納米技術(shù)083002課件

1、納米技術(shù)引言天梯碳納米管繩梯傲立宇宙間，頂天立地的“第二巴別塔”太空電梯橫空出世 ， 莽昆侖， 閱盡人間春色。引言1982年科普作家朱毅麟認(rèn)為天梯的高度至少是天上的地球同步衛(wèi)星那么高。從地面修造天梯達(dá)到幾萬千米高的衛(wèi)星，底部必須是直徑358千米粗的柱子，才能支撐得住，不被自己的重量壓彎。古人幻想，順著天梯就可以上天。認(rèn)為沿著昆侖山頂峰上的大樹向上爬，爬到樹頂就能進(jìn)入天庭，這棵樹就是上天的天梯。天梯碳納米管繩梯建設(shè)天梯（20世紀(jì)90年代提出）：同步衛(wèi)星放下由碳納米管制作的繩纜到地球，升降機(jī)將沿著繩纜爬上爬下。天梯碳納米管繩梯集成電路一塊用來制作大規(guī)模集成電路的芯片，上面有許多的溝槽，這張圖片能夠

2、清晰的顯示出溝槽的深淺和走向。CPUSRAM激光唱片肉眼看激光唱片(Compact Disk, CD)，表面十分光滑。從微觀上看，光盤上面有凹凸不平的凹痕和突起。激光技術(shù)加工合成樹脂日本科學(xué)家使用激光技術(shù)，用合成樹脂制成了迄今為止世界上最小的牛。1納米 - 1米的十億分之一納米（nanometer）長度單位 nano是十億分之一的意思 1納米是1米的十億分之一，記作nm 1納米：10個(gè)氫原子一個(gè)挨一個(gè)排成一列 20納米：1根頭發(fā)絲的三千分之一1 nm = 1 10-9 m2. 納米技術(shù)(Nanotechnology)誕生：20世紀(jì)80年代隨著新型顯微鏡(STM)的出現(xiàn)，人們能看清1納米大小的物

3、質(zhì)，于是出現(xiàn)了納米技術(shù)即毫微米技術(shù)。納米結(jié)構(gòu)： 指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。納米技術(shù)是指在納米尺度（100納米到0.1納米）的范圍內(nèi)研究物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能，通過直接操縱和安排原子、分子來創(chuàng)造新物質(zhì)材料的技術(shù)。人物介紹費(fèi)曼很多物理學(xué)家把費(fèi)曼稱為“新的”物理學(xué)之父，可見他對物理學(xué)的貢獻(xiàn)之大，而愛因斯坦是“早先的”物理學(xué)之父。1965年，費(fèi)曼和朱利安薛溫格、朝永振一郎共同獲得了諾貝爾物理獎(jiǎng)。主要貢獻(xiàn)在于對量子電動(dòng)力學(xué)的理解。該學(xué)科研究光和帶電粒子之間的相互作用，特別是光和電子之間的相互作用。他在弱核反應(yīng)和超導(dǎo)研究方面也作出巨大的貢獻(xiàn)。4. 納米技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與發(fā)展放大倍率達(dá)千萬倍的掃描

4、隧道顯微鏡（STM）發(fā)明后，納米技術(shù)真正成為一門科學(xué)技術(shù)。從20世紀(jì)90年代初起，納米科技得到迅速發(fā)展，像納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)等新名詞、新概念不斷涌現(xiàn)。專家預(yù)測：未來全球技術(shù)發(fā)展的9大關(guān)鍵技術(shù)之一就是納米科技的研究與應(yīng)用。STM的出現(xiàn)，使人類第一次能夠?qū)崟r(shí)地觀察單個(gè)原子物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理、化學(xué)性質(zhì)，被國際公認(rèn)為20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。賓尼希博士(Gerd K. Binnig)和羅雷爾博士(Heinrich Rohrer)由于掃瞄隧道顯微鏡(ScanningTunneling Microscopy) 的發(fā)明，共同獲得 1986 年

5、諾貝爾物理獎(jiǎng)。賓尼希于 1978 年進(jìn)入 IBM 公司蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室(Zurich Research Laboratory)的一個(gè)物理研究組。19851986 年就職于 IBM 公司在加州圣荷西市的 Almaden 研究中心。1987 年被提名為 IBM 公司的杰出研究人員 （IBM Fellow），目前仍任 IBM 蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室的研究員。羅雷爾博士（Heinrich Rohrer）羅雷爾于1960 年完成博士后研究，隨即加入 IBM 新成立的蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室（Zurich ResearchLaboratory），從事 Kondo 材料、反鐵磁體（antiferromagnets）及其它

6、方面的研究，接著把研究重心轉(zhuǎn)向掃瞄式穿隧顯微鏡。1986 年被提名為 IBM 公司的杰出研究人員（IBM Fellow），并且在 19861988 年間擔(dān)任 IBM 公司蘇黎士研究實(shí)驗(yàn)室的物理科學(xué)部門經(jīng)理。 1997 年 7 月從 IBM 公司退休。我國的納米先鋒自20世紀(jì)80年代中期以來，納米科學(xué)和納米技術(shù)越來越受到重視。為期十年的“納米科學(xué)攀登計(jì)劃”和一系列先進(jìn)材料的研究計(jì)劃是核心活動(dòng)。已投入經(jīng)費(fèi)約數(shù)千萬元人民幣。有實(shí)力的領(lǐng)域是納米探針和運(yùn)用納米管的生產(chǎn)工藝的開發(fā)方面。中科院納米科技項(xiàng)目首席科學(xué)家白春禮院士納米操縱技術(shù)納米級(jí)微加工后的表面應(yīng)用隧道效應(yīng)，用STM可以人為操作表面利用計(jì)算機(jī)控制

7、STM的針尖作有規(guī)律的移動(dòng)，在某些部位加大隧道電流的強(qiáng)度或使針尖頂端直接接觸到樣品的表面，在某些樣品如石墨的平坦表面上刻出有規(guī)律的痕跡，形成某些有意義的圖形和文字中科院化學(xué)所用自制的掃描隧道顯微鏡，在石墨晶體表面刻寫出一幅中國地圖，并寫出“中國”兩個(gè)字。兩幅圖像和文字的線條寬度只有10納米。中科院化學(xué)所的科技人員利用納米技術(shù)在石墨表面通過搬遷碳原子繪制出世界上最小的中國地圖移動(dòng)氙原子1990年4月，美國IBM公司的兩位科學(xué)家在用STM觀測金屬鎳表面的氙原子時(shí)，由探針和氙原子的運(yùn)動(dòng)受到啟示，嘗試用STM針尖移動(dòng)吸附在金屬鎳表面上的氙原子，得到下圖所示的情況。并在液氦的低溫下，將35個(gè)氙（Xe）原

8、子在鎳（Ni）表面上移動(dòng)排列出5個(gè)原子高的“IBM”的構(gòu)圖。移動(dòng)硫原子1991年6月初，日本日立中心研究室的科技人員利用STM從二硫化鉬晶體表面上把硫原子有規(guī)律的轟擊出來，留下的空位組成了英文“PEACE91”的字樣，并附有日立中心實(shí)驗(yàn)室的字頭縮寫。PEACE91HCRL移動(dòng)鐵原子1993年美國科學(xué)家在低溫下，用STM針尖將48個(gè)鐵原子排成一個(gè)圓環(huán)，并且直接觀察到了電子駐波的圖形而后，又成功地移動(dòng)鐵原子寫成了兩個(gè)漢字 “原子”。鐵原子的移動(dòng)過程移動(dòng)一氧化碳分子1991年2月IBM公司用STM針尖移動(dòng)吸附在金屬鉑表面的一氧化碳分子，描繪出“一氧化碳人”，其身高為5納米。鐵基FeCO分子形成過程一

9、個(gè)鐵原子(Fe)與一個(gè)一氧化碳( CO )分子結(jié)合成一個(gè)鐵基分子( FeCO )的過程如圖所示2002年納米操縱成像獲重大突破 2002年第一期國際納米界權(quán)威雜志納米通訊采用了三個(gè)“筆跡”稍有歪扭的“DNA”字母虛擬畫面做封面。這一成果由中科院上海原子核研究所、交通大學(xué)胡鈞、李民乾兩位研究員領(lǐng)銜的課題組與德國莎萊大學(xué)科學(xué)家合作取得。通過納米操縱技術(shù)，用單個(gè)DNA分子長鏈書寫；每個(gè)字母長僅300nm、寬200nm應(yīng)用原子力顯微鏡等納米顯微術(shù)，將單個(gè)DNA鏈完整地拉直，再對分子鏈進(jìn)行切割、彎曲、修剪，終于“寫”出“DNA”三個(gè)字母二、納米材料的奇異特性各種納米材料的特性蓮花葉子表面的自我潔凈蓮花葉

10、面表面的結(jié)構(gòu)與粗糙度為微米至納米尺寸的大小。當(dāng)遠(yuǎn)大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時(shí)，只能和葉面上凸?fàn)钗镄纬牲c(diǎn)的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，在滾動(dòng)中吸附灰塵，并滾出葉面。鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，毛與毛之間的隙縫小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛。鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。這種結(jié)構(gòu)還極其通氣。不用洗滌劑的納米服裝2002年，一批高科技服裝面料從實(shí)驗(yàn)室走上了展臺(tái)：不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料等令人耳目一新具有易潔納米涂層的陶瓷摔不碎的納米陶瓷納米陶瓷粉體是介于固體與分子之間的具有納米數(shù)量級(jí)（1100nm）尺寸的亞穩(wěn)態(tài)中間物質(zhì)。隨著粉體的

11、超細(xì)化，其表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生了塊狀材料所不具有的特殊的效應(yīng)。 強(qiáng)度比常規(guī)銅高5倍納米銅用納米材料制成的用品具有很多奇特的性質(zhì)。例如，納米銅具有超塑延展性，在室溫下可拉長50多倍而不出現(xiàn)裂紋。最近，法國國家科研中心研究人員發(fā)現(xiàn)，平均體積僅為80納米的銅納米結(jié)晶體機(jī)械特性驚人，強(qiáng)度不僅比普通銅高5倍，且形變非常均勻，沒有明顯的區(qū)域性變窄現(xiàn)象。這是科學(xué)家首次觀察到物質(zhì)如此完美的彈塑性行為。銅納米晶體的這種機(jī)械特性為制造常溫下的彈性物質(zhì)開辟了光明前景。三、微型機(jī)器人1976年，德雷克斯勒看到了遺傳工程的書，萌發(fā)了制造微型機(jī)器人去控制DNA的念頭 。我國留學(xué)生馮龍生等在美國制成寬度不到

12、1毫米的靜電馬達(dá)；日本豐田公司造了一輛只有62毫克，米粒大小的微型汽車。德國物理學(xué)家埃費(fèi)爾德研制了一架直升飛機(jī)，重量不到半克，能升到130毫米的空中。美國波士頓大學(xué)的化學(xué)家T.Ross Kelly，制備出世界上最小的分子馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成。仿甲蟲外形制造的微型機(jī)器人納米軸承微型機(jī)器人微型機(jī)器人納米機(jī)器人“納米機(jī)器人”的研制是根據(jù)分子水平的生物學(xué)原理為設(shè)計(jì)原型，設(shè)計(jì)制造可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”。第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體 可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。還可進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的，把正常的安裝在基因中，使

13、機(jī)體正常運(yùn)行。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置第三代納米機(jī)器人是包含納米計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。一旦問世將徹底改變?nèi)祟惖膭趧?dòng)和生活方式。 圖示納米機(jī)器人在清理血管中的有害堆積物。納米機(jī)器人小到可在人的血管中自由地游動(dòng)，對于腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。由碳納米管制作的納米齒輪模型。齒輪上的原子清晰可見。碳納米管的強(qiáng)度高、重量輕，用它做成太空升降機(jī)的纜繩，即使纜繩的長度是從太空下垂到地面的距離，它也完全可以經(jīng)得住自身的重量。鈉米存儲(chǔ)器DNA開關(guān)圖示科學(xué)家幻想的人體中血紅細(xì)胞和人造細(xì)胞在一起的情景。體內(nèi)某

14、些缺氧的部分會(huì)感到疲勞，紅血球的重要功能之一是向身體各部分輸送氧分子 。藍(lán)色小球稱為呼吸者，它們具有比紅血球攜帶氧分子多數(shù)百倍的功能，且本身裝有納米計(jì)算機(jī)、納米泵，可以根據(jù)需要將氧釋放，同時(shí)將無用的二氧化碳帶走。畫家筆下的一種納米仿生術(shù)機(jī)器人。這種稱為游蕩者的納米仿生物可以為人體傳送藥物，進(jìn)行細(xì)胞修復(fù)等工作。四、未來的理想超級(jí)纖維碳納米管1 碳60和巴基球1985年，美國科學(xué)家克勞特和斯莫利等用激光束去轟擊石墨表面，發(fā)現(xiàn)了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外邊圍砌著60個(gè)碳原子，它們組成了12個(gè)五邊形和20個(gè)正六邊形。碳60有一個(gè)別名：巴基球。一個(gè)巴基球的直徑是0.7納米。巴基球可以做得更大，再增加10個(gè)碳原子，還可以做成碳70。如果用960個(gè)碳原子制成碳540，有可能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)！2 碳納米管碳原子既然可以排列成足球的形狀，就可以排列成圓筒形。球形只能擴(kuò)大成為越來越大的球；圓筒形卻可以加長，成為一根纖維。于是科學(xué)家就用碳元素組成了一種圓筒材料碳納米管。人們制成的碳納米管，其直徑已達(dá)到1.4納米，每一圈由10 個(gè)六邊形組成。要進(jìn)一