纳米大科学市公开课一等奖百校联赛优质课金奖名师赛课获奖课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。,纳米科学与纳米技术,1/35,1 纳米世界里大科学,纳米科学与技术简称纳米科技，是一项新兴科学研究，纳米科技值得一搏，但不是每个参入者都有把握赌赢。,2/35,1.1 人类对自然界认识,人类对自然世界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一个层次，它尺度大于原子簇，,普通,在1100nm之间,。,纳米微粒属于原子簇与宏观物体交界过渡区域。,从微观或宏观看，这种系统既非经典微观系统亦非经典宏观系统。,3/35,这个领域包含了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸范围，介观领域中出现了许多奇异崭新物理、化学特征，成为当今凝聚态物理学热点。凡是出现量子相干现象体系统称为介观体系，包含团簇、纳米体系和亚微米体系。因为纳米体系和团簇特殊物理性质，又是介观领域研究重点。,1.2 纳米科学与技术研究尺度,纳米尺度范围普通从形式上界定为1100nm左右，但并非严格科学界定，应依据不一样研究领域，依据纳米尺度范围内物理、化学等特征确定。,原子是组成物质基本单位，原子不一样方式排列使自然界多姿多彩。1959年，美国物理学家,理查德费曼构想，在原子和分子水平上操纵和控制物质,。,4/35,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纳米微粒,，,把它作为,基本单元,，适当排列成,一维量子线、二维量子面、三维纳米固体,。,纳米固体有普通,晶体材料,和,非晶体材料,都不具备,优良特征,，它出现使凝聚态物理理论受到了挑战。,纳米科技是,当代科学,和,先进技术,结合产物，它不但为人类提供新奇装置，而且在物理学、化学、生物学、材料学、矿物学等领域中有辽阔前景，对于基础科学、应用科学研究来说都有主要意义。,5/35,1.,3 纳米科学与技术未来,微米科技,在二十世纪七十年代以来信息科学中,占有中心地位,，,新兴,纳米科技,在新二十一世纪信息科学中将起,革命性作用,。,纳米材料，将是二十一世纪,新兴材料科学和技术,发展一个新方向。,大量研究证实，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，都是与纳米尺度亲密相关研究，无须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，可能会有新发觉与新突破。,新兴纳米科学和技术发展，开辟了,纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学,研究,新领域,。,纳米微粒结构研究，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。,6/35,1.4 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,两种组元组成,：,一是含有,纳米尺度颗粒,，,称为,“颗粒组元”，,它由颗粒中全部原子组成；一是这些,颗粒之间分界面,，,称为,“界面组元”。,纳米固体颗粒极小，界面组元所占比重显著增大。,纳米微粒直径为,5nm,时，界面组元体积将占全部体积,50,左右。纳米固体中二分之一左右原子是分布在界面内，这么大量纳米微粒又使得纳米固体每立方厘米体积内就存在有,10,19,个不一样界面结构，纳米固体中界面组元就是全部这些界面结构组合，且全部界面原子间距又各不一样。所以，这些界面平均结果将造成各种可能原子间距取值在界面组元均匀分布。,界面组元内原子排列无序度、混乱度高于传统晶态和非晶态。,7/35,因为纳米微粒物相不一样，,纳米固体,可分为,纳米晶体,和,纳米非晶体,。,纳米微粒,含有,长程有序晶态结构,或,短程有序非晶态结构,，,而,微粒间分界面,是,既没有长程有序也没有短程有序无序结构,。,这种结构特点是：有序部分尺寸极小，普通为,515nm,，,含有分子极少(约几百个分子)，,界面部分,占总体积百分比很大,(,约50,)，,缺点结构,极多,(,大于70,)。,纳米微粒、纳米固体和纳米结构材料基本特征是，,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,等展现出许多奇异物理、化学性质。,纳米固体主要特征受4个方面影响：,8/35,1）小尺寸效应,当纳米微粒尺寸与光波波长、传导电子德布罗意波长以及超导态相干长度或透射深度等物理特征尺寸,相当或更小时,，周期性边界条件将被破坏，,声、光、电、磁、热力学等,特征均会出现新,小尺寸效应。,2）表面与界面效应,纳米微粒尺寸小、表面大，位于表面原子占相当大百分比，见表。,表 纳米微粒尺寸与表面原子数关系,纳米微粒,尺寸,/nm 包含总,原子数,表面原子所,占百分比/,10 3104 20 4 4103 40 2 2.5102 80 1 30 99,9/35,*,如粒径为4nm微粒，包含4 000个原子，表面原子占40；,*,粒径为1nm微粒，包含30个原子，表面原子占99。,伴随粒径减小，表面原子所占百分比快速增大，这是因为粒径小，表面原子增多所致。,*,比如，粒径为10nm时，比表面积为90m,2,g；,*,粒径为5nm时，比表面积为180m,2,g；,*,粒径下降到2nm，比表面积增至450m,2,g。,这么高百分比比表面积，使处于表面原子数越来越多，增大了纳米粒子活性。,比如，*,金属纳米粒子,在大气中,会燃烧,，*,无机材料纳米粒子,在大气中会吸附气体并与之,进行反应,。,这种表面原子活性，不但引发纳米粒子表面原子输送和构型改变，同时也引发表面电子自旋构像和电子能谱改变。,上述情况，被称之为,“表面与界面效应”。,10/35,3）量子尺寸效应,所谓量子尺寸效应，是指,当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近电子能级由准连续变为离散能级现象。,纳米微粒中所含原子数有限，这就造成能级间距发生分裂。而当颗粒中所含原子数伴随尺寸减小而降低时，费米能级附近电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态凝聚能时，就造成纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特征有显著不一样，称为,“量子尺寸效应”。,4）宏观量子隧道效应,微观粒子含有贯通势垒能力，称为隧道效应。近年发觉一些宏观量，如微粒磁化强度、量子尺寸效应通量等含有隧道效应，称为,“宏观量子隧道效应,”。宏观量子隧道效应研究对基础研究及应用都有主要意义。,11/35,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是纳米微粒与纳米固体基本特征，它使纳米微粒和纳米固体展现许多奇异物理、化学性质。,人类对矿物学认识，往往重视宏观矿物单体、聚合体形态及相关特征，重视微观矿物成份及原子排列情况，而对于纳米矿物微粒、纳米矿物固体、纳米矿物结构缺乏深入细致研究。,在,传统矿物学,研究中，把矿物看成理想晶体点阵，但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒、纳米矿物固体和纳米矿物结构特征以及与此相关岩石学、矿床学、结构地质学、地球化学等地质学科。,在一些特定物理化学条件下也会出现纳米微粒聚合体，如：粘土矿物、沸石、胶体矿物、火山熔岩、火山玻璃、陨石玻璃、熔壳、结构岩等中存在着纳米固体物质。纳米科学技术发展，开创了纳米矿物学研究新领域。,矿物学,研究促使矿物学者对自然界认识改造进入一个新层次，将使地质学科向更高层次发展。,12/35,1.5 纳米科技研究领域,纳米科技研究领域是,宏观和微观之间,中间领域,，开辟了人类认识世界新层次，使人们,改造自然能力到达分子、原子水平，,标志着自然科学技术发展进入了一个新时代，即,纳米科技时代。,纳米科技研究主要包含：纳米物理学；纳米化学；纳米材料学；纳米生物学；纳米电子学；纳米加工学；纳米力学；纳米矿物学等等。,*,美国科学家，利用扫描隧道显微镜（STM）直接操作原子，在镍基板上，移动原子刻出“IBM”字样。*日本科学家将硅原子堆成一个“金字塔”，实现了原子三维空间立体搬迁。*美国科学家还制造了超快氙原子开关。*英国科学家制造出一个尺寸只有4nm复杂分子，含有“开”、“关”特征。*纳米科技研究工作将可能使美国国会图书馆藏书全部存放在一个直径仅为0.3cm硅片上。,13/35,*,1984年德国格莱特(H.Gleiter)等制造出一个纳米微粒压制烧结而成纳米固体，,*,1987年美国西格尔(R.W.Siegel)制造出纳米陶瓷材料，,*,1988年前苏联制造出千克级纳米固体，,*,1990年美国制成纳米晶与多晶复合材料。,*,中国科学院在1986年开始了纳米科技研究，制备出了纳米微粒，纳米固体。,*,纳米生物学是在纳米尺度上认识生物大分子精细结构及其与功效联络，并在此基础上按自己意愿进行裁剪和嫁接，制造含有特殊功效生物大分子，这使生命科学研究上了一个新台阶，势必在处理人类发展一系列重大问题上起到十分主要作用。,纳米科技使基因工程变得愈加可控，可依据需要，制造各种多样生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能所以发生深刻变革，人类食品结构也将随之发生改变。纳米生物工程、化学工程合成“食品”，将极大丰富食品数量和种类。,14/35,纳米科技出现可能为处理人类因为人口迅长所面临刻不容缓问题提供新路径。,纳米微机械和机器人是,十分引人注目标研究方向，纳米生物机器和纳米生物部件零件研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提升，而且应用范围之广，功效之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟。纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人问世将使未来高技术出现新飞跃，人类医疗也因之发生深刻革命，许多疑难病症将得到处理。医生能够应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也能够经过把各种功效纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检验和治疗。,15/35,药品也能够制成纳米尺寸，并直接注射到病灶部位，这么能够大大提升医疗效果，降低副作用。,C,60,开发利用及纳米碳管，是高新纳米材料中精品。,当前，纳米科技正处于重大突破前期，引发关心未来发展科学家们思索。,美国IBM企业首席科学家Armstrong说,：“正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科技将成为下一世纪信息时代关键。”,科学家钱学森也预言,：“纳米和纳米以下结构是下一阶段科技发展一个重点，会是一次技术革命，将是21世纪又一次产业革命。”,纳米新科技将成21世纪科学前沿和主导科学。当前正处于基础研究阶段，是物理、化学、生物、材料、电子等各种交叉汇合点。,16/35,1.6 纳米科学和技术问世,A.爱因斯坦,在其博士论文中，依据糖在水中扩散试验，计算出,一个糖分子直径大约为1nm,。,1nm是1m十亿分之一，是微观尺度关键。10个氢原子一个个并排起来，其宽度就是1nm，相当于一个针头大小百万分之一,普通细菌长度千分之一。,在A.爱因斯坦发表这一卓越看法快要100年后，纳米尺度在科学研究中主要性快速地膨胀起来。,假如爱因斯坦今天是一位正在寻找其事业方向硕士，他博士导师或许会劝诫催促他考虑微观东西,：“去搞纳米科技吧，爱因斯坦！”。,纳米科技,是继,生物医学,与,信息科学,之后,最为热门学科。,纳米科技领域是一只庞大百宝箱，急待开发科学园地。,纳米科技大量吸收了物理学、化学、生物学以及许多其它学科主要结果。,17/35,一大批材料科学家、物理学家、化学家、生物学家，成了纳米科技方面教授，一些新奇、感人、尖端、前沿东西将由他们研究出来。,1959年，R.Feynman在他著名讲话最底下一层大有发展潜力中探讨了微型化、纳米化前景。,纳米科技是一个值得大量投入资金研究领域，年美国宣告了“国家纳米技术计划”，大幅度增加对纳米科技资助，到年财政年度拨出经费为4.22亿美元，对纳米科技资助比上一年猛增了56%。,纳米科技热还在火暴发展，纳米热兴起并不只限于美国，其它国家对纳米科技投资总额已经到达10多亿美元。,18/35,1.7 纳米科学与技术,纳米科技定义是一个主要复杂问题。一些纳米科技包括并非纳米尺度、而是微米尺度上结构，比纳米尺度大了1000倍或更多。许多情况下，纳米科技是对纳米结构基础研究，这类结构最少有一个维长度是1纳米到几百个纳米。,（1）纳米尺度中科技,早在数十亿年前，大自然就创造出了纳米结构。纳米科技是一个客观世界。,1）,纳米大小炭黑颗粒作为一个增强剂已经在轮胎中使用了100年。,2）,一些疫苗经常含有一个或数种纳米尺度蛋白质，这也属于纳米科技问题。,3）,大量病毒都是纳米尺度，比如天花病毒约400nm、艾滋病毒约100nm、SARS病毒约60120nm。,19/35,4）,许多天然粘土矿物含有纳米尺度，其许多特征与纳米科技问题相关。,5）,新兴纳米生物技术、生物克隆技术等都与纳米科技密不可分。,纳米世界是单个原子和分子世界与宏观世界之间神秘结合部位。,前者是,量子力学,占支配地位，后者则是,无数原子集体行为,形成了物质整体性质。,在其小一端，也就是1nm左右尺度范围内，纳米尺寸与物质基本结构单元相近，所以它确定了最小天然结构，从而成为微型化过程最终极限值，不可能造出比它更小结构了。,超出200nm研究问题普通归为微米尺度问题。,20/35,（2）纳米科技定义,纳米科技能够定义为,，,在纳尺度1数百nm左右范围内，研究物质特征和相互作用包含原子、分子操作，以及利用这些特征、多学科交叉科学和技术。,纳米材料,是,指三维空间尺度上最少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元组成材料。,纳米科技领域包括是含有以下几个关键特征材料与系统：,1）,必须最少有一个维含有从,1nm到数百个nm左右,尺度。,2）,设计过程必须表达,微观操作与控制能力,，能够从根本上左右,纳米尺寸结构物理性质,与,化学性质,。,3）,能够,组合,起来形成,更大结构,。,4）,这种纳米结构可能含有,优异电学、光学、磁学、机械、化学等性能,，最少是在理论上具备这么性能，但,不能了解为越小就越好。,21/35,5）,把原子和分子按设计方案一个一个地排布起来，而这种原子、分子排布出纳米结构必须含有可利用范围内化学稳定性。,纳米结构确实是存在。,把夹有厚度小于1nm若干非磁性层交织地夹在磁性层中，便做成了磁盘驱动器探头，其灵敏度要比先前磁头高出许多倍，从而使每块磁盘表面上能够存放更多数据。1997年以来，这类巨磁阻磁头成了售额为数十亿美元存放器行业开启技术。,纳米革命象征，就是,扫描探针显微镜,，包含扫描隧道显微镜和原子力显微镜等，这类显微镜能够产生单个原子图像，并将单个原子从一处移动到另一处。,能够对单个分子或原子成像并进行原子或原子操纵新工具，将迎来纳米科技新时代。,IBM企业甚至把原子力显微镜中使用纳米级针尖安装在一块微芯片1 000多根微型悬臂上。,22/35,（3）纳米结构制造方法,已经涌现出各种各样制造纳米结构方法。,1）“从上到下”制造技术。,采取了类似于雕刻过程，也就是对材料表面上进行切削和加工，或者将另外材料加在表面上。微芯片制造是最引人注目标一个实例，现在微芯片上电路线宽已经缩小到了100nm以内。,2）“从下到上”制造技术。,它经过自组装过程装配出较大结构。自组装过程原理是让原子和分子在适当条件下自发地形成有序排列。纳米碳管及富勒烯系列就是自组装纳米结构一个好例子。,3）从大到小。,是指物理方法，即经过各种物理学原理，使材料、矿物等粉末化，再深入纳米化。,4）从小到大。,是指化学方法，即经过各种化学合成原理，使原子、分子、晶胞等组装成纳米级结构物质。,5）综合方法。,包含科学合理采取物理、化学、物理化学、生物物理、生物化学等方法取得纳米结构物质。,23/35,纳米科技关键是纳米结构材料,，这类材料可能有利于缩小航天器尺寸、减轻其重量并降低其能耗，有利于创造将有害副产物排放减到最低绿色制造工艺，有利于为经过分子工程制造可生物降解杀虫剂打下基础。,这个领域范围极宽广，而且一些纳米科技中基础研究依然在起步阶段，可能需要几十年才能实现其预期技术目标。,1.8 纳米科技未来,（1）纳米科技基本理论,纳米技术器件比宏观物体小，但比分子大，属于一个独特中尺度领域。,在这一领域中，物质性质是由经典物理学与量子力学复杂结合所支配。只有认识了在纳米尺寸占支配地位物理学原理之后，科学家们才能够做出可靠、优质纳米器件。经过建造一些不寻常、复杂原子系统并探测它们奇特行为，科学家逐步发觉中尺度法则。,24/35,掌握了纳米科技科学原理，就能了解RFeynamn远见：在纳米世界中大自然为人们留下了足够辽阔用武之地，使科学家能创造出无数纳米实用器件以造福于人类。,（2）纳米级芯片,纳米科技，能够使电子芯片电路尺寸不停缩小。新纳米技术电子器件就可能取而代传统硅电子技术。很快未来，用纳米管或某种纳米新奇材料来制造电子器件，能使芯片性能不停提升，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造成本。,纳米技术所制造电子器件能够融入一些将会揭示生物细胞（微型机器）之奥秘新奇装置中。在硅时代之后纳米计算机诞生之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途。为了探测细胞活性，只需要相当少用半导体材料制作纳米标识，它将利用半导体量子点作为生物试验、药品研究、诊疗化验以及其它种种应用场所中标识。,25/35,（3）尖端纳米科技研究,1981年G.Binnig 和H.Rohrer创造了,扫描隧道显微镜,，1986年荣获,诺贝尔物理学奖,，为科学技术发展开创了纳米科技新领域。,美国K.E.Drexler在他所著,创世机器,一书中描述了怎样,对物质操作和控制,，引发巨大轰动，这些幻想确实给纳米科学家带来了灵感和启发。,纳米科技在一段时间里一直被这种幻想色彩笼罩着，然而这些幻想却给纳米科技带来一些意想不到好处。,K.E.Drexler对纳米技术预测，巧妙地将科学与幻想融为一体。,关于,细胞修理机,以及家用,食物培养机,种种讲述使人们在纳米科技研究中也受到影响，不知不觉地利用这些微型机器来使人们注意到自己研究项目。,将一项研究冠以“纳米科技”，要比称它为“中尺度材料科学”更为科学和诱人。,26/35,K.E.Drexler科学幻想叙述一个显著好处，是使一些人更关注纳米科技发展。在这种想象力启发下，一大批科幻作品纷纷出笼。,类似纳米科幻小说，起着与科幻影片星际旅行相同作用。当年星际旅行曾激发起众多青年对太空向往，而这种空间宇宙热有时会引导青年学者最终投身于航空航天或天体物理学等领域中。,（4）纳米机器人,B.Joy在Wired杂志上发表文章，谈到,纳米机器人繁殖失控,快速蔓延开来可能给人类社会造成非常大威胁，提出应该停顿发展纳米科技。,真正纳米科技教授们是比较清醒，要想制造出能够使冷冻大脑从定格状态下重新复活纳米级机器人，现今科学技术离这一,目标还很遥远,。,科学家们更注意，制造,纳米尺度微机械元件,，打造较为可能,微米机器人。,27/35,（5）纳米科技与其它学科联姻,纳米科技领域还面临着各种问题。一些研究不一定冠名“纳米”头衔，就是一个很好研究课题。与“纳米”揉合在一起，可能对研究提供了一个,有益思维空间,。比如IBM企业，建造巨磁阻磁头研究工作。,纳米科技要发展成为一门把各种科技完美结合、融为一体统一大科技，就必须证实,实现各种,截然不一样研究领域联姻大有用处,。,从事防晒剂纳米粉末研究科学家与从事DNA计算研究科学家是否能够有相同兴趣呢？这种相互结合、取长补短是有其道理。,半导体,量子点,就是这类跨学科综合性研究方针一个有说服力证据：,量子点最初是为电子器件开发，但现在它也用来检测细胞生物活性。,28/35,假如纳米观念能够凝聚为一个统一整体，它其实就有可能为一场新工业革命奠定基础。,要想取得,成功,，首先,抛弃那些伪科学,，另首先也要,抛弃那些狂热炒作,。最主要是，必须,加强基础纳米科技研究,，以确定哪些纳米科技值得去攻关。,在这一段漫长探索期中，,区分,哪些是,切实可行科学和技术,，哪些是,异想天开幻梦,，一直是一项要引发足够重视任务。,1.9 纳米科技发展里程碑,（1）35亿年前，首批活细胞出现。细胞内，容纳了众多纳米生物机器，它们执行各种各样功效，比如操作遗传物质、提供能量等。,（2）公元前400年，Democritus创造了“atom”(原子)这个词，在古希腊语中就是“不可分割”之意。,29/35,（3）1905年，A.爱因斯坦发表了一篇论文，预计一个糖分子直径约为1nm。,（4）1931年，E.Ruska与M.Knoll研制出电子显微镜，它能够实现亚纳米级成像。当代电子显微镜可观察几百个纳米结构像。,观察原子排列图像。,（5）1959年，R.Feynman在他著名讲话最底下一层大有发展潜力中探讨了微型化前景。,（6）1968年，贝尔试验室A.Y.Cho和J.Arthur及其同事创造了分子束外延生长术，这种技术能够在表面上沉积出单层原子。,（7）1974年，N.Taniguchi创造了“纳米技术”这个词，表示公差小于1m微米机械加工。,（8）1981年，G.Binnig和H.Rohrer创造了扫描隧道显微镜。,（9）1985年，R.F.Curl和H.W.Kroto发觉了富勒烯，直径约为1nm。,30/35,（10）1986年，K.E.Drexler发表创世机器一书，宣传纳米技术未来主义著作。,（11）1989年，IBM 企业D.M.Eigler用单个氙原子写下了该企业名字中3个字母。,（12）1991年，日本NEC企业Sumio Lijirma发觉了碳纳米管。,（13）1993年，美国 北卡罗莱纳大学W.Robinett 与洛杉矶加利福尼亚大学R.S.Williams设计出一个与扫描隧道显微镜相连虚拟现实系统，使用者经过它能够看到并触摸原子。图1.2是探索物体表面、操纵分子原子力显微镜。,（14）1998年，荷兰Delft理工大学C.Dekker小组用碳纳米管制造出一只晶体管。,（15）1999年，赖斯大学J.M.Tour和耶鲁大学M.A.Reed证实单个分子能够起分子开关作用。,31/35,（16）年，克林顿政府宣告开启国家纳米技术计划。,（17）年，“十五规划”中，已将纳米科学与纳米技术列为主要研究方向。,（18）年，在北京召开年国际纳米材料高层论坛与技术应用研讨会。,32/35,请 您 欣 赏,分 形,33/35,请 您 欣 赏,分 形,34/35,欢迎多提意见！,！,返回,35/35,