纳米科技概论0226(总论).ppt
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1、纳米科学技术概论,主讲教师:杨 辉,郭兴忠,杨辉教授,博士生导师浙江加州国际纳米技术研究院常务副院长;浙江省科技厅新材料专项专家组组长;浙江省特级专家;全国优秀科技工作者;研究方向:纳米材料制备、改性及产业化应用;电子陶瓷材料及其器件;特种功能玻璃及陶瓷绿色建材,任课教师介绍,郭兴忠博士,副教授,硕士生导师;中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会常务理事、秘书长杭州市硅酸盐学会副理事长兼秘书长研究方向:溶胶-凝胶多孔材料先进陶瓷材料联系方式:TEL:13067764767,87953313(Office)Email:,任课教师介绍,课程大纲与要求,大纲内容纳米科技总论与基础(物理、化学),纳米材料制备与表
2、征,纳米机械学/纳米生物学/纳米电子学,纳米科技其他应用与进展,课程学习要求学习的主动性教师:启发和引导同学:积极思考和讨论课堂发言和讨论课堂提问与发言不限次数分组讨论(1-2次)课堂作业(5次)课后作业(3次),教学考核,教学考核:传统考核(基本模式,兼顾)经考试评定掌握知识程度培养研究能力(强调)学习兴趣与主动性、提问发言运用知识解决问题的思路考核指标1)期末考试卷面成绩2)平时成绩:课堂出席率、作业与报告、课堂提问和发言、课后讨论与交流等。,科学研究素质与能力的提高:研究型大学的学生培养重要目标(分析问题,解决问题),教学内容与进度,总 论,纳米科技是20世纪80年代发展起来的交叉、前沿
3、的新兴学科,对未来的科技、经济和社会发展产生重大影响。,一、纳米科技的概念与发展历程二、纳米科技的研究意义和基本内涵三、纳米科技的体系范畴四、纳米科技的国际竞争及发展态势五、我国纳米科技发展纲要六、纳米热潮中的问题与思考七、当前国际纳米科技发展趋势,一、纳米科技的概念与发展历程(1),科学技术的发展与加工尺度的关系,科学技术发展简述,纳米的概念纳米是长度单位。1纳米(nm)=10-3微米(m)=10-6毫米(mm)=10-9米纳米尺度:1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程(2),不同组织结构的相对尺度大小,纳米的概念:纳米尺度:1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程(3),纳米尺
4、度的大小与常见球形物质的比较,纳米的概念:纳米尺度:1-100nm,一、纳米科技的概念与发展历程(4),纳米科技的概念:是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。是指在分子水平上,通过操纵原子来控制物质的结构,利用单个原子组建分子系统,制备不同类型的纳米器件(1990年,MIT的Drexler博士),一、纳米科技的概念与发展历程(5),纳米科技的发展历程,一、纳米科技的概念与发展历程(6),纳米科技发展的里程碑节点,纳米科技的概念提出、形成与发展1959年,著名的物理学家,诺贝尔奖得主Richard Feynman在美国物理学年会上,作了题为“Ther
5、es plenty of room at the bottom”的报告,指出“我认为物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理,而且原则上是可以实现的”。这个演讲已经被看作是纳米科技概念的起源。1962年,久保(Kubo)等人提出了超微粒子的量子限域理论,推动了实验物理学家向纳米尺度微粒进行探索。1963年,Uyeda等利用气相冷凝技术,在高纯惰性气体中,通过金属的蒸发-冷凝过程,制备了金属的超微颗粒。1974年,Taniguchi等将纳米科技应用于精细机械加工过程。1981年,IBM公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer利用扫描隧道显微镜,(Scanning
6、 Tunneling Microscopy,STM)实现人类首次在常温大气条件下观测到了原子,为纳米科技的发展奠定了基础。,一、纳米科技的概念与发展历程(7),纳米科技的概念提出、形成与发展1984年,Gleiter等人首次采用惰性气体的蒸发-冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末,并原位加压制备了纳米固体。1985年,诺贝尔奖获得者Kroto等采用激光加热石墨,蒸发并在甲苯溶液中形成C60,在全世界掀起了C60的研究热潮。同年,利哈廖夫等人提出通过控制单个电子进入或者离开所谓的库仑岛,实现一定规模的电路才能实现的功能,这是单电子器件的基础。1986年,MIT的Drexler博士在“创造的动力
7、-纳米时代的来临”一书中,对Feynman提出的纳米科技概念进行了拓展。1990年,他提出“纳米科技的基本思想是在分子水平上,通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统,制备不同类型的纳米器件”。,一、纳米科技的概念与发展历程(8),纳米科技的概念提出、形成与发展1990年,IBM研究中心用扫描隧道显微镜(STM)逐个搬动35个氙原子排列成IBM字样。这是当时世界上最小的原子商标,它表明人类不仅可以采用STM观测和测量物质表面的原子和分子结构,而且还可以根据人们的意志加工制造出最小的人工结构。,一、纳米科技的概念与发展历程(9),纳米科技的概念提出、形成与发展1990年
8、,在美国巴尔的摩召开了国际上首届纳米科学技术会议,对纳米科技的前沿领域进行了探讨和展望,正式提出了纳米材料学,纳米生物学,纳米电子学和纳米机械学的概念;并决定正式出版“Nanostructure Materials”,“Nanobiology”,“Nanotechnology”等正式的学术刊物。标志着纳米科技的这门新兴学科的正式形成,纳米科技等概念也开始被广泛应用。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,强度却是铁的10倍,成为纳米技术研究的热点。1993年,我国中科院操纵原子写字。,一、纳米科技的概念与发展历程(10),纳米科技的概念提出、形成与发展1994年,美国材料
9、研究学会(MRS)在波士顿的秋季会议上提出了“纳米材料工程”,是指在纳米材料研究的基础上,通过纳米合成、纳米添加等方法发展新材料,并可能通过纳米添加对传统材料进行改性,扩大纳米材料的应用范围,标志着纳米科技的发展形成了基础研究和应用开发 并重的新局面。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
10、。2000年1月21日,美国前总统克林顿在CIT宣布纳米科技的国家计划(NNI),世界各主要国家也都将纳米科技纳入国家发展规划,纳米科技列入国家层面的战略规划,进入了一个新的发展时期。,一、纳米科技的概念与发展历程(11),纳米科技的概念提出、形成与发展2001年,群雄并起,各国相继针对该国产业现况,纷纷提出纳米科技发展计划。美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书 日本成立“纳米材料研究所”(Tsukuba)欧盟成立“纳米电子技术联盟”(IMEC)德国成立六个纳米技术卓越群中国(北京)成立纳米国家科研中心台湾工业技术研究院亦于2002年一月,成立纳米科技研发中心,一、纳米科技的概念与
11、发展历程(12),1、纳米科技的研究意义促使人类认知的革命,同时将引发新的工业革命,对我国的社会、经济以及国家安全产生重大影响,纳米科技将重塑未来。(中科院白春礼院士)从纳米科技的起源分析:纳米尺度介与宏观和微观之间,属于介观尺度更接近微观的范围。这是目前为止,人类非常陌生的领域,有大量的新现象、新规律有待发现,是新技术的源头,充满了原始创新的机会。从纳米科技的理论分析:虽然依托基本的物理与化学理论,但是纳米科技已经不能归附与任何一门传统的学科领域,纳米科技自身需要在发展中创立新的理论。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵(1),1、纳米科技的研究意义纳米科技对产业的影响:在日益紧张的资源、能源
12、约束下,人类生存和发展依赖于可持续发展战略,纳米科技因其在推动产品高性能、微型化、环境友好、节约能源与资源、促进生态环境改善等方面起着关键的作用,而具有重大的社会和经济价值与意义。可能会引导新的工业革命。仅对产业的影响来说:对信息产业的影响:纳米器件将代替微电子器件,计算能力提高千万倍能耗却可降低两个数量级,芯片的设计需要符合纳米物理学的理论,新的器件集成技术和方法,新的生产线,新的产品检测方法、手段和标准;纳米光电子学可使通讯带宽增加千倍以上;量子存储器的信息存贮量可提高千万倍。对生命科学的影响:纳米生物学的出现将使生命科学获得突破,如生物计算机的研究和应用,早期疾病诊断与医疗、健康护理等。
13、对传统产业的影响:因纳米材料和技术的应用,建材、涂料、染料、纺织等传统产品性能提高,市场拓展,传统产业焕发青春。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵(2),1、纳米科技的研究意义纳米科技对知识经济的影响:21世纪是知识经济时代,纳米科技对信息科学、生命科学有巨大的推动作用,发达国家高度重视、将相关技术列为国家机密和商业机密进行高度保密。我国在纳米科技方面的水平:在某些领域我国具有较高的水平。在纳米科技发展水平上,因其是崭新的学科,传统学科和技术的影响相对较小,在某些领域我国的水平不低,为我国相关技术和产业的跨越式发展提供了可能。,二、纳米科技的研究意义和基本内涵(3),二、纳米科技的研究意义和基
14、本内涵(4),2、纳米科技的基本内涵纳米科技(Nano Science and Technology)是20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性的新兴学科,它是在纳米尺度(1-100纳米)上研究物质(包括原子和分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科技是研究纳米尺度的物质和体系的现象、规律及其相互作用,以及在工程技术应用中存在的技术问题。换句话说,是指在纳米尺度认识自然界,发现新现象和新知识;利用新技术通过直接操作和安排原子、分子来创造新物质为人类所用。,三、纳米科技的体系范畴(1),1、纳米材料物理学2、纳米材料化学3、纳米材料学4、纳
15、米测量学5、纳米电子学6、纳米机械学7、纳米生物医学,三、纳米科技的体系范畴(2),1、纳米材料物理学纳米材料体系:纳米科技的材料基础零维(纳米微粒、团簇)、一维(纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米带、纳米电缆等)、二维(纳米薄膜)或三维(纳米粒子组成的块体)尺度上保持了纳米尺度特征的材料体系。纳米效应量子限域效应小尺寸效应表面效应宏观量子隧道效应纳米材料物理学的任务:从物质及其相互作用角度,揭示这些新奇特纳米效应或现象的物理学起因及本质规律。,碳纳米材料,2、纳米发电机-氧化锌纳米线弯曲:压电效应作用,Spontaneous Polarization-Induced Nanohelixes,Nan
16、osprings,and Nanorings of Piezoelectr,Nano.Lett.2003,3(12),1625-1631,三、纳米科技的体系范畴(3),2、纳米材料化学研究纳米材料/体系合成的理论以纳米材料(如零维的纳米微粒、团簇,一维的纳米线、纳米棒等)的合成、表征及其化学性质为主要研究对象。研究的重点领域举例:不发生团聚的纳米产品制备技术改善纳米材料与其他物质相容性的技术超大分子合成和自组装技术纳米材料的催化特性等,三、纳米科技的体系范畴(4),3、纳米材料学纳米材料是纳米科技发展的重要基础和支撑。主要研究内容:纳米材料的制备与改性纳米材料的特性与表征纳米材料的应用与评价纳
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