化学前沿_纳米材料与化学.ppt

化学前沿化学前沿（纳米材料与化学（纳米材料与化学）纳米材料与化学纳米材料与化学 n n一一 序言序言 n n1.什么是纳米科技？什么是纳米科技？纳米科学技术是研究在千万分之一米纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米到亿分之一米(10-9米米)内，原子、分内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。操纵和加工又被称为纳米技术。n n纳米科技是纳米科技是21世纪科技产业革命的最重要内世纪科技产业革命的最重要内容之一，是可以与产业革命相比拟的，它容之一，是可以与产业革命相比拟的，它是高度交叉的综合性学科，包括物理、化是高度交叉的综合性学科，包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学它不仅学、生物学、材料科学和电子学它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为主线科，同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术也是一的技术科学，所以纳米科学与技术也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系个融前沿科学和高技术于一体的完整体系而其中纳米材料和技术又是纳米科技领而其中纳米材料和技术又是纳米科技领域中最基础，最富有活力，研究内涵十分域中最基础，最富有活力，研究内涵十分丰富的一门学科分支。丰富的一门学科分支。图 1.1 Nanotechnology 封面二、纳米材料二、纳米材料 n n颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料 颗粒状的叫纳米颗粒。颗粒状的叫纳米颗粒。如果是由纳米颗粒凝聚而成的块体、如果是由纳米颗粒凝聚而成的块体、薄膜多层膜和纤维，则叫纳米结构材料薄膜多层膜和纤维，则叫纳米结构材料（nano-structured materials）。）。n n图图 2.1 纳米材料概念图示纳米材料概念图示 图 1.1 Nanotechnology 封面 图图 2.1 纳米材料概念图示纳米材料概念图示图图 1.1 Nanotechnology 封面封面图图 1.2纳米界名人语录纳米界名人语录图图 1.2纳米界名人语录纳米界名人语录 n颗粒尺寸为纳米量级的材料即为纳米材料 颗粒状的叫纳米颗粒。如果是由纳米颗粒凝聚而成的块体、薄膜多层膜和纤维，则叫纳米结构材料（nano-structured materials）。n纳米材料的自然历史纳米材料的自然历史 宇宙大爆炸以后的冷却时期，当宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构。纳米结构。自然界又演变出许多构成地球生自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构物的纳米结构-贝壳和动物骨贝壳和动物骨骼。骼。原始人类发现火的时候，他们创原始人类发现火的时候，他们创造了造了“人工纳米材料人工纳米材料”-烟粒。烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。n n纳米材料科学史纳米材料科学史 Richard Feynman(later a Nobel laureate)n n(1959):I can hardly doubt that when we have n nsome control of the arrangement of things on n na small scale,we will get an enormously grean nter range of possible properties that substancn nes can have.图图 2.3 费曼语录费曼语录n n纳米材料的自然历史纳米材料的自然历史 宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳宇宙大爆炸以后的冷却时期，当时原始凝聚物质形成早期星体中的纳米结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构米结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构米结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构米结构。自然界又演变出许多构成地球生物的纳米结构-贝壳和贝壳和贝壳和贝壳和动物骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了动物骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了动物骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了动物骨骼。原始人类发现火的时候，他们创造了“人工纳米材料人工纳米材料人工纳米材料人工纳米材料”-烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。烟粒。西汉铜镜和黑漆鼓，徽墨，漆器。图 2.2 自然界里的纳米材料三三.纳米材料的奇特性能纳米材料的奇特性能 n n1多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料-碳碳纳米管为例）纳米管为例）图 3.1多样的碳纳米材料 图 3.1多样的碳纳米材料 n n图 3.1多样的碳纳米材料 图 3.1多样的碳纳米材料图 3.1多样的碳纳米材料 图 3.1多样的碳纳米材料 n n1 1多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料多样的结构与形貌（以最热门的纳米材料-碳纳米管为碳纳米管为碳纳米管为碳纳米管为例）例）例）例）碳纳米管的形成和结构碳纳米管的形成和结构图 3.1多样的碳纳米材料 n n2 2 纳米材料的奇特物理性能纳米材料的奇特物理性能纳米材料的奇特物理性能纳米材料的奇特物理性能 n n力学性能力学性能力学性能力学性能-改善材料的强度、塑性与韧性改善材料的强度、塑性与韧性改善材料的强度、塑性与韧性改善材料的强度、塑性与韧性图 3.2 纳米铜的超塑性图 3.3 碳纳米管的强度测量 图 3.3 碳纳米管的强度测量 n n光学性能光学性能光学性能光学性能 :宽频带强吸收宽频带强吸收宽频带强吸收宽频带强吸收 蓝移现象蓝移现象蓝移现象蓝移现象 纳米微粒发光纳米微粒发光纳米微粒发光纳米微粒发光 丁达尔现象拉曼散射变化丁达尔现象拉曼散射变化丁达尔现象拉曼散射变化丁达尔现象拉曼散射变化图图 3.5 纳米材料光学性能纳米材料光学性能 n n3 3催化性能改进催化性能改进催化性能改进催化性能改进 比表面积很大，增强了催化剂吸附反应物的能力。比表面积很大，增强了催化剂吸附反应物的能力。吸收光谱吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活吸收光谱吸收带边蓝移和半导体催化剂光催化活性提高。性提高。粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电子从内部粒径通常小于空间电荷层的厚度，使电子从内部扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷分离的扩散到表面的时间减少，提高了光致电荷分离的效率。效率。n n提出问题：提出问题：提出问题：提出问题：既然纳米材料具有如此多的特异而优良的性能，费曼既然纳米材料具有如此多的特异而优良的性能，费曼既然纳米材料具有如此多的特异而优良的性能，费曼既然纳米材料具有如此多的特异而优良的性能，费曼又早在六十年代就提出了纳米技术的构想，为什么直到今又早在六十年代就提出了纳米技术的构想，为什么直到今又早在六十年代就提出了纳米技术的构想，为什么直到今又早在六十年代就提出了纳米技术的构想，为什么直到今天，纳米技术才真正轰轰烈烈的发展起来呢？天，纳米技术才真正轰轰烈烈的发展起来呢？天，纳米技术才真正轰轰烈烈的发展起来呢？天，纳米技术才真正轰轰烈烈的发展起来呢？这主要是因为两方面的原因，一方面，纳米材料的理这主要是因为两方面的原因，一方面，纳米材料的理这主要是因为两方面的原因，一方面，纳米材料的理这主要是因为两方面的原因，一方面，纳米材料的理论基础是在最近几十年里才日趋完善，另一方面，由于论基础是在最近几十年里才日趋完善，另一方面，由于论基础是在最近几十年里才日趋完善，另一方面，由于论基础是在最近几十年里才日趋完善，另一方面，由于SPMSPM等相关探测技术的发展使得我们能够真正在原子分子等相关探测技术的发展使得我们能够真正在原子分子等相关探测技术的发展使得我们能够真正在原子分子等相关探测技术的发展使得我们能够真正在原子分子量级上观察物质、操纵物质量级上观察物质、操纵物质量级上观察物质、操纵物质量级上观察物质、操纵物质四四 纳米材料的理论基础、技术基础纳米材料的理论基础、技术基础 n n1 纳米材料的理论基础纳米材料的理论基础-认识突破认识突破 纳米材料的结构模型 n n电子能级的不连续性-kubo理论 n n量子尺寸效应 小尺寸效应 n n表面效应 宏观量子隧道效应 n n 纳米材料的结构模型 n n纳米固体可分为两种组元晶粒组元 界面组元 n n界面的结构模型Gleiter：类气态模型 Siegel：有序模型 多样结构-有序、短程有序、无序结构图图 4.1 纳米材料的结构模型实例纳米材料的结构模型实例 n n1 1 纳米材料的理论基础纳米材料的理论基础纳米材料的理论基础纳米材料的理论基础-认识突破认识突破认识突破认识突破 电子能级的不连续性电子能级的不连续性 -kubokubo理论理论 n n 量子尺寸效应量子尺寸效应 n n 和和 得到得到 表面原子特点：表面原子特点：表面原子特点：表面原子特点：（1 1）原子配位不满，多悬空键）原子配位不满，多悬空键）原子配位不满，多悬空键）原子配位不满，多悬空键 （2 2）高表面能，高表面活性高表面能，高表面活性高表面能，高表面活性高表面能，高表面活性 引发性能：引发性能：引发性能：引发性能：（1 1）导致表面原子输运构型变化）导致表面原子输运构型变化）导致表面原子输运构型变化）导致表面原子输运构型变化-催化催化催化催化（2 2）电子自旋构象能谱变化）电子自旋构象能谱变化）电子自旋构象能谱变化）电子自旋构象能谱变化-光学性能光学性能光学性能光学性能 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 原子配位不满，多悬空键原子配位不满，多悬空键原子配位不满，多悬空键原子配位不满，多悬空键 微观粒子具有贯穿势垒的能力微观粒子具有贯穿势垒的能力微观粒子具有贯穿势垒的能力微观粒子具有贯穿势垒的能力 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相一些宏观量（如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量）具有的隧道效应干器件中的磁通量）具有的隧道效应干器件中的磁通量）具有的隧道效应干器件中的磁通量）具有的隧道效应 意义意义意义意义:它确立了现存微电子器件进一步微型它确立了现存微电子器件进一步微型它确立了现存微电子器件进一步微型它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限化的极限化的极限化的极限 n n2 2纳米材料的检测手段纳米材料的检测手段纳米材料的检测手段纳米材料的检测手段-技术基础技术基础技术基础技术基础 晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析晶体结构分析 XRD(X-ray XRD(X-ray diffraction)Xdiffraction)X射线衍射仪射线衍射仪射线衍射仪射线衍射仪谢乐公式：谢乐公式：谢乐公式：谢乐公式：B=0.89/D B=0.89/D coscos 微结构与形貌分析微结构与形貌分析微结构与形貌分析微结构与形貌分析 TEM(transmission TEM(transmission electromicroscopyelectromicroscopy)透射电镜透射电镜透射电镜透射电镜 HRTEM(high resolution transmission HRTEM(high resolution transmission electromicroscopyelectromicroscopy)AFM(atomic force microscopy)AFM(atomic force microscopy)原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜原子力显微镜STM(scanning STM(scanning tunnellingtunnelling microscopy)microscopy)扫描隧道扫描隧道扫描隧道扫描隧道显微镜显微镜显微镜显微镜 图 4.3 STM照片 图 4.3 STM照片图 4.4 STM的针尖阵列 图 4.8 Atom by atom chemistry 图 4.5 具有化学键分辨率的C60单分子STM图象图 4.6 原子级的“原子”图 4.7 最小的书法：IBM n n2纳米材料的检测手段纳米材料的检测手段-技术基础技术基础 表面成分分析 AES 俄歇电子能谱分析 FIM 场离子显微镜和原子探针 XPS X射线电子能谱 IMF 离子探针五五 纳米材料与化学的关系纳米材料与化学的关系 n n1.纳米材料为化学研究开辟了一个新的层纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次次 2.化学为纳米材料创造了丰富的研究对化学为纳米材料创造了丰富的研究对象象 光导纤维光导纤维1.纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次纳米材料为化学研究开辟了一个新的层次 化学传统的研究层次化学传统的研究层次:一向限定在分子与原一向限定在分子与原子之间的层次。子之间的层次。表面化学和胶体化学早就提示分子以上还表面化学和胶体化学早就提示分子以上还有一个新世界有一个新世界,化学没有理会。化学没有理会。纳米材料给化学的启示纳米材料给化学的启示:决定功能的不仅是决定功能的不仅是构成系统的基本分子的理化性质，还要看构成系统的基本分子的理化性质，还要看分子怎样组装成为分子聚集体的。分子怎样组装成为分子聚集体的。发展分子以上层次化学已成为一个趋势。发展分子以上层次化学已成为一个趋势。n n2.化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学为纳米材料创造了丰富的研究对象 化学的特长化学的特长 研究自然研究自然 创造新物质创造新物质,完成新变化完成新变化 化学对纳米材料的意义化学对纳米材料的意义-提供了丰富的制备提供了丰富的制备方法方法 固相法固相法 n n 气相法气相法 液相法液相法 n n2.2.化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学为纳米材料创造了丰富的研究对象化学为纳米材料创造了丰富的研究对象 固相法固相法固相法固相法 高能球磨法高能球磨法高能球磨法高能球磨法-以机械粉碎与研磨为主体来实现粉末微细以机械粉碎与研磨为主体来实现粉末微细以机械粉碎与研磨为主体来实现粉末微细以机械粉碎与研磨为主体来实现粉末微细化化化化 优点：工艺简单，产量高，可获得常规方法难以获得的优点：工艺简单，产量高，可获得常规方法难以获得的优点：工艺简单，产量高，可获得常规方法难以获得的优点：工艺简单，产量高，可获得常规方法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料。高熔点金属或合金纳米材料。高熔点金属或合金纳米材料。高熔点金属或合金纳米材料。缺点：晶粒尺寸不均匀，易引入杂质。缺点：晶粒尺寸不均匀，易引入杂质。缺点：晶粒尺寸不均匀，易引入杂质。缺点：晶粒尺寸不均匀，易引入杂质。非晶晶化法非晶晶化法非晶晶化法非晶晶化法 适用某些成核激活能小晶粒长大激活能大的非晶合金。适用某些成核激活能小晶粒长大激活能大的非晶合金。适用某些成核激活能小晶粒长大激活能大的非晶合金。适用某些成核激活能小晶粒长大激活能大的非晶合金。气体冷凝法气体冷凝法气体冷凝法气体冷凝法特点：可通过调节惰性气体压力、温度、蒸发物质的分特点：可通过调节惰性气体压力、温度、蒸发物质的分特点：可通过调节惰性气体压力、温度、蒸发物质的分特点：可通过调节惰性气体压力、温度、蒸发物质的分压即蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小。压即蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小。压即蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小。压即蒸发温度或速率来控制纳米微粒粒径的大小。溅射法溅射法溅射法溅射法 优点：优点：优点：优点：(1)(1)制备高熔点金属制备高熔点金属制备高熔点金属制备高熔点金属 (2)(2)制备多组元化合物制备多组元化合物制备多组元化合物制备多组元化合物流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度法 产物优点：产物优点：产物优点：产物优点：(1)(1)多种金属的超微粒多种金属的超微粒多种金属的超微粒多种金属的超微粒 (2)(2)粒径均匀，分粒径均匀，分粒径均匀，分粒径均匀，分布窄布窄布窄布窄 (3)(3)尺寸可控尺寸可控尺寸可控尺寸可控 n n 固相法固相法固相法固相法 溶剂热溶剂热溶剂热溶剂热 溶剂热是在高温高压下在水（水溶液或其他溶剂）或蒸汽溶剂热是在高温高压下在水（水溶液或其他溶剂）或蒸汽溶剂热是在高温高压下在水（水溶液或其他溶剂）或蒸汽溶剂热是在高温高压下在水（水溶液或其他溶剂）或蒸汽等流体中进行有关化学反应的方法。等流体中进行有关化学反应的方法。等流体中进行有关化学反应的方法。等流体中进行有关化学反应的方法。优点：优点：优点：优点：(1)(1)可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳可获得通常条件下难以获得的几纳米至几十纳米的粉末米的粉末米的粉末米的粉末 (2)(2)粒度分布窄，粒度分布窄，粒度分布窄，粒度分布窄，团聚程度低，团聚程度低，团聚程度低，团聚程度低，纯度高，晶格发育纯度高，晶格发育纯度高，晶格发育纯度高，晶格发育完整，有良好的烧结活性。完整，有良好的烧结活性。完整，有良好的烧结活性。完整，有良好的烧结活性。(3)(3)在制备过程中污染小，能量消耗少。在制备过程中污染小，能量消耗少。在制备过程中污染小，能量消耗少。在制备过程中污染小，能量消耗少。(4)(4)溶剂热中选择合适的原料配比尤为重要，溶剂热中选择合适的原料配比尤为重要，溶剂热中选择合适的原料配比尤为重要，溶剂热中选择合适的原料配比尤为重要，对原对原对原对原料的纯度要求高。料的纯度要求高。料的纯度要求高。料的纯度要求高。微乳液法微乳液法微乳液法微乳液法 (1)(1)微乳液是指两种互不相溶的液体组成的宏观上微乳液是指两种互不相溶的液体组成的宏观上微乳液是指两种互不相溶的液体组成的宏观上微乳液是指两种互不相溶的液体组成的宏观上均一而微观上不均匀的混合物。均一而微观上不均匀的混合物。均一而微观上不均匀的混合物。均一而微观上不均匀的混合物。(2)(2)由分别包有两种反应物的微乳液混合使微液滴由分别包有两种反应物的微乳液混合使微液滴由分别包有两种反应物的微乳液混合使微液滴由分别包有两种反应物的微乳液混合使微液滴发生碰撞发生反应。发生碰撞发生反应。发生碰撞发生反应。发生碰撞发生反应。(3)(3)雾化焙烧法。雾化焙烧法。雾化焙烧法。雾化焙烧法。(4)(4)沉淀颗粒非常微小沉淀颗粒非常微小沉淀颗粒非常微小沉淀颗粒非常微小,而且均匀。而且均匀。而且均匀。而且均匀。n n固相法固相法固相法固相法 溶胶溶胶溶胶溶胶-凝胶法凝胶法凝胶法凝胶法 溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物 在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。料热处理后制得所需纳米粒子。料热处理后制得所需纳米粒子。料热处理后制得所需纳米粒子。基本原理：溶胶的制备；溶胶基本原理：溶胶的制备；溶胶基本原理：溶胶的制备；溶胶基本原理：溶胶的制备；溶胶-凝胶转化；凝胶干燥。凝胶转化；凝胶干燥。凝胶转化；凝胶干燥。凝胶转化；凝胶干燥。产品特点：产品特点：产品特点：产品特点：(1)(1)化学均匀性好化学均匀性好化学均匀性好化学均匀性好(2)(2)高纯度，颗粒细高纯度，颗粒细高纯度，颗粒细高纯度，颗粒细 n n 固相法固相法固相法固相法 n n超分子自组装超分子自组装超分子自组装超分子自组装-1-1 胶态晶体法胶态晶体法胶态晶体法胶态晶体法:是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组是利用胶体溶液的自组装特性将纳米团簇组装成超晶格，可得到二维或三维有序的超晶格。装成超晶格，可得到二维或三维有序的超晶格。装成超晶格，可得到二维或三维有序的超晶格。装成超晶格，可得到二维或三维有序的超晶格。图图 5.3 胶体晶体法的一种机理胶体晶体法的一种机理图图 5.4 胶体晶体法的自组装产物胶体晶体法的自组装产物 图图 5.4 胶体晶体法的自组装产物胶体晶体法的自组装产物n n2.2.化学为纳米材料创化学为纳米材料创化学为纳米材料创化学为纳米材料创造了丰富的研究对象造了丰富的研究对象造了丰富的研究对象造了丰富的研究对象 固相法固相法固相法固相法 超分子自组装超分子自组装超分子自组装超分子自组装-2-2 模板法模板法模板法模板法 利用纳米团利用纳米团利用纳米团利用纳米团簇与组装模板间的识簇与组装模板间的识簇与组装模板间的识簇与组装模板间的识别作用来带动团簇的别作用来带动团簇的别作用来带动团簇的别作用来带动团簇的组装组装组装组装(1)(1)固态高分子膜固态高分子膜固态高分子膜固态高分子膜模板模板模板模板 (2)(2)单分子膜模板单分子膜模板单分子膜模板单分子膜模板 (3)(3)简单有机分子简单有机分子简单有机分子简单有机分子模板模板模板模板(4)(4)生物分子模板生物分子模板生物分子模板生物分子模板 (5)(5)混合模板法混合模板法混合模板法混合模板法 图 5.4 胶体晶体法的自组装产物 六六 纳米材料与化学携手创造奇迹纳米材料与化学携手创造奇迹 n n随着纳米材料研究随着纳米材料研究随着纳米材料研究随着纳米材料研究的不断深入，其应的不断深入，其应的不断深入，其应的不断深入，其应用研究也在向各个用研究也在向各个用研究也在向各个用研究也在向各个不同的领域逐渐渗不同的领域逐渐渗不同的领域逐渐渗不同的领域逐渐渗透透透透n n1.1.信息技术信息技术信息技术信息技术n n2.2.生物芯片生物芯片生物芯片生物芯片n n3.3.能源能源能源能源n n4.4.环境环境环境环境 5.5.碳纳米管碳纳米管碳纳米管碳纳米管 6 6 纳米技术实用纳米技术实用纳米技术实用纳米技术实用化的预测化的预测化的预测化的预测 。图图 6.1 胶体晶体法的自组装产物胶体晶体法的自组装产物 n n1.1.信息磁记录材料信息磁记录材料信息磁记录材料信息磁记录材料 特异性能：特异性能：特异性能：特异性能：(1)(1)尺寸小尺寸小尺寸小尺寸小 (2)(2)单磁畴单磁畴单磁畴单磁畴 (3)(3)矫顽力很高矫顽力很高矫顽力很高矫顽力很高n n优点：优点：优点：优点：(1)(1)提高信噪比提高信噪比提高信噪比提高信噪比 (2)(2)改善图像质量改善图像质量改善图像质量改善图像质量 图图 6.2微电子微电子-由从上到下到从下到上由从上到下到从下到上 图图 6.3传统光刻芯片与纳米软刻蚀技术的对比传统光刻芯片与纳米软刻蚀技术的对比n n科学家利用纳米电子学，已研制出了单电子晶体科学家利用纳米电子学，已研制出了单电子晶体科学家利用纳米电子学，已研制出了单电子晶体科学家利用纳米电子学，已研制出了单电子晶体管；红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管；管；红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管；管；红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管；管；红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管；利用纳米丝、纳米棒制成的纳米探测器等纳米器利用纳米丝、纳米棒制成的纳米探测器等纳米器利用纳米丝、纳米棒制成的纳米探测器等纳米器利用纳米丝、纳米棒制成的纳米探测器等纳米器件。如日本的日立公司研制出了单电子晶体管，件。如日本的日立公司研制出了单电子晶体管，件。如日本的日立公司研制出了单电子晶体管，件。如日本的日立公司研制出了单电子晶体管，一个电子就是一个多功能的器件。日本的单电子一个电子就是一个多功能的器件。日本的单电子一个电子就是一个多功能的器件。日本的单电子一个电子就是一个多功能的器件。日本的单电子研究覆盖了记忆、逻辑和基本特性，重点是制造研究覆盖了记忆、逻辑和基本特性，重点是制造研究覆盖了记忆、逻辑和基本特性，重点是制造研究覆盖了记忆、逻辑和基本特性，重点是制造单电子记忆器件，日本的研究人员已成功制造出单电子记忆器件，日本的研究人员已成功制造出单电子记忆器件，日本的研究人员已成功制造出单电子记忆器件，日本的研究人员已成功制造出能在室温下运行的单电子记忆器件。美国已研制能在室温下运行的单电子记忆器件。美国已研制能在室温下运行的单电子记忆器件。美国已研制能在室温下运行的单电子记忆器件。美国已研制出了由激光驱动只有出了由激光驱动只有出了由激光驱动只有出了由激光驱动只有4 4纳米大的纳米开关。美国威纳米大的纳米开关。美国威纳米大的纳米开关。美国威纳米大的纳米开关。美国威斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点，利斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点，利斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点，利斯康星大学已研制出可容纳单电子的量子点，利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛地应用。在微电子和光电子领域将获得广泛地应用。在微电子和光电子领域将获得广泛地应用。在微电子和光电子领域将获得广泛地应用。n n2 2纳米生物技术纳米生物技术纳米生物技术纳米生物技术 纳米技术与生物技术结合推动纳米生物技术的发展，如既能降低成本纳米技术与生物技术结合推动纳米生物技术的发展，如既能降低成本纳米技术与生物技术结合推动纳米生物技术的发展，如既能降低成本纳米技术与生物技术结合推动纳米生物技术的发展，如既能降低成本又能提高分析速度的微型分析技术，能在极短的时间内识别病菌或污又能提高分析速度的微型分析技术，能在极短的时间内识别病菌或污又能提高分析速度的微型分析技术，能在极短的时间内识别病菌或污又能提高分析速度的微型分析技术，能在极短的时间内识别病菌或污染物，这一新技术已在许多方面得到了应用。半导体纳米晶的光学特染物，这一新技术已在许多方面得到了应用。半导体纳米晶的光学特染物，这一新技术已在许多方面得到了应用。半导体纳米晶的光学特染物，这一新技术已在许多方面得到了应用。半导体纳米晶的光学特性可用于标注并跟踪在生物细胞中的分子。性可用于标注并跟踪在生物细胞中的分子。性可用于标注并跟踪在生物细胞中的分子。性可用于标注并跟踪在生物细胞中的分子。图图 6.4半导体纳米晶用于生物标记半导体纳米晶用于生物标记 n n3 3能源能源能源能源 光化学电池光化学电池 光解水制氢纳米材料储氢光解水制氢纳米材料储氢 图图 6.5纳米材料用于能源技术纳米材料用于能源技术 n n光催化可降解的部分污染性有机物光催化可降解的部分污染性有机物光催化可降解的部分污染性有机物光催化可降解的部分污染性有机物物质名称物质名称物质名称物质名称降解结果降解结果降解结果降解结果物质名称物质名称物质名称物质名称降解结果降解结果降解结果降解结果 一一一一氯氯酚酚酚酚 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物 甲醇甲醇甲醇甲醇 完全降解完全降解完全降解完全降解为为COCO2 2 二二二二氯氯酚酚酚酚完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物 甲苯甲苯甲苯甲苯 完全降解完全降解完全降解完全降解n n五五五五氯氯酚酚酚酚 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物 偶氮染料酸性橙偶氮染料酸性橙偶氮染料酸性橙偶氮染料酸性橙 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n氟代酚氟代酚氟代酚氟代酚完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物敌敌 敌敌 畏畏畏畏 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n氯氯仿仿仿仿完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物久久久久 效效效效 磷磷磷磷 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n四四四四氯氯化碳化碳化碳化碳 电电子子子子给给予体参与下完全降解予体参与下完全降解予体参与下完全降解予体参与下完全降解甲甲甲甲 拌拌拌拌 磷磷磷磷 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n三三三三氯氯乙乙乙乙烯烯 氧存在氧存在氧存在氧存在时时降解程度降解程度降解程度降解程度为为99.4%99.4%对对 流流流流 鳞鳞 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n卤卤代代代代烷烃烷烃 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物 马马拉硫拉硫拉硫拉硫鳞鳞 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物n n卤卤代芳代芳代芳代芳烃烃 完全降解完全降解完全降解完全降解为为无机物无机物无机物无机物 滴滴滴滴 滴滴滴滴 涕涕涕涕 完全降解完全降解完全降解完全降解图图 6.7碳纳米管形形色色的潜在应用碳纳米管形形色色的潜在应用图图 6.7碳纳米管形形色色的潜在应用碳纳米管形形色色的潜在应用n n6 6、纳米技术实用化的预测、纳米技术实用化的预测、纳米技术实用化的预测、纳米技术实用化的预测经过世界上众多科学家对纳米技术的探索，目经过世界上众多科学家对纳米技术的探索，目经过世界上众多科学家对纳米技术的探索，目经过世界上众多科学家对纳米技术的探索，目前，研究人员已经不仅能在实验室操纵原子，有前，研究人员已经不仅能在实验室操纵原子，有前，研究人员已经不仅能在实验室操纵原子，有前，研究人员已经不仅能在实验室操纵原子，有些纳米技术已在材料、微电子学、生物工程、医些纳米技术已在材料、微电子学、生物工程、医些纳米技术已在材料、微电子学、生物工程、医些纳米技术已在材料、微电子学、生物工程、医学等等领域得到了应用。如果要问：开发纳米技学等等领域得到了应用。如果要问：开发纳米技学等等领域得到了应用。如果要问：开发纳米技学等等领域得到了应用。如果要问：开发纳米技术到底需要多久？各国的科学家都曾经作过相关术到底需要多久？各国的科学家都曾经作过相关术到底需要多久？各国的科学家都曾经作过相关术到底需要多久？各国的科学家都曾经作过相关的预测。的预测。的预测。的预测。日本的研究人员认为，纳米技术的中期应用主日本的研究人员认为，纳米技术的中期应用主日本的研究人员认为，纳米技术的中期应用主日本的研究人员认为，纳米技术的中期应用主要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新药，药，药，药，“绿色绿色绿色绿色”污染过滤，制造超敏感传感器等等。污染过滤，制造超敏感传感器等等。污染过滤，制造超敏感传感器等等。污染过滤，制造超敏感传感器等等。而长期应用应是而长期应用应是而长期应用应是而长期应用应是“智能化智能化智能化智能化”的模拟反应材料，构的模拟反应材料，构的模拟反应材料，构的模拟反应材料，构造采用造采用造采用造采用“top down”top down”直到原子层次、纳米点和自组直到原子层次、纳米点和自组直到原子层次、纳米点和自组直到原子层次、纳米点和自组装的方法设计的装的方法设计的装的方法设计的装的方法设计的“智能智能智能智能”材料。材料。材料。材料。日本国家科技政策研究所选择了日本国家科技政策研究所选择了日本国家科技政策研究所选择了日本国家科技政策研究所选择了1414个领域，对个领域，对个领域，对个领域，对30003000多个研究人员（日本和德国），采用多个研究人员（日本和德国），采用多个研究人员（日本和德国），采用多个研究人员（日本和德国），采用DelphiDelphi调查法，得到了与纳米技术有关的问卷结果。调查法，得到了与纳米技术有关的问卷结果。调查法，得到了与纳米技术有关的问卷结果。调查法，得到了与纳米技术有关的问卷结果。n n表表表表1 1、专家对纳米技术应用的预测、专家对纳米技术应用的预测、专家对纳米技术应用的预测、专家对纳米技术应用的预测纳纳米技米技米技米技术术 日本日本日本日本预测预测年年年年 德国德国德国德国预测预测年年年年 批量生批量生产产用离子束和粒子束制用离子束和粒子束制备备的具有可控特性的的具有可控特性的纳纳米新米新材料材料 2006 2006 20102010阐阐明金属聚合物界面的粘着力明金属聚合物界面的粘着力 2002200220022002利用超光滑金属利用超光滑金属镜镜面加工技面加工技术术 2003200320022002利用利用STMSTM技技术术嵌入混嵌入混杂杂物并修物并修补结补结晶硅表面晶硅表面 2003 2003 2004 2004 在在单单分子分子层层、可控制、可控制结结构的有构的有机机氢氢化物复合材料化物复合材料2003200320052005广泛利用原子广泛利用原子层蚀层蚀刻半刻半导导体体 2003 2003 2004 2004 由几由几纳纳米米-几十几十纳纳米尺寸构成米尺寸构成的有机和无机复合材料的有机和无机复合材料2003200320042004开开发发用于控制用于控制1-101-10纳纳米尺度的米尺度的微微结结构的聚合物加工技构的聚合物加工技术术 2005200520072007在原子尺度控制固体在原子尺度控制固体结结构极其构极其界面特性的可能性界面特性的可能性 2005200520062006在原子在原子层层次上开次上开发发合成具有新合成具有新功能的物功能的物质质的技的技术术2008200820042004n n表表表表2 2、与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术、与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术、与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术、与市场有紧密联系或已具有市场的纳米技术 应应用于医学、用于医学、环环境境污污染染评评价、制价、制备纯备纯化学品和化学品和药药品的新型品的新型传传感器感器 用于再生能源的光电技术用于再生能源的光电技术 用于国防、航空、自动化和医学应用领域的更轻更强的新材料用于国防、航空、自动化和医学应用领域的更轻更强的新材料 更好、更轻、更灵活的屏幕显示技术更好、更轻、更灵活的屏幕显示技术 抗摩擦涂层玻璃等抗摩擦涂层玻璃等 在一个芯片上的诊断技术在一个芯片上的诊断技术 可吸收紫外线的纳米粒子防晒的化妆品等可吸收紫外线的纳米粒子防晒的化妆品等表表3、纳米技术的中长应用、纳米技术的中长应用抗腐抗腐蚀蚀涂涂层层：需要：需要5-155-15年年 超超强强超硬切削工具：超硬切削工具：5-155-15年年 可塑可塑电电子学子学-平板平板显显示：需要示：需要5-105-10年年 可可维维持持长长久的医学植入物：需要久的医学植入物：需要5-155-15年年 具有具有100100纳纳米以下可有商米以下可有商业业用途的芯片：需要用途的芯片：需要7 7年年 用于用于电电子元件的子元件的纳纳米米结结构材料：需要构材料：需要10-2010-20年年 高密度高密度记忆记忆能力超快速能力超快速计计算机算机处处理器：需要理器：需要10-2010-20年年 极微小机器在血液中循极微小机器在血液中循环环从从动动脉中清除人体脂肪堆脉中清除人体脂肪堆积积：至少需要：至少需要2525年年 n n美国商业通信公司在题为美国商业通信公司在题为“纳米材料的机遇纳米材料的机遇”的的技术市场调查报告预测了美国从技术市场调查报告预测了美国从1996-20011996-2001年纳米年纳米材料的市场需求量，认为纳米材料的市场需求会材料的市场