納米科技與人類生活的未來.doc

納米科技與人類生活的未來報(bào)告人：劉祖武教授前 言人類即將要進(jìn)入新的納米時(shí)代，作為一個(gè)中國的大學(xué)生對(duì)納米科學(xué)、納米材料以及它對(duì)人類社會(huì)進(jìn)程的影響應(yīng)當(dāng)有一定的了解。至少應(yīng)當(dāng)搞清以下幾個(gè)問題： 1.什么叫“納米”、納米科學(xué)和“納米材料”？ 2.納米材料有哪些特性？為什么會(huì)有這些特性？ 3.粗略了解納米材料是如何制備的？ 4.納米材料有何應(yīng)用前景及可能存在的問題？一、納米科技的內(nèi)涵與發(fā)展簡(jiǎn)史1.什么是納米科技？納米科技是80年代末誕生的一種高新技術(shù)。它是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造世界，通過直接操縱和安排原子進(jìn)而創(chuàng)造出新物質(zhì)的全新科學(xué)技術(shù)。，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人類科學(xué)技術(shù)發(fā)展已進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代納米科技時(shí)代。1.1 人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)可分為兩個(gè)層次： 宏觀世界 介觀世界 微觀世界 大1 m 分子原子（）小宏觀領(lǐng)域：人類用肉眼可見的最小物體（1 m）,至無限大的宇宙天體；微觀領(lǐng)域：以原子為最大起點(diǎn)至無限小的三度空間領(lǐng)域；近年來才引起人們極大注意的有待開墾的“處女地”，是在宏觀與微觀世界間的介觀世界，亦稱介觀領(lǐng)域。在介觀世界中，通常定義1100nm大小的物質(zhì)體系稱為納米體系。1.2 納米(nanometer)是一個(gè)長度單位，代號(hào)為“nm”。a. 1nm = 10 = 10-3 m = 10-6 mm = 10-9 mb.H原子的=0.529 ，1nm約等于10個(gè)H原子排列起來的長度；c.血液中的紅血球長度為200300nm；一般細(xì)菌（如大腸桿菌）長為200600nm；一般病毒為幾十納米。d.頭發(fā)的直徑一般為20000-50000納米；e.DNA約為2nm2 .納米科技的發(fā)展簡(jiǎn)史2.1 近期研究發(fā)現(xiàn)：自然界早就存在納米微粒和納米固體。a) 隕石碎片；b) 人與獸類的牙齒；c) 蜜蜂腹部存在納米磁性粒子用以導(dǎo)航；d) 螃蟹也有磁性納米微粒導(dǎo)航，由于地球磁場(chǎng)的幾次劇烈倒轉(zhuǎn)，而使它變?yōu)闄M行； e) 大海龜也是靠頭部的納米磁性微粒導(dǎo)航。美國佛羅里達(dá)海岸產(chǎn)卵英國沿海長大 大西洋2.2 1990年7月在美國巴爾的摩召開第一次國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議a) 我國中科院真空所等單位出席；b) 正式提出納米材料學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、機(jī)械學(xué)的概念；c) 決定出版“納米結(jié)構(gòu)材料”、“納米生物學(xué)”、“納米技術(shù)”正式刊物。2.3 1992年9月在墨西哥Cancun城召開第一屆國際納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議，正式將納米材料作為材料科學(xué)的一個(gè)新的分支公布于世。2.4 1995年我國召開了“材料中的前沿問題”香山科學(xué)會(huì)議，研究了納米材料的制備等問題。2.5 1997年我國又召開了“納米化學(xué)”香山會(huì)議，研討我國納米化學(xué)的發(fā)展前景。中科院各有關(guān)所、北大、清華、復(fù)旦、吉林大學(xué)、青島化工學(xué)院等單位應(yīng)邀參加。2.6 著名科學(xué)家對(duì)納米技術(shù)的期待與預(yù)言a) 1964年量子力學(xué)奠基人薛定鍔在“生命是什么”一書中指出“生命活動(dòng)是由分子機(jī)器實(shí)現(xiàn)的”。例如酶就是一種分子機(jī)器，它能打斷化學(xué)鍵而使分子重新組合。DNA可作為存儲(chǔ)系統(tǒng)把命令轉(zhuǎn)移到核糖體中，而核糖體這種分子機(jī)器可制造蛋白質(zhì)分子。自然界分子機(jī)器普遍存在，導(dǎo)致人們?cè)O(shè)想能否人工制造出某種分子機(jī)器？b) 著名諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者費(fèi)曼提出一個(gè)令人深思的問題：“在基因的某一點(diǎn)上僅30個(gè)原子就隱藏了不可思議的遺傳信息，如果某一天人們能按自己的意愿排列原子、分子那將創(chuàng)造生命的奇跡?！比绻祟惸苷？刂萍?xì)胞畸變、高度、壽命的基因可進(jìn)行調(diào)節(jié)那該多好！二、什么叫納米材料納米科學(xué)是研究介觀物質(zhì)世界及其變化規(guī)律的一門科學(xué)。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作基本單元構(gòu)成的材料。1. 0維：指在空間的三維尺度均在納米尺度范圍，如納米顆 粒,原子團(tuán)簇等; 2. 一維：指在三維空間中有二維在納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；3. 二維：指在三維空間中有一維在納米尺度，如納米薄膜等。納米團(tuán)簇2.1納米材料基 納米微粒 本結(jié)構(gòu)單元 人造原子 納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜 不管是什么納米材料它們都是由上述納米結(jié)構(gòu)單元組成的。因?yàn)檫@些結(jié)構(gòu)單元往往具有量子性質(zhì)，所以對(duì)零維、一維、二維基本結(jié)構(gòu)單元分別又有量子點(diǎn)、量子線、量子阱之稱。2.1.1 納米團(tuán)簇納米團(tuán)簇是一類新發(fā)現(xiàn)的化學(xué)物質(zhì)，它是指由幾個(gè)至幾百個(gè)原子組成的聚集體，如：Fen，Cu n S m，C60，C70。 納米團(tuán)簇與一般分子（如FeSO4）的不同點(diǎn)： a) 納米團(tuán)簇?zé)o一定大小與形狀； b) 尚未形成規(guī)整的晶體； c) 都是以化學(xué)鍵緊密結(jié)合的聚集體。2.1.2 納米微粒納米微粒是指顆粒尺寸為納米量級(jí)的超細(xì)微粒，它的尺度大于納米原子簇（Cluster）而小于通常的微粒（1 m），它是介乎單個(gè)原子與固態(tài)之間的原子集合體。納米微粒一般在1100nm之間，有人稱它為超微粒子（ultra - fine particle），肉眼與一般顯微鏡看不到。2.1.3 人造原子（artificil atoms）定義：由一定數(shù)量的實(shí)際原子組成，其尺寸小于100nm的聚集體稱為人造原子，有時(shí)又稱為量子點(diǎn)。人造原子與原子的主要區(qū)別： a) 人造原子含有一定數(shù)量的真正原子（不是一個(gè)）； b) 人造原子的形狀與對(duì)稱性是多種多樣的，不是像真正原子可以用球形、立方形等來描述；c) 人造原子中電子的相互作用比實(shí)際原子復(fù)雜得多。隨著電子數(shù)目的增多，電子軌道間距減??；強(qiáng)的庫侖排斥和系統(tǒng)的限域效應(yīng)，泡利不相容原理，使電子自旋朝同樣方向。（）d) 實(shí)際原子中電子受中心力場(chǎng)的作用作圓周運(yùn)動(dòng)；而在人造原子中，電子處于拋物線形勢(shì)阱中，電子具有向勢(shì)阱底部下落的趨勢(shì)，由于庫侖排斥作用，部分電子處于勢(shì)阱上部，弱的束縛使它們具有自由電子的特征。 O xe) 往體系中放入或取出一個(gè)電子很容易引起電荷漲落。這是局域效應(yīng)引起的必然結(jié)果（體系小，電子少）。2.1.4 納米管、納米棒、納米絲和同軸納米電纜圖 2 Au納米管、納米絲的電子顯微鏡照片圖 3 單晶納米GaN絲圖 4 BSiC納米絲為芯 外包非晶SiO2的同軸納米電纜2.2 納米材料的制備方法：可分溶膠-凝膠法，氣相沉淀法，燃燒法，爆炸法，模板法等，下面以模板法為例進(jìn)行介紹：a. 用碳納米管模板法合成GaN納米絲（直徑450nm，長25 m ） 以化學(xué)反應(yīng)式表示的反應(yīng)機(jī)理4Ga(粉)+Ga2O3(粉) 1173k 3 Ga2O(V) (1) 2Ga2O(V)+C+4NH3(V) 1173k 鋼玉坩堝4GaN+H2O(V)+CO(V)+5 H2(V) (2) b. 碳納米管的特性電子只能在單層石墨片中沿納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，徑向運(yùn)動(dòng)受限制，這是由于電子的量子限域效應(yīng)所致。因此，它的波矢是軸向的 三、納米材料的奇異特性當(dāng)粒子小至納米量級(jí)（1100nm）時(shí)，其本身具有與宏觀粒子不同的量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等許多奇特的性質(zhì)，在催化、光學(xué)、醫(yī)學(xué)、磁學(xué)、微電子等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。3.1 量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)；以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。 E1 E2為什么會(huì)發(fā)生如此變化？(1) 主要原因是粒子變小，原子數(shù)變少，（與塊體相比）能帶相互間的重疊相對(duì)減小。 n n15(2) 根據(jù)久保理論，4/3EF/NV-1 所以1/d3 式中N為超微粒子中總的導(dǎo)電電子數(shù)；EF為費(fèi)米能級(jí)； 為能級(jí)間隔。 奇異的物理特性表面效應(yīng) 小尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng)1厘米1微米100納米10納米1納米0.1納米包含原子總數(shù): 3x106 3x104 30 尺寸的不斷減小導(dǎo)致材料特性發(fā)生從量變到質(zhì)變的根本性變化寬頻帶強(qiáng)吸收。 大塊金屬具有不同顏色光澤，這表明它們對(duì)可見光的吸收頻率是不同的。當(dāng)尺寸小至納米量級(jí)時(shí)，各種金屬納米微粉幾乎都成黑色，這表明它們對(duì)可見光的反射率極低（pt：1）且寬頻帶強(qiáng)吸收導(dǎo)致納米粒子變黑。 （這有什么用？）太陽光吸收，防曬，防微波，隱身。吸收光譜普遍存在“藍(lán)移”現(xiàn)象。即與大塊材料相比，納米微粒的吸收帶向短方向移動(dòng)。3.2 小尺寸效應(yīng)當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小后，當(dāng)減小到可與光波波長德布羅依波等物理量尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，則會(huì)引起材料宏觀物理、宏觀化學(xué)性質(zhì)的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。納米材料的mp遠(yuǎn)低于塊狀金屬，為粉末冶金提供了新工藝。Ex: 2nm 的 Au mp 600k 塊狀 Au mp 1337k 納米 Ag mp 373k 塊狀 Ag mp 1113k 金粒子熔點(diǎn)與粒子大小的關(guān)系造成mp下降的原因是因?yàn)榱Ｗ芋w積小，表面能高；表面原子懸空鍵多，熔化時(shí)需增加的內(nèi)能比塊體小得多。 陶瓷材料通常是脆性，而納米陶瓷卻具有良好的韌性，可做成“摔不碎的陶瓷碗”。這是由于納米微粒制成的固體材料具有大的界面，而且界面原子排列相當(dāng)混亂，在外力作用下原子容易遷移，故表現(xiàn)出良好的韌性和一定的延展性。Ag本是優(yōu)異的良導(dǎo)體，而1015nm的Ag微粒，變成非導(dǎo)體；氮化硅、二氧化硅是典型的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)，不導(dǎo)電，當(dāng)尺寸達(dá)到1520nm時(shí)，電阻突然大大地降低，變?yōu)閷?dǎo)體。3.3 表面效應(yīng)定義：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增大，從而引起納米粒子具有一些特殊性能的效應(yīng)。 表1 粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系 直徑 nm1510100原子總數(shù) N304000300003000000表面原子百分比10040202由于粒徑小，表面積急劇變大。粒徑 nm1052比表面積 m2/g90180450由于表面原子數(shù)增多，且存在一些懸鍵，表面能 高，故表面原具有很高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。如金屬納米粒子在空氣中會(huì)燃燒；無機(jī)納米粒子在空氣中易吸附氣體，并進(jìn)行反應(yīng)。3.4 庫侖堵塞與量子隧穿效應(yīng)。a.當(dāng)體系的尺寸進(jìn)入納米量級(jí)后，體系電荷是“量子化”的，即充電和放電過程是不連續(xù)的。IV曲線是呈鋸齒形的。充入一個(gè)電子需要的能量為 Ec = e2/2c 其中c為小體系的電容。體系越小，則Ec 越大。我們稱Ec 為庫侖堵塞能。b. Ec實(shí)質(zhì)上是前一個(gè)電子對(duì)后一個(gè)電子庫侖排斥能，這就是導(dǎo)致了對(duì)一個(gè)小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個(gè)一個(gè)單電子傳輸。通常把小體系中這種單電子輸送行為，稱為庫侖堵塞效應(yīng)。c. 如果兩個(gè)量子點(diǎn)通過一個(gè)“結(jié)”連接起來，一個(gè)量子點(diǎn)上的電子加上一個(gè)電壓，就可通過能量（ Ec ）到另一個(gè)量子點(diǎn)上的行為稱作量子隧穿。d. 利用庫侖堵塞和量子隧穿效應(yīng)，就可以設(shè)計(jì)下一代納米結(jié)構(gòu)單器件，如單電子晶體管和量子開關(guān)。3.5 宏觀量子隧道效應(yīng)。 微觀粒子電子具有波粒二象性，因此它存在隧道效應(yīng)（即電子具有穿過位壘的能力，可從山的一邊自由地到達(dá)另一邊）。近年來發(fā)現(xiàn)某些納米粒子的宏觀物理量如磁化強(qiáng)度、磁通量亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。 當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微小化時(shí)，必須考慮宏觀量子隧道效應(yīng)。如，集成電路的尺寸接近電子波長時(shí)，電子就會(huì)通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法工作，經(jīng)典電路的極限尺寸約為0.25 m。四、納米技術(shù)的應(yīng)用前景及發(fā)展趨勢(shì)從整個(gè)歷史發(fā)展過程看，目前它仍處在廣泛的深入的基礎(chǔ)研究階段，在許多實(shí)際應(yīng)用方面取得重要的實(shí)質(zhì)性的巨大進(jìn)展，必將對(duì)世界21世紀(jì)科技發(fā)展產(chǎn)生深入的影響。4.1 采用納米技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了原子操作，為納米機(jī)器的誕生奠定了基礎(chǔ)。 a.美國商用機(jī)器公司（IBM）兩科學(xué)家利用掃描隧道電子顯微鏡（STM）直接操作原子，成功地在Ni板上按自己的意志安排原子組合成 “IBM”字樣。圖9為原子操作過程中的STM像。原子操作過程的STM像 左圖為單個(gè)Xe原子靜置在Ni表面上的情況；右圖為探針“拾”起Xe原子的情景。b.中科院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室人員使用硅原子堆積的“毛澤東”三個(gè)字。原子字 “ 毛澤東 ”c. 掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖4.2 在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。 納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑。(1) 分離胎兒細(xì)胞判斷是否有遺傳缺陷。婦女懷孕8個(gè)星期后，其血液中就開始有非常少量的胎兒細(xì)胞，為判斷胎兒是否有遺傳缺陷，常常采用價(jià)格昂貴的并對(duì)人體有害的羊水診斷，用納米微粒很容易將血樣中的極少量胎兒細(xì)胞分離出來，方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，并能準(zhǔn)確判斷胎兒細(xì)胞是否有遺傳缺陷。(2) 醫(yī)藥“生物導(dǎo)彈”。a. 原理：磁性納米粒子表面涂覆高分子，外部再與蛋白質(zhì)相結(jié)合，再注入到生物體中作為藥物載體。將此在外加磁場(chǎng)下通過納米微粒的磁性導(dǎo)航，使其移向病變部位，稱為生物導(dǎo)彈。美國MIT公司已研究成功。b. 1050nm的Fe3O4的 磁性粒子（而純Ni、Co不行，致癌），表面包覆甲基丙烯酸，這種亞微米級(jí)粒子攜帶蛋白、抗體和藥物，可以用于癌癥的診斷與治療。治療效果好，副作用少。這里最重要的是選擇一種生物活性劑，根據(jù)癌細(xì)胞與正常細(xì)胞糖鏈的不同，使這種生物活性劑僅僅只與癌細(xì)胞有親和力。我省湘雅醫(yī)院已研究成功。(3) 磁性納米粒子分離癌細(xì)胞已獲成功。癌癥手術(shù)后進(jìn)行放療，先要將骨髓抽出，輻照后，再注入，否則，將骨髓細(xì)胞（造血、免疫）也會(huì)殺死！因癌細(xì)胞也可能擴(kuò)散到骨髓中，如不加分離，又會(huì)舊病復(fù)發(fā)。最近，英國、挪威、美國已將此技術(shù)應(yīng)用于人體骨髓分離癌細(xì)胞，獲得成功。(4) 納米機(jī)器人有望問世。納米生物“部件”與納米無機(jī)物及晶體結(jié)構(gòu)“部件”相組合，用納米微電子學(xué)控制做成的納米機(jī)器人，其尺寸比紅血球小。這類機(jī)器人問世，人類的醫(yī)療將會(huì)發(fā)生深刻的革命。醫(yī)生可用它打通腦血栓，清出心臟動(dòng)脈脂肪的沉積物。4.3納米技術(shù)在化學(xué)化工領(lǐng)域的應(yīng)用探索。1. 納米催化：國際上已作為第四代催化劑在進(jìn)行研究和開發(fā)。如，火箭的固體燃料中添加1 的納米Al或Ni，燃燒熱可增加一倍。2. 環(huán)保方面：納米TiO2的研究最為引人注意。TiO2 h 387.5nm Ti (e,h+)h+ + H2O OH + H+ O2 + e + H + HO2 HO2 + e + H + H2O2 H2O2 + e OH - + OH OH是一種非選擇強(qiáng)氧化劑，它可以氧化包括生物難降解的多種有機(jī)物，可將 酯醇醛酸 CO2。4.4 納米衛(wèi)星：清華大學(xué) 50kg微型衛(wèi)星 10kg（納