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纳米技术及纳米食品 主讲人:谢岩黎 博士 一、纳米与纳米技术 集成电路：一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张图片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。 肉眼看激光唱片(Compact Disk, CD)，表面十分光滑。从微观上看，光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起。 纳米技术存储器 上图：Millipede - 第一个应用于数据存储的纳米技术 下图：Millipede存储芯片的实验室原型。 激光技术加工合成树脂 日本科学家使用激光技术，用合成树脂制成了迄今为止世界上最小的牛。 1．纳米 - 1米的十亿分之一 纳米（nanometer）——长度单位 nano是十亿分之一的意思 1纳米是1米的十亿分之一，记作nm 1纳米：10个氢原子一个挨一个排成一列 20纳米：1根头发丝的三千分之一 2. 纳米技术(Nanotechnology) 诞生：20世纪80年代随着新型显微镜(STM)的出现，人们能看清1纳米大小的物质，于是出现了纳米技术即毫微米技术。 纳米结构：指尺寸在100纳米以下的微小结构。 3. 纳米技术概念的提出 40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源 4. 纳米技术的实现与发展 放大倍率达千万倍的扫描隧道显微镜（STM）发明后，纳米技术真正成为一门科学技术。 从20世纪90年代初起，纳米科技得到迅速发展，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等新名词、新概念不断涌现。 专家预测：未来全球技术发展的9大关键技术之一就是纳米科技的研究与应用。 5．扫描隧道显微镜(STM) 1981年，美国IBM公司在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛·宾尼(G.Binnig)和罗·海雷尔(H.Rohrer)发明了新式显微镜，称为“扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) ”，简称STM 。 应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。 STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。 我国的纳米先锋 自2080年代中期以来，纳米科学和纳米技术越来越受到重视。 为期十年的“纳米科学攀登计划”和一系列先进材料的研究计划是核心活动。已投入经费约数千万元人民币。 有实力的领域是纳米探针和运用纳米管的生产工艺的开发方面。 势垒：在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即： 隧道效应 STM的工作原理 将针尖和样品表面作为两个电极，当其间距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成 “隧道电流”隧道效应。 STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。 STM工作方式 恒电流扫描 恒高度扫描 STM的结构 主要由STM主体、电子反馈系统、计算机控制系统及高分辨图象显示终端组成。 ——核心部件是探头。 ——电子反馈系统用于产生隧道电流并维持隧道电流的恒定，控制针尖在样品表面进行扫描。 ——计算机系统控制全部系统的运转，收集和存贮所获得的图像，并对原始图象进行处理，最后对在图象显示终端显示出的图象拍摄照片。 STM的原理示意图 6.纳米操纵技术 纳米级微加工后的表面 应用隧道效应，用STM可以人为操作表面 利用计算机控制STM的针尖作有规律的移动，在某些部位加大隧道电流的强度或使针尖顶端直接接触到样品的表面，在某些样品如石墨的平坦表面上刻出有规律的痕迹，形成某些有意义的图形和文字 中科院化学所用自制的扫描隧道显微镜，在石墨晶体表面刻写出一幅中国地图，并写出“中国”两个字。两幅图像和文字的线条宽度只有10纳米。 中科院化学所的科技人员利用纳米技术在石墨表面通过搬迁碳原子绘制出世界上最小的中国地图 移动氙原子 1990年4月，美国IBM公司的两位科学家在用STM观测金属镍表面的氙原子时，由探针和氙原子的运动受到启示，尝试用STM针尖移动吸附在金属镍表面上的氙原子，得到下图所示的情况。 并在液氦的低温下，将35个氙（Xe）原子在镍（Ni）表面上移动排列出5个原子高的“IBM”的构图。 移动铁原子 1993年美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形； 而后，又成功地移动铁原子写成了两个汉字 “原子”。 铁基FeCO分子形成过程 一个铁原子(Fe)与一个一氧化碳( CO )分子结合成一个铁基分子( FeCO )的过程如图所示 7. 2002年纳米操纵成像获重大突破 2002年第一期国际纳米界权威杂志《纳米通讯》采用了三个“笔迹”稍有歪扭的“DNA”字母