纳米技术简介及应用.doc

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1、纳米技术纳米科技是20世纪80年代末刚刚诞生，并正在飞速崛起的专门研究1－100纳米之间原子、分子物质层次的结构、组成和特殊规律性能的高科技；它的最高境界是直接操纵原子、分子来构建具有特定功能的纳米结构、纳米材料和纳米器件；是一门多学科交叉和综合的高新科技。纳米技术的三个特征是：1、它们必须至少有一个维有1纳米到100纳米的尺度。2、它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质。3、它们能够组合起来形成更大的结构且具有优异的电气、化学、机械与光学性能。纳米机器人

2、纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新现象，研制可编程的分子机器人，也称纳米机器人。目前涉及的内容可归纳为以下三个方面：　①在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的联系。②在纳米尺度上获得生命信息，例如，利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞表面的结构信息等。③纳米机器人的研制。纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容，第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，这种纳米机器人可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去

3、有害的ＤＮＡ，或把正常的ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式。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准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。早在20世纪60年代，久保（Kubo）采用一电子模型求得金属

4、纳米晶粒的能级间距δ为：式中：Ef为费米势能，N为粒子中的总电子数。该式指出能级的平均间距与组成粒子中的自由电子总数成反比。能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物质包含无限个原子（即导电电子数N→∞），由上式可得能级间距δ→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米粒子，所包含原子数有限，N值很小，这就导致δ有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能

5、、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。同时处于分立的量子化能级中的电子的波动性给纳米粒子带来一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性、强氧化性和还原性等。小尺寸效应当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著

6、增加，并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；声子谱发生变化。人们曾用高倍显微镜对纳米金颗粒（2nm）的结构非稳定性进行观察，实时地记录颗粒形态在观察中的变化，发现颗粒形态可以在单晶与多晶、孪晶之间进行连续地变化，这与通常的熔化相变不同，并提出了准熔化相的概念。纳米粒子的小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺度的强磁性颗粒（Fe－Co合金，氧化铁等），当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体，广泛地应用

7、于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。纳米粒子的熔点可远低于块状金属，例如2nm金颗粒熔点为600K，远远低于块状金的1337K；纳米银粒子熔点可降低到373K，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收材料，应用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。表面效应表面效应是指纳米颗粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后引起的性质上的变化。纳米粒子尺寸小，表面能高，表面原子占相当大的比例。下表表列出纳米粒子尺寸

8、与表面原子数的关系，可以看出随着粒径的减小表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。Cu纳米粒子粒径从100nm→10nm→1nm，其比表面积和表面能增加了2个数量级。由于表面原子数增多，原子配位不