自然科学概论_技术篇_

自然科学概论 技术

第一章一、简介 1纳米是什么?

纳米和纳米技术

纳米是一个长度单位 2、纳米技术

1nm=10-9m

在纳米尺度(0.1纳米到100纳米)的范围内研究物 质所具有的特异现象和特异功能，通过直接操纵和 安排原子、分子的手段来创造新物质材料的技术。

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3、纳米技术概论的提出 1959年，美国著名物 理学家、诺贝尔奖获得者 费曼作了题为《底部还有 很大空间》的演讲，其中 指到人类以后将根据自己 的意愿，逐个地排列原子， 制造产品。这被公认为是 纳米技术思想的来源。

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4. 纳米技术的实现 1)扫描隧道显微镜(STM)的发明，才使纳米技术真 正成为一门科学技术。 1981年，美国IBM公司在瑞 士苏黎世实验室工作的科学 家宾尼和罗雷尔发明了一种 新式显微镜，“扫描隧道显 微镜 (Scanning Tunneling 罗雷尔博士 Microscope) ”简称STM 。 宾尼博士 获得 1986 年诺贝 尔物理奖。 扫描隧道显微镜是研究 微观世界的眼和手.3

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2)扫描隧道显微镜工作原理简介 (1)势垒 在两块导电物体之间夹一层绝缘体，则在两个导体 之间加上一定的电压时，通常不会有电流从一个导 体穿过绝缘层流向另一导体的。 两个导体之 间存在着势 垒，像隔着 一座山一样

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(2)隧道效应假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米，由于电子在空间 的运动呈现波动性，根据量子力学的计算，电子将穿过而 不是越过这层势垒，从而形成电流。如同在山腰部打通了 一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象称为隧道效应。

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(3)STM的工作原理 将针尖和样品表面作为两个电极，当其间距离足够 小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘 层，形成 “隧道电流”。 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通 过隧道电流获取图像。STM工作方式 恒电流扫描 恒高度扫描 视频：扫描隧道显微镜

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3)用扫描隧道显微镜“刻痕”或移动原子来得到的一 些图片 1990年4月，美国IBM公司的两位 科学家使用扫描探针将35个氙(Xe )原子在镍(Ni)表面上移动排列 出5纳米高的“IBM”的构图。 移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。

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1993年美国科学家在低 温下，用STM针尖将48 个铁原子排成一个圆环， 并且直接观察到了电子 驻波的图形 。

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铁 原 子 的 移 动 过 程9

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1991年2月IBM公司用STM针尖移动吸 附在金属铂表面的一氧化碳分子， 描绘出“一氧化碳人”,其身高为5 纳米。

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我国的纳米先锋中科院纳米科技项目 首席科学家白春礼院士

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中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面 通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图。

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中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜

,在石墨晶 体表面刻写出一幅中国地图，并写出“中国”两个 字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。

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中科院北京真空物理实验室的科研人员通过 STM在硅单晶表面上直接提取硅原子，形成平 均宽度为2纳米(3至4个硅原子)的线条。

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二、纳米材料 1、纳米材料(纳米级结构材料) 是指其结构单元(纳米粒子)的尺寸介于0.1纳米~ 100纳米范围之间。 2、纳米材料的奇异特性

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莲花、荷花的叶子表面的自我洁净 荷花因具有“出污泥而不染”的特性 叶子表面的结构与 粗糙度为微米至纳 米尺寸的大小。当远大于该结构的灰 尘、雨水等降落在叶 面上时，只能和叶面 上凸状物形成点的接 触。液滴在自身的表 面张力作用下形成球 状，在滚动中吸附灰 尘，并滚出叶面。16

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鹅毛和鸭毛的排 列非常整齐，毛 与毛之间的隙缝 小到纳米尺寸， 所以水分子无法 穿透层层的鹅毛 和鸭毛。鹅与鸭 得以在水中保持 身体的干燥。这 种结构还极其通 气。17

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不用洗涤剂的纳米服装 2002年，一批高科技服装面料从实验室走上 了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用 做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新

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具有易洁纳米涂层的陶瓷

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摔不碎的纳米陶瓷

纳米陶瓷

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强度比常规铜高5倍纳米铜

纳米铜

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