【正文】 走進(jìn)納米世界 ?第一節(jié)、概述 ?第二節(jié)、納米材料的結(jié)構(gòu)與性能 ?第三節(jié)、納米材料的制備方法 ?第四節(jié)、納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用 ?第五節(jié)、發(fā)展與展望 第一節(jié) 概 述 一、納米科技的誕生 二、納米技術(shù)與納米材料的概念 三、納米材料的分類(lèi) 四、納米科技研究的重要性 一、納米科技誕生 ? 1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 理查德 費(fèi)曼在《 在底部還有很大空間 》 的一次講演中指出，從石器時(shí)代開(kāi)始，人類(lèi)所有的技術(shù)革新都與把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)，而從物理學(xué)的規(guī)律來(lái)看，不能排除從單個(gè)分子甚至原子出發(fā)而組裝制造物品的可能性。費(fèi)曼憧憬說(shuō)：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？” 他預(yù)言，人類(lèi)可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類(lèi)意愿，逐個(gè)地排列原子，制造 “ 產(chǎn)品 ” ，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。 七十年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。 ? 費(fèi)曼 —— 納米科技之父 原子排成的“ 原子 ” 字樣 ? 納米技術(shù)的迅速發(fā)展是在 20世紀(jì) 80年代末、 90年代初。 1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，使人類(lèi)首次在大氣和常溫下看見(jiàn)原子，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年 7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。 ? 1993年，繼 1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán) “ 寫(xiě) ” 下斯坦福大學(xué)英文名字、 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用 36個(gè)氙原子排出 “ IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出 “ 中國(guó) ” 二字，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。 原 子 ? 構(gòu)成萬(wàn)物的小小原子，究竟小到什么程度？中國(guó)古代有位叫公孫龍的說(shuō)過(guò)：“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭。” ? 如果確實(shí)有這樣的工具，能一直截下去的話，那么，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩八分之一尺；第十天只剩 1千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十億分之一尺，這時(shí)木棍已經(jīng)比纖維分子還?。坏降谌?，只剩下四十億分之一尺，相當(dāng)于原子大小了。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，不同的原子，大小也不同。原子的直徑一般是一億分之一厘米。一個(gè)最小的細(xì)菌里面大約可以容納 20億個(gè)原子。氫原子的直徑為 1埃。 ? 化學(xué)家常常自豪地說(shuō)：“化學(xué)是一門(mén)在原子分子水平上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)?！钡钦嬲翱匆?jiàn)”原子和分子卻是 20世紀(jì) 80年代后期的事，距離道爾頓提出原子論的時(shí)間差不多有 2個(gè)世紀(jì)。 ? 原子小于光的波長(zhǎng)，單個(gè)原子對(duì)光是透明的。光學(xué)顯微鏡怎么改進(jìn)都不可能看到原子。 ? 十個(gè)氫原子緊密排列 —— 1nm顆粒 —— 乒乓球 —— 地球 怎樣看見(jiàn)和操縱原子？ 納米世界的眼和手 —掃描隧道顯微鏡（ STM） 掃描隧道顯微鏡 為我們揭示了一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用。 STM是 20世紀(jì) 80年代世界十大科技成就之一。 掃描隧道顯微鏡 ? 掃描隧道顯微鏡是 80年代初期發(fā)展起來(lái)的新型顯微儀器，能達(dá)到原子級(jí)的超高分辨率。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細(xì)微的尺度 ── 即納米尺度（ 1 nm=109 m）上實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)表面精細(xì)加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子。一門(mén)新興的學(xué)科── 納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。 20世紀(jì) 80年代初期， IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家 G． Binnig和 H． Roher發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。 這種新型顯微儀器的誕生，使人類(lèi)能夠?qū)崟r(shí)地觀測(cè)到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者 ERrska教授一起榮獲 1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 掃描隧道顯微鏡 科學(xué)家使用 STM觀測(cè)物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu) STM具有空間的高分辨率 (橫向可達(dá) ，縱向可達(dá)0． 01nm)，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的針尖 (針尖頭部為單個(gè)原子 )去接近樣品表面，當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí) (＜ 1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會(huì)通過(guò)針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流。通過(guò)控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可把表面的信息； (表面形貌和表面電子態(tài) )記錄下來(lái)。由于 STM具有原子級(jí)的空間分辨率和廣泛的適用性，國(guó)際上掀起了研制和應(yīng)用 STM的熱潮，推動(dòng)了納米科技的發(fā)展 。 STM針尖 掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖 納米算盤(pán) C60每 10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤(pán) 。 硅表面 納米皇冠 Structure of Sodium Chloride Images of NaCl obtained using Scanning Tunneling Microscope AFM彌補(bǔ) STM的局限 有人發(fā)現(xiàn)利用探針針尖與表面之間的各種相互作用，可以用來(lái)分析高分辨率成像。 1986年賓尼戈等人發(fā)明了利用激光檢測(cè)針尖與表面相互作用進(jìn)行表面成像的分析儀器。該儀器稱(chēng)為原子力顯微鏡（ ATM）。 STM 與 ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱(chēng)之為掃描探針顯微鏡（ SPM）的兩大主體技術(shù)。 AFM又彌補(bǔ)了 STM的局限，使被測(cè)試樣擴(kuò)大到非導(dǎo)電領(lǐng)域 。 原子力顯微鏡 （ atomic force microscope 簡(jiǎn)稱(chēng) AFM) ： ? 利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來(lái)作為反饋信號(hào)，維持針尖 ——樣品間作用力恒定，同時(shí)針尖在樣品表面掃描，從而得知樣品表面的高低起伏。原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會(huì)彎曲。為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量（位移），采用激光照射懸臂的尖端，四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn)。 通過(guò)電子學(xué)反饋系統(tǒng)使彎曲量保持一定，即控制掃描管 Z 軸使作用于針尖 ——樣品間的力保持一定。在掃描的同時(shí)，通過(guò)記錄反饋信號(hào)就可以得到樣品表面的形貌。 ? 目前除了隧道顯微鏡（ STM）、原子力顯微鏡（ AFM）以外，還有近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（ NSOM）、側(cè)面力顯微鏡（ IFM）、磁力顯微鏡（ MFM）、極化力顯微鏡（ SPFM） ……已有二十多個(gè)品種。但大量還處在實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品研發(fā)階段。由于它們都是用探針通過(guò)掃描系統(tǒng)來(lái)獲取圖像，因此這類(lèi)顯微鏡統(tǒng)稱(chēng)為掃描探針顯微鏡（ SPM）。 二、納米技術(shù)與納米材料的概念 ? 過(guò)去，人們只注意原子、分子或者宏觀物質(zhì)，常常忽略納米這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域大量存在于自然界，只是以前沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度范圍的性能 。 ? 納米材料其實(shí)并不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動(dòng)物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的。人工制備納米材料的實(shí)踐也已有1000年的歷史，中國(guó)古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗(yàn)也已證實(shí)為納米 SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜。蜜蜂、海龜不迷路 體內(nèi)用納米磁性微粒（相當(dāng)于生物羅盤(pán)）。 二、納米技術(shù)與納米材料的概念納米就在我們身邊 ?納米 （ nm） 實(shí)際上是一種長(zhǎng)度單位 ， 1納米僅等于十億分之一米 ， 人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于 6萬(wàn)個(gè)納米 。 納米小得可愛(ài) ， 卻威力無(wú)比 ， 它可以對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生影響 ， 并發(fā)生變化 ， 使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性 。 科學(xué)家們說(shuō) ， 納米這個(gè)“ 小東西 ” 將給人類(lèi)生活帶來(lái)的震憾 ， 會(huì)比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)更深刻 、 更廣泛 、 更持久 。 ? 1m=1000mm 1mm=1000μm 1 μm=1000nm 空間尺度的劃分 ? 宇觀 (Cosmoscopic) ? 遙觀 (Remote sensoscopic) ? 宏觀 (Macroscopic) ? 顯微觀 (Opticomicroscopic) ? 介觀 (Mesoscopic) 或納米觀 (Nanoscopic): 1~100nm ? 微觀 (Microscopic) ? 皮米觀 (Picosopic) ? 飛米觀 (Fentoscopic) ? 亞飛米觀 (Subfentoscopic ? 納米科技是 90年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在 1100nm尺度內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。其最終目標(biāo)是人類(lèi)按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。 注意 —— 單純的某一納米材料若沒(méi)有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，還不能稱(chēng)為納米技術(shù)。如香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末，雖然它們也能夠達(dá)到一百個(gè)納米以?xún)?nèi)的尺度，但是，因?yàn)樗鼈儧](méi)有特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能表現(xiàn) ,所以這些材料還不能稱(chēng)為納米技術(shù)。 ? 納米材料又稱(chēng)為超微顆粒材料，由納米粒子組成 , 一般是指尺寸在 1～ 100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。 ? 納米材料可分為兩個(gè)層次：納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子是指粒子尺寸為 1100nm的超微粒子，納米固體是指由納米超微粒子制成的固體材料。而人們習(xí)慣于把組成