纳米技术课件.ppt

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1、纳米技术,演讲人：刘欢欢,1,内容提要,纳米技术介绍纳米技术的发展纳米技术的应用纳米技术的前景,2,纳米技术简介,纳米是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米 。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构 。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在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

2、，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。,3,纳米技术发展史,1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。 20世纪70年代 ，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，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,1982年 ，科学家发明研究纳米的重要工具扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。 1990年7月 ，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳

3、米科学技术的正式诞生。 1991年 ，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等,4,1993年 ，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“”之后，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 1997年 ，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成

4、功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机 1999年 ，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 近年 ，近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。,5,纳米技

5、术的发展阶段,以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段： 第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。这个阶段的市场规模约为5亿美元。 第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间。 在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计制造系统、目标设计技术、

6、计算机模拟技术和组装技术等。该阶段的市场规模可达100亿至1000亿美元。 在第四个阶段中纳米计算机将得以实现。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。 在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。,6,主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。,1) 超细薄膜超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物，具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多

7、层薄膜，是制造高密度磁盘的基本材料。,5. 纳米技术的主要研究项目,7,2) 碳纳米管 碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景，因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。,8,3) 陶瓷材料陶瓷材料在通常情况下具有坚硬、易碎的特点，但由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，有的可大幅度弯曲而不断裂，表现出金属般的

8、柔韧性和可加工性。,9,纳米技术的内容,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0.1100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。 纳米技术不同于微米技术。后者是利用光刻及腐蚀等技术，从宏观尺度自上而下地进行材料的制造，集中表现在集成电路的生产等方面。而纳米技术则相反，其突出特点是基于自组装这种自下而上的方式制造纳米材料。当然，纳米材料的制造不完全依靠自组装，为了保证批量生产的效率，也会同

9、时运用光刻技术。 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2030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。,10,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)

10、,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。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

11、件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。纳米电子学 包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。,11,纳米技术应用,纳米技术是近年来出现的一门高新技术 ，目前已成功用于许多领域，现在主要讲下面几个方面： 1 、纳米技术在生物、医药学中的应用 医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在

12、纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用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。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 2、纳米技术在家用中的应用 家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。 3、纳米技术在电子计算机和电子工业中的应用可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为

13、“掌上电脑”。,12,5、纳米技术在环境保护中的应用 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。 6、纳米技术在纺织工业领域的应用 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。 7、纳米技术在机械工业中的应用 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,13,中科院化学所的科技人员利用纳米技术在

14、石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图,应用实例,14,不用洗涤剂的纳米服装,2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新,视频：纳米布料,15,具有易洁纳米涂层的陶瓷,视频：纳米表面,16,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,17,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,视频：SPS 复合材料改善钢板的特性,18,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、开胸手术。,由碳纳米管制作的纳米齿轮模型。齿轮上的原子清晰可见。碳纳

15、米管的强度高、重量轻，用它做成太空升降机的缆绳，即使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。,钠米存储器,DNA开关,19,科学家幻想的人体中血红细胞和人造细胞在一起的情景。体内某些缺氧的部分会感到疲劳，红血球的重要功能之一是向身体各部分输送氧分子 。蓝色小球称为呼吸者，它们具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。画家笔下的一种纳米仿生术机器人。这种称为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。,20,纳米技术铸造“袖珍军团”,随着纳米技术的发展，科学家们能对逐个原子进行加工，

16、精度极高。利用这些技术加工出的纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承、微型传感器、微型执行机构等零部件，能够制成一系列新产品。据报道，日本已组装出一种只有米粒大小的汽车；德国则研制出了长24毫米、高8毫米、重量只有400毫克的微型直升机；而美国研制的微型发动机，在微小的空间中能装下1000台。,21,袖珍军团,“袖珍军团”是指能像士兵那样执行各种军事任务的超微型智能武器装备，目前正在研制的主要是执行侦察监视任务、破坏敌方电脑网络、信息系统、武器火控和制导系统的“间谍草”、“机器虫”、袖珍遥控飞行器、“蚂蚁雄兵”和微型攻击机器人等。,22,纳米苍蝇,作用非凡的“苍蝇”这是一种苍蝇样大小的机器虫，

17、它既可用飞机、火炮和步兵武器投放，也可人工放置在敌信息系统和武器系统附近，大批机器“苍蝇”可在一个地区形成高效侦察监视网，大大提高战场信息获取的数量和质量。如果再给“苍蝇”安上某种极小的弹头，它们就会变成“蜇人的黄蜂”。,23,纳米军装,虽然美军目前所穿的作战服装已经具备较好的防弹、防水性能，但是缺点也很明显，即重量太大，而且还需携带许多诸如夜视仪等其他装备才能执行作战任务，这样的军装既笨重又不透气，穿起来十分难受，限制了美军作战能力的发挥。而纳米军装恰恰可以解决这些问题。,24,五大奇特功能,轻巧：以覆盖整套作战服装的防水层为例，其总重量只有0.45克，较之以前轻巧不少，而且透气性能极佳。智

18、能化：内嵌在纳米防弹头盔内的超微电脑具有防护、通信、指挥、分析以及全天候火力瞄准等功能，军服材料中使用的纳米太阳能传导电池可与超微存储器相连，确保整个系统的能源供应。防护功能：由于纳米材料极高的强度和韧性，因此可以发挥防弹作用。此外，军装中的纳米传感器还可以感应空气中生化指标的变化，当有害气体或物质指标突然升高时，军装会立即将头盔和其他通气部分的透气口关闭，并释放生化武器的解毒剂，起到预防效果。治疗功能：该军装将使用一种特殊材料，能够在接收到纳米传感器发出的信号后，按照不同的情况，改变材料的物理状态。如果士兵意外受伤，这种材料可以当作石膏使用；如果士兵需要休息，材料就可以变得松软一些。此外，嵌

19、在军装中的纳米生化感应装置可以监视士兵的心率、血压、体内及体表温度等多项重要指标，以及辨识体表流血部位，并使该部位周边的军服膨胀收缩，起到止血带的作用。士兵伤情数据也会向战地医生的个人电脑系统发送，军医可远程操控军服进行简单治疗。隐身功能：这种军服的特种纤维中将大量掺入利用纳米技术制造的微型发光粒子，从而可以感知周围环境的颜色并做出相应调整，使军服变成与周围环境一致的隐蔽色，从而具备一定的隐身功能。据称，纳米军装有望在2007年开始装备美军。,25,纳米技术的前景,近年来，对纳米技术的应用研究不断取得突破性进展，并显示出革命性的产业前景。纳米技术的发展，不仅开创了一个科学技术的新时代，还将会引

20、起社会经济、军事等领域发生重大变革。 一、纳米技术的发展将直接推动其他高技术群的进步 纳米技术在电子器件制造、加工及新材料合成等方面，显示出了其独特的优势。目前，人们已经可以利用纳米技术把一个个原子排布起来，这就为制造特殊的电子器件乃至高集成度的集成电路创造了条件。利用纳米技术制成的新材料，具有传统材料无法比拟的良好特性。如，用铁钴合金和氮化铁制成的纳米技术材料作磁记录介质时，不仅信噪比高，音质、图像非常清晰，而且记录密度也比通常所用的材料高出10倍，纳米技术材料还可以被用来加工光盘模具，而光盘一旦进入纳米级，其信息存储量将是现在光盘的10倍，可以存储300亿个汉字。 利用纳米加工技术，还可以对材料表面进行纳米装饰，包括原子操纵、纳米光刻布线和纳米尺度的常规加工等。其中，原子操纵是纳米加工学的主要内容。所谓原子操纵，就是通过扫描隧道显微镜，对纳米空间材料表面的原子进行提取、植入和转移。不同的物质有不同的原子结构，原子操纵可以将某一物质的原子取出，再将新的原子植入，从而人工制造出某些新物质，实现物种再构。,26,结束,谢谢！,27,