納米科學與納米技術內容簡介

《納米科學與納米技術》是由印度金屬學會組織編撰，由美國CRC出版社和大學出版社（東方黑天鵝協(xié)會）共同出版并在海外銷售的教材?！都{米科學與納米技術》作為“冶金與材料科學”叢《納米科學與納米技術》的一本，擁有大量的讀者?！都{米科學與納米技術》主要介紹納米科學及其在工程中的應用。在強調納米技術在科研和應用探索中的優(yōu)越性外，也提出它可能對環(huán)境和生態(tài)帶來的影響。本書主要介紹了納米科學的各方面及其在工程中的應用。在強調納米技術在應用探索中的優(yōu)越性外，同時也提出了它可能對環(huán)境和生態(tài)帶來的相關影響。第1章帶領讀者進入納米世界，介紹納米材料的歷史和發(fā)展、特點、應用以及該領域面臨的挑戰(zhàn)與未來展望；第2章列出了納米材料的獨特性能，包括納米材料的微結構和缺陷、尺寸效應等；第3章簡要討論了自下而上和自上而下的合成方法；第4章重點闡述了納米材料從醫(yī)學到電子領域的應用；第5章簡要地描述了表征納米材料的各種工具；第6章針對最廣泛研究的納米結構進行了闡釋，如量子點、碳納米管、富勒烯、石墨烯、納米線等；第7章講述了納米材料可能對健康造成的危害。

納米科學與納米技術第1章納米材料的大千世界

1.1歷史與范圍

1.1.1納米材料并非新產物

1.1.2納米技術的早期應用：納米金

1.1.3納米科學與納米技術方面的出版物

1.2小物質能有大不同嗎

1.3納米結構材料的分類

1.4令人驚嘆的納米結構

1.5納米材料的應用

1.6自然：最好的納米科學家

1.7挑戰(zhàn)與未來展望

納米科學與納米技術第2章納米材料的獨特性能

2.1納米晶體材料中的微結構和缺陷

2.1.1層錯

2.1.2孿晶、堆垛缺陷和空隙

2.1.3晶界、三結和旋轉位移

2.2材料的納米尺寸效應

2.2.1彈性性能

2.2.2熔點

2.2.3擴散率

2.2.4晶粒生長特性

2.2.5固體溶解度的增大

2.2.6磁性能

2.2.7電學性能

2.2.8光學性能

2.2.9熱學性能

2.2.10機械性能

納米科學與納米技術第3章合成路線

3.1“自下而上”法

3.1.1物理氣相沉積

3.1.2化學氣相沉積

3.1.3噴霧轉換處理

3.1.4溶膠—凝膠法

3.1.5濕化學合成法

3.1.6自組裝

3.2“自上而下”的方法

3.2.1機械合金化

3.2.2等通道轉角擠壓法

3.2.3高壓扭轉

3.2.4累積疊軋焊

3.2.5納米光刻

3.2.6蘸筆納米光刻技術

3.3納米粉末的固結成形

3.3.1沖擊波固結成形

3.3.2熱等靜壓成型和冷等靜壓成型

3.3.3放電等離子燒結

納米科學與納米技術第4章納米材料的應用

4.1納米電子學

4.1.1半導體器件原理

4.1.2MOSFET

4.1.3固態(tài)量子效應器件

4.1.4混合微納米電子RTT

4.1.5分子電子器件

4.1.6新型光電器件

4.2MEMS和NEMS

4.3納米傳感器

4.3.1碳納米管傳感器

4.3.2納米線傳感器

4.3.3聚合物納米纖維和納米復合物

4.3.4納米粒子

4.3.5等離子基納米探針

4.3.6光學納米傳感器

4.3.7半導體量子干擾器件磁性納米傳感器

4.3.8生物傳感器

4.3.9基于微懸臂梁的傳感器

4.3.10電子鼻

4.3.11電子舌

4.4納米催化劑

4.4.1黃金納米粒子

4.4.2磁性納米粒子

4.4.3其他納米催化劑

4.5食品工業(yè)和農產品業(yè)

4.6化妝品和消費品

4.6.1防曬霜

4.6.2個人護理產品

4.6.3抗衰老產品

4.6.4其他用途

4.7結構與工程

4.8汽車行業(yè)

4.9水處理與環(huán)境

4.10納米醫(yī)學應用

4.11紡織品

4.12涂料

4.13能源

4.14防御和空間應用

4.15結構應用

納米科學與納米技術第5章納米材料的表征手段

5.1XRD

5.2小角X射線散射

5.3SEM

5.3.1電子—物質的相互作用

5.3.2成像

5.4TEM

5.4.1先進的TEM技術

5.4.2利用TEM定量分析

5.4.3TEM的功能

5.4.4TEM的制樣

5.5AFM

5.5.1AFM和其他成像技術的對比

5.5.2AFM的常見模式

5.6STM

5.6.1操作模式

5.6.2STM的構造

5.7場離子顯微鏡

5.8三維原子探針

5.9納米壓痕

納米科學與納米技術第6章納米技術的關注與挑戰(zhàn)

詞匯表

索引 2100433B

納米科學技術科學領域

納米技術已成功用于許多領域，包括醫(yī)學、藥學、化學及生物檢測、制造業(yè)、光學以及國防等等。本詞條為納米技術應用的總綱，包括如下領域：

1、納米技術在新材料中的應用

2、納米技術在微電子、電力等領域中的應用

3、納米技術在制造業(yè)中的應用

4、納米技術在生物、醫(yī)藥學中的應用

5、納米技術在化學、環(huán)境監(jiān)測中的應用

6、納米技術在能源、交通等領域的應用

7、納米技術在農業(yè)中的應用

8、 納米技術在日常生活中的應用

納米科學技術日常生活

衣 在紡織和化纖制品中添納米微粒，可以除味殺菌?；w布挺括結實，但有煩人的靜電現象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現象。

食 利用納米材料，冰箱可以抗菌。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，完全達到飲用標準，納米食品色香味俱全，還有益健康。

住 納米技術的運用，使墻面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，根本不用擦洗。含有納米微粒的建筑材料，還可以吸收對人體有害的紫外線。

行 納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發(fā)動機部件的理想材料，能大大提高發(fā)動機效率、工作壽命和可靠性。納米球潤滑添加劑可以在機車發(fā)動機加入，起到節(jié)省燃油、修復磨損表面、增強機車動力、降低噪音、減少污染物排放、保護環(huán)境的作用。納米衛(wèi)星可以隨時向駕駛人員提供交通信息，幫助其安全駕駛。

醫(yī) 利用納米技術制成的微型藥物輸送器，可攜帶一定劑量的藥物，在體外電磁信號的引導下準確到達病灶部位，有效地起到治療作用，并減輕藥物的不良的反映。用納米制造成的微型機器人，其體積小于紅細胞，通過向病人血管中注射，能疏通腦血管的血栓。清除心臟動脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結石等。納米技術將是健康生活的好幫手。

納米科學技術具體應用簡介

納米抗血栓中藥

用親脂型二元納米協(xié)同界面包覆的中藥成分將使人類健康的頭號威脅——心腦血管疾病得到更加有效的治療，并將使中國文明的重要組成部分——中藥走向世界。因為這樣的納米中藥將具有普通中藥數百萬倍的物理活性（治療效果），可以暢通無阻地到達因脂肪堆積而造成的血管栓塞和組織病變部位，并因親和而與脂肪溶合，同時釋放出治療的有效成分，從而使藥物的靶向性提高數百萬倍。

納米孔膜

利用二元協(xié)同納米界面技術平臺制備的納米孔膜，將徹底解決油漆、涂料的潮解脫落問題，并可方便地大規(guī)模生產帶有呼吸作用的納米防水涂料和帶有反滲析作用的納米超濾膜，這將給人類的日常生活，甚至給海水淡化技術帶來革命性變化，從根本上解決人類日益嚴重的缺水問題。

納米修復材料

利用納米技術還可以新原理和新結構在納米層次上構筑特定性質的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破壞過程中進行納米級的損傷診斷和修復。例如，納米球是一種以多元合金為原料的納米級尺度的球狀原子團簇，能夠吸附在受損的摩擦表面，形成新的超高硬度、極低摩擦系數、抗磨損、耐腐蝕的保護膜，實現潤滑、修復和保護作用，實驗顯示其摩擦阻力僅為普通潤滑劑的1/3。同時，納米球潤滑劑在潤滑和修復的同時，提高了機械密封型，控制燃料和空氣比重，燃料燃燒更充分，增強發(fā)動機動力，減少不完全燃燒過程中產生的多種有害氣體污染，實現節(jié)能和減排的目的。納米材料在儀器、化妝品、醫(yī)藥、印刷、造紙、電子、通信、交通、建筑及軍事等方面都得到越來越多的應用。

納米自潔表面處理和涂料

如果將透明、疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或瓷磚、玻璃上，大樓就不會被空氣中的油污弄臟，瓷磚和玻璃也因不會沾上水蒸氣而永遠透明。任何粘在表面上的物質，經陽光的照射，都會在納米涂料的催化作用下，變成可以蒸發(fā)的氣體或者容易被擦掉的物質，建筑物不再總是臟乎乎的，家庭里的衛(wèi)浴設備也不必每天清洗了。將這種納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不會沾上灰塵，省去不少洗衣服的麻煩。氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色鏡的變色速度較慢，用納米材料做成的變色鏡就不一樣了，變色速度很快，用它做士兵的防護激光鏡是再好不過了。

新型納米光源和太陽能轉換器

用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩。半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型激光光源，它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能。這種技術一旦實現，太陽能汽車、太陽能住宅就會成為現實，到那時，人們居住的環(huán)境將更加美麗，空氣更加清新。

納米傳感器

半導體納米材料做成的各種傳感器可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護上已得到應用。納米傳感系統(tǒng)能進行病癥的早期診斷，利用納米材料還能制作耐用且人體友好的人工組織和器官、復明和復聰器件，提高病人的生活質量。

納米導向藥物和皮膚護理保健品

如果在人體外部加以導向，可利用納米藥物阻斷毛細血管來餓死癌細胞，藥物治療的效果會大大提高。納米顆粒還可以用于人體的細胞分離或細胞染色，也可以用來攜帶DNA進行基因缺陷治療。如果把納米藥物做成膏藥貼在患處，藥物可以通過皮膚直接被吸收，而無須針管注射，少去了注射的感染。把不容易被人體吸收的藥物或食品，如維生素等做成納米粉或納米粉的懸浮液，這種就極易被人體吸收。

納米技術應用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大，美國權威機構預測，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的應用將遠遠超過計算機工業(yè)。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設計和應用，將給傳統(tǒng)產生和產品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發(fā)的“材料革命”我國以納米材料和納米技術注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術的生產線。納米布料、服裝已批量生產，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質量。

納米電子元器件

納米加工技術可以使不同材質的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探測到電磁波、光波（包括可見光、紅外線和紫外線等）信號，同時還能執(zhí)行電腦的指令。如果將這一集成器件安裝在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量大大減小。當前人們已經在考慮用“小鳥”衛(wèi)星部分地代替現有的衛(wèi)星系統(tǒng)。如果在衛(wèi)星上用納米集成器件，“小鳥”衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射，成本也更低。

納米碳管的應用

各國科學家正在努力研究的碳納米管是一種非常獨特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十個納米。

這樣的材料很輕，但是很結實。它的密度是鋼的1/6而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球到月球的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍，可以制成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)新的方向。

納米材料超高物理活性應用

想像一下只包含幾百個或幾千個原子、分子的“納米顆?！?，按照一般的經驗，原子與原子之間的距離為0.2納米左右，由此可以估計出在尺寸為1納米的立方體“顆?！敝?，每一邊上只能排列5個原子，總體可容納125個原子，但是其中有98個原子在表面上。我們知道，表面上的原子只受到來自內部一側的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應，也就是說十分活潑。實驗發(fā)現，如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒、發(fā)生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用做新型火箭的固體燃料，也可用做烈性炸藥。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學反應過程，大大提高化工合成的出產率。

納米高強度材料

如果把金屬納米材料顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想在下一個世紀，總有一天會制造出如此神奇性質的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料制造汽車、飛機或輪船，會使它們的重量減少到1/10。到那時，一輛摩托車的重量會變成只有20～30千克。人們日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特點。硬是指它可以當做刀具用來切削金屬，脆是指它經不住沖擊。陶瓷的另一個長處是耐高溫，在10000℃的高溫下也不變形。用納米陶瓷粉制成的陶瓷已經表現出一定的塑性。這個問題一旦被徹底解決，會在汽車發(fā)動機上大顯身手，徹底甩掉發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，使發(fā)動機工作在更高的溫度下，汽車將跑得更快、飛機會飛得更高。

納米單電子元器件

把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內，或者在一根非常細的短金屬線內，線的寬度只有幾個納米，就會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續(xù)具有任意動量的電子狀態(tài)，變成只能具有某一動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接結果表現為，在金屬顆粒的兩端加上電壓，當電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在宏觀世界內奉為經典的歐姆定律在納米世界就不再成立了。還有一種奇怪的現象，當金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內，這就切斷了電流的連續(xù)性，這使人們聯(lián)想到是否可以發(fā)明用一個電子來控制的電子器件，所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，一旦實現，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計算速度將提高上百萬倍。

納米激光器和高密度信息存儲器

實際上，被囚禁的電子并不那么“老實”。按照量子力學的規(guī)律，有時它可以穿過“監(jiān)獄”的“墻壁”逃逸出來，這種現象一方面預示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關聯(lián)，因而需要新的設計才能使單電子器件變成集成電路;另一方面也會使芯片的動作不可控制。歸根結底，在這一情況下電子應被看成是“波”而不是一個粒子。所以盡管電子器件已經在實驗室里得以實現，但是真要用在工業(yè)上還需要時間。被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻，是會使材料發(fā)出很強的光。“量子點列激光器”或“級聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強度很高，用很低的電壓就可以驅動它們發(fā)出藍光或綠光，用來讀寫光盤可使光盤的存儲密度提高好幾倍。如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存儲數據，制成量子磁盤，存儲度可提高成千上萬倍，會給信息存儲技術帶來一場革命。

納米機器人的研發(fā)

納米機器人根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”，也稱分子機器人；而納米機器人的研發(fā)已成為當今科技的前沿熱點。

目前，不少國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米機器人這種新科技的戰(zhàn)略高地。《機器人時代》月刊日前指出：納米機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用于醫(yī)療和軍事領域。

每一種新科技的出現，似乎都包涵著無限可能。用不了多久，個頭只有分子大小的神奇納米機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。中國著名學者周海中教授在1990年發(fā)表的《論機器人》一文中就預言：到21世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

納米科學技術納米科學技術

納米科學與技術主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 。

納米科學技術納米科技

納米科學技術是在0.1nm~100nm尺度空間內，研究電子，原子和分子運動規(guī)律與特性的高技術學科。納米科學技術涵蓋納米物理學，納米電子學，納米材料學，納米機械學，納米制造學，納米顯微學，納米計量學，納米化學，納米生物學，納米醫(yī)學。納米科學技術是現代物理學與先進工程技術相結合的基礎上誕生的，是基礎研究與應用探索緊密聯(lián)系的新興高尖端科學技術。

納米科學技術納米加工技術

為了納米科學研究及其成果的應用，首先要能按照人們的意愿在納米尺度上對材料進行自由地剪裁和安排，這一技術被稱為納米加工技術。實際上，一方面納米加工技術是納米材料應用的重要基礎，另一方面納米加工技術中也包含了許多人們尚未認識清楚的納米科學問題。比如說，在一個粗細為幾納米的孔或線里，原子的擴散就與宏觀世界里的擴散大不一樣。一般而言，原子運動的自由程為幾個微米。在這個長度上，原子發(fā)生碰撞、進行熱擴散的作用可忽略不計?？墒窃诩{米孔或線內，原子的擴散主要是靠與孔壁的碰撞來完成的。再舉一個例子，一般認為物體之間相互運動時的摩擦力主要來源于物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力越小。在納米世界里，材料表面很小，相互之間距離很近，以至于兩塊材料表面上的原子會發(fā)生化學鍵合而產生對相互運動的阻力。因此，在納米世界內，所有的加工技術都必須在原子尺寸的層面上考慮。2100433B

納米技術已成功用于許多領域，包括醫(yī)學、藥學、化學及生物檢測、制造業(yè)、光學以及國防等等。本詞條為納米技術應用的總綱，包括如下領域：

1、納米技術在新材料中的應用

2、納米技術在微電子、電力等領域中的應用

3、納米技術在制造業(yè)中的應用

4、納米技術在生物、醫(yī)藥學中的應用

5、納米技術在化學、環(huán)境監(jiān)測中的應用

6、納米技術在能源、交通等領域的應用

7、納米技術在農業(yè)中的應用

8、 納米技術在日常生活中的應用

9、納米技術在環(huán)境污染防治中的應用

在汽車尾氣凈化方面的應用

在燃料脫硫方面的應用

在室內空氣凈化方面的應用

在固體廢棄物處理方面的應用

在控制噪聲方面的應用

納米技術應用衣

在紡織和化纖制品中添加納米微粒，可以除味殺菌?；w布雖然結實，但有煩人的靜電現象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現象。

納米技術應用食

利用納米材料，冰箱可以抗菌。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，完全達到飲用標準。納米食品色香味俱全，還有益健康。

納米技術應用住

納米技術可以使墻面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，根本不用擦洗。含有納米微粒的建筑材料，還可以吸收對人體有害的紫外線。

納米技術應用行

納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發(fā)動機部件的理想材料，能大大提高發(fā)動機效率、工作壽命和可靠性。納米衛(wèi)星可以隨時向駕駛人員提供交通信息，幫助其安全駕駛。

納米技術應用醫(yī)

利用納米技術制成的微型藥物輸送器，可攜帶一定劑量的藥物，在體外電磁信號的引導下準確到達病灶部位，有效地起到治療作用，并減輕藥物的不良的反映。用納米制造成的微型機器人，其體積小于紅細胞。通過向病人血管中注射能疏通腦血管的血栓。清除心臟動脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結石等。納米技術將是健康生活的好幫手。

納米技術應用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大，美國權威機構預測，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的應用將遠遠超過計算機工業(yè)。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設計和應用，將給傳統(tǒng)產生和產品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發(fā)的“材料革命”我國以納米材料和納米技術注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術的生產線。納米布料、服裝已批量生產，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷的性能提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質量。

不少國家紛紛制定相關計劃，投入巨資搶占納米技術的戰(zhàn)略高地。每一種新科技的出現，似乎都包涵著無限可能，尤其是納米機器人具有不可限量的應用前景。 用不了多久，個頭只有分子大小的神奇納米機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。中國著名學者周海中教授在1990年發(fā)表的《論機器人》一文中就預言：到21世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。2100433B