九年级下册科技前沿教案综述.doc

科技前沿 九年级下册教案 专题五 走进新材料家族 纳米材料 第一节 纳米的概念 1、1 纳米的定义 如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围。目前人类能够研究的物质世界的最大尺度是1025m（约10亿光年），这是我们已观测到的宇宙大致范围，人类所研究的物质世界的最小尺度为10-19m（0.1阿米）。 纳米技术中的“纳米”为10-9m，用符号表示为nm，是lmm的100万分之一，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串在一起的长度（原子的直径为0.1-0.3nm，研究小于10-10m以下的原子内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。） 纳米技术（nano-technology）是指在纳米尺度（1nm到l00nm之间）上研究物质（包括原子、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，如：（1）纳米体系物理学、（2）纳米化学、（3）纳米材料学、（4）纳米生物学、（5）纳米电子学、（6）纳米加工学、（7）纳米力学等。当物质小到1-100nm（10-9--10-7m）时，其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象。纳米技术的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。 1、2 纳米技术概念的提出 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼。1959年他在一次著名的讲演中提出：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料，但他同时也指出，需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学家将这个问题变成了人们根据意愿逐个地准确放置原子的问题。1974年，Taniguchi最早使用纳米技术（nano-technology）一词描述精细机械加工。20世纪70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米技术的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。 纳米技术的迅速发展是在80年代末、90年代初。1982年IBM公司苏黎世研究所的两位科学家G·宾尼格和H·洛勒发明了费曼所期望的纳米技术研究的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM）。这是一种基于量子隧道效应原理的新型高分辨率显微镜，它能以原子级的空间尺度来观察宏观块体物质表面上的原子和分子的几何分布和状态分布，确定物体局部区域的光、电、磁、热和机械特性。到20世纪80年代末，STM已发展成为一个可排布原子的工具。1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字，这是人们首次在原子、分子水平上进行的操作。1991年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子拼写出世界上最小的字母“IBM”。1993年，中科院北京真空物理实验室的科学家们也利用扫描隧道显微镜操纵硅晶体表面的原子，在200nm×200nm的尺度上成功地写出了“中国”两字，这也标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 目前普遍认为纳米技术研究的内容主要有以下四个方面： （1）纳米材料： 指由纳米单元构成的任何类型的材料，如金属、陶瓷、聚合物、半导体、玻璃和复合材料等。这些纳米级的结构单元，如纳米粒子（0维）、碳纳米管（1维）和纳米层（2维）等又是由原子和分子组成的。通过改变纳米结构单元的大小，控制内部和表面的化学性质及它们的组合，就能设计材料的特性和功能。 1991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，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 （2）纳米动力学： 主要研究微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统。主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光通信系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。 （3）纳米生物学和纳米医药学： 主要研究生物分子之间的相互作用，磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA的精细结构等。此外，还包括用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料等。 （4）纳米电子学： 主要研究包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等，它将掀起微型化和分子化的高潮。 纳米技术经过20世纪80年代的理论和实践方面的大量准备，到90年代得到很快的发展。世界上一些发达国家几乎同时提出了国家级的纳米科技的战略规划，并付之以行动。美国为了保持其纳米科学技术领域的强势地位，于2000年初由克林顿总统向美国国会提出“国家纳米技术倡