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1、School of Materials Science&Engineering 纳米材料及工艺纳米材料及工艺林 营 Tel:13891932036School of Materials Science&Engineering 纳米弹力毛巾纳米弹力毛巾汽车顶部玻璃涂层汽车顶部玻璃涂层School of Materials Science&Engineering 溴原子血细胞 School of Materials Science&Engineering 带你进入奇妙的 纳米世界绪绪 论论School of Materials Science&Engineering School of Mater
2、ials Science&Engineering 1985年，科学家克罗托、斯麦利等人在研究太空深处的年，科学家克罗托、斯麦利等人在研究太空深处的碳元素时，发现有一种碳分子由碳元素时，发现有一种碳分子由60个碳原子组成。它的对称性个碳原子组成。它的对称性极高，而且它比其他碳分子更强也更稳定。其分子模型与那个极高，而且它比其他碳分子更强也更稳定。其分子模型与那个已在绿茵场滚动了多年，由已在绿茵场滚动了多年，由12块黑色五边形与块黑色五边形与20块白色六边块白色六边形拼合而成的足球竟然毫无二致。因此当斯麦利等人打电话给形拼合而成的足球竟然毫无二致。因此当斯麦利等人打电话给美国数学会主席告知这一信息
3、时，这位主席竟惊讶地说：美国数学会主席告知这一信息时，这位主席竟惊讶地说：你们你们发现的是一个足球啊！发现的是一个足球啊！克罗托在英国克罗托在英国自然自然杂志发表第一篇杂志发表第一篇关于关于C60论文时，索性就用一张安放在得克萨斯草坪上的足球论文时，索性就用一张安放在得克萨斯草坪上的足球照片作为照片作为C60的分子模型。这种碳分子被称为布基球，又叫富的分子模型。这种碳分子被称为布基球，又叫富勒烯，是继石墨、金刚石之后发现的纯碳的第三种独立形态。勒烯，是继石墨、金刚石之后发现的纯碳的第三种独立形态。School of Materials Science&Engineering School of
4、 Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering 用扫描隧道显微镜的用扫描隧道显微镜的针尖将原子一个个地针尖将原子一个个地排列成汉字，汉字的排列成汉字，汉字的大小只有几个纳米。大小只有几个纳米。School of Materials Science&Engineering 用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。School of Materials Science&Engineering（富勒
5、烯）（富勒烯）School of Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering o有有人人预预言言，处处于于2l 2l世世纪纪高高新新技技术术前前沿沿和和核核心心地地位位的的纳纳米米科科技技所所引引起起的的世世界界性性技技术术革革命命和和产产业业革革命命对对社社会会经经济济、政政治治、国国防防等等所所产产生生的的冲冲击击，将将比比以以往往的的技技术术革革命命时时代代带来的影响更为巨大。带来的影响更为巨大。o纳纳米米科科技技将将会会掀掀起起新新一一轮轮的的技技术术浪浪潮潮，领领导导下下一一场场工工业业革
6、革命命。人人类类将将进进入入一一个个新新的的时代时代-纳米科技时代纳米科技时代。School of Materials Science&Engineering“麻雀麻雀”卫星卫星 “蚊子蚊子”导弹导弹 “苍蝇苍蝇”飞机飞机 “蚂蚁士兵蚂蚁士兵”在纳米科技时代已经出现：在纳米科技时代已经出现：School of Materials Science&Engineering 由由“苍蝇间碟苍蝇间碟”说说起起 o 2020世世纪纪9090年年代代初初的的一一天天，美美国国驻驻某某国国大大使使馆馆一一份份重重要要的的情情报报突突然然失失密密。这这是是一一份份涉涉及及美美国国安安全全的的核核心心机机密密情
7、情报报，美美国国中中央央情情报报局局的的主主管管首首脑脑一一听听，深深感感事事态态严严重重，焦焦急急万万分分，连连夜夜派派出出了了由由高高级级特特工工约约翰翰逊逊率率领的一个精悍的小组飞赴该国。领的一个精悍的小组飞赴该国。School of Materials Science&Engineering o从微型电台的神奇从微型电台的神奇功能，人们已意识功能，人们已意识并发现：并发现：未来战场未来战场上，应用纳米上，应用纳米(10-9米米)技术的武器装备技术的武器装备定会大显神通，并定会大显神通，并将有可能改变今后将有可能改变今后战争的面貌，使战战争的面貌，使战场变得面目全非。场变得面目全非。美国
8、一研究所在美国一研究所在“杀人蜂杀人蜂”背后贴上微芯片和红外发射器以追踪监背后贴上微芯片和红外发射器以追踪监视视 School of Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering o纳米材料导论，曹茂盛纳米材料导论，曹茂盛 关长斌等，关长斌等，哈尔滨工业大学出版社哈尔滨工业大学出版社o纳米材料和纳米结构，张立德纳米材料和纳米结构，张立德 牟季牟季美，科学出版社美，科学出版社o纳米技术与应用，顾宁纳米技术与应用，顾宁 付德刚
9、等，付德刚等，人民邮电出版社人民邮电出版社o王王世世敏敏主主编编，纳纳米米材材料料制制备备技技术术，化化学工业出版社，学工业出版社，2002。o师师昌昌绪绪主主编编，材材料料科科学学与与工工程程手手册册，化学工业出版社化学工业出版社，2004。o曹曹茂茂盛盛，超超微微颗颗粒粒制制备备科科学学与与技技术术，哈尔滨工业出版社，哈尔滨工业出版社，1998参考书参考书School of Materials Science&Engineering 相关的网站相关的网站:1.美国国家纳米行动计划美国国家纳米行动计划 http:/www.nano.gov 2.日本纳米计划日本纳米计划 http:/www.j
10、st.go.jp/erato http:/www.iijnet.or.jp/MMC 3.德国纳米计划德国纳米计划 http:/www.nanonet.de/english/default.htm 4.英国纳米行动计划英国纳米行动计划 5.世界纳米结构科学和技术调查报告世界纳米结构科学和技术调查报告 http:/itri.loyola.edu/nano/School of Materials Science&Engineering 中国中国”863”,”973”,国家自然科学基金国家自然科学基金http:/ School of Materials Science&Engineering 1.纳米
11、科技的基本概念和内涵纳米科技的基本概念和内涵2 纳米新科技的兴起与重要进展纳米新科技的兴起与重要进展3.纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史4.纳米材料的应用纳米材料的应用6.中国纳米技术进展中国纳米技术进展5.纳米材料在高科技中的地位及潜在应用纳米材料在高科技中的地位及潜在应用绪绪 论论 内内 容容School of Materials Science&Engineering 1.纳米科技的基本概念和内涵纳米科技的基本概念和内涵纳米科学技术纳米科学技术(Nano-ST)：是是20世纪世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，年代末期刚刚诞生并正在
12、崛起的新科技，基本涵义：基本涵义：在纳米尺寸范围内在纳米尺寸范围内认识和改造自然认识和改造自然，通过直接，通过直接操作和安排原子、分子创制操作和安排原子、分子创制新的物质新的物质的技术。的技术。具体可理解为：具体可理解为：研究由尺寸在研究由尺寸在0.1100nm之间的物质组之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能在实际应用中的成的体系的运动规律和相互作用以及可能在实际应用中的技术问题的科学技术。技术问题的科学技术。School of Materials Science&Engineering 在纳米电子学中，在纳米电子学中，电阻的概念已不是欧姆定律；电阻的概念已不是欧姆定律；在纳米力学
13、中在纳米力学中，机械性质如弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念亦机械性质如弹性模量、弹性系数、摩擦和粗糙概念亦有质的变化有质的变化作为纳米科技中的一个重要领域的作为纳米科技中的一个重要领域的纳米加工学纳米加工学，也将以崭新的方式进，也将以崭新的方式进行原子的操纵和纳米尺度的加工以及进行纳米器件的加工和组装，并进行原子的操纵和纳米尺度的加工以及进行纳米器件的加工和组装，并进一步研究器件的特性及运行机理。一步研究器件的特性及运行机理。当当粒子尺度达到纳米级，许多性质将发生改变：粒子尺度达到纳米级，许多性质将发生改变：对这些新奇的特性的研究，使得人们必须重新认识和定义现有的物对这些新奇的特性的研究，使
14、得人们必须重新认识和定义现有的物理理论和规律，这必将导致理理论和规律，这必将导致新概念的引入和新规律的建立新概念的引入和新规律的建立。School of Materials Science&Engineering(1)纳米体系物理学；纳米体系物理学；(2)纳米化学；纳米化学；(3)纳米材料学；纳米材料学；(4)纳米生物学；纳米生物学；(5)纳米电子学；纳米电子学；(6)纳米加工学；纳米加工学；(7)纳米力学纳米力学扫描扫描隧道显微镜隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,STM,)在纳米科技中占有重要的地位，它在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到贯穿到7个分支领
15、域个分支领域中，以扫描隧中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上作占有一半以上纳米科技主要包括纳米科技主要包括：这这7个部分相对独立个部分相对独立School of Materials Science&Engineering 这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测这种新型显微仪器的诞生，使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质，对关的物理化学性质，对表面科学、材料科学、生命表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应的
16、研究有着重大意义和重要应用价值。用价值。为此这两位科学家与电子显微镜的创制者为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrskaERrska教授一起荣获教授一起荣获19861986年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。1982年发明年发明，IBMIBM公司苏黎世实验室的两位科学家公司苏黎世实验室的两位科学家G GBinnigBinnig和和H HRoherRoher发明了扫描隧道显微镜发明了扫描隧道显微镜。School of Materials Science&Engineering School of Materials Science&Engineering 用一个极细的针尖用一个极细的针尖(针尖头
17、部为单个原子针尖头部为单个原子)去接去接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(1nm)1nm)，针尖头部原子和样品表面原子的电子云针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、发生重迭，若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可把表面的信息表面的信息(表面形貌和表面电子态表面形貌和表面电子态)记录下来记录下来
18、基本原理：基于量子隧道效应和扫描基本原理：基于量子隧道效应和扫描STM针尖针尖School of Materials Science&Engineering 科学家使用科学家使用STM观测物质的纳米结构观测物质的纳米结构由于由于STMSTM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际上掀起了研制具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际上掀起了研制和应用和应用STMSTM的热潮，推动了纳米科技的发展。的热潮，推动了纳米科技的发展。School of Materials Science&Engineering 应当指出的是：应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决由于电子学在人类的发展和
19、生活中起了决定性的作用，因此在纳米科技的时代，定性的作用，因此在纳米科技的时代，纳米电子学纳米电子学也将继也将继续对人类社会的发展起更大的作用续对人类社会的发展起更大的作用 因此，在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重因此，在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视视纳米电子学纳米电子学的研究，特别是利用的研究，特别是利用STM的相关技术进行的相关技术进行超高密度信息存储超高密度信息存储的研究。的研究。纳米电子学纳米电子学是讨论纳米电子元件、是讨论纳米电子元件、电路、集成器件和信息加工的理电路、集成器件和信息加工的理论和技术的新学科。它代表了微论和技术的新学科。它代表了微电子学的发展趋势并将
20、成为电子学的发展趋势并将成为下一下一代电子科学与技术的基础。代电子科学与技术的基础。School of Materials Science&Engineering 7070年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。2 纳米新科技的兴起与重要进展纳米新科技的兴起与重要进展（1）纳米科技的兴起）纳米科技的兴起19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖获年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者得者理查德理查德 费因曼费因曼预言，人类可以用预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，
21、制造根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品产品”，这是关于纳米技术最早的梦，这是关于纳米技术最早的梦想。想。在底部还有很大空间在底部还有很大空间在底部还有很大空间在底部还有很大空间There is Plenty of Room at the Bottom.There is Plenty of Room at the Bottom.There is Plenty of Room at the Bottom.There is Plenty of Room at the Bottom.Eric DrexlerOne time student of Feynman1986 book“Engines
22、of Creation”造物引擎造物引擎School of Materials Science&Engineering 19931993年，继年，继19891989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯下斯坦福大学英文名字、坦福大学英文名字、19901990年美国国际商用机器公司在镍表面年美国国际商用机器公司在镍表面用用3636个氙原子排出个氙原子排出“IBMIBM”之后，之后，中国中国 科学院北京真空物科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出理实验室自如地操纵原子成功写出“中国中国”二字，标志着我二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。国开始在国际
23、纳米科技领域占有一席之地。日本科学家已成功日本科学家已成功地将硅原子堆成一个地将硅原子堆成一个“金字塔金字塔”，首次实，首次实现了原子现了原子三维空间三维空间立立体搬迁体搬迁School of Materials Science&Engineering 19971997年，年，美国美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在用这种技术可望在2020年后研制成功速度和存贮容量比现在年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的提高成千上万倍的量子计算机量子计算机。19991999年，年，巴西和美国巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了科学
24、家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的世界上最小的 “秤秤”，它能够，它能够称量十亿分之一克称量十亿分之一克的物体，的物体，即相当于一个病毒的重量；即相当于一个病毒的重量；此后不久，此后不久，德国德国科学家研制出能科学家研制出能称量单个原子重量的秤称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。School of Materials Science&Engineering 20002000年年4 4月，月，美国美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出加工技术研制出智能手术刀智能手术刀，该手术刀可以
25、每秒扫描，该手术刀可以每秒扫描1010万个万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。判断。20012001年年纽约纽约斯隆斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕博士报道了把放射性同位素锕-225-225的一些原子装入一个形状的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物靶向药物。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。School o
26、f Materials Science&Engineering q到到19991999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到达到500500亿美元。亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。q日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5 5年科技基年科技基本计划的研发重点；本计划的研发重点；q德国专门建立纳米技术研究网；德国专门建立纳米技术研究网；q美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心
27、，美国政府部美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从门将纳米科技基础研究方面的投资从19971997年的年的1.161.16亿美元增亿美元增加到加到20012001年的年的4.974.97亿美元。亿美元。School of Materials Science&Engineering 德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钍纳米陶瓷氟化钙和二氧化钍，在室温下显示良好的韧，在室温下显示良好的韧性，在性，在180经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使经受弯曲并不产生
28、裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望。那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望。英国著名材料科学家卡恩在英国著名材料科学家卡恩在Nature杂志上撰文说：杂志上撰文说：“纳米陶纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”纳米材料在纳米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面光吸收、催化、敏感特性和磁性方面都表现都表现出明显不同于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出出明显不同于同类传统材料的特性，在高技术应用上显示出广阔的应用前景广阔的应用前景(2)近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传
29、统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣。材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣。School of Materials Science&Engineering 纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪裁剪和嫁接和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列的研究上了一个新的台阶，势必在解决人类发展的一系列重大问题上起到十分重要的作用。重大
30、问题上起到十分重要的作用。(3)作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学在在90年代初露头角，面向年代初露头角，面向21世纪，它的发展前途方兴未艾世纪，它的发展前途方兴未艾School of Materials Science&Engineering 纳米科技使基因工程变得更加可控：纳米科技使基因工程变得更加可控：人们可根据自己的需要，制造多种多样的生物人们可根据自己的需要，制造多种多样的生物“产品产品”，农、，农、林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革；林、牧、副、渔业也可能因此发生深刻变革；人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、
31、化学工人类的食品结构也将随之发生变化，用纳米生物工程、化学工程合成的程合成的“食品食品”将极大丰富食品的数量和种类，纳米科技的将极大丰富食品的数量和种类，纳米科技的出现很出现很可能为解决人类由于人口迅速增长所面临刻不容缓的问可能为解决人类由于人口迅速增长所面临刻不容缓的问题提供新途径题提供新途径。School of Materials Science&Engineering 纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和用原子和分子直接组装成纳米机器分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能
32、之特殊、污染程度之低大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。是现有机器人无法比拟的。纳米生物纳米生物“部件部件”与纳米无机化合物及晶体结构与纳米无机化合物及晶体结构“部部件件”相组合，用相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高技术比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决疑难病症将得到解决(4)纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向纳米微机械和机
33、器人是十分引人注目的研究方向School of Materials Science&Engineering 目前，纳米科学技术正目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期处于重大突破的前期，它取得的，它取得的成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们的思考。的思考。医生可能应用医生可能应用纳米机器人纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物。脉脂肪沉积物。也可以通过把多种功能也可以通过把多种功能纳米微型机器纳米微型机器注入血管内，进行注入血管内，进行人体全身检查和治疗人体全身检查和治疗 药物药物也可以制成
34、纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大也可以制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高医疗效果，减少副作用提高医疗效果，减少副作用School of Materials Science&Engineering(5)纳米材料研究的几个重要时间（事件）纳米材料研究的几个重要时间（事件）1990年年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议术会议(NanoST)在会上，各国科学家们对纳米科技在会上，各国科学家们对纳米科技(主主要包括：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米材要包括：纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料学料学)的前沿领域和发展趋势
35、进行了讨论和展望，并决定出的前沿领域和发展趋势进行了讨论和展望，并决定出版三种杂志版三种杂志:纳米结构材料纳米结构材料纳米生物学纳米生物学纳米技术纳米技术l此次会议标志着纳米科学技术的正式诞生此次会议标志着纳米科学技术的正式诞生School of Materials Science&Engineering 有关纳米材料的会议，每两年召开一次，有关纳米材料的会议，每两年召开一次，首届，在墨西哥召开，首届，在墨西哥召开，第二届，第二届，1994年在德国斯田加特年在德国斯田加特第三届，在美国夏威夷召开的第三届，在美国夏威夷召开的第四届，第四届，1998年，在瑞典斯德哥尔摩年，在瑞典斯德哥尔摩第五届，
36、第五届，2000年，在日本仙台年，在日本仙台2002年和年和2004年西班牙。年西班牙。School of Materials Science&Engineering 3.纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史 纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究纳米材料和技术是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。内涵十分丰富的学科分支。“纳米纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上是日本在技术上是日本在1974年底，但是以年底，但是以“纳米纳米”来命名的来命名的材料是在材料是在20世纪世纪80年代，
37、它作为一种材料的定义把纳年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到米颗粒限制到1100nm范围实际上，对这一范围范围实际上，对这一范围的材料的研究还更早一些，在纳米材料发展初期，纳的材料的研究还更早一些，在纳米材料发展初期，纳米材料是米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体 现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。School of Materials Science&Engineering 如果按维
38、数，纳米材料的基本单元可以分为三类：如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(i)零维零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；颗粒、原子团簇等；(ii)一维，一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；米棒、纳米管等；(iii)二维，二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜膜School of Materials Science&Engineering 自然界的纳米材料自然界的纳米材料：天体的陨石碎片；天体的陨石碎片；人体和
39、兽类的牙齿都是由纳米微粒构成；人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成；海洋中非生命的亚微米的粒子海洋中非生命的亚微米的粒子(0.41微米微米)具有很丰具有很丰富的浓度，约为富的浓度，约为106107个个/ml；最近，威尔斯等人在南最近，威尔斯等人在南太平洋发现太平洋发现小于小于120nm的海洋胶体粒子的浓度的海洋胶体粒子的浓度至少是亚至少是亚微米粒子的微米粒子的3倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息海洋资源的信息 School of Materials
40、Science&Engineering o蜜蜜蜂蜂的的体体内内也也存存在在磁磁性性的的纳纳米米粒粒子子，这这种种磁磁性性的的纳纳米米粒子具有粒子具有“罗盘罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航的作用，可以为蜜蜂的活动导航。以以前前人人们们认认为为蜜蜜蜂蜂是是利利用用北北极极星星或或通通过过摇摇摆摆舞舞向向同同伴伴传传递递信信息息来来辨辨别别方方向向的的最最近近，英英国国科科学学家家发发现现，蜜蜜蜂蜂的的腹腹部部存存在在磁磁性性纳纳米米粒粒子子，这这种种磁磁性性跟跟粒粒子子具具有有指指南南针针功功能能，蜜蜜蜂蜂利利用用这这种种“罗罗盘盘”来来确确定定其其周周围围环环境在自己头脑里的图像而判明方向境在
41、自己头脑里的图像而判明方向School of Materials Science&Engineering 蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，G G代表磁性颗粒代表磁性颗粒o当当蜜蜜蜂蜂靠靠近近自自己己的的蜂蜂房房时时，它它们们就就把把周周围围环环境境的的图图像像储储存存起起来来当当它它们们外外出出采采蜜蜜归归来来时时，就就启启动动这这种种记记忆忆，实实质质上上就就是是把把自自己己储储存存的的图图像像与与所所看看到到的的图图像像进进行行对对比比和和移移动动，直直到到这这两两个个图图像像完完全全相相一一致致时时，它它们们就就明明白白自自己己又回到家了又回到家了o研究生物体内的纳米颗粒
42、对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的研究生物体内的纳米颗粒对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的 School of Materials Science&Engineering o我我们们知知道道海海龟龟是是世世界界上上稀稀有有珍珍贵贵的的动动物物，美美国国科科学学家家一一直直对对东东海海岸岸佛佛罗罗里里达达的的海海龟龟进进行行了了长长期期研研究究，发发现现了了一一个个十十分分有有趣趣的的现现象象：这这就就是是海海龟龟通通常常在在佛佛罗罗里里达达的的海海边边上上产产卵卵，幼幼小小的的海海龟龟为为了了寻寻找找食食物物通通常常要要到到大大西西洋洋的的另另一一边边靠靠近近英英国国的的小小岛
43、岛附附近近的的海海域域生生活活，从从佛佛罗罗里里达达到到这这个个岛岛屿屿的的海海面面再再回回到到佛佛罗罗里里达达来来回回的的路路线线不不一一样样，相相当当于于绕绕大大西西洋洋一一圈圈，需需要要56年年的的时时间间，这这样样准准确确无无误误地地航航行行靠靠什什么么导导航航(为为什什么么海海龟龟迁迁移移的的路路线总是顺时针的线总是顺时针的)?真正利用磁性纳米微粒导航，进行几万公里长途跋涉的是大海龟真正利用磁性纳米微粒导航，进行几万公里长途跋涉的是大海龟School of Materials Science&Engineering o最最近近美美国国科科学学家家发发现现海海龟龟的的头头部部有有磁磁性
44、性的的纳纳米米微微粒粒，它它们们就就是是凭凭借借这这种种纳纳米米微微粒粒准准确确无无误误地地完成几万里的迁移完成几万里的迁移o这这些些生生动动的的事事例例告告诉诉人人们们，研研究究纳纳米米微微粒粒对对研研究究自自然然界界的的生生物物也也是是十十分分重重要要的的，同同时时还还可可以以根根据据生生物物体体内内的的纳纳米米微微粒粒为为我我们们设设计计纳纳米米尺尺度度的的新新型型导导航航器器提提供供有有益益的的依依据据，这这也也是是纳纳米米科科学研究的重要内容。学研究的重要内容。School of Materials Science&Engineering 螃蟹的进化：螃蟹的进化：螃蟹第一对触角里有几
45、颗用于定螃蟹第一对触角里有几颗用于定向的磁性纳米微粒，就像是几只小指南针。螃蟹向的磁性纳米微粒，就像是几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种的祖先靠这种“指南针指南针”堂堂正正地前进后退，堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。了横行。School of Materials Science&Engineering v人工制备纳米材料的历史人工制备纳米材料的历史1）1
46、000多年前中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑多年前中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料以及用于作为墨的原料以及用于着色的染料着色的染料，这就是最早的纳米，这就是最早的纳米材料；材料；2）中国古代铜镜表面的）中国古代铜镜表面的防锈层防锈层经检验，证实为纳米氧经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜但当时人们并不知道这是化锡颗粒构成的一层薄膜但当时人们并不知道这是由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成School of Materials Science&Engineering 3）约）约1861年，随着胶体化学年，随着胶体化学(colloid
47、chemistry)的建立，的建立，科学家们就开始了对于直径为科学家们就开始了对于直径为1-100nm的粒子系统即所的粒子系统即所谓胶体谓胶体(colloid)的研究，是当时的化学家并没有意识的研究，是当时的化学家并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次，到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次，而只是从化学的角度作为宏观体系的中间环节进行研究而只是从化学的角度作为宏观体系的中间环节进行研究4）1962年，久保年，久保(Kubo)及其合作者针对金屑超微粒子及其合作者针对金屑超微粒子的研究，的研究，提出了著名的久保理论，也就是超微颗粒的量提出了著名的久保理论，也就是超微
48、颗粒的量子限制理论或量子限域理论，从而推动了实验物理学家子限制理论或量子限域理论，从而推动了实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索。向纳米尺度的微粒进行探索。School of Materials Science&Engineering 6)1970年，江崎与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先提年，江崎与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念这是出了半导体超晶格的概念这是按照一定的规则将一定厚度的按照一定的规则将一定厚度的纳米薄层人工堆积起来纳米薄层人工堆积起来的结构随后利用分子束外延技术，张的结构随后利用分子束外延技术，张立纲和立纲和 江崎等制备了能隙大小不同的半导体多
49、层膜，观察到江崎等制备了能隙大小不同的半导体多层膜，观察到了极其丰富的物理效应。了极其丰富的物理效应。5）1963年年Uyeda及其合作者用及其合作者用气体冷凝法气体冷凝法，通过在高纯的惰，通过在高纯的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并对性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究镜研究School of Materials Science&Engineering 7)20世纪世纪70年代末到年代末到20世纪世纪80年代初，对一些纳米颗粒的年代初，对一些纳米颗
50、粒的 结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。尺寸效应解释超微颗粒的某些特性时获得成功。8)1984年，德国萨尔大学的年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气教授等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒子清洁表面的纳米粒子，然后在真空室，然后在真空室中中原位加压成纳米固体原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型。，并提出了纳米材料界面结构模型。