现代物理科学与技术选讲.docVIP

现代物理科学与技术选讲 目录 1．神奇的纳米科技2．纳米电子学及其应用 3．纳米材料的奇异性质 4．纳米科技与未来世界5．超越极限——高温超导技术 ．从经典计算机到量子计算机．聚焦凝态物理学之一----高温超导 ．聚焦凝态物理学之二----微结构物理 ．聚焦凝态物理学之三----液晶10．聚焦凝态物理学之四----有机超导体11．核能技术和利用12．能源和能源利用 ．激光技术与应用．探测火星 1.神奇的纳米科技 一、什么是纳米科技？ 纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 二、纳米科技的主要研究内容 创造和制备具备优异性能的纳米材料。 设计和制备各种可供应用的纳米器件和装置。 探测和分析纳米区域的奇异性质和现象。 纳米是尺寸或大小的度量单位：从京米（109）→兆米（106）→千米（103）→米（100）→毫米（10-3）→微米（10-6）→纳米（10-9）→皮米（10-12）→费米（10-15）。一纳米大约是4倍原子大小、万分之一头发粗细。 几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发旋旋光性和染、颜色及水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子。在10nm尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中，科学面临着新的挑战和机遇。 三、神通广大的纳米科技 诺贝尔物理奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。我们不妨来注意以下几种纳米材料的应用前景。 1．奇妙的碳纳米管 碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。如果用碳纳米管作绳索，是港口码头的大吊车上最好的绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索，用它可作为地球到月球乘人的电梯。另外，由于电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制，因此，可以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料。其实，这并不是凭空设想，清华大学的范守善教授利用碳纳米管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。他们将Si-SiO2混合粉体置于石英管中的坩埚底部，加热并通入N2。SiO2气体与N2在碳纳米管中反应生长出Si3N4纳米线，其径向尺寸为4~40nm。1998年他们与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管数组的自组织生长，它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。 2．刚柔并济的纳米陶瓷 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性，而纳米技术是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其它材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。 3．爱清洁的纳米材料 把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。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，这些高科技的服装面料将令人耳目一新。最近，据北京首科集团负责人介绍，首届“首科杯”新女装设计大赛不同于常见的时装，其亮点为高科技面料。其中相当一部分为首次从实验室拿出来的科研成果。新的纳米面料则具有自清洁功能，沾上油污用水冲洗即可，这种纳米面料还有抗菌性能。专业人士研制的超细纤维材料也有神奇的功能：其材料精细，甚至可代替纸张，制成军用防