納米科學(xué)

納米科技(英文：Nanotechnology)是一門(mén)應(yīng)用科學(xué)，其目的在于研究于納米尺寸時(shí)，物質(zhì)和設(shè)備的設(shè)計(jì)方法、組成、特性以及應(yīng)用。納米科技是許多如生物、物理、化學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域在技術(shù)上的次級(jí)分類(lèi)，美國(guó)的國(guó)家納米科技啟動(dòng)計(jì)劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為“1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大應(yīng)用的獨(dú)特現(xiàn)象的了解與操縱。”

納米科技是尖端科技，卻早就存在身旁。舉例來(lái)說(shuō)，荷葉表面的細(xì)致結(jié)構(gòu)和粗糙度大小都在納米尺度的范圍內(nèi)，所以不易吸附污泥灰塵。這種荷葉表面納米化結(jié)構(gòu)，自我清潔的物理現(xiàn)象，就被稱作荷葉效應(yīng)(lotus effect)。

納米科技是學(xué)習(xí)納米尺度下的現(xiàn)象以及物質(zhì)的掌控，尤其是現(xiàn)存科技在納米時(shí)的延伸。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點(diǎn)和高分子集合，并且被表面效應(yīng)所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價(jià)鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應(yīng)等，而慣性和湍流等巨觀效應(yīng)則小得可以被忽略掉。舉個(gè)例子，當(dāng)表面積對(duì)體積的比例劇烈地增大時(shí)，開(kāi)起了如催化學(xué)等以表面為主的科學(xué)新的可能性。

微小性的持續(xù)探究以使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結(jié)合如電子束微影之類(lèi)的精確程序，這些設(shè)備將使我們可以精密地運(yùn)作并生成納米結(jié)構(gòu)。納米材質(zhì)，不論是由上至下制成(將塊材縮至納米尺度，主要方法是從塊材開(kāi)始通過(guò)切割、蝕刻、研磨等辦法得到盡可能小的形狀（比如超精度加工，難度在于得到的微小結(jié)構(gòu)必須精確）。

或由下至上制成(由一顆顆原子或分子來(lái)組成較大的結(jié)構(gòu)，主要辦法有化學(xué)合成，自組裝(self assembly)和定點(diǎn)組裝(positional assembly)。難度在于宏觀上要達(dá)到高效穩(wěn)定的質(zhì)量，都不只是進(jìn)一步的微小化而已。物體內(nèi)電子的能量量子化也開(kāi)始對(duì)材質(zhì)的性質(zhì)有影響，稱為量子尺度效應(yīng)，描述物質(zhì)內(nèi)電子在尺度劇減后的物理性質(zhì)。

這一效應(yīng)不是因?yàn)槌叨扔删抻^變成微觀而產(chǎn)生的，但它確實(shí)在納米尺度時(shí)占了很重要的地位。物質(zhì)在納米尺度時(shí)，會(huì)和它們?cè)诰抻^時(shí)有很大的不同，例如：不透明的物質(zhì)會(huì)變成透明的(銅)、惰性的物質(zhì)變成可以當(dāng)催化劑(鉑)、穩(wěn)定的物質(zhì)變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液體(金)、絕緣體變成了導(dǎo)體(硅)。

納米科技的神奇來(lái)自于其在納米尺度下所擁有的量子和表面現(xiàn)象，并因此可能可以有許多重要的應(yīng)用和制造許多有趣的材質(zhì)。

納米科學(xué)技術(shù)納米科學(xué)技術(shù)

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

納米科學(xué)技術(shù)納米科技

納米科學(xué)技術(shù)是在0.1nm~100nm尺度空間內(nèi)，研究電子，原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律與特性的高技術(shù)學(xué)科。納米科學(xué)技術(shù)涵蓋納米物理學(xué)，納米電子學(xué)，納米材料學(xué)，納米機(jī)械學(xué)，納米制造學(xué)，納米顯微學(xué)，納米計(jì)量學(xué)，納米化學(xué)，納米生物學(xué)，納米醫(yī)學(xué)。納米科學(xué)技術(shù)是現(xiàn)代物理學(xué)與先進(jìn)工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用探索緊密聯(lián)系的新興高尖端科學(xué)技術(shù)。

納米科學(xué)技術(shù)納米加工技術(shù)

為了納米科學(xué)研究及其成果的應(yīng)用，首先要能按照人們的意愿在納米尺度上對(duì)材料進(jìn)行自由地剪裁和安排，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。實(shí)際上，一方面納米加工技術(shù)是納米材料應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中也包含了許多人們尚未認(rèn)識(shí)清楚的納米科學(xué)問(wèn)題。比如說(shuō)，在一個(gè)粗細(xì)為幾納米的孔或線里，原子的擴(kuò)散就與宏觀世界里的擴(kuò)散大不一樣。一般而言，原子運(yùn)動(dòng)的自由程為幾個(gè)微米。在這個(gè)長(zhǎng)度上，原子發(fā)生碰撞、進(jìn)行熱擴(kuò)散的作用可忽略不計(jì)?？墒窃诩{米孔或線內(nèi)，原子的擴(kuò)散主要是靠與孔壁的碰撞來(lái)完成的。再舉一個(gè)例子，一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力主要來(lái)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(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對(duì)相互運(yùn)動(dòng)的阻力。因此，在納米世界內(nèi)，所有的加工技術(shù)都必須在原子尺寸的層面上考慮。2100433B

納米科學(xué)與納米技術(shù)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(chǎn)物

1.1.2納米技術(shù)的早期應(yīng)用：納米金

1.1.3納米科學(xué)與納米技術(shù)方面的出版物

1.2小物質(zhì)能有大不同嗎

1.3納米結(jié)構(gòu)材料的分類(lèi)

1.4令人驚嘆的納米結(jié)構(gòu)

1.5納米材料的應(yīng)用

1.6自然：最好的納米科學(xué)家

1.7挑戰(zhàn)與未來(lái)展望

納米科學(xué)與納米技術(shù)第2章納米材料的獨(dú)特性能

2.1納米晶體材料中的微結(jié)構(gòu)和缺陷

2.1.1層錯(cuò)

2.1.2孿晶、堆垛缺陷和空隙

2.1.3晶界、三結(jié)和旋轉(zhuǎn)位移

2.2材料的納米尺寸效應(yīng)

2.2.1彈性性能

2.2.2熔點(diǎn)

2.2.3擴(kuò)散率

2.2.4晶粒生長(zhǎng)特性

2.2.5固體溶解度的增大

2.2.6磁性能

2.2.7電學(xué)性能

2.2.8光學(xué)性能

2.2.9熱學(xué)性能

2.2.10機(jī)械性能

納米科學(xué)與納米技術(shù)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(xué)氣相沉積

3.1.3噴霧轉(zhuǎn)換處理

3.1.4溶膠—凝膠法

3.1.5濕化學(xué)合成法

3.1.6自組裝

3.2“自上而下”的方法

3.2.1機(jī)械合金化

3.2.2等通道轉(zhuǎn)角擠壓法

3.2.3高壓扭轉(zhuǎn)

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(shù)

3.3納米粉末的固結(jié)成形

3.3.1沖擊波固結(jié)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(jié)

納米科學(xué)與納米技術(shù)第4章納米材料的應(yīng)用

4.1納米電子學(xué)

4.1.1半導(dǎo)體器件原理

4.1.2MOSFET

4.1.3固態(tài)量子效應(yīng)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(fù)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(xué)納米傳感器

4.3.7半導(dǎo)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(nóng)產(chǎn)品業(yè)

4.6化妝品和消費(fèi)品

4.6.1防曬霜

4.6.2個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品

4.6.3抗衰老產(chǎn)品

4.6.4其他用途

4.7結(jié)構(gòu)與工程

4.8汽車(chē)行業(yè)

4.9水處理與環(huán)境

4.10納米醫(yī)學(xué)應(yīng)用

4.11紡織品

4.12涂料

4.13能源

4.14防御和空間應(yīng)用

4.15結(jié)構(gòu)應(yīng)用

納米科學(xué)與納米技術(shù)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(zhì)的相互作用

5.3.2成像

5.4TEM

5.4.1先進(jìn)的TEM技術(shù)

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(shù)的對(duì)比

5.5.2AFM的常見(jiàn)模式

5.6STM

5.6.1操作模式

5.6.2STM的構(gòu)造

5.7場(chǎng)離子顯微鏡

5.8三維原子探針

5.9納米壓痕

納米科學(xué)與納米技術(shù)第6章納米技術(shù)的關(guān)注與挑戰(zhàn)

詞匯表

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