来,30,纳米氧化铁造影剂在肝癌诊断中的应用 将氧化铁做成纳米量级，其磁性就消失了，但处于外部磁场内的纳米氧化铁有超强的顺磁性（集中外部磁场的强度）。故可制成纳米氧化铁造影剂，用来改善磁共振成像的分辨率；通过静脉注射，使纳米氧化铁造影剂进入人体各处血液内，但只有在肝脏和脾脏内，能被肝脏网状内皮细胞吸收。肝脏网状内皮细胞由巨噬细胞组成，它能吞食氧化铁的颗粒。恶性肿瘤的巨噬细胞非常少，它就不可能吸引大量的氧化铁，形成正常细胞和恶性细胞之间的差别；由于氧化铁在正常细胞和恶性细胞中的数量不一样，在磁共振成像中，正常组织因吸引了纳米氧化铁，肿瘤细胞不吸引纳米氧化铁，在外磁场作用下，两者呈现出明显的信号差异，以此可以提高磁共振成像的分辨率。,