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1、新材料新材料与与纳米技术纳米技术同济大学物理系同济大学物理系1一、新材料技术与人类文明一、新材料技术与人类文明1.材料：材料：科学技术的必要物质基础，新技术突破的科学技术的必要物质基础，新技术突破的前提保证；而且某些新材料的研制过程本身就是新前提保证；而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。技术的发展。光通信光通信-光导纤维和激光材料光导纤维和激光材料计算机技术计算机技术-半导体材料和磁性材料半导体材料和磁性材料新能源新能源-超导材料、光电材料和贮氢材料超导材料、光电材料和贮氢材料生物工程生物工程-生物功能材料生物功能材料2.材料事业材料事业-科学技术密集型科学技术密集型材料科学材料科学

2、材料科学材料科学：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研材料的化学组成、结合键、合成方法、结

3、构与性能关系进行深入研材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的结果。究的结果。究的结果。究的结果。新材料的研制新材料的研制新材料的研制新材料的研制：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性

4、能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。23.材料的发展史材料的发展史1)石器材料石器材料-对自然界天然物质作简单的打、磨加工对自然界天然物质作简单的打、磨加工陶器材料陶器材料-人类通过加工技术以一定的工艺制造非人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点天然物质材料的起点新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术与与与与人人人人类类类类文文文文明明明明2)青铜、铁器材料青铜、铁器材料-加工、冶炼技术和工艺的改进加工、冶炼技术和工

5、艺的改进3)20世纪末主要的新材料世纪末主要的新材料-塑料、合成橡胶、化纤等塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、叠层复合等新型复合材料。叠层复合等新型复合材料。4)第四代、第五代材料第四代、第五代材料-超微粒子、超晶格膜、超超

6、微粒子、超晶格膜、超纯材料等纯材料等“极限材料极限材料”和和“分子设计分子设计”材料等。材料等。3二、新材料技术二、新材料技术1.金属材料金属材料优点优点:高纫性，延展性好，强度高，导电性好。高纫性，延展性好，强度高，导电性好。发展及分类发展及分类:初期初期：铁和钢铁和钢(铁的合金铁的合金)20世纪初世纪初：以硬铝为首的铝合金：以硬铝为首的铝合金20世纪世纪50年代年代：起又出现只有钢一半重、耐热性比：起又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。钢好而强度不低于钢的钛合金。现在现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，性能提高：主要仍是钢、铝合金、钛合金，性能提高发展发展：超高纯度铁、超

7、高强度钢、超高速钢：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀用作刀具具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。材料等等。4新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术分类分类:黑色金属：黑色金属：铁、铬、锰等几种铁、铬、锰等几种有色金属：有色金属：除黑色金属外的多种金属除黑色金属外的多种金属(64/103)有色金属有色金属“家族家族”中的中的“十大金刚十大金刚”铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞 有色金属工业有色金属工业-高能耗产业高能耗产业。近年来，采用富氧。近年来，采用富氧闪速熔炼工艺，使铜生产能

8、耗大大降低，比采用传闪速熔炼工艺，使铜生产能耗大大降低，比采用传统工艺生产铜降低能耗达统工艺生产铜降低能耗达30%。此外，在氧化铝制。此外，在氧化铝制备工艺上采用串联法，并开发出智能控制的大型预备工艺上采用串联法，并开发出智能控制的大型预焙电解槽，可使能耗降低焙电解槽，可使能耗降低20%25%。5新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术石墨变金刚石墨变金刚将石墨放在将石墨放在1500到到2000的高温和的高温和45万个大万个大气压的装置中，在催化剂的作用下，就能把石气压的装置中，在催化剂的作用下，就能把石墨的结构墨的结构“改造改造”成金刚石，黑黝黝的石墨摇成金刚石，黑黝黝的石墨摇身一变就成了光

9、灿灿的身一变就成了光灿灿的“人造宝石人造宝石”了。了。6新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术超塑金属超塑金属某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，就可以使它们变得象就可以使它们变得象“软糖软糖”或或“粘糕粘糕”样，只用样，只用很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属称为称为“超塑金属超塑金属”。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。金等。超塑合金槽筒超塑合金槽筒 7

10、新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术将金属镍和钛以将金属镍和钛以9:11的比的比例掺合在一起，如果在某例掺合在一起，如果在某一较高温度下，用这种材一较高温度下，用这种材料做成一根笔直的金属丝，料做成一根笔直的金属丝，冷却后，把它随意地盘卷冷却后，把它随意地盘卷起来，只要用火一烧，就起来，只要用火一烧，就会立即恢复到原来的笔直会立即恢复到原来的笔直形状。形状。记忆合金记忆合金形状记忆合金是材料家族中的形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀，由于它的奇特一个后起之秀，由于它的奇特性能，人们已经给它派了一些性能，人们已经给它派了一些恃殊用场。如航天器上体积较恃殊用场。如航天器上体积较大的天线、新

11、型发动机大的天线、新型发动机8新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术2.非金属材料非金属材料1)陶瓷陶瓷优点优点:强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。按应用和发展分类按应用和发展分类高强高温结构陶瓷高强高温结构陶瓷电工电子特种功能陶瓷电工电子特种功能陶瓷高强高温结构陶瓷高强高温结构陶瓷强度高，机械性能好，是高温发热强度高，机械性能好，是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料，还可用

12、作高温坩锅、高速切削刀作器件的重要材料，还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。具和磨具材料。电工电子特种功能陶瓷电工电子特种功能陶瓷具有特殊的声、光、电、磁、具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功能材料中引人注目的新型材料。能材料中引人注目的新型材料。9新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术2)玻璃玻璃钢化玻璃钢化玻璃(安全玻璃安全玻璃)强度是平板玻璃的35倍，耐急冷急热性较好,而且破碎后呈小粒状。常用于汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻璃，高级宾馆的玻璃大门及隔断，玻璃桌面及许多玻璃幕墙。夹层玻璃夹层玻璃(另

13、一种安全玻璃另一种安全玻璃)具有良好的隔音效果，有效地降低噪声(一般可降低噪声3540分贝)，被广泛地应用于机场办公室、候机大厅等需要隔音的场合。中空玻璃中空玻璃用于超高层建筑物的观光厅等重要部位。此外，列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻璃，以提高隔热、隔音等性能。镀膜玻璃镀膜玻璃 控制阳光的入射，减少空调能耗，而低辐射镀膜玻璃可限制室内热量向外辐射散失，在寒冷地区有显著的节能效果。10卫星卫星“避火衣避火衣”外表燃烧形成牢固多孔的碳化层，成为一种良好的隔热外表燃烧形成牢固多孔的碳化层，成为一种良好的隔热层，同时表面燃烧时放出大量气体，一方面把热量带走层，同时表面燃烧时放出大量气体，一

14、方面把热量带走了，另一方面在回收仓外面形成了一个气膜保护层，也了，另一方面在回收仓外面形成了一个气膜保护层，也起到隔热作用。起到隔热作用。“瞬瞬时时耐耐高高温温材材料料”，是是由由浸浸有有树树脂脂的的合合成成纤纤维维布布或或玻玻璃璃布布等等高高分分子子复复合合材材料料在在一一定定的的温温度度和和压压力力下下固化而成的。固化而成的。新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术11新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术航天飞机的防热盔甲航天飞机的防热盔甲一一种种新新型型人人造造耐耐高高温温陶陶瓷瓷材材料料，以以纯纯度度99.7%、直直径径为为11.5 m的的石石英英纤纤维维加加水水混混合合成成浆浆状

15、状，倒倒入入模模具具中中脱脱水水加加压压成成型型，然然后后浸浸胶胶 体体 石石 英英，干干 燥燥 后后 在在1290的的电电炉炉中中烧烧成成。再再按按要要求求切切成成外外形形不不同同、大大小小不不等等的的“砖砖块块”，最最后后粘粘贴贴到到航航天天飞飞机机的的铝铝合合金金蒙蒙皮皮上上，把把外外表表严严严严实实实实地地封封盖盖起起来来，就就象象给给航航天天飞机穿上了一身防热盔甲。飞机穿上了一身防热盔甲。12新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术“哥伦比亚哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞左翼在起飞时遭到从燃

16、料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让和破损，形成了可让“热气进入的洞热气进入的洞”，在返航途中，在返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。因超高温空气入侵而彻底解体。13新新新新材材材材料料料料技技技技术术术术3)高分子材料高分子材料分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。合成纤维合成纤维 合成橡胶合成橡胶 合成树脂合成树脂 主要品种有：聚酰胺纤维(尼龙、耐纶、锦纶

17、)、聚丙烯腈纤维(腈纶、奥纶)、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维(涤纶、的确良)、聚丙烯纤维(产品名丙纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶)。它们的出现，使纺织工业大为改观。主要品种有：丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。除少数品种可作合成纤维以外，大量用作塑料、涂料和粘合剂的基料。工程塑料工程塑料:有一类具有金属性能，能承受一定的外力，有良好机械性能的高分子材料1419591959年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为在末端处有足够的空间的讲演在末端处有足够的空间的讲演人类一旦掌握了对原子逐一实

18、行控制的技术后，能按自己人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就制造出来了。就制造出来了。纳米技术，包括两部分：纳米技术，包括两部分：纳米技术，包括两部分：纳米技术，包括两部分：纳米工艺纳米工艺纳米工艺纳米工艺 用以隔离、定位及控制原子用以隔离、定位及控制原子显微技术显微技术显微技术显微技术 把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从一个小零件直到个整体结

19、构。一个小零件直到个整体结构。三、纳米技术三、纳米技术15费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允许的，他说：许的，他说：据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何规律，从原则上讲它是能够做到的。规律，从原则上讲它是能够做到的。什什什什么么么么是是是是纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术1981年，宾尼西、罗雷尔世界上第一台扫描隧道显年，宾尼西、罗雷尔世界上第一台扫描隧道显微镜微镜(简称简称STM)，1986年获诺贝尔物理奖。年获

20、诺贝尔物理奖。G.BinnigH.RohrerOmicronOmicron低温超高真空低温超高真空低温超高真空低温超高真空STMSTM16CSTM9000型扫描隧道显微镜型扫描隧道显微镜1.扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(STM)17扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧穿穿穿穿显显显显微微微微镜镜镜镜通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征样品表面样品表面探针表面探针表面电子云重叠，由于电子云重叠，由于隧道效应逸出电子隧道效应逸出电子U1)工作原理工作原理对表面间距异常敏感对表面间距异常敏感探针与样品间加电压探针与样品间加电压形成隧穿电流形成隧穿电流18扫描隧道显

21、微镜的两种工作模式：扫描隧道显微镜的两种工作模式：恒高度模式恒高度模式恒电流模式恒电流模式STM特点：特点：xy方向方向0.2nmz 方向方向0.005nm在原子尺在原子尺度探测度探测 具有原子级高分辨率具有原子级高分辨率 在大气压下或真空中均能工作；在大气压下或真空中均能工作；无损探测无损探测,可获取物质表面的三维图像；可获取物质表面的三维图像；可进行表面结构研究可进行表面结构研究,实现表面纳米实现表面纳米(10-9m)级加工。级加工。扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧穿穿穿穿显显显显微微微微镜镜镜镜19硅表面硅原子的排列硅表面硅原子的排列砷化镓表面砷原子砷化镓表面砷原子的排列的排列碘原子在铂晶体上的

22、吸附碘原子在铂晶体上的吸附碘原子在铂晶体上的吸附碘原子在铂晶体上的吸附2)应用实例应用实例扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧穿穿穿穿显显显显微微微微镜镜镜镜20扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧穿穿穿穿显显显显微微微微镜镜镜镜1990年，美国国际商用机器公司（年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔）阿尔马登研究中心科学家，经马登研究中心科学家，经22小时的操作，把小时的操作，把35个个氙原子移动到位，组成氙原子移动到位，组成IBM三个字母，加起来不三个字母，加起来不到到3nm。21通过移走原子构成的图形通过移走原子构成的图形扫扫扫扫描描描描隧隧隧隧穿穿穿穿显显显显微微微微镜镜镜镜222.相关基本概念相关基本概念纳

23、米米（nanometer，nm）是一种是一种长度度单位，一位，一纳米等于十米等于十亿分之一米，千分之一分之一米，千分之一微米。大微米。大约是三、四个原子的是三、四个原子的宽度。度。纳米科学米科学（nano-science）研究研究纳米尺度范米尺度范围内的物内的物质所具有的特异所具有的特异现象和特异功能象和特异功能的科的科学。学。纳米科学技米科学技术（nano-technology）是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技技术。它以。它以现代科学技代科学技术为基基础，是，是现代科学和代科学和现代技代技术结合合的的产物。物。基基基基本本

24、本本概概概概念念念念23纳米米材料材料（nanomaterial）纳米技米技术涉及的范涉及的范围很广，很广，纳米材料只是其中的一部分，米材料只是其中的一部分，但它却是但它却是纳米技米技术发展的基展的基础。纳米材料又称米材料又称为超微超微颗粒材料，由粒材料，由纳米粒子米粒子组成。成。纳米米粒子也叫超微粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是的粒子，是处在原子簇和宏在原子簇和宏观物体交界的物体交界的过渡区域，从通常的关于微渡区域，从通常的关于微观和宏和宏观的的观点看，点看，这样的系的系统既非典型的微既非典型的微观系系统亦非典型亦非典型的宏的宏观系系统，是一种典型的

25、介，是一种典型的介观系系统，它具有表面效，它具有表面效应、小、小尺寸效尺寸效应和宏和宏观量子隧道效量子隧道效应。当人。当人们将宏将宏观物体物体细分成超分成超微微颗粒（粒（纳米米级）后，它将）后，它将显示出示出许多奇异的特性，即它的多奇异的特性，即它的光学、光学、热学、学、电学、磁学、力学以及化学方面的性学、磁学、力学以及化学方面的性质和大和大块固体固体时相比将会有相比将会有显著的不同。著的不同。基基基基本本本本概概概概念念念念243.纳米材料的奇异特性纳米材料的奇异特性球形球形颗粒的表面粒的表面积与直径的平方成正比，其体与直径的平方成正比，其体积与直径的与直径的立方成正比，故其比表面立方成正比

26、，故其比表面积（表面（表面积体体积）与直径成反比。）与直径成反比。随着随着颗粒直径粒直径变小，小，比比表面表面积将会将会显著增大，著增大，说明表面原子明表面原子所占的百分数将会所占的百分数将会显著地增加。著地增加。直径大于直径大于0.1微米的微米的颗粒表粒表面效面效应可忽略不可忽略不计，当，当颗粒尺寸小于粒尺寸小于0.1微米微米时，其表面原子，其表面原子百分数激百分数激剧增增长，甚至，甚至1克超微克超微颗粒表面粒表面积的的总和可高达和可高达100平方米，平方米，这时的表面效的表面效应将不容忽略。超微将不容忽略。超微颗粒的表面与大粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。物体的表面是十分不同的。利用

27、表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。剂和贮气材料以及低熔点材料。1)1)表面效应表面效应表面效应表面效应纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性25随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一

28、系列新奇的性质。显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。2)2)小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性(1)特殊的光学性质特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反铂黑，金属铬变成铬黑。由

29、此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。于红外敏感元件、红外隐身技术等。26(2)特殊的热学性质特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于现其熔点

30、将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，纳米量级时尤为显著。例如，银的常规熔点为银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于，而超微银颗粒的熔点可低于100。超微颗。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加颗粒中附加0.1%0.5%重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。半导体管的基片。2)2)小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 纳纳

31、纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性(3)特殊的磁学性质特殊的磁学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为内通常含有直径约为0

32、.002微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安安/米，米，而当颗粒尺寸减小到而当颗粒尺寸减小到0.002微米以下时，其矫顽力可增加微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于进一步减小其尺寸，大约小于0.0006微米时，其矫顽力反而降低到微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。零，呈现出超顺磁性。27(4)特殊的力学性质特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超

33、微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷

34、酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。以及化学性能等方面。2)2)小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应小尺寸效应 纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性283)3)宏观量

35、子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应(1)量子尺寸效应量子尺寸效应各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，解释，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比

36、平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规

37、律已不再，原有宏观规律已不再成立。成立。纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性29(2)量子隧道效应量子隧道效应电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存

38、微电子器件微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制微米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。成

39、的新一代器件。3)3)宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应纳纳纳纳米米米米材材材材料料料料的的的的奇奇奇奇异异异异特特特特性性性性301)在陶瓷领域的应用在陶瓷领域的应用在陶瓷领域的应用在陶瓷领域的应用随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、结过程中抑制晶粒长大

40、的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。高韧性、低温超塑性、易加工等优点。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用4.纳米技术的应用纳米技术的应用2)2)在微电子学上的应用在微电子学上的应用在微电子学上的应用在微电子学上的应用纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，可理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，可以从阅读硬盘上读卡机以

41、及存储容量为目前芯片上千倍的纳以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为材料后，可以缩小成为掌上电脑掌上电脑。纳米电子学将成为下世。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心纪信息时代的核心313)3)在生物工程上应用在生物工程上应用在生物工程上应用在生物工程上应用虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最

42、具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用4)4)在光电领域的应用在光电领域的应用在光电领域的应用在光电领域的应用纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在纳米技术

43、的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。325)5)在化工领域的应用在化工领域的应用在化工领域的应用在化工领域的应用将纳米将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效粉体按一定比例加入到化妆品中，

44、则可以有效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。制作固体润滑剂等。研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高

45、达几百平方米）、较大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。限于一个很小的范围内进行。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用336)6)在医学上的应用在医学上的应用在医学上的应用在医学上的应用使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方

46、便，用药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾诊断出各种疾病。病。研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用

47、纳米技术制造出分子机器人，在血液中循科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用34纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用357)在分子组装方面的应用在分子组装方面的应用在分子组装方面的应用在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入

48、到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。手术的主要手段。纳纳纳纳米米米米技技技技术术术术的的的的应应应应用用用用用用用用STMSTM针针针针尖尖尖尖操操操操纵纵纵纵，让让让让4848个个个个FeFe原原原原子子子子围围围围成成成成一一一一个个个个平平平平均均均均半半半半径径径径为为为为7.137.13nmnm的的的的圆圆圆圆圈圈圈圈“量量量量子子子子围围围围栏栏栏栏”，围围围围栏栏栏栏中中中中的的的的电电电电子

49、子子子形成驻波形成驻波形成驻波形成驻波.一氧化碳分子竖在铂表一氧化碳分子竖在铂表一氧化碳分子竖在铂表一氧化碳分子竖在铂表面上、高面上、高面上、高面上、高0.5nm0.5nm的分子人的分子人的分子人的分子人368)在传感器方面的应用在传感器方面的应用在传感器方面的应用在传感器方面的应用 传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通生活的各个方面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球

50、定位系统，可对贵重物品的运输过程实施跟踪监督；过全球定位系统，可对贵重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮胎，这种轮将微型传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性能进行监视。在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测能进行监视。在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖