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納米科學技術是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內,原子、分子和其它類型物質的運動和變化的學問;同時在這一尺度範圍內對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術。

1 納米科技 -納米科技



納米科技示意圖
納米科學技術是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內,原子、分子和其它類型物質的運動和變化的學問;同時在這一尺度範圍內對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術。

納米科技的研究內容

創造和製備優異性能的納米材料

設計、製備各種納米器件和裝置

探測和分析納米區域的性質和現象

什麼是納米?

納米是尺寸或大小的度量單位:

千米(103 )→米→厘米→毫米→微米→納米( 10-9)

4倍原子大小,萬分之一頭髮粗細

納米科技研究什麼

2 納米科技 -問題



生物科學技術、信息科學技術、納米科學技術是下一世紀內科學技術發展的主流。生物科學技術中對基因的認識,產生了轉基因生物技術,可以治療頑症,也可以創造出自然界不存在的生物;信息科學技術使人們可以坐在家中便知天下大事,網際網路幾乎可以改變人們的生活方式。

納米科學是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內,原子、分子和其它類型物質的運動和變化的學問;同時在這一尺度範圍內對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術。

還原論:把物質的運動都還原到原子、分子這一層面上。原子論和量子力學取得了巨大的成功。有機合成;分子生物學;轉基因食品、克隆羊;原子光譜和激光;固體電子論和IC;幾何光學到光纖通訊。

宏觀世界上經典物理、化學、力學的巨大成就:計算機和網路、宇宙飛船、飛機、汽車、機器人等改變了人們的生活方式

科學技術有認識上的盲區或人類知識大廈上的裂縫。裂縫的一邊是以原子、分子為主體的微觀世界,另一岸是人類活動的宏觀世界。兩個世界之間不是直接而簡單的聯結,存在一個過渡區--納米世界。

例:分子合成 ≤1.5nm, →活體

微電子技術在0.2μm,

顯微外科只能連接大、小、微血管

≤ PM10和PM1.5的微粒

50年代,錢老「物理力學」是企圖連接兩個世界的前驅工作之一

圖中顯示用掃描隧道顯微鏡

的針尖在銅表面上搬運和操

縱48個原子,使它們排成圓

形。圓形上原子的某些電子

向外傳播,逐漸減小,同時

與相內傳播的電子相互干涉

形成干涉波。

幾十個原子、分子或成千個原子、分子「組合」在一起時,表現出既不同於單個原子、分子的性質,也不同於大塊物體的性質。這種「組合」被稱為「超分子」或「人工分子」。「超分子」性質,如熔點、磁性、電容性、導電性、發光性和染、顏色及水溶性有重大變化。當「超分子」繼續長大或以通常的方式聚集成大塊材料時,奇特的性質又會失去,像真是一些長不大的孩子。

在10nm尺度內,由數量不多的電子、原子或分子組成的體系中新規律的認識和如何操縱或組合及探測、應用它們---納米科學技術的主要問題。

原子和分子的微觀世界和宏觀世界的過渡區內的新現象和新規律

探測納米長度內物理、化學生物信息的新原理和新方法

新概念和新理論:強關聯、強場、快過程、少粒子的量子體系

應用

新科學還是老理論的翻版?

歷史悠久的新科學技術

西漢銅鏡和黑漆鼓

徽墨

漆器

催化劑材料

感光材料和彩色膠片

含有高嶺土顆粒的輪胎

WHY?不清楚

近十年,計算機和材料設計;探測技術STM、AFM、SNOM;IC和生命科學的推動;製備技術發展;理論的發展

高強度和高韌性、可自修復、有智能、可再生→新一代納米材料

為什麼小尺寸會有如此重要的影響?

表面效應

小尺寸效應

量子限域效應

研究目標和可能的應用

材料和製備:更輕、更強和可設計;長壽命和低維修費;以新原理和新結構在納米層次上構築特定性質的材料或自然界不存在的材料;生物材料和仿生材料;材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修復;

微電子和計算機技術:2010年實現線條為100nm的晶元,納米技術的目標為:納米結構的微處理器,效率提高一百萬倍;10倍帶寬的高頻網路系統;兆兆比特的存儲器(提高1000倍);集成納米感測器系統;

醫學與健康

快速、高效的基因團測序和基因診斷和基因治療技術;用藥的新方法和藥物'導彈'技術;耐用的人體友好的人工組織和器官;復明和復聰器件;疾病早期診斷的納米感測器系統

航天和航空

低能耗、抗輻照、高性能計算機;微型航天器用納米測試、控制和電子設備;抗熱障、耐磨損的納米結構塗層材料

環境和能源

發展綠色能源和環境處理技術,減少污染和恢復被破壞的環境;

孔徑為1nm的納孔材料作為催化劑的載體;MCM-41有序納孔材料(孔徑10-100nm)用來祛除污物;納米顆粒修飾的高分子材料

生物技術和農業

在納米尺度上,按照預定的大小、對稱性和排列來製備具有生物活性的蛋白質、核糖、核酸等。在納米材料和器件中植入生物材料產生具有生物功能和其他功能的綜合性能。,生物仿生化學藥品和生物可降解材料,動植物的基因改善和治療,測定DNA的基因晶元等
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