第1章 绪论 讲稿 .12_1第一章绪论1课稿

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第一章 《绪论》 讲稿

同学们好！本学期由我给大家上《纳米科学与技术》课。

对“纳米”这个词大家应当不会陌生。随着纳米技术在全球的风靡，各种各样的纳米产品在市场上逐渐增多，大到冰箱、洗衣机，小到杯子、鞋垫，简直是五花八门。其实这些商品原来有什么用大家都知道，贴上“纳米”标签后，反而有点让人困惑了。我们不禁要问：在商家炒作的外衣之下，究竟什么是纳米技术？什么是纳米材料？它们的发展现状是什么？发展前景又是什么？它们与人们的生活有什么关系？接下来，我们就要来学习这些知识。

首先讲一下《绪论》，分为以下几部分内容„„

在讲纳米技术与纳米材料之前，先说一下纳米的定义„„ 所以纳米是一个很小的单位，我们再看几个例子„„

以上几个微雕的例子说明，人类用手工能加工的物体的下限是在微米级

纳米级物质比人用肉眼能看到的最小的物体还要小很多，对其进行操作与加工，需要精密仪器

现在，我们对纳米的有了一定的认识。其实，在自然界中的物质有大有小，包罗万象。根据空间尺度，通常把自然界划分为三个层次……

那么什么是纳米技术呢？

纳米技术的发展史是一个由幻想到现实的过程，其中不乏里程碑式的事件。我们来简要回顾一下在这一过程中具有划时代意义的大事。

NNI（国家纳米技术推进计划）推出之后，其他各国也不甘落后，纷纷推出 了各自的发展计划。此后，纳米技术步入了高速发展的时期，各种新的研究成果层出不穷，可谓是日新月异。

要研究纳米技术，首先要有纳米材料

纳米材料最常用的分类方法是按维数来分类

我们来看几个纳米材料的例子，首先是零维纳米材料

在很多实际应用中，纳米材料不是直接使用的，而是先组装成纳米结构或纳米固体材料

我们来看几个例子……

（纳米材料的基本效应）通过刚才的学习，我们知道……

接下来我们来具体了解一下这些基本效应

我们来具体看一下小尺寸效应对物质性能的影响。先看看对热力学性能的影响

久保理论就是量子尺寸效应在金属超微粒子体系的成功应用

库仑堵塞效应和量子隧穿效应经常是联合在一起发生作用的。我们先来看一下库仑堵塞效应……

再来学习一下量子隧穿效应 接下来讲一下纳米材料的研究现状。我们先来看一下自然界中存在的天然纳米材料。

这是因为其表面具有特殊的疏水结构，使水不能浸润。水珠在荷叶表面滚来滚去，把泥土、灰尘等脏东西带走，具有自清洁作用。

蝴蝶翅膀具有十分炫目的色彩，并不是因为上面有颜料

贝类——娴熟的粘合高手

普通的贝类就是与蔬菜一起烹饪、在饭店每天都可以吃到的那种，堪称纳米粘合技术的高手。当它想把自己贴在一块岩石上时，就会打开贝壳，把触角贴到岩石上，它将触角拱成一个吸盘，然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束，释放出强力水下胶粘剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫，起到小垫子的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个减震器上，这样，它们就可以随波起伏，而不至于受伤。这种牢固的胶粘效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。

眼观六路的蛇尾海星

蛇尾海星是一种碟形的带甲壳的海底生物。它有五个触角，没有眼睛，尽管如此，它却能够敏感地感知远处潜在的天敌，并及时将触角缩进壳里。蛇尾海星的这种灵敏的感觉，长期以来，一直令生物学家迷惑不解。近来，这个问题终于在其甲壳上找到了答案：蛇尾海星身上面长满了“眼”，即数以万计的完美的微型透镜，这样，整个毛茸茸的身体就构成了海星眼观六路的眼睛。

研究还表明，一只蛇尾海星身上的这种透镜数目大约有5万到10万，它们都是由纳米晶体的碳酸钙组成；这种完美的光敏感微型透镜系统，是海星生长过程中，身体表面纳米结晶化的结果；为了防止不必要的色边，结晶化过程中，透镜内还吸收了适量的镁，这既可以帮助海星更有效地过滤光线，又可以校正透镜的“球面像差”，进而发现天敌的效率。

细菌——世界上“跑”得最快的生物

细菌的个头虽小，但它们的运动速度却相当惊人，许多细菌每秒钟前行数十 微米，一种被称作逗点弧菌的，它每秒钟可向前游动100微米，不能小看这个数字，它相当于细菌自身体长的50倍，而一个人类运动员每秒钟只能向前跑5.4倍体长的距离，即使猎豹这个数字也只能达到25倍，从这个意义上讲，细菌应当是世界上“跑”得最快的生物。

细菌世界的成员众多，其运动方式和机制上也存在差异，但大部分能够运动的细菌都是依靠自身的运动器官—鞭毛的作用。鞭毛是一种长的蛋白丝状物，它附着于细菌的外表，一般长15-20微米，直径20纳米左右。

细菌鞭毛的功能相当于船的螺浆，在水中可以高速旋转从而推动菌体前行，因此水环境是鞭毛细菌自由驰骋的天地。鞭毛的旋转速度非常快，每秒钟旋转两百到一千多转，比一般的电动机要快得多，鞭毛的高速旋转是由其附着于菌体上的基体旋转带动的，基体实际上就是鞭毛的基部，它由一个中轴套上两个或四个环构成，镶嵌固定在细菌的体表（细胞膜和细胞壁）中。在科学家的眼中，基体简直就是一台精巧的纳米分子马达，但这个马达并不是靠电流驱动，而是用伴随着细胞膜两侧质子梯度的消失产生的生物能量ATP来驱动。细菌的鞭毛马达还可以转向（从反时针旋转变为顺时针旋转）从而使菌体发生翻滚，进而改变细菌的运动方向，事实上细菌在游动时也并不是单纯地一直朝前游，而是伴随着不时的随机翻滚转向，但从表观上看仍表现为细菌的前行。

水面上自由行走的水黾

小型水生昆虫水黾被喻为“池塘中的溜冰者”，因为它不仅能在水面上滑行，而且还会像溜冰运动员一样能在水面上优雅地跳跃和玩耍。它的高明之处是，既不会划破水面，也不会浸湿自己的腿。水黾是如何练就如此水上绝技？对此，中国科学院化学所研究员江雷在《自然》杂志上发表论文，揭开了水黾“水上轻功”的奥秘，并认为水黾腿部特殊的微纳米结构才是真正原因。

水黾属于水生半翅目类昆虫，水黾的种类不同，大小也不一样，一只中等大小的水黾重约30毫克，水黾的腿能排开300倍于其身体体积的水量，这就是这种昆虫非凡浮力的原因。江雷领导的研究小组在高倍显微镜下发现，水黾腿部上有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛。这些像针一样的微米刚毛的表面上形成螺旋状纳米结构的构槽，吸附在构槽中的气泡形成气垫，这些气垫阻碍 了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性（超强的不沾水的特性）。正是这种超强的负载能力使得水黾在水面上行动自如，即使在狂风暴雨和急速流动的水流中也不会沉没。

但当时人们并不知道这是由人的肉眼看不到的纳米颗粒构成的

纳米材料工程包含两个方面的内容

纵观纳米材料的发展历程，大致可以划分为三个阶段

随着纳米材料的快速发展，其使用安全性也日益被人们所关注。

纳米化机遇

例如，通过对2004年前8个月的SCI论文数据库的检索，可以得到纳米技术高度关键领域研究论文最多的国家或地区的排名，中国以3621篇论文高居榜首，论文数比排在第二位的美国的论文数高出14%。我国在纳米技术的基础研究方面，已经接近世界水平。

纳米安全性

2003年3月，美国化学会举行的年会上报告了纳米颗粒对生物可能存在的作用，引起了世界的广泛关注，掀起了纳米材料安全性研究的热潮。纽约罗切斯特大学的毒物学家发现，在含有直径为20 nm的聚四氟乙烯塑料颗粒的空气中生活了15 min的大多数实验鼠会在随后4小时内死亡；而暴露在含有直径120 nm颗粒（相当于细菌的大小）的空气中的对照组小鼠则安然无恙，并没有致病。

纳米颗粒对于人类的毒副作用也相继被发现和报道出来。比如直径35 nm的碳纳米颗粒可经过嗅觉神经直接进入脑部；金纳米颗粒可通过胎盘屏障由母体进入到胎儿体内；硒化镉纳米颗粒可在人体中分解，由此可能导致镉中毒。

目前的研究结果表明，纳米颗粒的尺寸越小，显示出生物毒性的倾向越大。例如碳纳米管是由石墨层面卷成的圆筒，但是根据石墨的安全剂量来外推碳纳米 管的安全剂量是不可行的，碳纳米管的生物毒性远大于石墨粉。又比如说2006年瑞士专家首次发现由某些在大尺度上显示为无毒的材料制成的纳米颗粒对人类和小鼠的细胞具有惊人的毒性，表明这些纳米微粒具有某种特殊的毒性反应。

纳米标准化

美国国家标准化组织宣布成立纳米技术标准小组(ANSI-NSP)，这是一个负责纳米技术领域标准开发的新联络组织，对所有兴趣团体开放。ANSI-NSP呼吁从事纳米技术研发或熟悉纳米技术的组织和个人考虑加入该组织及其筹划指导委员会。该组织于2004年9月29日到30日召开了首次工作会议，制定命名法和术语。

为了在未来高技术产业化方面的国际竞争中占据有利地位，我国实施“人才、专利和技术标准”三大战略。在标准化方面，国务院科教领导小组批准了“十五”期间重大专项——重要技术标准研究，该专项由科技部、国家质检总局和国家标准化管理委员会组织实施，纳米产品及技术标准是其中重要一项。经过多年来的艰苦努力，投入了大量的人力、物力，国家标准化管理委员会于2005年2月28日正式发布七项纳米标准，并于4月1日正式生效实施。这七项标准包括《气体吸附BET法测定固态物质比表面积》、《纳米镍粉》、《纳米氧化锌》等一项术语标准、两项检测方法标准和四项产品标准。这首批七项纳米技术标准的批准实施，使我国抢在世界之先发布纳米技术和产品标准成为事实，奠定了我国在纳米技术和标准方面领跑的地位，避免了“在别人划定的圈子中跳舞”的尴尬，同时是我国的技术和产品标准可能成为世界标准，具有重大的理论和现实意义，是我国纳米技术发展过程中一个重要的里程碑，也是我国技术标准的一个新的起点。