纳米技术阅读答案纳米技术教材若干重要问题及答案修改版.docx

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纳米技术阅读答案纳米技术教材若干重要问题及答案修改版

一、绪论

1.纳米尺度：

在1nm至100nm（1nm=10-9m）范围内的几何尺度，这正是分子的尺寸。

如果我们做一个纳米小球放在乒乓球上，在数量级比例上就相当于把乒乓球放在地球上。

2.纳米科技将引发一场新的工业革命

纳米科技是未来信息技术和生物技术等各种学科深入发展的一个重要基础，它本身又可以形成一个很大的新兴产业。

第一次工业革命：

18世纪60年代--19世纪中期（人类开始进入蒸汽时代）第二次工业革命：

19世纪下半叶--20世纪初（人类开始进入电气时代）第三次工业革命：

时间不定，约在第二次世界大战之后。

（人类进入科技时代，生物克隆技术的出现，航天科技的出现，欧美有称为21世纪系统与合成生物学将引发第三次工业革命，也即生物科技与产业革命）。

人类社会发展阶段技术与工具尺度单位的变化：

厘米-毫米-

纳米

3.自然界存在的纳米材料、结构

①.荷叶效应：

荷叶的表面上有许多微小的乳突，平均大小约为10微米，平

均间距约12微米，而每个乳突是由许多直径为200纳米左右的突起组成

的。

在“微米结构”上加上“纳米结构”，就在荷叶表面形成了密密麻麻

分布的无数“小山“，”小山“与”小山“间的”山谷“很窄，小的水滴

只能在”山头“间跑来跑去，钻不进荷叶内部，于是荷叶便有了疏水性

能。

莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。

而此细

致的表面的结构与粗糙度达到微米至纳米尺寸的大小。

叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。

液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。

自然界的现象给了科学家无限的想象与创意。

把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒作成涂料涂刷在建筑物表面（例如ispo公司），大楼不会被空气中的油污弄脏，镀在窗户玻璃表面上，玻璃也如同荷叶一般自净而永远透明。

或将这种纳米颗粒放到纤维中，做成防尘的衣物，也许可省去不少洗衣的麻烦。

②“壁虎漫步”的奥秘就在于，壁虎的每只脚底部并非是吸盘，而是长着数百

万根极细的刚毛，每根刚毛末端又有更细的分支，其根部尺寸是微米级

的，端部能达到纳米的大小。

这种精细结构，使得刚毛与物体表面分子间

的距离非常近，从而产生分子引力。

虽然每根刚毛产生的力量微不足道，

但累积起来就很可观。

应用：

纳米壁虎清洁机器人、纳米胶带。

③水面上自由行走的水黾

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。

该研究成果将用于新型水上交通工具：

研究者认为，通过对水黾纳米刚毛的疏水性能研究，不仅可以探索到纳米刚毛对水表面张力、流体阻力的影响规律及水黾之所以能在水面上自由行走的内在原因，还可望在不远的将来设计出新型微型水上交通工具，如无舷船舶。

除此而外，该发现可用于新型防水纺织品的生产，甚至人类的水上行走都成为可能。

④不怕冷的北极熊

北极熊长期生活在北极，而且你在冰水中游泳也不怕冻伤，究其原因是其皮毛的保护作用，北极熊的皮毛是两层中空的纳米管组成且层间有空隙，因空气的传热系数很低，就实现了保暖的功能，因此北极熊利用此结构长期生活在地球的最冷地带。

二、纳米材料与结构

1.按空间维度分类：

零维、一维、二维。

零维：

就是在三个维度上尺寸都处于纳米级别的。

如纳米颗粒

一维：

有两个维度上尺寸处于纳米级别。

如纳米线，纳米带

二维：

一个维度上尺寸处于纳米级别。

如石墨烯

2.纳米材料的基本效应①小尺寸效应：

当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应

我的理解是尺寸小了就会出现一些新的现象、新的特性。

从理论层面讲主要是由于尺寸变小导致了比表面的急剧增大。

由此很好地揭示了纳米材料良好的催化活性。

例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。

再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

利

用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

对于2nm的金粒子，在高分辨率显微镜下可观察到其形态在单晶与多重孪晶之间进行连续的变化，这与通常的熔化相变不同，而是小尺寸粒子所具有的熔化现象。

对于纳米尺度的强磁性粒子，如fe-co合金，当粒子尺寸为单畴临界尺寸时，可具有非常高的矫顽力，可用于磁性信用卡、磁性钥匙等。

由于小尺寸效应，一些金属纳米粒子的熔点远低于块状金属，例如，2nm的金粒子的熔点为600k，块状金为1337k，纳米银粉的熔点可降低至100摄氏度。

②表面效应：

是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。

其实质就是小尺寸效应。

球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。

随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。

当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。

例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。

主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。

再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。

因为表面原子数目增多，比表面积大，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键，表面能高，因而导致这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。

这种表面原子的活性不但易引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也会引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

纳米材料由此具有了较高的化学活性，使得纳米材料的扩散系数大，大量的界面为原子扩散提供了高密度的短程快扩散路径，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

③量子尺寸效应：

当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。

④.宏观量子隧道效应：

微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。

3.纳米材料的应用

电子信息、生物医学、能源与环境、军事与航空航天、日常生活。

④航天航空：

纳米倾斜功能材料

在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。

因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。

但块状陶瓷和金属很难结合在一起。

如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。

当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。

军事

②医疗上的应用

血液中红血球的大小为6000～9000nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。

如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。

使用纳

米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。

纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。

使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和dna诊断出各种疾病。

③环保：

能源

①电子信

息

⑤日常生活：

防尘衣服、除菌、家居、涂料。

。

。

个人对纳米技术的看法：

纳米技术由于纳米材料的特殊特性因此具有了强大应用的可能，从课程的学习以及相关资料的搜索中，我们也清晰地看到，纳米技术的确在各个领域，如电子信息、生物医学、能源与环境、军事航空、日常生活等均已有相关实际运用，体现出了其强有力功能的发挥和带来的神奇效应，体现出纳米技术的远大前景。

作为一项具有革命性质的新科学技术，纳米技术的研究和发展势必会引发起一场广泛的技术革新，极大地促进社会科学技术水平和生产力水平的提高，乃至社会意识的改变。

虽然目前纳米技术还没有大规模应用，而且不少核心应用还处于实验室研究探索乃至理论验证阶段，但已经表现出其巨大的潜力，我们可以对此充满期待。

当然，我们也必须认识到纳米技术可能带来的某些潜在的危害性。

纳米材料的特殊性质可以有应用的基础，也可能在对立面产生负面效应。

由于纳米材料尺度达到了纳米级别，材料在这层次的特性既有利的一面，如利用纳米技术在生物医学上进行基因的靶向治疗等，但也可能出现弊的一面，因为纳米材料实在太小，可自由进出一些细胞，我们无法保证这些纳米颗粒没有毒性，无法保证这些颗粒不会与人体内的蛋白质作用而产生破坏性，因此我们也必须辩证地对待。

以及还有人担心的纳米技术在军事上的应用会引起世界

的不安与动荡等等，的确也应给与思考。

但是，我个人还是对纳米技术持乐观态度的。

对转基因技术的看法：

基因工程中应用最广泛的技术就是转基因技术，它可以克服物种之间的遗传屏障，按照人的意愿创造出自然界里原来没有的生命形态或者稀有物种，以满足人类的需求。

由于可以按照实际需求在基因层次上对现有进行改造或创造出新基因，因此转基因技术可以给人类在多领域带来福祉。

如在农业方面，可以培育抗病虫害的农作物，利用植物生产疫苗，在医学方面，可以利用动物生产药物，用动物器官代替人类器官，乃至基因诊断和治疗等等，应该说，由于定向地进行操作，因此目的性实用性很强。

但转基因技术也有其相应可能潜在的威胁，目前讨论得沸沸扬扬的转基因农作物就是一个集中体现，到目前为止，还不能完全确定转基因食品究竟有没有毒性，究竟会不会产生某些抗性甚至造成基因的污染等可能严重性问题，因此还是应该保持谨慎的态度。

诚然，转基因技术的应用有利于解决人口众多而粮食产品相对不足这个重大的社会难题，但还是应该先保证其安全可靠性。

所以进一步的更多的研究试验是必须的，并且在进行局部性试用时，应加强可控性以及实际作用性的探究。

我们不能否认转基因技术的强大，我们在质疑的同时也要给与其发展空间，也许未来和时间会给出一个相对科学的判断，只是这个时间不要拖得太长。

三、纳米制备纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法真空冷凝法

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。

其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

物理粉碎法

通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

机械球磨法

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

化学方法：

气相沉积法

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。

其特点产品纯度高，粒度分布窄。

沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。

其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合