纳米科技概论（总论，2014学年春学期)纳米科学技术概论主讲教师：杨 辉，郭兴忠纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n杨辉教授，博士生导师n浙江加州国际纳米技术研究院常务副院长；n浙江省科技厅新材料专项专家组组长；n浙江省特级专家；n全国优秀科技工作者；nn研究方向：n纳米材料制备、改性及产业化应用；n电子陶瓷材料及其器件； n特种功能玻璃及陶瓷n绿色建材任课教师介绍纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n郭兴忠博士，副教授，硕士生导师；n中国硅酸盐学会溶胶凝胶分会常务理事、秘书长n杭州市硅酸盐学会副理事长兼秘书长n研究方向：n溶胶-凝胶n多孔材料n先进陶瓷材料n联系方式：nTEL:13067764767 ，87953313(Office)nEmail:msewj01zju.edu.cn任课教师介绍纳米科技概论（总论，2014学年春学期)课程大纲与要求n大纲内容n纳米科技总论与基 础（物理、化学） ，n纳米材料制备与表 征，n纳米机械学/纳米生 物学/纳米电子学，n纳米科技其他应用 与进展 n课程学习要求n学习的主动性n教师：启发和引导n同学：积极思考和讨论n课堂发言和讨论n课堂提问与发言n不限次数n分组讨论（1-2次）n课堂作业（5次）n课后作业（3次）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)教学考核n教学考核：n传统考核（基本模式，兼顾）n经考试评定掌握知识程度n培养研究能力（强调）n学习兴趣与主动性、提问发言n运用知识解决问题的思路n考核指标n1）期末考试卷面成绩n2）平时成绩：课堂出席率、作业与报告、课堂提问和发言 、课后讨论与交流等。科学研究素质与能力的 提高：研究型大学的学 生培养重要目标（分析 问题，解决问题）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)教学内容与进度教学内容课时分配 1、总论3 2、纳米体系物理学基础3 3、纳米体系化学基础3 4、纳米材料与结构制备3 5、纳米材料检测与表征3 6、纳米机械学2 7、纳米生物医学2 8、纳米电子学2 9、纳米科技在其它领域的应用2 10、纳米科技最新进展1 11、考试 纳米科技概论（总论，2014学年春学期)总 论 纳米科技是20世纪80年代发展起来的 交叉、前沿的新兴学科，对未来的科技、经 济和社会发展产生重大影响。 一、纳米科技的概念与发展历程 二、纳米科技的研究意义和基本内涵 三、纳米科技的体系范畴 四、纳米科技的国际竞争及发展态势 五、我国纳米科技发展纲要 六、纳米热潮中的问题与思考 七、当前国际纳米科技发展趋势纳米科技概论（总论，2014学年春学期)一、纳米科技的概念与发展历程（1）科学技术的发展与加工尺度的关系n科学技术发展简述纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米的概念n纳米是长度单位。n1纳米(nm)=10-3微米(m)= 10-6毫米(mm)= 10-9米n纳米尺度：1-100nm一、纳米科技的概念与发展历程（2）不同组织结构的相对尺度大小纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米的概念： 纳米尺度：1-100nm一、纳米科技的概念与发展历程（3）纳米尺度的大小与常见球形物质的比较纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米的概念： 纳米尺度：1-100nm一、纳米科技的概念与发展历程（4）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念：n是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以 及利用这些特性的多学科交叉的科学与技术。n是指在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构， 利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件 （1990年， MIT的Drexler博士）一、纳米科技的概念与发展历程（5）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的发展历程一、纳米科技的概念与发展历程（6）2002年1959年1981年1985年1986年1987年1988年1989年1990年1991年2000年 1997年纳米科技发展的里程碑节点 纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n1959年，著名的物理学家，诺贝尔奖得主Richard Feynman在美国物理学 年会上，作了题为“Theres plenty of room at the bottom”的报告，指出 “我认为物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反 任何定理，而且原则上是可以实现的”。这个演讲已经被看作是纳米科技概念 的起源。n1962年，久保（Kubo）等人提出了超微粒子的量子限域理论，推动了实验 物理学家向纳米尺度微粒进行探索。n1963年，Uyeda等利用气相冷凝技术，在高纯惰性气体中，通过金属的蒸 发-冷凝过程，制备了金属的超微颗粒。n1974年，Taniguchi等将纳米科技应用于精细机械加工过程。n1981年，IBM公司苏黎世实验室的Binning和Rohrer利用扫描隧道显微镜 ，（Scanning Tunneling Microscopy, STM）实现人类首次在常温大气条 件下观测到了原子，为纳米科技的发展奠定了基础。一、纳米科技的概念与发展历程（7）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n1984年，Gleiter等人首次采用惰性气体的蒸发-冷凝法制备了 具有清洁表面的纳米金属粉末，并原位加压制备了纳米固体。n1985年，诺贝尔奖获得者Kroto等采用激光加热石墨，蒸发并 在甲苯溶液中形成C60，在全世界掀起了C60的研究热潮。n同年，利哈廖夫等人提出通过控制单个电子进入或者离开所谓 的库仑岛，实现一定规模的电路才能实现的功能，这是单电子 器件的基础。n1986年，MIT的Drexler博士在“创造的动力-纳米时代的来临” 一书中，对Feynman提出的纳米科技概念进行了拓展。1990 年，他提出“纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原 子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系 统，制备不同类型的纳米器件”。一、纳米科技的概念与发展历程（8）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n1990年，IBM研究中心用扫描隧道显微镜（STM）逐个搬动 35个氙原子排列成IBM字样。这是当时世界上最小的原子商标 ，它表明人类不仅可以采用STM观测和测量物质表面的原子和 分子结构，而且还可以根据人们的意志加工制造出最小的人工 结构。一、纳米科技的概念与发展历程（9）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n1990年，在美国巴尔的摩召开了国际上首届纳米科学技术会议 ，对纳米科技的前沿领域进行了探讨和展望，正式提出了纳米 材料学，纳米生物学，纳米电子学和纳米机械学的概念；并决 定正式出版“Nanostructure Materials”, “Nanobiology”, “Nanotechnology”等正式的学术刊物。标志着纳米科技的这 门新兴学科的正式形成，纳米科技等概念也开始被广泛应用。n1991年 碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分 之一，强度却是铁的10倍，成为纳米技术研究的热点。n1993年，我国中科院操纵原子写字。一、纳米科技的概念与发展历程（10 ）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n1994年，美国材料研究学会（MRS）在波士顿的秋季会议上提出了“纳米材 料工程”，是指在纳米材料研究的基础上，通过纳米合成、纳米添加等方法发 展新材料，并可能通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用 范围，标志着纳米科技的发展形成了基础研究和应用开发 并重的新局面。n1997年 ，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望 在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。n1999年 ，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤 ”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久， 德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合 创造的纪录。n2000年1月21日，美国前总统克林顿在CIT宣布纳米科技的国家计划（NNI ），世界各主要国家也都将纳米科技纳入国家发展规划，纳米科技列入国家 层面的战略规划，进入了一个新的发展时期。一、纳米科技的概念与发展历程（11 ）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n纳米科技的概念提出、形成与发展n2001年，群雄并起，各国相继针对该国产业现况，纷纷提出纳 米科技发展计划。n美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书 n日本成立“纳米材料研究所”（Tsukuba）n欧盟成立“纳米电子技术联盟”（IMEC）n德国成立六个纳米技术卓越群n中国（北京）成立纳米国家科研中心n台湾工业技术研究院亦于2002年一月，成立纳米科技研发中心 一、纳米科技的概念与发展历程（12）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n1、纳米科技的研究意义n促使人类认知的革命，同时将引发新的工业革命，对我国的社 会、经济以及国家安全产生重大影响，纳米科技将重塑未来。 （中科院白春礼院士）n从纳米科技的起源分析：纳米尺度介与宏观和微观之间，属于 介观尺度更接近微观的范围。这是目前为止，人类非常陌生的 领域，有大量的新现象、新规律有待发现，是新技术的源头， 充满了原始创新的机会。n从纳米科技的理论分析：虽然依托基本的物理与化学理论，但 是纳米科技已经不能归附与任何一门传统的学科领域，纳米科 技自身需要在发展中创立新的理论。二、纳米科技的研究意义和基本内涵（1）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n1、纳米科技的研究意义n纳米科技对产业的影响：在日益紧张的资源、能源约束下，人 类生存和发展依赖于可持续发展战略，纳米科技因其在推动产 品高性能、微型化、环境友好、节约能源与资源、促进生态环 境改善等方面起着关键的作用，而具有重大的社会和经济价值 与意义。可能会引导新的工业革命。仅对产业的影响来说：n对信息产业的影响：n纳米器件将代替微电子器件，计算能力提高千万倍能耗却可降低两 个数量级，芯片的设计需要符合纳米物理学的理论，新的器件集成 技术和方法，新的生产线，新的产品检测方法、手段和标准；n纳米光电子学可使通讯带宽增加千倍以上；量子存储器的信息存贮 量可提高千万倍。n对生命科学的影响：纳米生物学的出现将使生命科学获得突破，如生物 计算机的研究和应用，早期疾病诊断与医疗、健康护理等。n对传统产业的影响：因纳米材料和技术的应用，建材、涂料、染料、纺 织等传统产品性能提高，市场拓展，传统产业焕发青春。二、纳米科技的研究意义和基本内涵（2）纳米科技概论（总论，2014学年春学期)n1、纳米科技的研究意义n纳米科技对知识经济的影响：21世纪是知识经济时代，纳米 科技对信息科学、生命科学有巨大的推动作用，发达国家高度 重视、将相关技术列为国家机密和商业机密进行高度保密。n我国在纳米科技方面的水平：在某些领域我国具有较高的水平 。在纳米科技发展水平上，因其是崭新的学科，传统学科和技 术的影响相对较小，在某些领域我国的水平不低，为我国相关 技术和产业的跨越式发展提供了可能。二、纳米科技的研究意义和基本内涵（3）纳米科技概论（总论，2014学年春学期) 二、纳米科技的研究意义和基本内涵（4）n2、纳米科技的基本内涵n纳米科技（Nano Science and Technology）是20世纪80年代末 、90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性的新兴学科，它是在纳 米尺度（1-100纳米）上研究物质（包括原子和分子的操纵）的特 性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。n纳米科技是研究纳米尺度的物质和体系的现象、规律及其相互作用 ，以及在工程技术应用中存在的技术问题。换句话说，是指在纳米 尺度认识自然界，发现新现象和新知识；利用新技术通过直接操作 和安排原子、分子来创造新物质为人类所用。纳米科