第四讲:纳米科技与纳米技术分析.ppt

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纳米科技与纳米材料 东北大学矿物材料与粉体技术研究中心 一、什么是纳米科技 一毫米(mm)的千分之一是1微米(μm),微米这个尺度已经很小了,大约是一根头发丝的1/10,只有在放大镜下才能看清,不过微米在工业中还是常用的,例如精密机械加工的精度都要用微米来度量,可以用工具显微镜来检测。如果把1μm再分成一千份,每一份就是1nm,这样小的尺度只有在电子显微镜中才能分辨,在常规的工业和技术中,纳米这一尺度很少涉及,因此人们对它十分生疏。 随着近代科技的发展,尤其是微电子、计算机工业的发展,大规模集成电路中,电子元器件越做越小,在1cm的尺寸中有上百万个晶体管,每一个晶体管的大小可想而知,而连接这些电子元器件的导线的宽度已经小到0.1μm,其加工精度已进入纳米尺度范围;在制造计算机储存元件时,都采用镀膜技术,而每一层膜的厚度都在纳米尺度范围.这些超精密的加工技术和测量,往往需要在显微镜的帮助下才能完成,人们开始意识到纳米尺度(1~100nm),在现代科技领域中已越来越重要了。 从这个意义上说,纳米科技来源于纳米尺度范围的加工技术,这种技术发展的直接效果,是使电子器件、机械零件乃至整个机电装置微型化。其实纳米科技,不仅是尺寸的减少,其内容要广泛的多,因为人们发现在靠近纳米尺度的过程中会出现一系列新的现象、新的特征和新的规律,这引起了科学家的极大兴趣,因此一个广泛的纳米尺度范围中的科学技术,自然而然的浮出地平线。 例如在电子学的领域中,科学家们发现在纳米尺度范围中,电子学的一些规律出现了变化,由此纳米电子学正在兴起,在1991年美国IBM公司首席科学家阿姆斯特朗已经预言:相信纳米科技将在信息时代的下一个阶段占中心地位,并发挥革命的作用,正如20世纪70年代初以来微米技术所起的作用那样;在材料学的领域中,科学家们发现,当材料小到纳米尺度时会出现一些常规材料所不具备的新特性,于是纳米材料学诞生了;在生物学的领域中,人们期待利用纳米技术制造纳米尺度的药物 “导弹”,直接命中肿瘤,期待着制造纳米尺度的病理探测器,放到人体中进行癌症的早期诊断,于是纳米生物(医药)学应运而生. 纳米科技是人类科技领域中的新前沿,它的潜在的影响将是巨大的,在美国国家纳米技术倡议中指出,一些潜在的可能实现的突破包括以下方面。 ①将每单位表面的存储量增加1000倍,使存储器的存储量提高到几兆兆比特,从而把美国国会图书馆的资料压缩到一块方糖大小的器件中。 ②从原子和分子开始制造材料和产品,这种自小到大的制造方法需要的材料较少,污染也较少。 ③开发出比钢强度大10倍而质量只有其几分之一的新材料(碳纳米管),以使各种陆上、水上和航空用的交通工具重量更轻、燃料效率更高。 ④在晶体管和存储器芯片中采用纳米结构,可使计算机的速度和效率得到几百万倍的提高。 ⑤利用纳米级的MRI(核磁共振)对照剂定位人体组织器官,运用基因和药物输送来发现癌细胞。 ⑥去除在水和空气中最细小的微生物,得到更清洁的环境和饮用水。 ⑦使太阳能电池的效率提高两倍。 以上的描述多么令人鼓舞,可以断言,以上7个方面只是纳米科技将带给人类的很小的一部分变革。由此可知,纳米科技是在1~100nm范围内的加工技术、材料技术、电子技术、生物技术。纳米科技的发展将标志着人类认识自然改造自然的能力产生了新的飞跃,使世界的科技和生产水平全面进入一个新的阶段,对于人类工业、农业、医疗和国防将产生深刻的影响,对人类文明的发展将产生巨大的推动力。 二、纳米材料 人们把特征尺寸在1~100nm并具有新特性的材料称之为纳米材料。所谓特征尺寸,对颗粒(或粉体)材料而言是指每一个颗粒的直径大小;对多层薄膜材料而言是指每一层薄膜的厚度;对于纤维来说是指纤维的横截面直径;纳米材料还可以指将纳米超微粉体加到其他非纳米基体(如高分子材料)中仍保持其纳米尺寸并存在纳米尺度界面的材料,称为纳米复合材料;如果宏观上看是一个块体材料,而其显微结构单元(如晶粒)是在纳米尺度,可称之为纳米结构材料。在纳米材料的定义中,要注意尺寸范围和新的特性两个方面,缺少任一方面都是不完整的。 纳米效应 (1)表面效应 材料科学已经指出,处于固体材料表面上的原子状态与处于内部的原子有明显的不同,表面原子的键合状态是不完整的,它们处于较高的能量状态,因此具有较大的化学活性、较高的与异类原子化学结合的能力,较强的吸附能力。表面原子的特性对材料的总体性能会有影响,只不过对块体材料而言,其表面原子数相对总原子数太少,这种作用可以忽略,但当颗粒尺寸小到纳米尺度时表面原子相对数量已相当大,表面原子的作用再也不能忽略了。 ? 表面原子数相对比例与颗粒直径的关系 (假设表面层为0.5nm,约2个原子层) 颗粒直径(nm) 表面原子数/总原子数(%) 颗粒直

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