10纳米大科学.ppt

 * 纳米科学与纳米技术 1 纳米世界里的大科学 纳米科学与技术简称纳米科技，是一项新兴的科学研究，纳米科技值得一搏，但不是每个参入者都有把握赌赢。 1.1 人类对自然界的认识 人类对自然世界的认识始于宏观物体又溯源于原子、分子等微观粒子，然而对纳米微粒却缺乏深入细致的研究。 客观世界，主要为两个层次：一是宏观领域，二是微观领域。 在宏观领域和微观领域之间，存在着一片有待开拓介观领域，也称为中等尺度领域。 纳米微粒是自然界物质结构的一个层次，它的尺度大于原子簇，一般在1～100nm之间。 纳米微粒属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域。 从微观或宏观看，这种系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统。  这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸的范围，介观领域中出现了许多奇异的崭新的物理、化学特性，成为当今凝聚态物理学的热点。 凡是出现量子相干现象的体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系。由于纳米体系和团簇特殊物理性质，又是介观领域研究的重点。1.2 纳米科学与技术研究的尺度 纳米尺度范围一般从形式上界定为1～100nm左右，但并非严格的科学界定，应根据不同研究领域，根据纳米尺度范围内物理、化学等特性确定。 原子是组成物质的基本单位，原子的不同方式排列使自然界多姿多彩。 1959年，美国物理学家理查德·费曼设想，在原子和分子水平上操纵和控制物质。 纳米科技使能够直接利用原子、分子制备出仅含几十个到几万个原子的纳米微粒，把它作为基本单元，适当排列成一维的量子线、二维的量子面、三维的纳米固体。 纳米固体有一般晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性，它的出现使凝聚态物理理论受到了挑战。 纳米科技是现代科学和先进技术结合的产物，它不仅为人类提供新颖的装置，而且在物理学、化学、生物学、材料学、矿物学等领域中有广阔的前景，对于基础科学、应用科学研究来说都有重要意义。 1.3 纳米科学与技术的未来 微米科技在二十世纪七十年代以来的信息科学中占有中心地位，新兴纳米科技在新的二十一世纪信息科学中将起革命性的作用。 纳米材料，将是二十一世纪新兴材料科学和技术发展的一个新的方向。 大量研究证明，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、多元配合物合成等，都是与纳米尺度密切相关的研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行再深入研究，可能会有新的发现与新的突破。 新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。 纳米微粒的结构研究，将促使物理学、化学、材料科学、矿物学工作者认识改造客观世界进入一个新层次，将使自然科学和技术等向更高层次发展。 1.4 纳米物质结构 纳米微粒在一定压力和温度作用下生成纳米固体，它是由两种组元构成：一是具有纳米尺度的颗粒，称为“颗粒组元”，它由颗粒中的所有原子构成；一是这些颗粒之间的分界面，称为“界面组元”。纳米固体颗粒极小，界面组元所占的比重显著增大。 纳米微粒直径为5nm时，界面组元的体积将占全部体积的50％左右。纳米固体中一半左右的原子是分布在界面内，这样大量的纳米微粒又使得纳米固体每立方厘米体积内就存在有1019个不同的界面结构，纳米固体中的界面组元就是所有这些界面结构的组合，且所有界面原子间距又各不一样。 所以，这些界面的平均结果将导致各种可能的原子间距取值在界面组元均匀分布。界面组元内的原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态。 由于纳米微粒的物相不同，纳米固体可分为纳米晶体和纳米非晶体。 纳米微粒具有长程有序的晶态结构或短程有序的非晶态结构，而微粒间的分界面是既没有长程有序也没有短程有序的无序结构。 这种结构的特点是：有序部分尺寸极小，一般为5～15nm，含有的分子很少(约几百个分子)，界面部分占总体积的百分比很大(约50％)，缺陷结构极多(大于70％)。  纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料的基本特性是，小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料等呈现出许多奇异的物理、化学性质。 纳米固体的重要特性受4个方面影响： 1）小尺寸效应 当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特性均会出现新的小尺寸效应。 2）表面与界面效应 纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面的原子占相当