【文章內容簡介】 本課程教學實施具體過程 詳 見 教學單元 至 。 教學單元一 章節(jié)名稱 第一章 納米科學技術簡介 教學日期 第 7 周 4 月 11 日 學時 2 教學目標 了解納米材料在國民經濟中的地位與作用、納米材料的發(fā)展概況和本課程的性質、地位和任務。掌握納米科學技術的基本概念和內涵 教學內容 納米、納米科技的分類 重點 納米科學技術的基本概念和內涵 難點 納米科學技術的基本概念和內涵 課前準備情況及其他要求： 教師：（ 1）提前告知班長或學習委員，通知全班學生預習第一次上課內容。 （ 2） 準備 PPT、教材、教案等教學用具。提前準備好平時成績記載冊。 學生：（ 1）提前預習參考教材講義，并自行查閱講義項目內容的第 1 章 緒論內容。 （ 2）歸納總結自己了解的納米材料知識。 教學過程及教學方法 ： （圖示法，講授法，舉例法） 納米科學技術介紹 納米科學技術的基本概念和內涵 納米定義： 納米 (nanometer)是一個長度單位，簡寫為 nm。 1 nm=109 m=10 埃。頭發(fā)直徑： 50100μm, 1nm 相當于頭發(fā)的 1/50000。氫原子的直徑為 1 埃，所以 1 納米等于10 個氫原子一個一個排起來的長度。 納 米結構 ： 納米結構通常是指尺寸在 100 納米以下（ 1100 nm） 的微小結構。 納米技術 ： 在納米尺度上對物質和材料進行研究處理的技術稱為納米技術。納米技術本質上是一種用單個原子、分子制造物質的科學技術。 (1) 納米科學技術（ NanoST） 20 世紀 80 年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬分之一米 (10–7米 )到十億分之一米 (10–9 米 )內，原子、分子和其它類型物質的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內對原子、分子等進行操縱和加工的技術，又稱為納米技術。 (2) 納米科技的主要研究內容 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納 米材料、制備各種納米器件和裝置、探測和分析納米區(qū)域的性質和現(xiàn)象。（基礎、目標、前提） (3) 納米材料 (nanomaterial)的定義 把組成相或晶粒結構的尺寸控制在 100 納米以下的具有特殊功能的材料稱為納米材料。即三維空間中至少有一維尺寸小于 100 nm 的材料或由它們作為基本單元構成的具有特殊功能的材料。 ―功能 ‖概念，即 ―量子尺寸效應 ‖。 8 納米科技的分類 納米科技從研究內容上可以分為三個方面：納米材料 、 納米器件 、 納米尺度的檢測和表征 。 (1) 納米材料 納米材料是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度 , 并且具有特殊性能的材料 。是納米科技發(fā)展的物質基礎。主要類型為：團簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料的制備技術、原理及性質。 納米材料的研究包括兩個方面： ① 系統(tǒng)地研究納米材料的微結構和譜學特征 ， 通過和常規(guī)材料對比 ， 找出納米材料特殊的規(guī)律 , 建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。 ② 發(fā)展新型納米材料 例如：納米陶瓷。目前，納米材料應用的關鍵技術問題是在大規(guī)模制備的質量控制中 , 如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據性質設計各種特殊功能納米材料。 (2) 納米器件 納米科技的最終目的是以原子分子為起點 , 去 制造具有特殊功能的產品。 因此 , 納米器件的研制和應用水平是進入納米時代的重要標志。 微米時代（微米技術） Moore（ Intel 創(chuàng)始人）定律：芯片上晶體管數量每 18 個月將會增加 1 倍。集成度越高，器件尺寸越小。所謂納米器件，就是指從納米尺度上，設計和制造功能器件。 典型案列：芯片工藝發(fā)展 (3) 納米尺度的檢測和表征 納米尺度的檢測與表征手段：在納米尺度上研究材料和器件的結構及性能。包括： 在納米尺度上原位研究各種納米結構的電、力、磁、熱、光學特性 ； 納米空間的化學反應過程、物理傳輸過程。研究原子分子的排列組裝 與奇異物性的關系。 納米技術發(fā)展的典型代表 掃描隧道電子顯微鏡（ STM ） ： 9 1981 年， IBM 公司的 G. Binning 和 H. Rohrer 根據電子的隧道效應發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡（ Scanning Tunneling Microscope, STM），獲 1986 諾貝爾物理獎。 目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡來觀察原子、分子和直接操縱安排原子。至今，具有最高的分辨率。 Z軸分辨率達到 nm。 1990 年，美國加州的 IBM 研究室 等人利用 STM 在 4K 和超真空環(huán)境中，在 Ni 的表面上將 35 個氙原子排布成最小的 IBM 商標。這張放大了的照片登在《時代》周刊上，被稱為當年最了不起的公司廣告。每個字母高 5 nm。 Xe 原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準選中的 Xe 原子、使針尖接近 Xe原子、使原子間作用力達到讓 Xe 原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離 Ni 的表面。用這種方法可以排列密集的 Xe 原子鏈。 納米科學技術發(fā)展史 (1) 納米材料及納米技術的自然存在 10 (2) 納米技術的人工造就 ① 無意識的方面 人工制備納米材料至少追溯到 1000 多年前。中國古代利用蠟燭來燃燒收 集碳黑作為墨的原料（中國古代字畫歷經千年而不褪色），是最早的納米材料。中國古代銅鏡表面的防銹層經檢驗為納米氧化錫顆粒構成的一層薄膜。古代的寶劍等微晶化增強已經得到科學證實。 ② 有意識的制作 1959 年 12 月，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼作了 ―There’s Plenty of Room at the Bottom‖的報告： ―我認為物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質。這樣做并不違反任何定理，而且在原則上是可以實現(xiàn)的 ‖。 ―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.‖ ③ 自覺地研究（理論研究的開始） 久保理論 ： 1962 年，久保 (Kubo) 針對金屬超微粒子的研究提出了久保理論 ——超微粒子的量子限域理論。由于粒子中原子數的減少，使能帶中能級間隔加大，變?yōu)椴贿B續(xù) 能級，具有類似孤立原子中的不連續(xù)性稱為久保效應（不遵守費米統(tǒng)計，及小于 10 nm的趨向于電中性） ④ 系統(tǒng)研究（久保理論日臻完善） 70 年代末到 80 年代初，人們對納米顆粒的結構、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究，描述金屬顆粒費米面附近電子能級狀態(tài)的久保理論日臻完善。在用量子尺寸效應理論解釋超微顆粒的某些特性時獲得成功。 1984 年，德國薩爾大學的 Gleiter 教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結構模型，制備了具有清潔表面的納米晶體 Pd, Fe, Cu 等塊狀材料。隨后發(fā)現(xiàn) TiO2 納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。 國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點 (3) 各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃 發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃 ， 興工業(yè)化經濟體瞄準先機 ， 發(fā)展中大國奮力趕超 。 ① 世界各國納米科技發(fā)展各有千秋 技論文方面日、德、中三國不相上下 2020~2020 年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領先于其他國家， 3 年累計論文數超過 10000 篇，幾乎占全部論文產出的 30%。日本(%)、德國 (%)、中國 (%)和法國 (%)列在其后，它們各自的論文總數都超過了 3000 篇。 ② 申請納米技術發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭 美國專利商標局 2020～ 2020 年共受理 2236 項關于納米技術的專利。其中最多的國 11 家是美國 (1454 項 )，日本 (368 項 )和德國 (118 項 )。 60%、 %和 %列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數也較多，所占比例都超過了 1%。 專利反映了研究成果實用化的能力。在論文數最多的 20 個國家和地區(qū)中，專利數所占比例超過論文數所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明 ，很多國家和地區(qū)在納米技術研究上具備一定的實力，但比較側重于基礎研究，而實用化能力較弱。 2020 年 我國納米科技領域的論文數量、專利數量以及論文被引用次數等指標已達到 ―世界第一 ‖的水平。 ③ 就整體而言納米科技大國各有所長 美國納米技術的應用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領域快速發(fā)展。隨著納米技術在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應用，目前美國納米研究熱點已逐步轉向醫(yī)學領域。醫(yī)學納米技術已經被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且， 已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。 日本納米技術的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領先水平，但尚未脫離基礎和應用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術的研發(fā)上，日本最重視的是應用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結構的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結構、富勒結構套富勒結構、納米管套富勒結構、酒杯疊酒杯狀結構等。 歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材 料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。 中國在納米材料及其應用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占 80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。 作業(yè)和課后反思 什么是納米材料 納米材料怎么分類？ 參考資料 講義 114頁 ， 曹茂盛 . 納米材料導論 [M]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社 , 2020: 110. 12 教學單元 二 章節(jié)名稱 發(fā)展納米科技 的意義 教學日期 第 7 周 4 月 14 日 學時 2 教學目標 掌握納米技術的應用及其前景，了解國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點 教學內容 國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點、納米技術的應用及其前景 重點 納米技術的應用及其前景 難點 納米技術的應用及其前景 課前準備情況及其他要求： 教師：（ 1）提前告知班長或學習委員，通知全班學生預習 上 次上課內容。 （ 2）準備 PPT、教材、教案等教學用具。提前準備好平時成績記載冊。 學生：（ 1）提前預習參考教材講義，并自行查閱講義項目內容的第 1 章。 （ 2）歸納總結自己了解的納米 材料知識 ，課上抽點問答 。 教學過程及教學方法： （圖示法，講授法，舉例法） 發(fā)展納米科技的意義 納米技術的應用及其前景 (1) 直接操縱原子方面： 日本科學家成功將硅原子堆成一個 ―金字塔 ‖，首次實現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷。1991 年， IBM 的科學家制造了超快的氙原子開關?？赡軐⒚绹鴩鴷D書館的全部藏書存儲在一個直徑為 cm的硅片上。美國科學家們制造出一種尺寸只有 4 nm 的復雜分子，具有 ―開 ‖和 ―關 ‖的特性，由激光驅動，并且開、關速度很快。 (2) 新材料的出現(xiàn) 傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，其應用受到限制。 納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性（理想）。 (3) 納米技術在微電子學上的應用 納米電子學是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件。它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標：是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。 (4) 納米技術在光電領域的應用 納米技術的發(fā)展，使微電子和光電子的結合更加緊密，使光電器件的性能大大提高。美國桑迪亞國家實驗室（ Sandia NationalLaboratories）發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數幾個狀態(tài)上，而低音廊效應則使光子受到約束，直到所產生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。實驗發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時只需約 100 微安的電流。 (5) 納米技術在化工領域的應用 13 納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合。因此，化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移 、質子轉移、半導體能級結構與表面態(tài)密度的影響。 (6) 納米技術在醫(yī)學上的應用 生物體內的 RNA 蛋白質復合體，其線度在 15~20 nm 之間，并且生物體內的多種病