第一章 纳米材料基本概念

特异性能的挖掘, 复合材料的 设计: 0-0, 0-2, 0-3复合材料 (1990-1994)
Nanostructured assembling, Patterning materials 有序阵列, 超结构, 材料的合理剪裁…... (1994- )
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广阔的应用前景





电子计算机和微电子工业: 纳米存储器芯片, “掌上电 脑”。 环境保护环境科学领域: 功能独特的纳米膜, 纳米传感 器可探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对 这些制剂进行过滤，从而消除污染. 材料领域: 纳米陶瓷刚柔并济，有一定的塑性，高硬 度和耐高温，使发动机在更高的温度下工作。 医药领域: 把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性 纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体 组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中 到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大。 日常生活: 自清洁玻璃; 杀菌、防霉、除臭和抗紫外线 辐射的内衣和服装; 抗紫外线辐射的功能纤维。
分子以上层次的化学
化学传统的研究层次:一向限定在分子与原 子之间的层次。 表面化学和胶体化学早就提示分子以上还 有一个新世界,化学没有理会。 纳米材料给化学的启示: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 分子怎样组装成为一个趋势。
化学为纳米材料创造了丰富的 研究对象
Photocurrent spectra
Alivisatos et al., Science 2002, 295, 2425
第一章 纳米材料的基本概念

纳米科技的基本概念及内涵 纳米结构的基本单元
纳米微粒的基本理论


1.1 纳米科技的基本概念及内涵
纳米: 尺寸或大小的度量单位
千米→米→厘米→毫米→微米→纳米（ 10-9 m） 万分之一头发丝粗
20
15
3032 2022 0.6 0.8 0.5 0.6
结深 / nm
42 70
25 43
20 33
16 26
11 19
8 13
可见集成度越来越高，器件加工工艺尺寸要求越 来越少。由于量子隧穿效应，特征尺寸在50nm 以下的器件已经难以工作。所以美国半导体工业 协会明确提出：如果这个工业要继续为美国提供 强的经济增长，则要求得到政府对纳米技术的持 续支持。人类对自身起源的探索以及对自身健康 的需要也是纳米科技发展的驱动力。分子生物学 就是在这样基础上发展起来的。生物学要求对单 个分子行为进行观测和分析，特别是要阐明DNA 的工作原理和基因表达。以DNA为基础的纳米结 构有可能在生物、医药等方面有着很好的应用前 景。如：已报道的DNA发动机的研制成功。由于 DNA发动机可以自组装，因而人们期待在试管中
混合分子元件和其它元件制造出纳米机电系统；能进行 自我复制的纳米机器人有可能进入人体完成清理血管的 任务。 纳米科学技术是基于纳米尺度的物理、化学、生物 学、材料、制造、信息、环境、能源等多学科构成的一 个新兴的学科交叉体系。其内涵极其丰富，包括理、工、 人文学科的交叉，甚至设计法律、社会伦理道德。纳米 科技是涉及基本原理、关键技术和广泛应用的科学技术 体系；大致可划分为基础、技术和应用三个层次。纳米 科技主要包括：(1)纳米材料学；(2)纳米化学；(3)纳米体 系物理学；(4)纳米生物学；(5)纳米电子学；(6)纳米力学； (7)纳米加工学。 培养适应纳米科技挑战性的各种人才是纳米科技发 展规律的关键。
何谓纳米科技 (Nano-ST) ?
纳米科学技术: 研究在千万分之一米 (10-7m)到十 亿分之一米(10-9m)内，原子、分子和其它类型物 质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内 对原子、分子进行操纵和加工又被称为“纳米技 术”
0.1-100 nm 纳米科技是一个高度交叉的学科，不仅包括物理， 化学，生物学和电子学在内的观测，分析研究为 主线的基础学科，同时还有以纳米材料学和纳米 工程技术，纳米机械等技术性学科。
Nie et al.,Science 1998, 281, 2016 Han et al., Nature Biotech. 2001,19, 631
Alivisatos et al.,Science 1998, 281, 2013
Mouse-cell nuclei coated with 2-nm quantum dots with urea and acetate groups
在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先 进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求， 元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输 等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备 及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创 新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来 10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略 研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳 米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、 对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也 是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。
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美国纳米官方网站
纳米网上教材 /nano/
材料科学
物理学
纳米科学
化学
信息科学
生物学
纳米材料与化学的关系
纳米材料为化学研究 开辟了一个新的层次 化学为纳米材料创造 了丰富的研究对象
表1 硅基集成电路尺寸变化
年份
特征尺 寸 / nm
1999
180
2002
130
2005
100
2008
70
2011
50
2014
35
表面起 伏 / nm
栅长度 / nm 等效氧 化层厚 度 / nm
65
140 1.9 2.5
45
85 90 1.5 1.9
35
65 1.0 1.5
25
45 0.8 1.2
１９５９年，诺贝尔奖获得者、理论物理学家—理查得· 费 因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》 的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从 上而下(top-down Manufacturing)”的，他提出：为什么我们不 可以从单个分子、甚至原子开始出发进行组装 (bottom-up manufacturing) ，达到我们的要求？……物理学的规律不排除 一个原子一个原子制造物品的可能。”
Moore定律 top-down
纳米科技的提出和发展有着强烈的社会发展需 求的背景。首先来自微电子产业。硅基半导体 工业飞速发展，按人们称之为Moore（Intel公 司创始人Goldon Moore)定律的预测，芯片上晶 体管数量每18个月将会增加一倍。过去20年的 实践证明了它的正确性。如第一代芯片中只有 64个晶体管，而今奔腾IV处理器中，晶体管为 4200个。以Moore定律估计未来10~15年硅基微 电子领域的发展趋势见下表：
3-aminopropyltriethoxysilane
Lieber et al., Science 2001, 293, 1289
Applications in Biology: Quantom dots meet biomolecules
Latex breads with spectral fingerprints” of dots
近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人 注目的成就。例如，存储密度达到每平方 英寸400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、 成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列 激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构 太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道 轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问 世，充分显示了它在国民经济新型支柱产 业和高技术领域应用的巨大潜力。

纳米（nm） 实际上是一种长度单位， 1 纳米仅等于十 亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于 6 万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可 以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料 呈现出极强的活跃性。科学家们说，纳米这个 “小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被 视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计 算机技术更深刻、更广泛、更持久。 1m=1000mm 1mm=1000μm 1μm=1000nm
Nanosensors
Boron-doped SiNWS were used to create highly sensitive, real time electrically based sensors for biological and chemical species. Amine- and oxide-functionalized SiNWs exhibit pH-dependent conductance that was linear over a large dynamic range and could be understood in terms of the change in surface charge during protonation and deprotonation.
纳米科技的提出和費曼预言
纳米科技的提出可以追溯到1959年，诺贝 尔物理奖得主在美国加州理工学院发表了 一篇演讲，题目是：There is a plenty of rooms at bottom。他提出“为什么我们不 能将24卷大英百科全书写到一个针尖上 去呢？”并肯定地回答了这个问题。
纳米材料与化学
课 程 内 容
1. 纳米材料的基本概念 2. 纳米颗粒的物理化学特性 3. 纳米颗粒及结构材料的表征方法 4. 纳米材料的制备技术与进展 5. 纳米材料的水热合成和溶剂热合成 6. 纳米材料的形貌控制 7. 纳米管 (Nanotubes) 8. 纳米结构自组装
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