纳米技术第一章绪论第二章

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1、第一章绪论人类认识世界两个层次：一是宏观，二是微观。宏观为从人肉眼可见到天体。银河系—太阳系(9-8大行星)。微观领域以分子原子为最大始端，原子核、电子等。在宏观和微观之间，在这个不同于宏观和微观的所谓介观领域，由于三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能．这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围，该体系统称为介观体系，包括团簇、纳米体系和亚微米体系．但是，目前通常把亚微米级(0．1～lt_tm)体系有关现象的研究。特别是电输运现象的研究称为介观领域．这样，纳米体

2、系和团簇就从这种“狭义”的介观范围独立出来．我们就有了纳米体系．小原子分子100nm可见（宏观）大早在1959年著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言“当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话，将大大扩充我们可能获得物性的范围”。我国的钱学森院士曾指出“我认为纳米左右和纳米以下的结构，是下一阶段科学发展和重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”。15IBM公司的首席科学家Armstrong在1991年曾经预言：“我相信纳米科技将在信息时代的下一阶段占中心地位，并发挥革命的作用，正如(20世

3、纪)70年代初以来微米科技已经起的作用那样．”也有学者称标志人类从“毫米文明”-“微米文明”迈向“纳米文明”可见：这些预言十分精辟地指出了纳米体系的地位和作用，有预见性地概括了从现在到下个世纪的材料科技发展的一个新的动向．1．1纳米科技的基本概念和内涵纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末诞生，基本涵义是在纳米尺寸（10-9～10-7m）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新的物质。关于纳米科技的定义：具有如下代表性的说法英国科学家阿尔培特·．佛郎克斯教授把纳米技术定义为“在o．1

4、～100nm尺度范围起关键作用的科学技术领域”。美国“国家纳米技术倡议(NNI)”推荐采用科普作家伊凡·阿莫托在一本小册子中的提法：“纳米科学和纳米技术一般是指在纳米尺度上(从1-几百纳米范围)从事的工作范畴”。上述两种说法，总的意思是限定在纳米尺度范围内的物质组成体系的运动规律和研究开发工作。我国科学家主张把纳米科学技术的内涵再延伸扩张到由它所引发出的可能的实际应矿领域的研究开发工作。中国国家重点基础研究计划(973计划)纳米材料和纳米结构项目首席科学家，中国科学院固体物理研究所张立德研究员(本书作者)作了总

5、结性的定义：“纳米科学技术是研究由尺寸在O．1～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用，以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。”15这个定义既反应了纳米科学技术的内涵，又体现了科学技术发展规律的要求，也比较符合中国的实际情况。纳米科技的应用(1)信息产业：在信息产业的另一个重要组成部分——存储器件，1998年美国明尼苏达大学成功制造了量子磁盘，核心部分是纳米钴棒组成的微阵列，每平方英寸包含1011～1012根的钴棒，存储密度达到465×109bit／in2，存储效率是现有磁盘的10万倍，美国还先

6、后研制成功了接近1000G(1G一10。bit／in。)的高密度磁盘。(2)生物技术“荷叶处洁效应”磁性超微粒子的发现对于了解螃蟹的进化历史提供了十分有意义的科学依据．据生物科学家最近研究指出，人们非常熟悉的螃蟹原先并不像现在这样“横行”运动，而是像其他生物一样前后运动，这是因为亿万年前的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．螃蟹的祖先靠这种“指南针”15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

7、行动的功能，变成了横行．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．我们知道海龟是世界上稀有珍贵的动物，美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期研究，发现了一个十分有趣的现象：这就是海龟通常在佛罗里达的海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近的·海域生活，从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要5～6年的时间，这样准确无误地航行靠什么导航(为什么海龟迁移的路线总是顺时针的)?最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微

8、粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁移。1.2纳米材料至少有一个维度的尺寸在纳米范围内，而其性质受这种维度限制的影响。o与相应的大分子或者孤立的原子和分子相比，纳米材料有独特的化学和物理性质，而且热力学、动力学、力学性、光学性质、电性质、磁性以及化学性质也明显不同。这些性质不仅依赖于尺寸大小，而且取决于形态和空间分布。（5）纳米材料应用的发展趋势（i）能源新型光电转换、