湘潭大學(xué)功能材料第11章納米材料

第11章納米材料2/4/20231什么是納米？這一定是每一個(gè)首次接觸納米的人提出的第一個(gè)問題。一、概述其實(shí)，納米就字面來說，只是一種尺度，它和我們所熟悉的米、毫米、微米一樣都是長(zhǎng)度計(jì)量單位。1納米等于10-9m，也就是說，l納米只有10億分之一米。1納米大約是3－4個(gè)原子排列在一起的長(zhǎng)度；是人頭發(fā)直徑的萬分之一。而納米材料一般指至少在一個(gè)方向上尺寸在1-100nm之間的材料。2/4/20232納米紀(jì)事最早的納米材料：中國(guó)古代的銅鏡的保護(hù)層：納米氧化錫中國(guó)古代的墨及染料1857年，法拉第制備出金納米顆粒1861年，膠體化學(xué)的的建立1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理論2/4/20233上世紀(jì)七十年代末至八十年代初，開始較系統(tǒng)的研究

1985年，Kroto和Smalley等人發(fā)現(xiàn)C601990年7月，在美國(guó)巴爾的摩召開第一屆納米科技會(huì)議

1994年，在波士頓召開的MRS秋季會(huì)議上正式提出納米材料工程2/4/202342/4/202352/4/202362/4/20237自然界的納米材料人體和獸類的牙齒海洋中的生命粒子蜜蜂的“羅盤”—腹部的磁性納米粒子螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導(dǎo)航2/4/20238納米材料的分類按結(jié)構(gòu)：零維納米材料：量子點(diǎn)納米粒子一維納米材料：如納米線(量子線)、納米管二維納米材料：薄層納米孔材料：如介孔分子篩2/4/20239按組成：金屬納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)和高分子納米材料、復(fù)合納米材料……復(fù)合納米材料：無機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料無機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu)量子阱(超晶格)材料…………2/4/2023101.尺寸效應(yīng)—Kubo理論2.表面效應(yīng)3.庫(kù)侖阻塞和量子隧穿4.介電限域效應(yīng)二、納米材料(納米粒子)的特性2/4/202311尺寸效應(yīng)1)量子尺寸效應(yīng)(Kubo公式)：δ=(4/3)(EF/N)∝V-1δ,相臨電子能級(jí)間距；N，粒子內(nèi)總導(dǎo)電電子數(shù)；EF

，費(fèi)米能級(jí)；V，粒子體積當(dāng)粒子為球形時(shí)，δ∝1/d3金屬能級(jí)的不連續(xù)和半導(dǎo)體能級(jí)間隙變寬2/4/2023122)小尺寸效應(yīng)：粒子尺寸與光的波長(zhǎng)、單磁籌臨界尺寸、超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度相當(dāng)或更小時(shí)，引起的相關(guān)物理性質(zhì)的變化。光吸收顯著增加，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)過渡；超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變；納米粒子熔點(diǎn)的改變：金：熔點(diǎn)1337K，2nm粒子為600K2/4/2023132.表面效應(yīng)納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系2/4/2023143.庫(kù)侖堵塞與量子隧穿Ec=e2/2C充入一個(gè)電子所需要的能量也稱庫(kù)侖堵塞能。這種小體系中單電子輸運(yùn)行為稱為庫(kù)侖堵塞效應(yīng)。2/4/202315在第一個(gè)量子點(diǎn)上所加的電壓必須克服Ec，電子才能隧穿，V>e/C通常，庫(kù)侖堵塞和量子隧穿都是在低溫下才能觀察到，條件是(e2/2C)>kbT。如果粒子特別小，一般在1nm左右時(shí)就可以在室溫下觀察到。2/4/2023164.介電限域效應(yīng)納米微粒分散在異質(zhì)介質(zhì)中由于界面引起的體系介電增強(qiáng)的現(xiàn)象。介電限域?qū)馕铡⒐饣瘜W(xué)、光學(xué)非線性等性質(zhì)都有影響。2/4/202317分類：物理方法和化學(xué)方法物理方法：物理粉碎法、激光蒸發(fā)法、噴霧法、分子束外延法…化學(xué)方法：沉淀法、溶膠-凝膠法、微反應(yīng)器法、水熱及溶劑熱法、化學(xué)氣相沉積法…三、納米材料的制備2/4/2023182.幾種化學(xué)方法簡(jiǎn)介1)化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition,CVD）利用氣態(tài)或蒸汽態(tài)的物質(zhì)在氣相或氣固界面上反應(yīng)生成固態(tài)沉積物的技術(shù)。20世紀(jì)60年代JohnMBlocher

Jr等首先提出VaporDeposition，根據(jù)過程的性質(zhì)分為PVD和CVD。2/4/202319CVD技術(shù)被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體和集成電路技術(shù)：?CVD是目前超純多晶硅的唯一生產(chǎn)方法；?化合物半導(dǎo)體的制備，比如III-V族半導(dǎo)體；?各種攙雜半導(dǎo)體薄膜的生長(zhǎng)，以及絕緣薄膜的生長(zhǎng)2/4/2023202/4/2023212）水熱和溶劑熱法hydrothermalSolvothermalSynthesis較高溫度和較高壓力下溶液中的化學(xué)合成。水熱法最初是為了模擬地礦生成條件。水熱法被廣泛用于分子篩合成，晶體生長(zhǎng)等。近些年被用于納米材料的制備。特征：體系一般處于非理想、非平衡狀態(tài)溶劑處于接近臨界、臨界或超臨界狀態(tài)。2/4/202322優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)物活性改變和提高，有可能代替固相反應(yīng)，并可制備出固相反應(yīng)難以制備出的材料；中間態(tài)、介穩(wěn)態(tài)以及特殊相易于生成，能合成介穩(wěn)態(tài)或者其他特殊凝聚態(tài)的化合物、新化合物。能夠合成熔點(diǎn)低、蒸氣壓高、高溫分解的物質(zhì)；2/4/202323低溫、等壓、溶液條件，有利于生長(zhǎng)缺陷少、取向好、完美的晶體，并且產(chǎn)物晶體的粒度可控；由于環(huán)境氣氛可調(diào)，因而可合成低價(jià)態(tài)、中間價(jià)態(tài)與特殊價(jià)態(tài)化合物的生成，并能進(jìn)行均勻攙雜。2/4/2023243)溶膠凝膠法sol-gel采用無機(jī)鹽或金屬有機(jī)化合物，如醇鹽為前驅(qū)物，前驅(qū)物在水中水解（或者在其他溶劑中溶劑解），反應(yīng)生成物聚集形成溶膠。然后經(jīng)蒸發(fā)干燥從溶膠轉(zhuǎn)變?yōu)槟z。典型的軟化學(xué)合成。2/4/2023255）模板法制備納米材料Template-directedSynthesisofnanomaterials硬模板2/4/202326四、幾種典型的納米材料1.防護(hù)材料

由于某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用，在產(chǎn)品和材料中添加少量（一般不超過含量的2％）的納米材料，就會(huì)大大減弱紫外線對(duì)這些產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。被廣泛用于護(hù)膚、裝飾材料、外用面漆、木器保護(hù)、天然和人造纖維以及農(nóng)用塑料薄膜等方面。2/4/2023272.精細(xì)陶瓷材料

使用納米材料可以在低溫、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密且性能優(yōu)異的陶瓷。因?yàn)檫@些納米粒子非常小，很容易壓實(shí)在一起。此外，這些粒子陶瓷組成的新材料是一種極薄的透明塑料，噴涂在諸如玻璃、塑料、金屬、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有這種陶瓷的塑料鏡片即輕又耐磨、還不易破碎。2/4/2023283.磁性材料

納米粒子屬單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子，它的磁化過程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行，即使不磁化也是永久性磁體，因此用它可做永久性磁性材料。磁性納米粒子具有單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征，用它來做磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。2/4/202329當(dāng)磁性材料的粒徑小于臨界半徑時(shí)，粒子就變得有順磁性，稱之為超順磁性，這時(shí)磁相互作用弱。利用這種超順磁性可做磁流體，磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性，它在工業(yè)廢液處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。2/4/2023304.傳感材料

納米粒子具有高比表面積、高活性、特殊的物理性質(zhì)及超微小型等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變會(huì)迅速引起納米粒子表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?，利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性優(yōu)良。2/4/2023315.光電材料與光學(xué)材料

納米材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能，作為非線性光學(xué)材料、特異吸光材料、軍事航空中用的吸波隱身材料，以及包括太陽能電池在內(nèi)的儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換材料等具有很高的應(yīng)用價(jià)值。2/4/2023326.增強(qiáng)材料

納米結(jié)構(gòu)的合金具有很高的延展性等，在航空航天工業(yè)與汽車工業(yè)中是一類很有應(yīng)用前景的材料。納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強(qiáng)度；納米纖維作為硫化橡膠的添加劑可增強(qiáng)橡膠并提高其回彈性；納米管在做纖維增強(qiáng)材料方面也有潛在的應(yīng)用前景。2/4/2023337.納米濾膜

采用納米材料發(fā)展出分離僅在分子結(jié)構(gòu)上有微小差別的多組分混合物，實(shí)現(xiàn)高能分離的納米濾膜。其它還有將納米材料用作火箭燃料推進(jìn)劑、H2分離膜、顏料穩(wěn)定劑及智能涂料、復(fù)合磁性材料等。2/4/202334碳家族8.碳納米材料2/4/2023358.1碳納米材料發(fā)展簡(jiǎn)史1985年發(fā)現(xiàn)了巴基球(C60)；柯爾、克羅托和斯莫利在模擬宇宙長(zhǎng)鏈碳分子的生長(zhǎng)研究中，發(fā)現(xiàn)了與金剛石、石墨的無限結(jié)構(gòu)不同的，具有封閉球狀結(jié)構(gòu)的分子C60。因此，1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1991年日本電氣公司的S.

Iijima在制備C60、對(duì)電弧放電后的石墨棒進(jìn)行觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)圓柱狀沉積。空的管狀物直徑0.7-30

nm，叫Carbon

nanotubes，(CNTs）；2/4/2023361992年瑞士洛桑聯(lián)邦綜合工科大學(xué)的D.Ugarte等發(fā)現(xiàn)了巴基蔥(Carbonnanoonion)；2000年，北大彭練矛研究組用電子束轟擊單壁碳納米管，發(fā)現(xiàn)了Ф=0.33nm的碳納米管,但穩(wěn)定性較差;2002年4月5日，美國(guó)紐約州的倫斯勒工業(yè)大學(xué)（RPIRensselar

PolytechnicInstitute）材料科學(xué)工學(xué)專業(yè)教授P.M.

Ajayan的研究小組報(bào)道制備出了“雛菊”2/4/2023372/4/2023382003年5月4日，日本信州大學(xué)和三井物產(chǎn)下屬的CNRI子公司研制成功Ф=0.4nm的碳納米管。同年，日本名古屋大學(xué)筱原久典教授制備出了納米電纜；2004年3月下旬,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所趙宇亮、陳振玲、柴之芳等研究人員，利用一定能量的中子與C70分子相互作用，首次成功合成、分離、表征了單原子數(shù)目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science雜志報(bào)道，我國(guó)科學(xué)家合成出了C50Cl10(廈門大學(xué))；2/4/2023398.2碳納米材料的分類富勒烯:碳的第四種同素異形體(金剛石、石墨和無定形碳)

富勒烯包括：巴基球（C50、C60、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、巴基管（單壁和多壁碳納米管）和巴基蔥納米金剛石2/4/202340富勒烯C802/4/2023412/4/202342a.C60的發(fā)現(xiàn)及命名1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人在《自然》雜志上正式宣布C60的發(fā)現(xiàn)及結(jié)構(gòu)模型；1996年，獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。C60亦稱footballene

2/4/202343

C60由20個(gè)六邊形環(huán)和12個(gè)五邊形環(huán)組成的球形32面體，其中五邊形環(huán)只與六邊形環(huán)相鄰，而不相互連接。C60分子中的鍵有兩種：?jiǎn)捂I和雙鍵。五邊形環(huán)只有單鍵，而在六邊形環(huán)中單鍵與雙鍵交替排列，故六邊形與五邊形的公共棱邊為單鍵，而兩個(gè)六邊形環(huán)的公共棱邊則為雙鍵。2/4/202344b.C60的合成方法電弧放電法苯火焰燃燒法

1991年7月,麻省理工學(xué)院教授JackHoward及其實(shí)驗(yàn)伙伴，從1000g純碳中得到3g富勒烯。高頻加熱蒸發(fā)石墨法

2/4/202345c.C60的物理化學(xué)性質(zhì)（1）物理性質(zhì)黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔點(diǎn)>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烴中溶解度隨溶劑碳原子數(shù)的增加而增大。能在不裂解情況下升華。生成熱為ΔH°f(C)=2280KJ/mol，電離勢(shì)為2.61ev±0.02ev，電子親合勢(shì)2.6ev～2.8ev，可壓縮率為7.0×10-12cm3/dyn，抗沖擊能力強(qiáng)。具有非線性光學(xué)性能，室溫下是分子晶體，適當(dāng)?shù)慕饘贀诫s后的C60表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性和超導(dǎo)性。2/4/202346（2）化學(xué)性質(zhì)芳香性，傾向于得到電子，易于與親核試劑反應(yīng)。多種C60衍生物，其中金屬包含于C60籠內(nèi)部：M@C60；金屬和C60在球外表起反應(yīng)：MC60。C60和金屬的反應(yīng)

C60的氧化還原反應(yīng)

C60與自由基反應(yīng)C60的加成反應(yīng)

C60聚合反應(yīng)

2/4/202347碳60超導(dǎo)體已經(jīng)試驗(yàn)過往C60中摻雜，引入堿金屬、堿土金屬原子，可以得到各向同性的超導(dǎo)性，制成了有機(jī)超導(dǎo)體。d.C60的奇異性能舉例

2/4/202348分子算盤1996年11月，IBM公司在瑞士蘇黎士研究室工作的物理學(xué)家金澤夫斯基等，想能否用一臺(tái)掃描隧道顯微鏡和一些巴基球，制成一個(gè)能計(jì)算的機(jī)器。結(jié)果研究出第一臺(tái)分子算盤，儲(chǔ)存信息容量是常規(guī)電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的10億倍，可能是將來制造出分子般大小的機(jī)器的第一步。移動(dòng)單個(gè)分子或原子的技術(shù)，將是下一代電子元件和開發(fā)納電子集成電路的關(guān)鍵。2/4/202349碳納米管的制備電弧放電法催化裂解法(復(fù)合電極電弧催化法、碳?xì)浠衔锎呋纸夥?CVD---化學(xué)氣相沉積法激光蒸發(fā)（燒蝕）法等離子體法增強(qiáng)等離子熱流體化學(xué)蒸氣分解沉積法PE-HF-CVD熱解聚合物法（化學(xué)熱解法）離子（電子束）輻射法催化裂解無基體法電解法2/4/202350碳納米管的物理化學(xué)性質(zhì)超長(zhǎng)單壁碳納米管束的性能超長(zhǎng)單壁碳納米管細(xì)絲(直徑50～500nm)在90～300K間，電阻率ρ=5～7μΩ/m單壁碳納米管長(zhǎng)絲的應(yīng)力(載荷)應(yīng)變曲線2/4/202351碳納米管的低能態(tài)性能碳納米管在極端物理?xiàng)l件下轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸捎脽峤z化學(xué)氣相沉積技術(shù)，在硅襯底上涂覆碳納米管取代金剛石粉作為粒晶，在真空度為13.3kPa的條件下，得到了優(yōu)質(zhì)的金剛石薄膜，成膜時(shí)間縮短了一倍。金剛石晶粒密度達(dá)108cm-2在激光輻照下，碳納米管能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榘突[，進(jìn)而得到金剛石。2/4/202352碳納米管的力學(xué)性能(1)高機(jī)械強(qiáng)度：鋼100倍強(qiáng)度，1/6重量(2)高長(zhǎng)徑比:103數(shù)量級(jí)(3)高比表面:400-500m2/g2/4/202353碳納米管的電化學(xué)性能碳納米管的壓制體（超級(jí)雙電層電容器）金屬性半導(dǎo)體性立體各向異性的陣列碳納米管薄膜2/4/202354碳納米管的場(chǎng)發(fā)射特性碳納米管之所以可以作為場(chǎng)發(fā)射材料，取決于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和力學(xué)、電學(xué)性能。首先，電導(dǎo)體，載流能力特別大；其次，直徑可以小到1nm左右；第三，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高、韌性好。定向碳納米管的場(chǎng)發(fā)射特性2/4/202355碳納米管的物理儲(chǔ)氫性能F—CNTs表示浮動(dòng)法制備的碳納米管；S—CNTs表示基種法制備的碳納米管室溫和10MPa下碳納米管的儲(chǔ)氫量

2/4/202356H2碳納米管的電化學(xué)儲(chǔ)氫性能瑞士福來堡大學(xué)物理系的Nützenadel等最先使用電化學(xué)方法檢測(cè)了碳納米管儲(chǔ)氫性能,比較了單壁碳納米管和多壁碳納米管混以銅粉或金粉制成的電極的恒流充放電性能。結(jié)果表明，單壁碳納米管的最大比電容量?jī)H為110mA·h/g,對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.39%。2/4/202357韓國(guó)Jeonbuk大學(xué)半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)及半導(dǎo)體物理研究中心的Lee等通過實(shí)驗(yàn)及理論計(jì)算認(rèn)為,氫以分子形式存在于碳納米管內(nèi)腔中,并且預(yù)言單壁碳納米管的儲(chǔ)氫量與管徑成正比，多壁碳納米管的儲(chǔ)氫量則與管徑無關(guān)。定向多壁碳納米管混以銅粉后表現(xiàn)出顯著的儲(chǔ)氫性能,最高比電容量達(dá)1625mA·h/g，對(duì)應(yīng)儲(chǔ)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.7%。2/4/202358碳納米管的吸附性能硝酸氧化處理后的碳納米管對(duì)鉛，銅和鎘離子顯示出了良好的吸附效果，單一金屬離子的吸附研究結(jié)果表明，碳納米管對(duì)鉛、銅和鎘離子的最大吸附容量分別為97.08，28.49和10.86mg/g；碳納米管對(duì)Pb2+的親合性最強(qiáng)，Cu2+次之，Cd2+最弱；碳納米管對(duì)3種金屬離子的吸附量隨著溶液pH值的升高和離子強(qiáng)度的減小而增加。2/4/202359碳納米管的應(yīng)用a.高強(qiáng)度碳纖維材料決定增強(qiáng)型纖維強(qiáng)度的一個(gè)關(guān)鍵是長(zhǎng)度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長(zhǎng)度直徑比至少是20∶1。納米管的長(zhǎng)度也是直徑的幾千倍，因而號(hào)稱“超級(jí)纖維”。它們的強(qiáng)度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。2/4/202360b.復(fù)合材料碳納米管增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料碳納米管/金屬基與高分子基復(fù)合材料碳納米管復(fù)合材料合成的可行性2/4/202361由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反應(yīng)所“溶解”，因此它們可以作為易于處理的模具。只要用金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導(dǎo)線。本法可進(jìn)一步地縮小微電子技術(shù)的尺寸，從而達(dá)到納米的尺度。c.納米電子器件2/4/202362d.催化纖維和膜工業(yè)碳納米管“列陣”制成的取向膜可被制成超濾膜2/4/202363e.碳納米管在環(huán)保中的應(yīng)用污水處理

較大的比表面積,可以用作固體雜質(zhì)的吸附劑。環(huán)境中存在的重金屬,如鉛、銅、鉻、汞、鎘、鋅等對(duì)各種生物都有危害作用。用硝酸氧化后的碳納米管對(duì)這些重金屬的單一和多元離子據(jù)有很強(qiáng)的吸附性能。2/4/202364f.碳納米管作為電子顯微鏡等的探針分辨率、探測(cè)深度更高，可以探測(cè)狹縫和深層次的特性。可以避免損壞樣品及探針針尖，可以對(duì)碳納米管的端部有選擇性地進(jìn)行化學(xué)修飾2/4/202365g.用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧

莫斯科大學(xué)的研究人員為了弄清納米管的受壓強(qiáng)度，將少量納米管置于29Kpa的水壓下（相當(dāng)于水下18000千米深的壓力）做實(shí)驗(yàn)。不料未加到預(yù)定壓力的1/3，納米管就被壓扁了。他們馬上卸去壓力，它卻像彈簧一樣立即恢復(fù)了原來形狀。應(yīng)用：科學(xué)家得到啟發(fā)，發(fā)明了用碳納米管制成像紙一樣薄的彈簧，用作汽車或火車的減震裝置，可大大減輕車輛的重量。2/4/202366納米管做成的“納米秤”

更令人驚奇的是，最近美國(guó)、中國(guó)、法國(guó)和巴西科學(xué)家用精密的電子顯微鏡測(cè)量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以測(cè)出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量一億分之二百克的單個(gè)病毒的“納米秤”。這種世界上最小的秤，為科學(xué)家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻(xiàn)。2/4/202367碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩

在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會(huì)燒毀。2/4/202368碳納米管整流器Intramolecular

NanotubeJunctions2/4/202369碳納米管仿效骨膠原纖維幫骨折痊愈美國(guó)加利福尼亞大學(xué)羅伯特?哈頓博士及其同事發(fā)現(xiàn)，碳納米管是骨組織生長(zhǎng)的理想基體。2/4/202370日本制成雙層納米管—電纜

新華社東京2003年４月１７日電（記者何德功）

日本名古屋大學(xué)筱原久典教授研制出一種雙層納米管，外層為半導(dǎo)體，內(nèi)層為導(dǎo)體，可作為極微細(xì)電子元件的配線用于薄形裝置的關(guān)鍵部位。

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據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，雙層納米管是利用了在碳電極間斷續(xù)放電的方法合成的，內(nèi)層可以像金屬一樣導(dǎo)電，直徑為１.３納米，外層具有半導(dǎo)體的特性，直徑為２納米。筱原教授把雙層納米管稱為納米同軸電纜，因?yàn)樵谕ㄐ胖惺褂玫耐S電纜多呈導(dǎo)體和絕緣體多層結(jié)構(gòu)，以提高導(dǎo)電性能。由于雙層納米管是由不同導(dǎo)電性能的納米管構(gòu)成，因此可以根據(jù)需要發(fā)揮不同的導(dǎo)電性能，這意味著它在超小型精密器械制造等對(duì)導(dǎo)電性能要求高的領(lǐng)域?qū)⒋笥杏梦渲亍?/p>

2/4/202372迄今，納米管很難按照人的設(shè)想制成導(dǎo)體和半導(dǎo)體，雙層納米管把導(dǎo)體和半導(dǎo)體套在一起，而且不發(fā)生短路現(xiàn)象，是納米技術(shù)的新收獲。

2/4/2023731.微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)可以閱讀硬盤的讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小為“掌上電腦”。納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率提高1兆倍，并實(shí)現(xiàn)太比特的存儲(chǔ)器（提高1000倍）；五、納米科技前景的展望2/4/202374納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。最近，麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子，其效率之高，令人驚訝。2/4/202375將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。2/4/2023762.環(huán)境和能源環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。制備孔徑1nm的納米孔材料和納米膜材料（孔徑10－100nm）用來消除水和空氣中的污染，成倍的提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。2/4/2023773.醫(yī)學(xué)與健康納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)帶來變革：

納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織，科研人員已經(jīng)成功利用納米微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位癌變治療，以減少副作用等；

2/4/202378在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排斥反應(yīng)，用于研究耐用的與人體友好的人工組織、器官?gòu)?fù)明和復(fù)聰器件，以及疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)。2/4/202379研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，并實(shí)施特殊治療。2/4/202380納米生物技術(shù)是納米技術(shù)和生物技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以用于生物醫(yī)學(xué)，如用納米技術(shù)制造的微型機(jī)器人，可讓它安全地進(jìn)入人體內(nèi)對(duì)健康狀況進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)還可用它直接進(jìn)行治療：用納米技術(shù)制造的“芯片實(shí)驗(yàn)室”可對(duì)血液和病毒進(jìn)行檢測(cè)，幾分鐘即可獲得檢測(cè)結(jié)果。4.生物技術(shù)2/4/202381在納米尺度上按照預(yù)定的對(duì)稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等；在納米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其它功能的生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料；動(dòng)植物的基因改善和治療，測(cè)定DNA的基因芯片等。2/4/202382雖然分子計(jì)算機(jī)目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件.

其中，細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用，它將使單位物質(zhì)的存儲(chǔ)和信息處理能力提高上百萬倍。2/4/202383例1生物芯片技術(shù)生物芯片是不同于半導(dǎo)體電子芯片的另一類芯片。半導(dǎo)體電子芯片是集成具有特定電子學(xué)功能的微單元所形成的電子集成電路；而生物芯片則是在很小幾何尺寸的表面積上，裝配一種或集成多種生物活性，僅用微量生理或生物采樣，既可以同時(shí)檢測(cè)和研究不同的生物細(xì)胞、生物分子和DNA的特性，以及他們之間的相互作用，獲得生命微觀活動(dòng)的規(guī)律。2/4/202384生物芯片可以粗略地分為細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片（生物分子芯片）和基因芯片（既DNA芯片）等幾類，都有集成，并行的快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為二十一世紀(jì)生物醫(yī)學(xué)工程的前沿科技。2/4/202385近兩年，已經(jīng)通過微制作（MEMS）技術(shù)，制成了微米量級(jí)的機(jī)械手，能夠在細(xì)胞溶液中捕捉到單個(gè)細(xì)胞，進(jìn)行細(xì)胞結(jié)構(gòu)、功能和通訊等特性研究。美國(guó)哈佛大學(xué)的Whitesides教授領(lǐng)導(dǎo)的研究人員，發(fā)展了微電子工業(yè)普遍使用的光刻技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并研制出效果更好的軟光刻方法（softlithography）。2/4/202386以此制出了可以捕捉和固定單個(gè)細(xì)胞的生物芯片，通過調(diào)節(jié)細(xì)胞間距等，研究細(xì)胞分泌和細(xì)胞間通訊。此類細(xì)胞芯片還可以作細(xì)胞分類和純化等。它的功能原理非常簡(jiǎn)單，僅利用芯片表面微單元的幾何尺寸和表面改性，即可達(dá)到選擇和固定細(xì)胞，以及細(xì)胞面密度控制。2/4/202387隨著人類基因工程的發(fā)展，基因芯片（即DNA芯片）得到迅速的發(fā)展。DNA芯片又稱為寡核苷酸陣列或雜交陣列分析，它是根據(jù)DNA雙螺旋原理而發(fā)展的核酸鏈間分子雜交的技術(shù)。

DNA芯片技術(shù)可以快速分析大量的基因信息，從而使生物醫(yī)學(xué)工作者可以研究并收集基因表達(dá)和變異信息；可以用于人類基因組中遺傳信息的分析；2/4/202388具特殊用途的DNA探針陣列可以在人類基因組中快速篩選已知的DNA序列；

DNA芯片還可用于檢測(cè)不同的人體細(xì)胞和組織基因表達(dá)，以檢測(cè)癌癥或其它疾病所對(duì)應(yīng)的基因的變換。隨著DNA芯片及雜交技術(shù)的發(fā)展，DNA芯片將有可能直接應(yīng)用于臨床診斷、藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。2/4/202389例2分子馬達(dá)分子馬達(dá)是由生物大分子構(gòu)成，利用化學(xué)能進(jìn)行機(jī)械做功的納米系統(tǒng)。天然的分子馬達(dá)