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1、原子世界与纳米技术II,物理科学与技术学院大连大学,目录,引言天梯碳纳米管绳梯一、纳米与纳米技术1纳米-1米的十亿分之一2纳米技术(Nanotechnology)3纳米技术的提出4纳米技术的实现与发展5扫描隧道显微镜(STM)6纳米操纵技术 纳米级微加工后的表面 移动氙原子 移动硅原子 移动硫原子 移动铁原子 移动一氧化碳分子 铁基FeCO分子形成过程 2002年纳米操纵成像获重大突破,二、纳米材料的奇异特性1.各种纳米材料的特性 不用洗涤剂的纳米服装 具有易洁纳米涂层的陶瓷 摔不碎的纳米陶瓷 强度比常规铜高5倍纳米铜 纳米医药和医学2.纳米材料的奇异特性3.纳米材料的应用与展望4.纳米材料的
2、制造三、微型机器人四、碳纳米管1 碳60和巴基球2 碳纳米管五、纳米技术发展的五个阶段,引言,天梯碳纳米管绳梯,傲立宇宙间，顶天立地的“第二巴别塔”太空电梯横空出世，莽昆仑，阅尽人间春色。,引言,1982年科普作家朱毅麟认为天梯的高度至少是天上的地球同步卫星那么高。从地面修造天梯达到几万千米高的卫星，底部必须是直径358千米粗的柱子，才能支撑得住，不被自己的重量压弯。其底座相当于江苏省的面积。,古人幻想，顺着天梯就可以上天。认为沿着昆仑山顶峰上的大树向上爬，爬到树顶就能进入天庭，这棵树就是上天的天梯。,天梯碳纳米管绳梯,建设天梯（20世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球，
3、升降机将沿着绳缆爬上爬下。,天梯碳纳米管绳梯,一、纳米与纳米技术,集成电路,一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张图片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。,CPU,SRAM,视频：肖克莱与硅谷,激光唱片,肉眼看激光唱片(Compact Disk,CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。,上图：Millipede-第一个应用于数据存储的纳米技术下图：Millipede存储芯片的实验室原型。,纳米技术存储器,激光技术加工合成树脂,日本科学家使用激光技术，用合成树脂制成了迄今为止世界上最小的牛。,1纳米-1米的十亿分之一,纳米（nanometer）长度单位
4、nano是十亿分之一的意思 1纳米是1米的十亿分之一，记作nm 1纳米：10个氢原子一个挨一个排成一列 20纳米：1根头发丝的三千分之一,1 nm=1 10-9 m,视频：晶体管与集成电路,2.纳米技术(Nanotechnology),诞生：20世纪80年代随着新型显微镜(STM)的出现，人们能看清1纳米大小的物质，于是出现了纳米技术即毫微米技术。纳米结构：指尺寸在100纳米以下的微小结构。,纳米技术是指在纳米尺度（100纳米到0.1纳米）的范围内研究物质所具有的特异现象和特异功能，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。,3.纳米技术概念的提出,40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物
5、理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源,提出纳米技术概念的科学家费曼（1918 1988）,人物介绍费曼,很多物理学家把费曼称为“新的”物理学之父，可见他对物理学的贡献之大，而爱因斯坦是“早先的”物理学之父。1965年，费曼和朱利安薛温格、朝永振一郎共同获得了诺贝尔物理奖。主要贡献在于对量子电动力学的理解。该学科研究光和带电粒子之间的相互作用，特别是光和电子之间的相互作用。他在弱核反应和超导研究方面也作出巨大的贡献。,视频：纳米概念的提出,4.纳米技术的实现与发展,放大倍率达千万倍的扫描隧道显微镜（STM）发明后，纳米技术真正成为一门科学技术。从20世纪90年
6、代初起，纳米科技得到迅速发展，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等新名词、新概念不断涌现。专家预测：未来全球技术发展的9大关键技术之一就是纳米科技的研究与应用。,5扫描隧道显微镜(STM),1981年，美国IBM公司在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛宾尼(G.Binnig)和罗海雷尔(H.Rohrer)发明了新式显微镜，称为“扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope)”，简称STM。应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。,视频：STM,STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子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，被国
7、际公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。,宾尼希博士(Gerd K.Binnig)和罗雷尔博士(Heinrich Rohrer)由于扫瞄隧道显微镜(ScanningTunneling Microscopy)的发明，共同获得 1986 年诺贝尔物理奖。宾尼希于 1978 年进入 IBM 公司苏黎士研究实验室(Zurich Research Laboratory)的一个物理研究组。19851986 年就职于 IBM 公司在加州圣荷西市的 Almaden 研究中心。1987 年被提名为 IBM 公司的杰出研究人员（IBM Fellow），目前仍任 IBM 苏黎士研究实验室的研究员。,罗雷尔博士
8、（Heinrich Rohrer）罗雷尔于1960 年完成博士后研究，随即加入 IBM 新成立的苏黎士研究实验室（Zurich ResearchLaboratory），从事 Kondo 材料、反铁磁体（antiferromagnets）及其它方面的研究，接着把研究重心转向扫瞄式穿隧显微镜。1986 年被提名为 IBM 公司的杰出研究人员（IBM Fellow），并且在 19861988 年间担任 IBM 公司苏黎士研究实验室的物理科学部门经理。1997 年 7 月从 IBM 公司退休。,我国的纳米先锋,自2080年代中期以来，纳米科学和纳米技术越来越受到重视。为期十年的“纳米科学攀登计划”和一
9、系列先进材料的研究计划是核心活动。已投入经费约数千万元人民币。有实力的领域是纳米探针和运用纳米管的生产工艺的开发方面。,中科院纳米科技项目首席科学家白春礼院士,5.1.1.势垒,在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：,两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样,5.1.2.隧道效应,假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间的运动呈现波动性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象称为隧道效应。,5.2.STM的工作原理,将针尖和
10、样品表面作为两个电极，当其间距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成“隧道电流”隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描,视频：STM原理,5.3 STM的结构,主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。核心部件是探头。电子反馈系统用于产生隧道电流并维持隧道电流的恒定，控制针尖在样品表面进行扫描。计算机系统控制全部系统的运转，收集和存贮所获得的图像，并对原始图象进行处理，最后对在图象显示终端显示出的图象拍摄照片。,CSTM-9000,5.3 STM的原理示意图,纳米操纵技术,6.
11、1 纳米级微加工后的表面,应用隧道效应，用STM可以人为操作表面利用计算机控制STM的针尖作有规律的移动，在某些部位加大隧道电流的强度或使针尖顶端直接接触到样品的表面，在某些样品如石墨的平坦表面上刻出有规律的痕迹，形成某些有意义的图形和文字中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。,中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图,6.2 移动氙原子,1990年4月，美国IBM公司的两位科学家在用STM观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用STM针
12、尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子，得到下图所示的情况。并在液氦的低温下，将35个氙（Xe）原子在镍（Ni）表面上移动排列出5个原子高的“IBM”的构图。,视频：IBM,6.3 移动硅原子,美国IBM公司的科学家将STM的针尖放到选择的硅原子表面，加一电压脉冲，可以把硅原子移走，然后把移走的硅原子放回来，得到一系列的图象。中科院北京真空物理实验室的科研人员通过STM在硅单晶表面上直接提取硅原子，形成平均宽度为2纳米（3至4个硅原子）的线条。,6.4 移动硫原子,1991年6月初，日本日立中心研究室的科技人员利用STM从二硫化钼晶体表面上把硫原子有规律的轰击出来，留下的空位组成了英文“PEACE9
13、1”的字样，并附有日立中心实验室的字头缩写。,PEACE91HCRL,6.5 移动铁原子,1993年美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形而后，又成功地移动铁原子写成了两个汉字“原子”。,铁原子的移动过程,6.6 移动一氧化碳分子,1991年2月IBM公司用STM针尖移动吸附在金属铂表面的一氧化碳分子，描绘出“一氧化碳人”，其身高为5纳米。,6.7 铁基FeCO分子形成过程,一个铁原子(Fe)与一个一氧化碳(CO)分子结合成一个铁基分子(FeCO)的过程如图所示,6.8 2002年纳米操纵成像获重大突破,2002年第一期国际纳米界权威杂志纳米
14、通讯采用了三个“笔迹”稍有歪扭的“DNA”字母虚拟画面做封面。这一成果由中科院上海原子核研究所、交通大学胡钧、李民乾两位研究员领衔的课题组与德国莎莱大学科学家合作取得。通过纳米操纵技术，用单个DNA分子长链书写；每个字母长仅300nm、宽200nm应用原子力显微镜等纳米显微术，将单个DNA链完整地拉直，再对分子链进行切割、弯曲、修剪，终于“写”出“DNA”三个字母,二、纳米材料的奇异特性,1 各种纳米材料的特性,莲花叶子表面的自我洁净莲花叶面表面的结构与粗糙度为微米至纳米尺寸的大小。当远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，
15、在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面。,视频：莲花,鹅毛和鸭毛的排列非常整齐，毛与毛之间的隙缝小到纳米尺寸，所以水分子无法穿透层层的鹅毛和鸭毛。鹅与鸭得以在水中保持身体的干燥。这种结构还极其通气。,不用洗涤剂的纳米服装,2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新,视频：纳米布料,具有易洁纳米涂层的陶瓷,视频：纳米表面,摔不碎的纳米陶瓷,纳米陶瓷,强度比常规铜高5倍纳米铜,纳米铜,视频：SPS 复合材料改善钢板的特性,纳米医药和医学,视频：纳米医学,纳米药物纳米诊断仪纳米膜技术纳米抗癌技术纳米医疗机器人,2.1 具有很高的活性2.
16、2 特殊的光学性质2.3 特殊的热学性质2.4 特殊的磁学性质2.5 特殊的力学性质2.6 量子尺寸效应2.7 宏观量子隧道效应,2.纳米材料的奇异特性,2.1 具有很高的活性,纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。在空气中，纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。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、贮气材料和低熔点材料。,2.2 特殊的光学性质,所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为
17、热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身材料等。,视频：发光材料,2.3 特殊的热学性质,大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。金的常规熔点为1064，当颗粒的尺寸减小到10纳米时，熔点会降低27，减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327左右。,2.4 特殊的磁学性质,磁性超微颗粒实质个生物磁罗盘。大块纯铁的磁矫顽力约为80安/米，当颗粒尺寸减小到210-2微米以下时，矫顽力增加103 倍。当颗粒尺寸减小到约小于610-3微米时，矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒高矫顽力的特性制成的高储存密度的磁记录磁
18、粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，将磁性超微颗粒制成了用途广泛的磁性液体。,视频：磁性液体,2.5 特殊的力学性质,陶瓷材料通常呈现脆性，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。金属-陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。,2.6 量子尺寸效应,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。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出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，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子
19、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向的移动。在低温下，对超微颗粒必须考虑量子效应，原有的宏观规律已不再成立。,2.7 宏观量子隧道效应,近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将是未来微电子、光电子器件的基础，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考虑上述的量子效应。,3.纳米材料的应用与展望,电子和通讯全媒体存储器；平板显示器；纳米医疗纳米结构药物；微型机器人；化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；能源新型电池；氢燃料安全存储；制造
20、工业微细加工；微型机器；飞机和汽车无须洗涤的油漆；不燃塑料；航天轻型航天器；环境保护纳米膜；纳米存储器；开关；,4.纳米材料的制造,视频：纳米材料制造,三、微型机器人,1976年，德雷克斯勒看到了遗传工程的书，萌发了制造微型机器人去控制DNA的念头。我国留学生冯龙生等在美国制成宽度不到1毫米的静电马达；日本丰田公司造了一辆只有62毫克，米粒大小的微型汽车。德国物理学家埃费尔德研制了一架直升飞机，重量不到半克，能升到130毫米的空中。美国波士顿大学的化学家T.Ross Kelly，制备出世界上最小的分子马达，该分子马达由78个原子构成。,视频：微型机器人,仿甲虫外形制造的微型机器人,纳米轴承,微
21、型机器人,微型机器人,3.1 纳米机器人,“纳米机器人”的研制是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体 可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置第三代纳米机器人是包含纳米计算机，可以进行人机对话的装置。一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。,3.2 图示,纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动，
22、对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅、开胸手术。,由碳纳米管制作的纳米齿轮模型。齿轮上的原子清晰可见。碳纳米管的强度高、重量轻，用它做成太空升降机的缆绳，即使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。,钠米存储器,DNA开关,3.2 图示,科学家幻想的人体中血红细胞和人造细胞在一起的情景。体内某些缺氧的部分会感到疲劳，红血球的重要功能之一是向身体各部分输送氧分子。蓝色小球称为呼吸者，它们具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。画家笔下的一种纳米仿生术机器人。这种称
23、为游荡者的纳米仿生物可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。,四、未来的理想超级纤维碳纳米管,视频：纳米技术的进步,1 碳60和巴基球,1985年，美国科学家克劳特和斯莫利等用激光束去轰击石墨表面，发现了C60。C60的外形像足球，中心是空的，外边围砌着60个碳原子，它们组成了12个五边形和20个正六边形。碳60有一个别名：巴基球。一个巴基球的直径是0.7纳米。巴基球可以做得更大，再增加10个碳原子，还可以做成碳70。如果用960个碳原子制成碳540，有可能在室温条件下实现超导！,2 碳纳米管,碳原子既然可以排列成足球的形状，就可以排列成圆筒形。球形只能扩大成为越来越大的球；圆筒形却可以加长，
24、成为一根纤维。于是科学家就用碳元素组成了一种圆筒材料碳纳米管。人们制成的碳纳米管，其直径已达到1.4纳米，每一圈由10 个六边形组成。要进一步增强 它的强度，需要长度跟直径之 比达到20:1。,碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维“，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。其比重为钢的六分之一，强度是钢的100倍。碳纳米管是极好的储氢材料，在未来的以氢为动力的汽车上将得到应用。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。,碳纳米管,碳纳米管，是指用纳米技术将碳做成的细管,C60 C60 C70,金刚石,石墨,视频：碳纳米管,五、纳米技术发展的五个阶段,以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段：第一阶段 原子数量控制在100以下的物质。第二阶段 生产一般纳米结构物质。第三阶段 制造复杂的纳米结构物质。第四阶段实现纳米计算机技术。第五阶段 研制制造动力源和程序自律化的元件和装置，促进人工智能进入实用阶段。,思考题,什么是纳米技术？什么是纳米结构？简述STM的工作原理及其工作特点。简述由纳米超微颗粒制成的纳米材料所具有的小尺寸效应。什么是物体的比表面积？分析比表面积与直径的关系。,谢谢大连大学物理科学与技术学院姜良萍,
