第2讲纳米化学-仪器信息网.PDFVIP

第 2 讲 纳米化学 1. 纳米化学的基本概念和内涵 纳米是一种长度单位，1 纳米（nm ）等于 10－9m ， 即百万分之一毫米、 十亿分之一米。1nm 相当于头发丝直径的十万分之一。纳米科技是研究由尺 寸在 0.1~100 nm 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实 际应用中的技术问题的科学技术。 纳米科技（Nano-Science and Technolongy ）诞生于20 世纪 80 年代，它使 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。最早提出纳米尺度上科学和技术 问题的专家是著名的物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼（R ．P ．Feynman ， 1918~1988）。1959 年 12 月 29 日，他在加利福尼亚举行的美国物理学会年会 上发表演讲时就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖上 并能移动原子，那么就将给科学带来什么！”这正是对纳米科学技术的预言, 也就是人们常说的小尺寸大世界。他还预言，化学将变成根据人们的意愿逐 个地准确放置原子的问题。在那次演讲中，他还提到，当 2000 年人们回顾历 史的时候，他们会为直到 1960 年才有人想到直接用原子、分子来制造机器而 感到惊讶。 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在 20 世纪 70 年代用蒸发法做了超微粒子，并通过研究它的性能发现；一个导电、 导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导 电、也不导热。 纳米科技的迅速发展是在 20 世纪 80 年代末、90 年代初。80 年代初出现 的纳米科技研究的重要工具扫描隧道显微镜（STM ）、原子力显微镜（AFM ） 等微观表征和操纵技术，对纳米科技的发展产生了积极的促进作用。 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国 际STM 学术会议同时举办（实际上是一个会议有两个名称），《Nanotechnology 》 ·298 · 第 8 章 现代化学的研究进展 和《Nanobiology 》两种国际性专业期刊也在同年相继问世。这标志着纳米科 学技术的正式诞生。 纳米科技是 21 世纪科技产业革命的重要内容之一，它是包括物理、化学、 生物学、材料科学和电子学等多门学科的高度交叉的综合性学科。它不仅包 含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为 主线的技术科学，所以纳米科技是一个融科学前沿和先进技术于一体的完整 体系。 纳米科技的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品， 因此研究单原子、分子的特性和相互作用以及揭示在纳米尺度上的新现象、 新效应是纳米科技研究的重要前沿方向。 纳米科技的研究范围主要包括纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、 纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等学科。这些学科为纳米 材料的发展提供了科学基础。其中每一门类都是跨学科的边缘科学，不是某 一学科的延伸或某一项工艺的革新，而是许多基础理论、专业工程理论与当 代尖端高新技术的结晶。并且主要以物理、化学等的微观研究理论为基础， 以现代高精密检测仪器和先进的分析技术为手段，是一个原理深奥、科技顶 尖和内容极广的多学科群。在纳米科技的这些门类中，纳米化学是很重要的 一门，也可以说是其它各门纳米分支学科的基础。 3 9 从化学的的角度看，纳米结构是原子数目在 10 到 10 之间的聚集体。化 学家们对小分子的合成已经积累了相当丰富的经验，而这个尺度的东西对化 学家来说，是个“庞然大物”，是一种新的挑战。 传统化学的研究对象通常包含着天文数字的原子或分子，例如，1g 水包 22 个水分子。因此通常所测得的体系的各种物理化学性质都 含了约 3.346 ×10 是大量粒子的平均行为。实际上，热力学规律成立的前提条件就是由大量粒 子组成的体系。那么，当研究对象变成纳米尺度的物质，纳米尺度的微观世 界，变成一个原子或一个分子时，是否还会遵循我们从课本上学到的传统理 论和规律呢？而且，如何检测，如何