走进神奇的纳米世界

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1、走进“神奇”的纳米世界材料物理引言石少波目录一、什么是纳米二、纳米科技的诞生三、纳米材料的特性四、纳米材料的制备五、纳米材料的应用一、什么是纳米纳米其本身是一个长度单位，即l米的十亿分之一(10-9米)。（一米的千分之一是一毫米，一毫米的千分之一是一微米，一微米的千分之一是一纳米。）纳米尺度的图片概念想象一下纳米有多大？纳米技术中的“纳”(nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。作为一个前缀，“纳”在科学上意味着某单位的十亿分之一。l纳米大概是l0个氢原子紧密排列的长度，比人的头发的宽度要小几万倍。形象

2、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。任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑色；它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉二、纳米科技诞生1905年春天，爱因斯坦(A.Einstein)写信给他的同事康拉法·哈比希特，透露自己在这一年中将做4项工作，其一是要测量出分子的真正大小。在4月30日提交的博士论文中，他设计了一种新的测量分子大小的方法，

3、估计出一个糖分子的直径约为1纳米，首次将纳米与分子大小挂上钩，并证明了分子的存在。这是20世纪初物理学界十分关注的问题之一。爱因斯坦在该博士论文中设计了一种利用阿伏伽德罗常数来测量分子大小的方法。当爱因斯坦将这篇论文交给他的导师苏黎世大学的阿佛雷德·克莱纳教授时，这位教授因为论文过短而拒绝接受，爱因斯坦只好加了些段落，论文才得以通过。二、纳米科技诞生1959年，著名物理学家理查德·费曼（RichardPhillipsFeynman）设想：有一天如果能按自己的愿望任意摆布原子的排列，人类就将成为真正意义上的“造物主”。这是关于纳米技术

4、最早的梦想。“我愿意出资1000美元，奖励第一个把一本书中的信息缩小到书页两万五千分之一面积内的人。”“我愿意再出资1000美元，奖励第一个制造出能够从外部控制，线度只有六十四分之一英吋的电动机械的人”。费曼可能有点低估了人类搞发明创造的积极性，便出了后来的笑话：就在他提供1000美元奖金的几个月后，加州理工学院的物理学家威廉•麦克莱伦经过两个半月午饭时间的努力，就利用一架显微镜，牙签和一台钟表匠使用的车床，制成了边长还不到六十四分之一英吋的能发动的电动机。费曼兑现了自己的诺言，不过他立刻陷入了家庭“经济危机”。因为他在六年之后才得

5、诺贝尔奖，给麦克莱伦发奖之后，已身无分文。当时费曼刚和第三任妻子温妮丝结婚不久，有了孩子卡尔和米雪，又买了房子，所有的家庭开销全指望他那份教授工资呢。焦急之中，他劝那些想获得第二份费曼奖金的发明者：“悠着点！干慢点！松把劲！”其实他大可不必如此焦急。直到1985年11月斯坦福大学电子工程系的研究生汤姆•纽曼才解决了第二个问题，他用五百万分之一英吋的电子束作字母，将英国大文豪狄更斯的名著《双城记》的第一页缩写在两万五千分之一的书页面积上。在纽曼获得第二份费曼奖金1000美元后两年三个月，费曼因患癌症辞世。1974年，科学家唐尼古奇最早

6、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（STM），使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。扫描隧道显微镜STM针尖这种对于两个导体间距十分敏感的效应可能成为显微镜成像的原理答案是肯定的。关键的一点是他们把一个平板导体替换为一个很尖的导电针尖，再让这个针尖对另一个平板导体（样品）作两维扫描（图1.5.3）瑞士苏黎世的IBM实验室内，德国博士生宾尼（Binnig）在罗雷尔(Rohrer)教授的指导下，正在做博士论文研究导

7、体间的电子隧道效应问题。带偏压(电压差)的两个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的（图1.5.1），可是当这两个导电平板靠得很近，相隔小于1个纳米时，即使不接触，也会产生电流，电子尤如“崂山道士”穿“墙”而过，故而称作隧道电流。并且这种隧道电流是随着间距的减少而指数上升的（见图1.5.2）。这种现象就是量子力学中的隧道效应。采用纳米刻蚀写成的图案“NANO1”（图案中NANO代表纳米，“NANO1”代表第一届国际纳米科技会议）1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，日

8、本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的1／6，强度却是钢的100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。1990年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用3