第六章、纳米技术的现在和未来 、从宏观到微观 著名的科学家爱因斯坦曾经说过,未来科学的发展,无非是继 续向宏观世界和微观世界进军。 宏观世界就是说我们人类的肉眼可以分辨出来的物体,大至 宇宙及宇宙的深处。 微观世界指的是原子、分子、中子、质子,夸克等。 纳米是一个长度单位。 1025米大约十亿光年,这个范围是我们人类目前已经观测到的 宇宙大致的范围; 1021米大约是十万光年,在这个范围可以看到银河系的全貌; 1014次方米是一千亿公里,可以看到冥王星的完整轨道; 107米是一万公里,在航天飞机上可以分辨出地球的一部;, 103米是一公里,从飞机上可以看到分辨城市建筑物的排列、街 道、田野; 到101米是十米,那么我们就可以看到足球场上运动员;
第六章、纳米技术的现在和未来 一、从宏观到微观 著名的科学家爱因斯坦曾经说过，未来科学的发展，无非是继 续向宏观世界和微观世界进军。 宏观世界就是说我们人类的肉眼可以分辨出来的物体，大至 宇宙及宇宙的深处。 微观世界指的是原子、分子、中子、质子，夸克等。 纳米是一个长度单位。 1025米大约十亿光年，这个范围是我们人类目前已经观测到的 宇宙大致的范围； 1021米大约是十万光年，在这个范围可以看到银河系的全貌； 1014次方米是一千亿公里，可以看到冥王星的完整轨道； 107米是一万公里，在航天飞机上可以分辨出地球的一部； ， 103米是一公里，从飞机上可以看到分辨城市建筑物的排列、街 道、田野； 到101米是十米，那么我们就可以看到足球场上运动员；
如果说我们把我们目光聚焦在运动员的腿部,膝盖,继续缩 小我们的观测范围,到10-2次方米一个厘米,就可以看到他腿上 汗毛孔了,皮肤表面的皱纹就可以看到 10-4米,是一百个微米,就可以分辨细胞,细胞大小在十几 个微米; 106米是一个微米,可以看到染色体当中,聚集着染色质 10-7米,是一百个纳米,可以分辨染色质的两个部分; 10-9米,是1纳米,可以分辨出DNA里边的分子结构; 10-10米,可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓; 10-13米,从整体上可以分辨出原子核 10-14米,就可以看到原子核当中的质子和中子,原子核是 由质子和中子组成的; 10-15米,就可以分辨出组成质子和中子的夸克,六个夸克 组成原子核; 10-16方,可以进一步看清夸克;
如果说我们把我们目光聚焦在运动员的腿部，膝盖，继续缩 小我们的观测范围，到10－2次方米一个厘米，就可以看到他腿上 汗毛孔了，皮肤表面的皱纹就可以看到。 10－4米，是一百个微米，就可以分辨细胞，细胞大小在十几 个微米； 10－6米是一个微米，可以看到染色体当中，聚集着染色质； 10－7米，是一百个纳米，可以分辨染色质的两个部分； 10－9米，是1纳米，可以分辨出DNA里边的分子结构； 10－10米，可以看到电子云笼罩下的原子的轮廓； 10－13米，从整体上可以分辨出原子核； 10－14米，就可以看到原子核当中的质子和中子，原子核是 由质子和中子组成的； 10－15米，就可以分辨出组成质子和中子的夸克 ，六个夸克 组成原子核； 10－16方米，可以进一步看清夸克；
、纳米科技的产生 用一个长度单位把宏观的宇宙深处,一直到构成物质最基本 的粒子,夸克都可以连接起来。1纳米是10-9米,十亿分一之米, 是一毫米的一百万分之一,如果用纳米作为单位,则身高17米 的人为17亿纳米,一个红细胞得几千个纳米。人的头发丝直径约 007~0.1mm,头发丝一百万分之一约为1纳米 DNA分子是双螺旋结构,螺旋直径2ηm,螺旋周期包含10 对碱基,螺距3.4nm,相邻碱基对平面的间距0.34nm。氢原子是 最小的原子,氢原子的直径大概0.1nm,10个氢原子排成一条线 就是一个纳米长。一寸直尺对折29次,大约为一个纳米长
二、纳米科技的产生 用一个长度单位把宏观的宇宙深处，一直到构成物质最基本 的粒子，夸克都可以连接起来。1纳米是10－9米，十亿分一之米， 是一毫米的一百万分之一，如果用纳米作为单位，则身高1.7米 的人为17亿纳米，一个红细胞得几千个纳米。人的头发丝直径约 0.07～0.1mm，头发丝一百万分之一约为1纳米。 DNA分子是双螺旋结构，螺旋直径2nm，螺旋周期包含10 对碱基，螺距3.4nm，相邻碱基对平面的间距0.34nm。氢原子是 最小的原子，氢原子的直径大概0.1nm，10个氢原子排成一条线 就是一个纳米长。一寸直尺对折29次，大约为一个纳米长
纳米科技是指在纳米的尺度上来研究物质的特性和相互作用, 包括原子分子的操纵。 纳米科技使人类认识和改造物质世界的手段和能力,延伸到 原子和分子,纳米科技的重要意义有两个方面: ①纳米科技可以促使人类的认知革命, ②纳米科技的发展,会带来一场产业革命。 宏观理论研究宇宙天体、人类生活的空间及物体,有很多的 理论,包括牛顿力学、天文学、地球物理、物理学、地质学等。 微观理论研究分子、原子、粒子有量子理论、高能物理、粒 子物理、基本粒子等。 当我们回顾20世纪科技的发展的时候,大家都公认,量子论 和相对论的诞生,奠定了现在通讯、信息技术的理论基础。1953 年建立的DNA的双螺旋结构模型,是一个分子的结构模型,它奠 定了现在分子生物学的基础。没有DNA螺旋结构模型,就没有我 们今天的基因技术、转基因技术等
纳米科技是指在纳米的尺度上来研究物质的特性和相互作用， 包括原子分子的操纵。 纳米科技使人类认识和改造物质世界的手段和能力，延伸到 原子和分子，纳米科技的重要意义有两个方面： ① 纳米科技可以促使人类的认知革命， ② 纳米科技的发展，会带来一场产业革命。 宏观理论研究宇宙天体、人类生活的空间及物体，有很多的 理论，包括牛顿力学、天文学、地球物理、物理学、地质学等。 微观理论研究分子、原子、粒子有量子理论、高能物理、粒 子物理、基本粒子等。 当我们回顾20世纪科技的发展的时候，大家都公认，量子论 和相对论的诞生，奠定了现在通讯、信息技术的理论基础。1953 年建立的DNA的双螺旋结构模型，是一个分子的结构模型，它奠 定了现在分子生物学的基础。没有DNA螺旋结构模型，就没有我 们今天的基因技术、转基因技术等
纳米科技引发工业革命的最主要的驱动力是来源于信息产业, 我们对生命科学的研究、DNA蛋白质、生物分子马达,它们都在 纳米的尺寸上,所以说纳米科技的发展,是未来信息科技与生命 科技进一步发展的共同基础。 纳米科技不仅仅是一个未来高新技术的问题,它也可以促进 传统产业的技术改造,纳米技术现在已经渗透到一些传统的产业 中去,已经形成了相当的市场规模。 如纳米食品、纳米药品、纳米纤维服装、纳米涂料、纳米丝、 纳米管、纳米电缆、纳米薄膜、纳米水、纳米材料冰箱、纳米自 洁玻璃和瓷砖、纳米陶瓷、纳米油漆、纳米级存储器、纳米塑料 纳米级微粉录像带。 (登天梯用碳纳米管制作)
纳米科技引发工业革命的最主要的驱动力是来源于信息产业， 我们对生命科学的研究、DNA蛋白质、生物分子马达，它们都在 纳米的尺寸上，所以说纳米科技的发展，是未来信息科技与生命 科技进一步发展的共同基础。 纳米科技不仅仅是一个未来高新技术的问题，它也可以促进 传统产业的技术改造，纳米技术现在已经渗透到一些传统的产业 中去，已经形成了相当的市场规模。 如纳米食品、纳米药品、纳米纤维服装、纳米涂料、纳米丝、 纳米管、纳米电缆、纳米薄膜、纳米水、纳米材料冰箱、纳米自 洁玻璃和瓷砖、纳米陶瓷、纳米油漆、纳米级存储器、纳米塑料、 纳米级微粉录像带。 （登天梯用碳纳米管制作）
诺贝尔奖获得者罗雷尔 ( Heniroler)指出:许多人认》 为纳米科技仅仅是遥远的未来 基础科学的事情,而没有什么 实际意义,但我确信纳米科技 现在已具有与150年前微米科 技所具有的希望和重要意义。 150年前,微米成为新的精度 WwwhJnews.an 标准,并成为工业革命的技术 黑江新闸网 基础,最早和最好学会并使用 罗雷尔博士(左一)参观哈尔 微米技术的国家,都在工业发 滨工业大学机器人研究所 展中占据了巨大的优势,同样, 未来的技术,将属于那些明智 接受纳米作为新标准,并首先 学习和使用它的国家,我们应 当记住,微米技术曾同样被认 为对使用牛耕地的农民无关紧 要
罗雷尔博士（左一）参观哈尔 滨工业大学机器人研究所 诺贝尔奖获得者罗雷尔 （Heniroler）指出：许多人认 为纳米科技仅仅是遥远的未来 基础科学的事情，而没有什么 实际意义，但我确信纳米科技 现在已具有与150年前微米科 技所具有的希望和重要意义。 150年前，微米成为新的精度 标准，并成为工业革命的技术 基础，最早和最好学会并使用 微米技术的国家，都在工业发 展中占据了巨大的优势，同样， 未来的技术，将属于那些明智 接受纳米作为新标准，并首先 学习和使用它的国家，我们应 当记住，微米技术曾同样被认 为对使用牛耕地的农民无关紧 要
罗雷尔博士:微米技术改变了农业的工作方式,产生了拖 拉机、旋耕机、播种机、联合收割机等农业机械化机器。纳米科 技的概念最早提出来,是诺贝尔奖获得者物理学家理查德费因 曼,他是美国加州理工学院的教授,他1959年做了一个很激动人 心的演讲。他说现在加工材料制造产品,都是从大做到小,比如 我们要加工一个桌子,需要把大树锯成板材,分割成各种形状的 木板并刨光,最后再组合成桌子。若加工生产一个机械零件,则 需要把大块钢材分割成毛坯,然后再进行车、磨、洗、刨的加工, 这些都是从大往小里做,要浪费很多材料。世界上任何东西,都 是由原子分子组成的,包括我们人类自身、空气、海洋、桌子 麦克风、茶水、食物等都是原子分子组成的。 宇宙间一切产品都是原子分子组成的,我们就能够通过一个 个的把原子堆放在一起,把原子分子就像用砖盖房子那样,加 工成任何形状的产品,这就是纳米加工技术。 用纳米材料加工产品,既节约资源,又节省劳动力,还没有 污染,环保节能。因为你需要什么我就拿什么做,效率高,质量 好,不浪费原材料
罗雷尔博士：微米技术改变了农业的工作方式，产生了拖 拉机、旋耕机、播种机、联合收割机等农业机械化机器。纳米科 技的概念最早提出来，是诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费因 曼，他是美国加州理工学院的教授，他1959年做了一个很激动人 心的演讲。他说现在加工材料制造产品，都是从大做到小，比如 我们要加工一个桌子，需要把大树锯成板材，分割成各种形状的 木板并刨光，最后再组合成桌子。若加工生产一个机械零件，则 需要把大块钢材分割成毛坯，然后再进行车、磨、洗、刨的加工， 这些都是从大往小里做，要浪费很多材料。世界上任何东西，都 是由原子分子组成的，包括我们人类自身、空气、海洋、桌子、 麦克风、茶水、食物等都是原子分子组成的。 宇宙间一切产品都是原子分子组成的，我们就能够通过一个 一个的把原子堆放在一起，把原子分子就像用砖盖房子那样，加 工成任何形状的产品，这就是纳米加工技术。 用纳米材料加工产品，既节约资源，又节省劳动力，还没有 污染，环保节能。因为你需要什么我就拿什么做，效率高，质量 好，不浪费原材料
20世纪70年代后期,美国麻省理工学院的德雷克斯勒,提倡 纳米科技的研究,通过原子分子组装来制备装置。 1990年,第一届国际的纳米科技会议在美国巴尔第摩召开, 与第五届的国际扫描隧道显微学的会议同时举办,纳米技术专业 的学术刊物《纳米技术》在1990年创刊。 1996年在北京召开了第 四届纳米科技的国际会议, 在纳米尺度上,这种多学 科的交叉性,展现了巨大 的生命力,迅速的形成了 个具有广泛学科内容和 潜在应用前景的研究领域 美国巴尔第摩哥伦布海洋科学研究中心
20世纪70年代后期，美国麻省理工学院的德雷克斯勒，提倡 纳米科技的研究，通过原子分子组装来制备装置。 1990年，第一届国际的纳米科技会议在美国巴尔第摩召开， 与第五届的国际扫描隧道显微学的会议同时举办，纳米技术专业 的学术刊物《纳米技术》在1990年创刊。 美国巴尔第摩哥伦布海洋科学研究中心 1996年在北京召开了第 四届纳米科技的国际会议 ， 在纳米尺度上，这种多学 科的交叉性，展现了巨大 的生命力，迅速的形成了 一个具有广泛学科内容和 潜在应用前景的研究领域
纳米科技的应用领域 第一个是纳米材料;第二个是纳米装置,第三个是纳米区域的 探测、研究和表征分析。 1纳米材料是纳米科技的基础,它的主要类型分为四类 (1)纳米颗粒与纳米分体,即颗粒或者粉体都在纳米的量级 (2)纳米管、线材料,在一个方向为纳米量级,如碳纳米管, 直径在纳米量级,但非常长。纳米线,纳米硅是一维的纳米材料 (3)纳米薄膜,纳米薄膜分成两 100A 个方面,一个是纳米的颗粒膜,即颗 粒大小都在纳米量级,表面上构成一 层膜;另外一种膜就是纳米的层状膜, 爱圣缓 就是涂层的厚度在纳米的量级 (4)纳米块材,就是把纳米的材 料给压制成一个整体的,宏观上看着跟e 块一块一样的东西,这是纳米块层
三、纳米科技的应用领域 第一个是纳米材料；第二个是纳米装置，第三个是纳米区域的 探测、研究和表征分析。 1.纳米材料是纳米科技的基础，它的主要类型分为四类： （1）纳米颗粒与纳米分体，即颗粒或者粉体都在纳米的量级。 （2）纳米管、线材料，在一个方向为纳米量级，如碳纳米管， 直径在纳米量级，但非常长。纳米线，纳米硅是一维的纳米材料。 （3）纳米薄膜，纳米薄膜分成两 个方面，一个是纳米的颗粒膜，即颗 粒大小都在纳米量级，表面上构成一 层膜；另外一种膜就是纳米的层状膜， 就是涂层的厚度在纳米的量级。 （4）纳米块材，就是把纳米的材 料给压制成一个整体的，宏观上看着跟 一块一块一样的东西，这是纳米块层
2纳米材料的性能 纳米材料与传统的材料相比有非常大的不同,有的是传统材 料所没有的,有的是较传统材料的特性有了很显著的提高。比如 纳米金属固体的硬度,一般要比传统的粗晶材料,要硬3到5倍; 纳米固体铁的断裂应力,比常规的铁材料会提高近12倍;纳米的 固体铜,比一般的铜材料的热扩散增强近一倍;纳米的磁性金属 的磁化率,是普通磁性金属的20倍。 当材料品质不变,仅把它做成一个纳米量级,它的很多性能 就发生了非常重要的显著的改变。比如,铜或者铝,宏观上的样 子我们都知道,但是如果你把铜和铝给加工成纳米颗粒时候,它 自己就会燃烧起来,会发生爆炸,跟铜和铝的宏观性质就不一样 了,故它可以作为火箭推行剂的燃料 陶瓷耐高温,有很好的硬度,但它易碎,掉在地上会摔碎 若把陶瓷的颗粒做成纳米量级,或者在里面掺杂一些纳米量级的 颗粒,它就具有很高的硬度和耐高温,同时掉在地上也不会摔碎 纳米陶瓷发动机,可以耐高温,不必像现在的发动机,需要水的 冷却,其热效率会显著提高
2.纳米材料的性能 纳米材料与传统的材料相比有非常大的不同，有的是传统材 料所没有的，有的是较传统材料的特性有了很显著的提高。比如 纳米金属固体的硬度，一般要比传统的粗晶材料，要硬3到5倍； 纳米固体铁的断裂应力，比常规的铁材料会提高近12倍；纳米的 固体铜，比一般的铜材料的热扩散增强近一倍；纳米的磁性金属 的磁化率，是普通磁性金属的20倍。 当材料品质不变，仅把它做成一个纳米量级，它的很多性能 就发生了非常重要的显著的改变。比如，铜或者铝，宏观上的样 子我们都知道，但是如果你把铜和铝给加工成纳米颗粒时候，它 自己就会燃烧起来，会发生爆炸，跟铜和铝的宏观性质就不一样 了，故它可以作为火箭推行剂的燃料。 陶瓷耐高温，有很好的硬度，但它易碎，掉在地上会摔碎。 若把陶瓷的颗粒做成纳米量级，或者在里面掺杂一些纳米量级的 颗粒，它就具有很高的硬度和耐高温，同时掉在地上也不会摔碎。 纳米陶瓷发动机，可以耐高温，不必像现在的发动机，需要水的 冷却，其热效率会显著提高