纳米科技简介.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,初二物理 陈玮清,科技与未来,Technology and Future,尤瓦尔,赫拉利（,Yuval Harari,），,1976,年生，,牛津大学,历史学博士，现为耶路撒冷,希伯来大学,的历史系教授，青年怪才，全球瞩目的新锐历史学家。,2014,年，一位年轻的以色列历史学家尤瓦尔赫拉利写了一部叫做,人类简史,的书。这本书一经上市就登上以色列畅销书排行榜第一名，引发,30,个国家争相购买版权，该书简体中文版出版后，同样备受关注，荣登各大图书畅销榜。这本被称作奇书的,人类简史,以其宏大的历史视角和独到的观点，颠覆了人们对人类历史的认知。他认为人类祖先智人之所以能够崛起统治地球，是因为其拥有强大的虚构能力，人类现存的一切,国家、宗教、企业等都是虚构出来的现实，是一种基于想象的共同体。正因为有了这样的共同认知，人类才能够有效协作，形成更大规模的全球性连接。,人类未来面临的新议题,如果说,人类简史,是关于我们从哪里来，那么,未来简史,就是关于我们人类的未来命运。赫拉利提出，几千年来，人类面临着三大重要的生存课题,饥荒、瘟疫和战争。,战争正在消失，过去主要的财富来源是物质资产，像是金矿、麦田、油井，而现在的主要财富来源则是知识。发动战争虽然能抢下油田，却无法霸占知识。因此，随着知识成为最重要的经济资源，战争能带来的获利便会下降。,那么，新世纪，人类面临的重大议题是什么？不知满足的人类下一个努力目标将是什么,长生不死、幸福快乐和化身为神。,第二次认知革命：从智人到神人,赫拉利提出的这三个新议题的实现基础，来源于近年来人工智能和生物基因技术领域获得的成就。在作者看来，今天克服死亡只是技术问题，既然是技术问题就能找到解决方案。,未来掌握在少数精英手中,按照赫拉利的观点，随着人工智能的发展，人会变得慢慢放弃决策权。计算机与我们的关系，大概分三步走：第一步，算法相当于我们身边的先知，你有什么问题问它下，但决策权在你手里。第二步，算法相当于是我们的代理人，它告诉你一个大的方向和原则，它去执行，执行中的一些小的决策，它自己说了算。第三步，算法成了我们的君主，你索性什么都听它的。,当然，还有一种人是不受算法控制的人，他们就是控制算法的精英。算法不能理解这些精英，也不知道他们有什么需求，这些人才是世界的主人，做最重要决策的人。普通人听算法的，算法听他们的。而这些精英，就已经不是普通的“智人”，而是掌控了算法，并通过生物技术战胜了死亡、获得幸福快乐的,“,神人”。他们才是未来世界的主宰者，是人类进化而成的新物种。,纳米科技进展,纳米科技进展,纳米科技,1,纳米材料及其特性,2,纳米科技应用,3,纳米科技带来的负面影响,4,在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，说明了我们对这个世界认知的粗浅。,以蒸汽机等机械发明为主要标志的,第一次工业革命,，将人类认知推向,毫米,层次。,第二次工业革命,，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一,微米,诞生了。,随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，只有进入另一个层次,纳米,层次，才会有更大的突破。,我国著名科学家钱学森曾指出，纳米技术是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起,21,世纪又一次产业革命。,纳米科技 科技的进步向微观的方向发展,纳米,1nm=10,-9,m,，即,1,毫微米，十亿分之一米，纳米微粒的尺度一般定义为,10,-7,10,-10,m,内（,0.1,100nm,）；,相当于人发直径的,1/10,万。,形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。这就是纳米长度的概念。,它很可能成为本世纪的主导技术。美国科学技术委员会则把启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心。,纳米科技,定义：,纳米科技是指在纳米尺度,(1nm,到,l00nm,之间,),上研究物质,(,包括原子、分子的操纵,),的特性和相互作用，以及利用这些特性的科学和技术。,纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品,。,纳米科技,性质：,纳米技术是一个崭新的高科技学科群，它包含纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米测量学、纳米工艺学等，是一门基础研究与应用探索相互融合的新兴科学技术。,随着纳米科技的发展，人们越来越认识到，纳米科技在诸多领域有着良好的应用前景，它将对人类产生深远的影响。,纳米科技,1959,年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德,费曼预言，人类可以用小的机器制做更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。,20,世纪,70,年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，,1974,年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。,1982,年，科学家发明研究纳米的重要工具,扫描隧道显微镜，揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。,1990,年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，并正式创办了,纳米技术,杂志，标志着纳米科学的诞生。,纳米科技发展历程,1991,年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍。,1992,年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国夏威夷、瑞典举行。,1993,年，继,1989,年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、,1990,年美国国际商用机器公司在镍表面用,36,个氙原子排出“,IBM”,之后，中科院物理所操纵原子成功写出“中国”二字。,1997,年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在,20,年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。,1999,年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可称量十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。,纳米科技发展历程,1993,年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、绘出中国轮廓图。,纳米存储器,纳米轴承,纳米齿轮,纳米材料，一般是指尺寸在,1,100nm,间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的,介观系统,。,它具有,表面效应,、,小尺寸效应,和,宏观量子隧道效应，库仑阻塞效应,。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,纳米材料及其性质,表面效应,纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。并随纳米粒子尺寸的减小而急剧增大。表面原子数的增加导致了性质的急剧变化。,这种表面原子数随纳米粒子尺寸减小而急剧增大后引起的性质上的显著变化称为表面效应。,从化学角度来看，表面原子所处的键合状态或键合环境与内部原子有很大的差异，常常处于不饱和状态，导致纳米材料具有极高的表面活性，易与其它原子结合。纳米颗粒表现出来的高催化活性和高反应性。,纳米材料及其性质,粒径在,10 nm,以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到,1nm,时，表面原子数比例达到约,90%,以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面,。,表面效应,纳米金属颗粒可做固体火箭燃料,小尺寸效应,（,1,）特殊的光学性质：,当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，由此可见，金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于,l,，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等。,纳米材料及其性质,吸波：纳米,ZnO,对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。,（,2,）特殊的热学性质：,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于,10,纳米量级时尤为显著。,例如，金的常规熔点为,1064,，当颗粒尺寸减小到,10,纳米尺寸时，则降低,270,；银的常规熔点为,96O,，而超微银颗粒的熔点可低于,100,。,纳米材料及其性质,（,3,）特殊的磁学性质：,人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。,小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为,80,安米，而当颗粒尺寸减小到,20nm,以下时，其矫顽力可增加,1,千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于,6nm,时，其矫顽力反而降低到零，呈现出,超顺磁性,。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,纳米材料及其性质,宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一,-,磁性液体,（,4,）特殊的力学性质：,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。,研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬,3,5,倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。,（,5,）小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。,纳米材料及其性质,纳米碳管既轻又强度极高，是钢的,10100,倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。,纳米铜具,纳米陶瓷,目前唯一可作为太空云梯的理想材料。,宏观量子隧道效应,（,1,）,量子尺寸效应,:,介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒会呈现出反常的特性，称之为量子尺寸效应，如导电金属超微颗粒可以变成绝缘体，光谱线会产生向短波长方向移动；,（,2,）,宏观量子隧道效应：,超微颗粒的一些物理量会显示出隧道效应，称为宏观量子隧道效应，如电路尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法工作。,纳米材料及其性质,库仑阻塞效应,库 仑 阻 塞效应是,20,世纪,80,年代所发现的极其重要的物理现象之一。体系电荷是“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需能量为,Ec=e,2,/2C,。可见,:,体系越小，,C,越小，,Ec,就越大，我们称,Ec,为库仑阻塞能。库仑阻塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输，通常把小体系的这种单电子输运行为称为库仑阻塞效应。,纳米材料及其性质,单电子器件,单电子器件是基于库仑阻塞效应和单电子隧道效应的基本原理，而产生的一种新型的纳米电子器件。单电子器件包括单电子晶体管和电电子存储器。单电子晶体管比较普通，也比较重要。它在未来的微电子学和纳米电子学领域将占重要的地位。,单电子晶体管的特点：（,1,）功耗低，灵敏度高，易于集成等；（,2,）高频高速工作，由于隧穿机制为一高速过程，同时单电子晶体管具有极小的电容，故工作速度非常快；（,3,）功耗非常小，因其运输过程是单电子性 的，所以电流和功耗非常低；（,4,）适用于多值逻 辑，由于单电子晶体管的,I-V,特性为台阶状，不同电压对应多个稳定的电流值，故适宜用作多值逻辑。,纳米材料及其性质,在催化方面的应用,作为光学材料的应用,磁性材料应用,在医学、生物工程方面的应用,复合材料的应用,能源,其他,纳米科技应用,超微粒的表面有效活性中心多，这就为做催化剂提供了基本条件。在高分子聚合物的氢化和脱氧反应中，纳米铜粉催化剂有很高的活性和选择性；在汽车尾气净化处理的过程中，纳米铜粉作为催化剂可以用来部分代替贵金属铂和铑。,催化方面应用,催化方面应用,纳米,TiO,2,：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成,CO,2,和,H,2,O,。,杀菌、除味：由于纳米,ZnO,具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达,95%,以上,催化方面应用,纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高,10,倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。,光学材料应用,光学材料应用,光敏器件：,把光信号转换成电信号，是光电测量中的,一个基本器件。,种类：,光电管、光开光、光电倍增管、光敏电阻、光敏三极,管、太阳能电池、红外线传感器、紫外线传感器、光纤式,光电传感器、色彩传感器、,CCD,和,CMOS,图像传感器等,用途：,检测、自动控制和通信等领域获得了广泛的应用,2001,年，杨培东研究小组利用高晶化质量的,ZnO,纳米阵列制成了室温下的纳米激光器。,光学材料应用,光学材料应用,太阳能电池板只有拇指大小,家庭使用太阳能电池,磁性材料应用,美国前总统克林顿二,000,年七月向国会提交的美国国家纳米技术启动计划,(National Nanotechnology Initiative),其中将电脑硬盘磁头的巨磁电阻读传感器,(GMR Read Sensor),作为纳米科技在信息存储技术中的第一个应用实例,磁性材料应用,GMR,磁头不仅在厚度上，而且在长度上都在,100,纳米以内,磁性材料应用,二十一世纪以来利用模板生长,一维磁性纳米丝的研究很活跃,材料包括单一金属，合金，化合物，多层材料，复合材料等等，应用目标也从存储介质到细胞分离多种多样。,1993,年理论表明纳米级的软磁和硬磁颗粒复合将综合软磁,M,s,高，硬磁,H,c,高的优点获得磁能级比现有最好,NdFeB,高一倍的新 型 纳 米 硬 磁 材 料,磁性材料应用,人类大脑中平均含有,20,微克（约,500,万粒）的磁性纳米粒子。,磁性材料应用,与进化，成长，某些脑功能的关系？,蜜蜂腹部的磁性纳米颗粒，,G,代表磁性颗粒。,对地磁场的准确定位，磁偏角和磁倾角？,医学、生物工程方面应用,美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有,20nm,的药物炸弹和包含了,1000,个纳米药包的微型芯片。,在固定的,DNA,链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的,DNA,时，,DNA,链就与癌细胞的,DNA,结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞。,医学、生物工程方面应用,瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。,用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位,。,果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性,纳米材料在复合材料的制各方面也有广泛的应用。例如把金属的纳米颗粒放入常规陶瓷中可大大改善材料的力学性能，将金属超微粒掺入合成纤维中可防止带静电，在塑料中掺入金属超微粒可不改变其强度而控制其电磁性质等。,超微粒也有可能作为梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷和金属的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达,1000,的航天飞机隔热材料，核聚变反应堆的结构材料等。,复合材料应用,具有特殊浸润性,(,超疏水超亲水,),的二元协同纳米界面材料的构筑,复合材料应用,中国国家大剧院：自清洁玻璃,荷叶出污泥而不染,能源方面应用,碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。,研究表明，约,2/3,的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。,据预测，到,2010,年，就可以生产出氢气汽车，只需携带,1.5,升左右的储氢纳米碳管，即可行驶,500km,。,储氢,能源方面应用,燃料电池应用,燃料电池应用,能源方面应用,其他应用：原子操控,STM,AFM,其他应用：纳米机械,其他应用：场发射平面显示器,场发射器件,Electron emitting material,Electrical contacts,Cathode glass plate,spacer,electrons,Anode glass plate,light,Luminescent,phosphor dots,Electrical contacts,A,场发射显示器,具有适用温度范围宽、重量轻、功耗小、显像方具有高亮度、分辨率高、色再现性好、对比度强、响应速度快、电磁辐射极微等诸多特点，因而,成为未来极具竞争力的显示器技术之一。,其他应用：场发射平面显示器,场发射器件,(,a),(,b),Fan,等人在,N+,型,Si(100),衬底上，采用,Fe,作为催化剂制备了规则的碳纳米管阵列，实验得到了很低的开启电场（电流密度达到,1,mA/cm,2,所需电场为,2.7-3.3,V/,m,）,和较高的电流稳定性。,S.S Fan,et al,Science,283(1999)512,其他应用：场发射平面显示器,场发射器件,在,2007,年,4,月,11,日开幕的日本,“,显示器展,”,上，索尼公司展示了最新的,FED,显示技术，他们使用碳纳米管阵列来发射电子进行显示。展示中的显示器为,19.2,英寸，分辨率,1280960,，亮度,400,cd/m,2,，,对比度高大,20000,：,1,，据称索尼希望在,2009,年实现量产，达到最大,30,寸的,Full HD,支持。,纳米科技带来的负面影响,在,2002,年科学家已经发现，纳米微粒在实验动物的肺里累积，它们被吸收进细胞，或有可能寄附在细菌上进入血液循环，会有什么后果还不清楚。虽然科学家宣布了这个事实，却被主流媒体忽略了。而且，纳米微粒在环境中会发生什么样的互动作用？由于它的微小，它非常容易进入血液循环，或进入现有微粒不能进入的生命组织。而且它可能带有毒性，所以在生物安全方面有很大风险。,纳米科技带来的负面影响,纳米生物效应与安全性,，近来引起了科学界和各国政府的高度重视。,研究发现，与微米颗粒相比，纳米颗粒很容易进入细胞这个维持正常生命过程的基本单元,),。目前没有人能回答这些重要的科学问题，纳米生物效应还几乎是一个未知的领域。科学家们推测，纳米尺度物质对生命过程的影响，有正面的也会有负面的。正面纳米生物效应，将给疾病早期诊断和高效治疗带来新的机遇和新的方法；负面纳米生物效应，称为纳米毒理学，它研究纳米物质对人体健康、生存环境和社会安全等的潜在负面影响。,谢谢！,