纳米技术
纳米技术及其应用
纳米技术及其应用纳米技术是当今科技领域中最为热门的一个领域，它的发展也已经影响到了人类生活的方方面面。
纳米技术的核心是控制和操作物质在纳米级尺度下的特性。
通过针对这一级别的控制，科学家们可以改变物质的电子结构、化学性质和机械特性，产生新的材料、设备和技术，这是传统技术无法匹敌的。
本文将探讨纳米技术及其应用的现状和前景，以及其对未来的影响。
一、纳米技术的概念纳米技术是一种通过针对纳米级物质的组装和加工，对物质的结构和性质进行精确的、可控的、纳米级别的操作的技术。
纳米级物质是指长度、宽度和深度都在1~100纳米之间的物质，它们比人类肉眼能看到的物质要小得多。
纳米技术是一种跨领域的科学技术，它涵盖了物理学、化学、生物学、材料科学、电子学、光学、机械学等领域，因此，在纳米技术的发展过程中，需要多学科的交叉融合。
二、纳米技术的应用1. 材料科学领域由于纳米结构的独特性，纳米材料具有比传统材料更好的性能。
其中，纳米复合材料是一种在实践中被广泛使用的材料，它由不同种类的材料组成，通过纳米级别的控制和加工，使其性能提高到了一个新的水平。
另外，许多纳米材料因其独特的光学、电学、机械性能，在医疗和环境保护等实际应用领域得到了广泛应用。
2. 生物医学领域纳米技术在生物医学领域的应用无疑是最为广泛的。
首先，纳米生物传感器是用于检测和量化生物分子级别信息的工具。
其次，纳米颗粒用于药物输送系统，可以释放出特定区域的药物，并减少药物的副作用。
第三，纳米医学诊断技术可以通过针对生物分子的精确检测，实现早期疾病的预防和治疗。
3. 电子信息领域近年来，纳米技术在电子信息领域上的应用，为电子设备的智能化、小型化、高速化提供了很大的帮助。
例如，纳米尺寸的晶体管已成为一种高度成熟的电子元件，可用于集成电路的制造。
另外，量子点是一种重要的材料，可作为激光器的基础材料，有效提高了激光器的性能。
三、未来发展未来，在纳米技术发展的基础上，科学家们将进一步领先的掌握物质的控制技能，向更多的领域进军。
纳米技术
• 利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利
用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等
仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中，并通过一 定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为 现实。
• 另外，还可利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料 汽车的燃料"储备箱"。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应 研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力 的纳米复合体系来制备红外隐身材料，都是很具有应 用前景的技术开发领域。
用扫描隧道显微镜的针尖 将原子一个个地排列成 汉字，汉字的大小只有 几个纳米。
纳米技术应用
1 、纳米技术在陶瓷领域方面的应用 2 、纳米技术在微电子学上的应用 3 、纳米技术在生物工程上的应用 4 、纳米技术在光电领域的应用 5 、纳米技术在化工领域的应用 6 、纳米技术在医学上的应用 7 、纳米技术在分子组装方面的应用 8、纳米技术在其它方面的应用
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其
优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧
性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等 诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强 腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作 用，具有广阔的应用前景。
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纳米级微电子元件
日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍，
认为：“物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物 质的可能性”，并表示： “我深信不移，当人们能操纵 细微物质的时候，将可获得极其丰富的新的物质的性质。”
费曼对纳米技术的最早梦想，成为一个光
辉的起点，人类开始了对纳米世界的探求。
科学家发现，在纳米的世界里，物质发生了质的飞 跃。比如硅晶体是不发光的，但纳米硅却会发光；陶瓷
纳米抗菌防静电面料
纳米技术的内容
纳米技术的内容纳米技术：未来科技的重要组成部分纳米技术是一种新兴的技术，它是指在纳米尺度下进行材料、器件和系统的设计、制造和应用的技术。
纳米技术的出现，将会对人类社会产生深远的影响，它将成为未来科技的重要组成部分。
纳米技术的应用范围非常广泛，它可以应用于医学、能源、环境、信息、材料等领域。
在医学领域，纳米技术可以用于制造纳米药物，这些药物可以更好地治疗疾病，同时减少副作用。
在能源领域，纳米技术可以用于制造高效的太阳能电池和储能设备，从而实现清洁能源的利用。
在环境领域，纳米技术可以用于制造高效的污水处理设备和空气净化器，从而改善环境质量。
在信息领域，纳米技术可以用于制造高密度的存储器和高速的计算机芯片，从而提高信息处理的效率。
在材料领域，纳米技术可以用于制造高强度、高韧性、高导电性和高导热性的材料，从而改善材料的性能。
纳米技术的发展离不开纳米材料的研究。
纳米材料是指尺寸在纳米级别的材料，它具有独特的物理、化学和生物学性质。
纳米材料的制备方法包括物理法、化学法、生物法等。
其中，化学法是最常用的方法，它可以制备出各种形状和结构的纳米材料。
纳米材料的应用范围非常广泛，它可以应用于电子、光电、生物、医学、环境等领域。
例如，纳米材料可以用于制造高效的光电器件、生物传感器、医用材料等。
纳米技术的发展还面临着一些挑战。
其中，最大的挑战是纳米材料的毒性和环境影响。
由于纳米材料具有独特的物理、化学和生物学性质，它们可能对人体和环境造成潜在的危害。
因此，需要对纳米材料的毒性和环境影响进行深入的研究，以确保纳米技术的安全应用。
纳米技术是未来科技的重要组成部分，它将会对人类社会产生深远的影响。
纳米技术的应用范围非常广泛，它可以应用于医学、能源、环境、信息、材料等领域。
纳米技术的发展还面临着一些挑战，需要进行深入的研究，以确保纳米技术的安全应用。
纳米技术及应用资料
纳米技术及应用资料纳米技术是一门研究和应用纳米尺度范围内的材料、器件和系统的科学与技术。
纳米尺度在1纳米到100纳米之间，纳米技术主要关注和操纵材料的纳米结构和性质，以实现对材料特性、性能和功能的精确控制和改进。
纳米技术的应用非常广泛，涵盖了各个领域。
以下是纳米技术的一些主要应用领域：1. 电子学和电子器件：纳米技术在电子学领域的应用极为重要，例如微电子器件、纳米电子结构等。
纳米技术可以提高电子器件的性能和功能，使得电子设备更小、更快速、更节能。
2. 材料科学：纳米技术可以用来制备和改进各种材料，包括金属、陶瓷、聚合物等。
纳米结构的材料具有特殊的物理、化学和生物性能，可以应用于传感器、催化剂、纳米粒子药物等领域。
3. 药物传递和医学诊断：纳米技术在药物传递和医学诊断领域有广泛的应用。
纳米粒子可以作为药物载体，通过调控纳米粒子的形状、大小、表面性质等，实现药物的快速、定向、可控释放，提高药物的疗效和减少副作用。
此外，纳米技术还可以用于制备和改进医学影像技术，如纳米探针、纳米共振探针等。
4. 能源和环境：纳米技术在能源和环境领域有着广泛的应用。
通过纳米技术可以制备高效的光电材料、催化剂等，用于太阳能电池、燃料电池、水处理等。
此外，纳米技术还可以应用于空气和水污染的治理，例如纳米材料的吸附和催化等作用可以有效地去除有害气体和污染物。
5. 纳米生物技术：纳米技术在生物领域的应用被称为纳米生物技术。
纳米生物技术可以用于生物传感、分子诊断、生物成像、基因治疗等。
通过纳米技术可以制备纳米生物传感器、纳米探针等，实现对生物分子和细胞的高灵敏、高选择性的检测和干预。
纳米技术的应用给人类带来了很多益处，但也存在一些挑战和问题需要解决。
例如，纳米材料对环境和生物体的安全性需要评估和监控；纳米器件的制备和集成技术仍然面临着一些技术难题；纳米尺度下的物理和化学现象仍然不完全理解等。
总之，纳米技术是一门前沿的科学和技术，其应用潜力巨大。
纳米技术
10 nanometers
1 nanometer
第4讲 纳米技术
本节要点
纳米及纳米材料
纳米技术的关键技术
纳米技术的应用
纳米（nano meter, nm）
是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之 一微米。大约是三、四个原子的宽度。
纳米科学（nano-science）
研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异 功能的科学。
◇探测和分析纳米区域的性质和现象
纳米技术的应用
目前，在纳米领域，美国、日本、德国的技术 处于领先地位。我国紧跟其后，处于第二阶梯的前 列。其中，纳米碳管技术处于世界一流水平，比如 大面积定向碳管的合成、超长纳米碳管的制备等。
用纳米碳管建成的地月载人电梯构想图
信 息
1998年，美国首次研制出由磁性纳米棒组成的 “量子磁盘”，每平方英寸可储存20万部红楼梦。
纳米技术的科学意义
◆在宏观和微观的理论完善后，在介观尺度上有许多新现象、
新规律有待发现，充满了原始创新的机会。纳米技术是多学科 交叉融合，不能规为任何一门传统的学科领域，有可能取得创 新性的突破，是新技术发展的源头。 ◆人类认识领域新疆界的开拓。新理论、新发现建立的新观念 将给社会带来观念上的变革。 ◆为可持续发展理论提供物质与技术保证。 产品的微型化、 高性能化和与环境友好化将大大节约资源和能源，促进生态环
境的改变。
纳米技术的研究领域
纳米材料
纳米动力学
纳米生物学和纳米药物学
纳米电子学
纳米技术前景的展望
材料和制备 微电子和计算机技术 环境和能源 医学与健康
生物技术
航空航天
国家安全
材料和制备
在纳米尺度上通过精确控制尺寸和成分来合成材 料单元，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有 长寿命和低维修费用的特点。
纳米技术应用的例子
纳米技术应用的例子
1.医疗:纳米技术可以用于制造超细的药物输送系统,以此精确地送药
到目标组织,从而减少对身体的伤害。
同时,纳米机器人可以扫描、诊断、
治疗疾病,比如癌症和心血管疾病。
2.能源:纳米技术可以提高太阳能电池的效率,同时也可以制造更有效
的电池和超级电容器,以提供可持续的清洁能源。
3.环保:纳米技术可以帮助在环境污染物治理方面发挥作用。
比如，
纳米光触媒可以在光照下分解有害气体，比如甲醛、苯等，从而净化空气。
4.信息技术:纳米技术可以应用于制造高密度的储存设备、更快的计
算机芯片，并且可以帮助制造更高品质的显示器和光学设备。
5.食品:纳米技术可以用于制造更好的包装材料和可重复使用的食品
容器，也可以增加食品的营养和质量。
6.汽车:纳米技术可以用于制造更轻、更强、更节能的汽车材料，比
如者碳纳米管强化的复合材料，能够提高燃油利用率和减少碳排放。
7.纺织品:纳米技术可以用于生产具有防臭、防污、防抗菌等功能的
服装、床上用品和其他纺织品。
总之，纳米技术在许多领域都有广泛的应用，从改善医疗保健到环境
净化、改善能源效率，都有其独特的优势。
纳米技术的未来趋势
纳米技术的未来趋势
纳米技术的未来趋势包括：
1. 生物医学：纳米技术可以用于诊断和治疗各种疾病，包括癌症、心血管疾病等。
纳米颗粒作为药物载体，可以增强药物的疗效，并减少副作用。
2. 能源：纳米技术可以用于生产更高效的太阳能电池和燃料电池，帮助减少对非可再生能源的依赖。
3. 材料科学：纳米技术可以制造更轻、更坚硬、更耐用、更灵活、更透明的材料，并且可以在纳米层面控制材料的性质，制造出具有特定功能的材料。
4. 电子学：纳米技术可以帮助制造更小、更快的计算机芯片和电子器件，降低能源消耗，提高器件的性能和可靠性。
5. 环境科学：纳米技术可以用于制造和改进环境友好型产品，如零排放车辆、可降解材料等，减少对环境的污染。
6. 安全与国防：纳米技术可以制造更先进、更智能的军事设备和武器系统，提高军事作战能力，并有助于保护国家安全。
总之，纳米技术将在各个领域发挥重要作用，并改变我们的生活和工作方式。
纳米技术的使用方法和流程
纳米技术的使用方法和流程纳米技术是一种涉及微观尺度的科学和工程领域，利用这项技术可以创造出新材料和新器件，具有广泛的应用前景。
本文将介绍纳米技术的使用方法和流程，帮助读者更好地了解并应用这项前沿技术。
1. 纳米技术概述纳米技术是指在纳米尺度（约为1-100纳米）上进行研究和应用的技术。
在这个尺度上，物质的性能和特性会发生显著的变化，开启了获取新材料和新功能的可能性。
纳米技术应用于医学、材料科学、能源、电子等领域，具有重要的科学和经济价值。
2. 纳米材料的制备纳米材料的制备是使用纳米技术的第一步。
目前常用的纳米材料制备方法包括物理法、化学法和生物法。
- 物理法：包括气相沉积、溅射、蒸发、激光烧结等。
这些方法通过物理手段，如热蒸发、离子辐照等，从原材料中获取纳米尺度的颗粒。
- 化学法：包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、化学沉淀法等。
这些方法通过物质在溶液中的化学反应，生成具有纳米尺度的颗粒。
- 生物法：利用生物体或其代谢产物来合成纳米材料。
生物法制备的纳米材料具有可持续发展和环境友好的特点。
3. 纳米器件的制备纳米技术也可以用于制备微小的器件和系统。
常见的纳米器件包括纳米电子器件、纳米光学器件和纳米机械器件。
制备纳米器件的主要步骤包括设计、制作、组装和测试。
- 设计：根据实际需求和功能要求，设计纳米器件的结构和参数。
这需要考虑物理、化学、材料等方面的因素。
- 制作：利用纳米加工技术，将设备设计图案转化为实际器件。
常用的纳米制造技术包括电子束光刻、扫描探针显微镜等。
- 组装：将制作好的纳米器件组件进行组装，形成完整的纳米系统。
这一步骤通常需要高精度的手工操作或者自动化设备来完成。
- 测试：对组装好的纳米器件进行性能测试和功能验证，确保其满足预期要求。
4. 纳米技术的应用纳米技术的应用可谓广泛，下面列举一些典型的应用领域。
- 医学应用：纳米技术在医学诊断、治疗和制药等方面具有巨大潜力。
如利用纳米颗粒进行传感和成像、使用纳米药物进行靶向治疗等。
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Tracer！
量子点 （无机纳米粒子） 荧光染料 （有机小分子） 荧光蛋白 （蛋白质）
细 胞 标 记
活 体 标 记
能量共振转移（FRET）
Fluorescence Resonance Energy Transfer
磁性纳米颗粒——在生物分离中的应用
碳纳米材料——富勒烯
Fullerene （1996 Nobel Prize）
纳米生物技术 Nano-Biotechnology
生活中的纳米技术
1000多年前，利用燃烧蜡烛的烟雾 制成炭黑的原料以及用于着色的染料 古代铜镜，采用“水银渗”的工艺，由纳米颗粒 氧化锡（SnO2）构成的一层薄膜，历经千年而光亮如新。
生活中的纳米技术
棉-马海毛-腈纶-羊毛-羊绒-羽绒-莫代尔-纳米纤维 荷叶自清洁效应/纳米超疏水材料——？ 纳米银杀菌——？
纳米材料的制备
Top-down
Bottom-up
金纳米颗粒的制备——溶胶凝胶法
柠檬酸三钠还原法 合成金纳米颗粒
2HAuCl4 + 3C6H8O7 = 2Au + 3C5H6O5 + 8HCl + 3CO2
静电纺丝技术
静电纺丝(Electrospinning)就是高分子流体静电雾化的 特殊形式，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴， 而是聚合物微小射流，可以运行相当长的距离， 最终固化成纤维。
纳米材料的性质——小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒 性质的质变。由于颗粒尺寸变小，其表面原子密 度减小，晶体周期性的边界条件被破坏，从而导 致声、光、电、磁、热、力学等宏观物理性质的 变化称为小尺寸效应。
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1%，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。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在 外力下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性， 使纳米材料具有新奇的力学性质。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。
脂质体——在药物运输中的作用
脂质当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时， 分子的疏水尾部倾向于聚集在一起，避开水相， 而亲水头部暴露在水相，形成具有双分子层结构的封闭囊泡， 称为脂质体。
各种形态的纳米材料
纳米粒子
பைடு நூலகம்纳米线
纳米带
纳米管
纳米膜
纳米固体材料
花粉是纳米级的粒子 病毒也是纳米级的,30-100 nm
化学气相沉积技术
化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)： 反应物质在气态条件下发生化学反应， 生成固态物质沉积在加热的固态基体表面， 进而制得固体材料的工艺技术。
纳米材料的生物学应用
金纳米颗粒——在生化分析中的应用
Mirkin, C.A., et. al., Nature, 1996, 382, 607.
碳纳米材料——碳纳米管
Carbon nanotubes
1991年，日本NEC公司基础研究实验室的 电子显微镜专家饭岛(Iijima) 在高分辨透射电子显微镜下 检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时， 意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子 ——碳纳米管（Carbon nanotubes）。
碳纳米材料——石墨烯
生命科学新技术
朱小立
生命科学大楼608室 66135167 xiaolizhu@
课程安排
朱小立 朱小立 朱小立 张文举 韦嘉励 纳米及微表征技术 光谱分析技术 分离分析技术 核酸扩增技术 高通量测序技术
通用 研究 技术
核酸 研究 技术
王娇
基因工程相关技术
蛋白质研究技术
蛋白质研 高娟 究技术
单根纳米线
纳米线阵列
Melechko A. V., etc, J. Appl. Phys., 2005, 97, 041301.
Kim W., etc, J. Am. Chem. Soc., 2007, 129, 7228.
10-6 m
nm
？
10-9 m
其他一些长度单位
？
1 nm = 10 Å
为什么纳米如此引人注目
？
氯金酸 (HAuCl4) 纳米金 金块 (Au0)
金 纳 米 簇
金 纳 米 颗 粒
纳米概念的提出与发展
查理德· 费曼(Richard P Feynman)在1959年的一 次演讲中这样说： 如果人类能够在原子分子的尺度上来加工材料， 制备装置，我们将有许多激动人心的发现。我们 需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测定其 性质。那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地 准确放置原子的问题。 他预言当2000年人们回顾历史的时候，他们会为 直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。
纳米材料的性质——表面效应
纳米颗粒的比表面积（表面积／体积）与直径成是成反比 的。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，因而 表面原子所占的百分数将会显著地增加。
假如原子间距为3 Å，表面原子仅占一层，粗略地估算表面 原子所占的百分数见下表。
直径（nm）
表面原子百 分比（%）
1
99
2
80
4
40
10
纳米二氧化钛吸收紫外线——？
纳米胶囊——？
They are also called
Nano
什么是纳米？
纳米是一个长度单位！
地球平均直径 km 12742千米
标准跑道内圈 上海年均降水量 m mm 1042.6毫米 周长400米
103 m
100 m
10-3 m
成人头发直径约 真核细胞的直径在 线粒体的直径约 μm 70微米 10~100微米之间 0.5~1微米
Li, H., Rothberg, L., PNAS, 2004, 101, 14036.
Zhu, X., et. al., Biosens. Bioelectron., 2010, 25, 2135-2139.
Zhu, X., et. al., Chem. Euro. J., 2010, 16, 1441-1444.
1985年，美国科学家克罗托（H.W.K.kroto)等 用质谱仪得到C60的质谱图。 由于受建筑学家布克米尼斯持•富勒（Buckminster Fuller） 设计的球形薄壳建筑结构的启发， kroto等提出C60是由60个碳原子构成的球形32面体， 即由12个五边形和20个六边形构成。其中五边形彼此不相连， 只与六边形相连。随后将C60分子命名为富勒烯（Fullerene ）。
纳米概念的提出与发展
正如显微镜的制作推动了细胞生物学的发展 纳米技术的发展也需要一双“火眼金睛” ——微表征技术
扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）、透 射电子显微镜、扫描电子显微镜等
应用纳米 制备纳米
看到纳米
提出纳米
纳米材料的概念
纳米材料是指在三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围(1-100nm) 或由它们作为基本单元构成的材料。
Graphene （2010 Nobel Prize）
2004年，英国的两位科学家安德烈· 杰姆和克斯特亚· 诺沃塞洛夫 发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。 他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面 粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。 不断地这样操作，于是薄片越来越薄， 最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
Li, H., et. al., Angew. Chem. Int. Edit., 2005, 44, 5100-5103.
Lehui Lu, et al., JACS, 2009, 131, 9496.
1 mM
0
金纳米簇加入不同浓度的过氧化氢
量子点——在荧光标记中的应用
Cd/Pb/Zn---S/Se/Te
20
100
2
纳米材料的性质——量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近 的电子能级由连续变为离散能级的现象和纳米半 导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最 低未被占据的分子轨道能级、能隙变宽现象均称 为量子尺寸效应。
直径小于20 nm的银颗粒在低于1 K的温度下，其能级发 生裂分，从而导致纳米银颗粒由电子良导体变为绝缘体 。 由于半导体纳米晶体禁带宽度较大，因此与导体、绝缘体和 范德华晶体相比，量子尺寸效应在纳米半导体颗粒上尤其突出， 这表现在半导体颗粒在纳米级别时，会有特殊的光电效应产生。
纳米材料的形态
三维（3D）纳米材料？
纳米材料的形态
纳米材料的分类
形状
材质 无机纳米材料
金属 碳 金属氧化物
性能
纳米颗粒 纳米线 纳米管 纳米孔 ……
磁性纳米 量子点
纳米半导体 ……
…… 有机纳米材料
纳米材料的性质
由于纳米材料的尺度处在原子簇和宏观物体 交界的过渡区域，从通常的微观和宏观观 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，是一种介观系统。同 宏观材料相比，纳米材料的电、磁、热、 密度、熔点等基本物理性能以及力学性能 显示出奇异的特性。