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Earth 1.2 x 107 m
什么是纳米(nanometer)？
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In Greek, “nano” means dwarf
• 纳米是一个长度计量单位，1纳米 = 10-9 米。 人高 针头 红血球 分子及DNA 氢原子 100万 纳米 1 千 纳米 1 纳米 20亿 纳米
0.1 纳米
什么是纳米(nanometer)？
Physics Nobel Laureate
- Richard Feynman(1959)
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人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器 ,而这较小的机器可以制作更小的 机器, 这样一步步达到分子线度, 即逐级地缩小生产装置, 以至最后直接按意愿 排列原子,制造产品.那时, 化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问 题。 当2000年人们回顾历史的时候, 他们会为直到1959年才有人想到直接用原子, 分子来制造机器而感到惊讶。 --- Richard P.Feynman,1959
纳米粒子的表征
Four basic types of nanotech tools are available: • Visualization tools, primarily scanning probe and electron microscopes; • Measurement (or metrology) tools, including spectroscopic and optics based; • Fabrication/production tools, including nanomanipulators and nanolithographic devices; • Simulation/modeling tools, which aid in the design and development of nanotechnology products.
Nano rings
JACS 2005
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实 验室李超荣副研究员、张晓娜、表面 物理国家重点实验室曹则贤研究员通 过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微 米级的内核/壳层结构上成功地获得了 三角格子铺排和斐波纳契数花样。
研究内容以Report形式于2005年8月5日 发表在Science上。文章发表后在国际上引 起了强烈的反响。Nanotechweb 和 ORF ON Science网站当天就分别以“应变的微 结构形成类植物花样” 和“微观世界的花 朵”作了长篇介绍。
通过纳米材料的光催化从水、二氧化碳和氮气中提取有用物质，例如， 液体燃料一直是人们研究的重要课题，最近日本利用纳米铂作为催化剂放 在氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地制取了氢。
国家自然科学基金与纳米科技
国家自然科学基金资助"纳米"科技项 目和经费逐年增加 (根据题目上出现" 纳米"字样的部分基金项目的统计结果)
纳米科技的发展
•
Taniguchi
Eric Drexler
1974年科学家唐尼古奇(Taniguchi)最早使用纳米技术(Nanotechnology) 一词描述精细机械加工; 1977年美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出, 可以从模拟活细胞 的生物分子的人工类似物 ---分子装置开始研究, 并称之为纳米科技. 他70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。
第一届国际纳米科学技术会议(International conference on nano science and technology) 1990年7月 美国巴尔的摩
纳米科技将引发一场新的工业革命
重要进展
(1) 安排原子组合成“IBM”字样、中国地图等； (2) 纳米尺度的合成为人们设计新型材料打开了新的大门。
FROM:
纳米材料的存在形式
纳米材料的分类
纳米微粒的结构与形貌
形貌
Ag
Au
NATURE Vol. 4371 September 2005
Al2O3
Nanofibres
Nanobelt /nanoribbon
ZnO SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001
什么是纳米科技(Nano-ST)？
制造和研究纳米尺度（10-9 ～10-7m）的器件和材料的科学技术。
• 创造和制备各种新型具有优异性能的纳米材料 • 设计、制备各种纳米器件和装置 • 探测分析纳米材料,器件的结构,性质及其相互关 系和机理
纳米科技概念的提出与发展
“The
principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.” “Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.”
有机-无机杂化材料
(3) 纳米材料与药物、医学领域的交叉是必然的发展趋势。
靶向药物，称为“生物导弹” 纳米微机械和机器人
(4) 纳米生物学，使生命科学的研究上了一个新的台阶。
制造多种多样的生物“产品”，农、林、牧、副、渔业也可能因此发 生深刻变革，人类的食品结构也将随之发生变化。
（5）纳米材料在催化反应中具有重要作用。
Low-friction bearing assembly with two carbon allotropes
In this design, two diamondoid rings replace small segments of a carbon nanotube, providing a lock for a third, larger ring. The larger ring includes a stitch-work of oxygens to create an electron-rich interior whose effective circular van der Waals packing just touches that of the nanotube framework.
ZnO Materials Letters 59 (2005) 1696–1700
Nano peapod
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM) (Science----1 February 2002)
Crimp junctions for perpendicular carbon nanotube scaffolding
In this design, two rigid diamondoid rings are fused at a quasi-tetrahedral junction and sized, through the addition or subtraction of repeat subunits in each ring, to accommodate two carbon nanotubes of different diameters. The crimping of the nanotubes is a result of van der Waals packing of the rings, a feature that can be enhanced or removed by adjusting the ring size. (grey = carbon, white = hydrogen, blue = nitrogen, red = oxygen)
典型无机材料的合成
纳米材料的合成
沸石分子筛材料的合成
精细陶瓷材料的合成 非晶态材料的合成
第六章 纳米材料的合成
第一节 纳米材料
主要内容
• • • • • 基本概念和内涵 纳米材料的结构与形貌 纳米材料的表征 纳米材料的特征 纳米材料的制备
基本概念和内涵
什么是纳米(nanometer)？
什么是纳米结构(nanostructure)？ 什么是纳米材料(nanomaterial)? 什么是纳米技术(nanotechnology)？ 什么是纳米科学(nanoscience)？ 什么是纳米科学技术(Nano-ST)？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
TEM(隧道显微镜)
AFM(原子力显微镜)
SEM(扫描显微镜)
STM(扫描隧道显微镜)
纳米微粒的四大效应
（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增
大后引起的性质上的变化。 （2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由 准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。 （3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度 等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非 晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力 学等性质的变化，这称为小尺寸效应。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人 们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧 道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。
纳米科技是一个多学科交叉 的前沿领域，各科学部分别 从不同角度予以了资助
纳米科技的科学意义
（1）纳米科技将促使人类认知的革命; （2）纳米科技将引发一场新的工业革命; （3）纳米科技是一门综合性的交叉学科.
师昌绪院士为国家自然科学基金资 助纳米科技研究成果展览题词
纳米科技的前景展望
