纳米材料教案

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1、第一章概论1.1纳米简介1.1.1介观领域人类对客观事物的认识是不断发展的。从认识用肉眼能直接看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展到两个层次：宏观领域和微观领域。1、宏观领域：用人的肉眼可见的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。2、微观领域：以分子原子为最大起点，直至在时间和空间的坐标中，下限是无限的领域。然而，在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和开拓的“处女地”。这块“处女地”领域即不同于宏观领域，有不同于微观领域，我们称之为介观领域。介观领域：包括了微米、亚微米、纳米到团簇尺寸（几个到几百个原子的

2、尺寸）的范围。在这个领域，由于三维尺寸都很细小，出现了许多奇异、崭新的物理性能。1.1.2纳米（nanometer）“纳（nano）”含义：十亿分之一，数量级为：10-9，比如：1纳秒=10-9秒。纳米（nanometer）：是一个长度单位，简写nm1nm=10-9m在原子物理中还常使用埃作为长度单位（Å）1Å=10-10m，所以1nm=10Å。氢原子的直径为1Å，所以1纳米就相当于十个氢原子一个挨一个地排列起来的长度。一纳米的尺度与一人的尺度相比就相当于一人的尺度与月亮尺度相比。长度单位：1米（m）=103毫米（mm）=106微米（

3、µm）=109纳米（nm）=1012皮米（pm）=1015费米（fm）1.2纳米科学技术的重要意义1.2.1纳米科技指的是什么？纳米科学技术（NanoScienceandtechnology）纳米科学技术的内容：在纳米尺度范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。纳米科学技术（NanoScienceandtechnology）是80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技。它的出现标志着人类改造自然的能力已经延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已经进入一个新的时代—纳米科技时代。许多专家预测，纳米科技必将成为2

4、1世纪主导高新技术之一。1959年，美国著名物理学家费因曼（R.P.Feynman）教授（1965年诺贝尔物理学奖获得者）就曾指出：“如果有一天人类能够安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹？”今天，这个美好愿望已经开始走向现实。目前，人类已经能够制造出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体，创造出相同物质而传统物质材料完全不具备的奇异性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。1.2.2纳米科学技术的重要意义近年来，人们在制造分子机器方面已经取得许多突破性进展，比如能攻击病毒的抗

5、生素就是一个杰出例子。人类一旦制造出新型纳米机器，它就可以象脱氧核糖核酸（DNA）以及它的伴生酶那样，根据所储存的指令或控制输入来完成通常方法所不能完成的任务。纳米科学技术的重要意义是什么？纳米技术将会给人类带入一个奇迹层出不穷的时代。如果能在原子尺度上控制纳米机器的结构造型，那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。（1）首先，纳米技术能改变材料制造业的现状，制造出纯度很高的材料。（2）纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素；纳米机器还能清除废水中的有毒化学物质。如果采用传统方法回收，这些元素就会散失到环

6、境中。（3）纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质等。（4）纳米技术可以奇迹般地缩短产品的生产时间。纳米机器每秒可以完成数十亿操作，几天或几个月的事情，纳米机器可能在数秒内完成。（5）使用纳米仪器，可以使传统装配工艺变成一次成型工艺。（6）纳米逻辑器件亿倍于目前微处理器和随机存储器芯片的容量，实现通讯瞬时化。1.3纳米材料的地位及研究特点1.3.1纳米材料的地位以美国为例，美国自2001年正式实施《国家纳米技术计划》(NNI）以来，其纳米科技无论在基础研究还是在应用研究和产品开发方面都取得了长足的进步。2004财

7、年，美国加大力度执行该计划，并制定了新的战略目标：到2010年要培养80万纳米科技人才，确保美国在21世纪上半叶占据纳米科技发展的领导地位。该法案将授权资助以下5个联邦政府机构的纳米技术研发项目：国家自然科学基金会、能源部、航空航天局、国家标准和技术研究院、环保局。它们是美国NNI计划16个联邦机构的重要成员。各年度资助金额详见下表。新目标强调：①纳米基础研究与应用研究要并重发展，加强跨学科的交流与合作；②在纳米应用研究方面，优先项目的安排应体现国家利益需求与产业驱动的特点；③利用国家实验室、大学和工业界等科研优势进行联合纳米技术攻关

8、，联邦政府侧重于支持、引导和组织协调；④注重与其它技术领域发展计划的协调，特别是纳米技术与信息技术、生物技术的交叉融合；⑤重视基础设施及纳米技术人才队伍的建设；注重促进研究成果向创新技术转移。对我国纳米科技发展的思考1.