【正文】 納米技術(shù)與納米材料 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、納米材料的特性 四、幾種典型的納米材料 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)曼預(yù)言，人類可以用小的機(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)最早的夢想。 七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。 原子排成的“ 原子 ” 字樣 ? 1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。 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，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年 7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生 ? 1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的 10成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級電子線路等 。 ? 1993年，繼 1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán) “ 寫 ” 下斯坦福大學(xué)英文名字、 1990年美國國際商用機(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出 “ 中國 ” 二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。 1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在 20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。 1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的 “ 秤 ” ，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于 —個(gè)病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。 2022年 4月，美國能源部桑地亞國家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光微細(xì)加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀，該手術(shù)刀可以每秒掃描 10萬個(gè)癌細(xì)胞，并將細(xì)胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析判斷。 2022年紐約斯隆 凱特林癌癥研究中心的戴維 . 沙因貝格爾博士報(bào)道了把放射性同位素錒 225的一些原子裝入一個(gè)形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細(xì)胞的靶向藥物。 這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進(jìn)展是十分迅速的。 到 1999年，納米技術(shù)逐步走向市場，全年納米產(chǎn)品的營業(yè)額達(dá)到 500億美元。 近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新 5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從 1997年的 元增加到 2022年的 。 掃描隧道顯微鏡介紹 掃描隧道顯微鏡是 80年代初期發(fā)展起來的新型顯微儀器，能達(dá)到原子級的超高分辨率。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，使人類能夠?qū)崟r(shí)地觀測到原子在物質(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)。 科學(xué)家使用 STM觀測物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu) STM具有空間的高分辨率 (橫向可達(dá) ，縱向可優(yōu)于 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、電子便會通過針尖和樣品構(gòu)成的勢壘而形成隧道電流。通過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。由于 STM具有原子級的空間分辨率和廣泛的適用性，國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 納米算盤 C60每 10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤 。 硅表面 納米皇冠 伴隨著 STM的發(fā)明以及其在表面高分辨率觀察研究中的各種應(yīng)用的日漸增多，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。該儀器稱為原子力顯微鏡（ ATM）。 STM 與 ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱之為掃描探針顯微鏡（ SPM）的兩大主體技術(shù)。 ? 目前除了隧道顯微鏡（ STM）、原子力顯微鏡（ AFM）以外，還有近場光學(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掃描系統(tǒng)來獲取圖像，因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（ SPM）。 二、納米技術(shù)與納米材料的概念 ? 納米科技是 90年代初迅速發(fā)展起來的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在 1100nm尺度空內(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。 離子注入三維圖像 ? 納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，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渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會有顯著的不同。 三、納米材料的特性 100 80 60 40 20 0 比例（ %） 表面原子數(shù)相對總原子數(shù) 0 10 20 30 40 50 ? 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起