神奇的纳米技术 “如果有一天能按人的意志安排一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？” R.P.Feynman.

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1 神奇的纳米技术 “如果有一天能按人的意志安排一个原子和分子，将会产生什么样的奇迹呢？” R.P.Feynman

2 一、纳米和纳米技术 1、纳米 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm 1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m

3 2、纳米技术 　　纳米科学技术是20世纪80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技。它的内容是在纳米尺寸范围内(0.1nm－100nm)认识和改造自然。通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到分子、原子水平，标志人类科学技术已进入一个新的时代——纳米科技时代。

4 　　谁要想在21世纪领先于世界，谁就必须掌握纳米技术这一关健技术。人们强烈地期待着它能在材料科学、电子仪器、信息通讯、环境和能源、生物、制药及医学等领域，带来广泛的突破性进展。

5 日本《关于促进纳米技术和纳米材料研究开发的方案》
⑴新一代通讯用纳米器件　　　　　⑵超集成系统及其元件/材料研究 ⑶单分子元件及集成　　　　　　　⑷量子元件的探索及研究 ⑸新一代光子学的基础原理　　　　⑹生物分子元件 ⑺超高感度智能传感器技术　　　　⑻医疗IT化，药物转输/纳米机器 ⑼纳米构造的能量贮藏/转换材料　 ⑽纳米构造控制催化材料 ⑾纳米空间材料　　　　　　　　　⑿超分子控制 ⒀纳米管/富勒烯　　　　　　　　 ⒁纳米束子和纳米粒子 ⒂纳米混合构造材料　　　　　　　⒃纳米构造控制/功能材料 ⒄纳米自旋电子设备　　　　　　　⒅纳米造型 ⒆纳米测量　　　　　　　　　　　⒇纳米模拟试验

6 全世界在纳米技术方面的政府研究开发投资额比较(单位：百万美元)
年度 1997年 2000年 2001年 2002年 美国 日本 西欧 其他国家(注) 116 120 126 70 270 245 200 110 422 ~465 ~270 ~380 604 ~650 ~400 ~520 合计 432 825 1492 2174 注：其他国家包括：澳大利亚、加拿大、中国、东欧、 俄罗斯、以色列、韩国、新加坡

7 中国纳米研究情况 　　20世纪80年代后期开始。 　　2001~2005年政府投入20亿资金用于纳米研究，资金投入领域为纳米材料、纳米电子工程学、纳米生物学、纳米电气系统、测量及评价技术。 　　中国在纳米材料的有关研究和开发上颇有特色，例如氧化锌、氧化钛、氧化硅等纳米粒子及粉未材料。 　　2002年2月，中国成立了国家纳米科学中心。

8 二、观察原子世界的眼睛──扫描隧道显微镜
1、观察微观世界的工具 　　科学技术的进步总是与工具的进步密切相关的。自从有了人类文明以来，人们就一直为探索微观世界的奥秘而不懈地努力。 　　1674年，荷兰科学家列文·虎克发明了世界上第一台光学显微镜，观察到了血红细胞水平，分辨率大约为10-6米～10-7m。 　　1973年，德国科学家恩斯特·鲁斯卡成功地发明了电子显微镜 ，观察病毒，分辨率达10-8m。　　 1980年，美国科学家葛·宾尼和海·罗瑞尔发明了扫描隧道显微镜(STM)，观察到原子，分辨率：横向0.1nm，纵向0.01nm。(1986年获得诺贝尔物理学奖)

9 2、隧道效应 在一段导体的两端施加电压，导体就会有电流通过。 如果把这导体弄断并分开，电流就没有了！
如果我们把这断为两截的导体放得非常近（＜1nm），情况如何？ 　　根据经典电学的常识，导体没接上，应该没有电流通过。 　　根据量子力学，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定的程度时，电子将存在一定的几率穿透两个导体之间的势垒，从一端向另一端跃迁，这种电子跃迁的现象在量子力学中称为隧道效应，而跃迁形成的电流称为隧道电流。

10 3、扫描隧道显微镜的工作原理 利用加上高电压的探针与样品，在近距离（<0.1纳米）时产生的隧道电流来“看见”原子。
　　利用加上高电压的探针与样品，在近距离（<0.1纳米）时产生的隧道电流来“看见”原子。　　 STM探针和待测物体间流动的隧道电流，与探针和待测物体之间的距离存在着指数函数关系，即使极其微小的距离差异也可以捕捉到隧道电流的变化。

11 4、扫描隧道显微镜的应用 　　扫描隧道显微镜的发明，不仅可以直接观察原子、分子，而且能够利用STM直接操纵和安排原子和分子，这就实现了人们由来已久的两个幻想，一是直接看到原子，二是按人们的意愿去安排原子、分子。 　　1990年，美国加州的IBM研究室，利用STM，于低温下在镍的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标。 　　日本研究室实现了在室温下进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“peace’91”的字样。 　　中国科学院北京真空实验室科研人员，使用扫描隧道显微镜获得了硅原子“毛泽东” ，此图比真迹（100nm）放大约120万倍。

12 原子字“毛泽东”

13 探针“捡起”该原子 单个氙原子静置在镍原子表面上 原子操作过程的STM像

14 STM的针尖在铜表面上搬运和操纵原子，形成干涉纹
　　上图显示了扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子，使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播，逐渐减小，同时向圆内的电子相互干涉，形成干涉纹。

15 三、纳米材料 1、纳米材料的分类 纳米超微粒子 粒子尺寸为1～100纳米的超微粒子 纳米材料 纳米固体材料 由纳米超微粒子制成的固体材料
根据不同的结构，可分为四类： 纳米结构晶体或三维纳米结构 二维纳米结构或纤维状纳米结构 纳米材料 一维纳米结构或层状纳米结构 零维原子簇或簇状组装

16 纳米材料结构示意图 0.零维 一维 二维 三维

17 2、纳米微粒的制备 物理方法：蒸发冷凝法、离子溅射法、机械研磨法、 低温等离子法、氢脆法、电火花法和爆炸法 纳米微粒的制法
化学方法：水热法、水解法、熔融法 综 合 法：激光诱导化学沉淀法、等离子加强化学沉淀法

18 纳米铁、银、铜的形貌图

19 3、纳米微粒的特性 当小微粒尺寸进入纳米数量级(1~100纳米)时，其本身和由它构成的纳米固体具有许多传统固体不具备的特殊性质。 表面效应
　　当小微粒尺寸进入纳米数量级(1~100纳米)时，其本身和由它构成的纳米固体具有许多传统固体不具备的特殊性质。 　　表面效应 　　定义：表面效应是指纳米离子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力随着增加，从而引起纳米粒子的性质的变化。 表 粒子的大小与表面原子数的关系 直径/nm 1 5 10 100 原子总数N 30 4000 30000 表面原子百分数 40 20 2 　　超微粒子表面活性很高，利用表面活性的特点，金属超微粒子可望成为新一代高效催化剂及储氢材料 。

20 小尺寸效应 　　定义：当超微粒子尺寸不断减少，在一定条件下，会引起材料客观物理、化学性质上的变化 。 　　陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，成为 “摔不碎的陶瓷”。 　　黄金首饰通常呈现光泽，而当被细分到几百纳米时，变为黑色，这说明金属超微粒子对光的反射率很低，一般<1%。利用此特性可制作高效光热、光电转换材料，可高效地将太阳能转化为热、电能。 　　利用超微粒子具有高矫顽力的性质，已做成高储存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、磁卡和磁性钥匙等。

21 量子效应 　　定义：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象。 　　纳米半导体微粒存在不连续的被占据的最高分子轨道能级，并且存在未被占据的最低的分子轨道能级，同时，能隙变宽。由此导致的纳米微粒的催化、电磁、光学、热学和超导等微观特性和宏观性质表现出与宏观块体材料显著不同的特点。

22 四、纳米材料的应用前景 　　我国著名科学家钱学森指出“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且会是一次‘产业革命’”。从表面上看，可能会让人不敢相信，甚至感到似乎有点荒谬至极：某一项技术的用途竟然多得令人难以置信，它可以治疗疾病、延缓衰老、消除有毒废料，可以杀菌、抑菌，增加世界食品供应；还可以修路、造汽车、改善环境、建摩天大楼，　而且，这还刚刚开始，然而，这恰恰就是纳米技术支持者声称能够成为现实，甚至可以在21世纪上半叶就成为现实的东西。尽管有关纳米技术的想法听起来很荒唐，但它确实已成为主流科学，遍布全球的实验室都在设法使它成为现实，使其发挥作用。可以说纳米技术有着不可限量的潜力，正孕育着新的科学技术时代和产业大革命的到来。

23 1、纳米材料在电子信息领域中的应用 　　纳米信息材料是指用于信息领域的纳米材料与结构，它包括纳米电子材料、光学材料和磁性材料。

24 单电子存储器 　　随着信息科学和信息技术的发展，人们对信息的存储量越来越大，而掌上电脑、移动电话、数码相机等电子器件的发展更需要高密度、低能耗的存储设备。例如，对一张高分辨率的彩色图片（1024bit×768bit×24bit），如果不进行压缩，则需要接近20Mbit的存储量，这就意味着存储100张这样的图片需要2Gbit的存储量。对2个小时这样的高分辨图片的VCD（30帧/s）而言，其存储量将达到4Tbit。当然，高级压缩技术的确可以大大降低信息的存储量，但仍然不能从根本上解决呈指数速率增长的信息量。因此，发展一种快速度、高密度、低能耗的存储器件，具有广泛的应用前景。1998年，Yano等人报道了128Mbit单电子存储器的原始模型。

25 纳米芯片 芯片可以看作是集成电路块。集成电路块从小规模向大规模发展的历程，可以看作是一个不断向微型化发展的过程：
　　芯片可以看作是集成电路块。集成电路块从小规模向大规模发展的历程，可以看作是一个不断向微型化发展的过程： 20世纪50年代末　　小规模集成电路　　　集成度为10个元件 20世纪60年代末　　中规模集成电路　　　集成度为1000个元件 20世纪70年代末　　大规模集成电路　　　集成度为10万个元件 20世纪80年代末　　特大规模集成电路　　集成度为＞100万个元件 　　随着集成度的提高，做图的条宽越来越小，现在已减小到0.3μm，1998年，IBM已研制成功存储容量达到64兆位的动态随机存储器芯片，集成电路的条宽只有0.35μm。目前实验室的数据为0.25μm，并向0.1μm进军。到2001年已降到0.13μm，即130nm。 这是电子技术史上的第四次重大突破。今天，集成度已进一步提高到1000万个元件。集成电路的条宽再缩小，将出现一系列物理效应，从而限制了微电子技术的发展。利用纳米技术，开发纳米芯片，将能解决这些问题。

26 　　“芯片巨人”英特尔公司于2000年12月公布,英特尔公司最新纳米技术研制成功30nm晶体管芯片。新芯片的运算速度达10GHz，是目前运算速度最快的芯片运算速度1.5GHz的7倍。它能在子弹飞行30cm的时间内运算2000万次，或在子弹飞行25mm的时间内运算200万次。英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品最早将在2005年以后投放市场。

27 纳米电脑 纳米电脑包括量子计算机、超导电脑、化学电脑、生物电脑和神经电脑 量子计算机
传统计算机的最小信息单位为位，而量子计算机的最小信息单位被称为量子位。 20世纪70年代，英国和美国最早开始对量子计算机进行研究。 1993年，贝尔实验室研究证实，量子计算机的运算速度比现有的数字计算机快得多。 1994年，计算机科学家彼得·肖尔设计了一个具体的量子算法,这是一个革命性的突破。 1996年，IBM公司着手建造量子计算机。 2000年，中国科学院知识创新工程开放实验室成功研制出4个量子位的演示用量子电脑， 美国IBM公司又推出5个量子位的演示用量子电脑。 预 料：虽然量子电脑距离实用化还有很长的一段路要走，但它取代硅芯片电脑可能只 是时间问题。

28 生物电脑 　　电脑的性能是由元件与元件之间电流启闭的开关速度决定的。科学家发现, 蛋白质有开关特性，用蛋白质分子元件制成的集成电路， 称为生物芯片。 使用生物芯片的电脑称为蛋白质电脑，或称为生物电脑。 　　用蛋白质制造的电脑芯片，在1mm2面积上可容纳数个电路。因为它的一个存储点只有一个分子大小，所以存储容量可达到普通电脑的10亿倍。 蛋白质构成的集成电路大小只相当于硅片集成电路的10万分之一， 而且运转速度更快，大大超过人脑的思维速度，生物电脑元件的密度比大脑神经元的密度高100万倍，传递信息速度也比人脑思维速度快100万倍。

29 　　生物分子集成电路在1cm3体积内，可容纳一个大型电子计算机的记忆装置，其应用前景十分诱人。所以，一些发达国家投入巨额资金，开发生物集成电路。它给我们人类带来的希望是多方面的，不仅电脑可以做得超微型化，而且它的计算速度更快，存储的信息更多。更重要的是，生物集成电路的问世，可以创造出许多过去连想都不敢想的奇迹来。例如，把生物集成电路片植入盲人的视网膜皮质中，使盲人重见光明；把它植入截瘫者的脊髓中，能使病人接受外界微弱的电信号而使四肢活动起来。

30 　　有些科学家预言，21世纪初，生物电脑即可问世并成为商品。这将改变人们的生活、工作和学习方式。例如，人们很容易忘记许多事情，如有一台生物电脑在身，　它就可以把你每天所做的事或接触的人，以及处理过的文字文件统统记录下来，在存储器中长期存储。当你需要回忆时，只要打开生物电子计算机，它就可以把你需要查询之事告诉你。有了它，我们学习任何一门科学，都会觉得极为方便，它可以给我们讲课、复习、回答任何问题。至于在日常生活中，它可以帮助我们安排得井井有条，提醒我们应该去做的事。

31 神经电脑 人脑有140亿神经元及10亿多神经节，每个神经元都与数千个神经元交叉相连，它的作用都相当于一台微型电脑。人脑总体运行速度相当于每秒1000万亿次的电脑功能。用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成了神经电脑。神经电脑的信息不是存在存储器中，而是存储在神经元之间的联络网中。若有节点断裂，电脑仍有重建资料的能力，它还具有联想、记忆、视觉和声音识别能力。 神经电脑将会广泛应用于各领域。它能识别文字、符号、图形、语言以及声纳和雷达收到的信号，判读支票，对市场进行估计， 分析新产品，进行医学诊断，控制智能机器人， 实现汽车自动驾驶和飞行器自动驾驶，发现识别军事目标，进行智能决策和智能指挥等。因此，神经电脑又被称为人工大脑，它是人类开发的第六代电脑。

32 日本科学家已开发出神经电脑用的大规模集成电路芯片， 在1
　　日本科学家已开发出神经电脑用的大规模集成电路芯片， 在1.5cm2的硅片上可设置400万个神经元和4万个神经节，这种芯片能实现每秒2亿次的运算速度。富士通研究所开发的神经电脑， 每秒更新数据速度近千亿次。日本电气公司推出一种神经网络声音识别系统， 能够识别出任何人的声音，正确率达99.8%。美国研究出由左脑和右脑两个神经块连接而成的神经电脑。右脑为经验功能部分，有1万多个神经元，适用于图像识别；左脑为识别功能部分，含有100万个神经元，用于存储单词和语法规则。 现在， 纽约、 迈阿密和伦敦的飞机场已经用神经电脑来检查爆炸物，每小时可以查600～700件行李，检出率为95%，误差率为2%。

33 纳米磁性材料 磁学性能纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶粒材料所不具备的磁特性。纳米微粒的主要磁特性可以归纳如下： 超顺磁性　纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，例如α-Fe，Fe3O4和α-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。 矫顽力　　纳米微粒尺寸高于超顺临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc。 高磁化率　纳米磁性金属的磁化率X是常规金属的20倍。

34 纳米磁性材料的应用 巨磁阻材料 　　磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下的电阻改变的现象。所谓巨磁阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属或合金材料的磁电阻数值约高10余倍。由于巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景。美国、日本和西欧都对发展巨磁阻材料及其在高技术上的应用投入很大的力量。1994年IBM公司研制成巨磁阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，达5Gbit/in2，最近报道为11Gbit/in2，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化、廉价化，可广泛用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器中。 磁记录材料　 　　纳米颗粒磁记录材料、磁记录薄膜　　

35 2、纳米材料在航空航天领域中的应用 　　高新技术材料是航空航天技术的基础，航空航天技术的发展不断对材料科学提出新的要求。航空航天结构材料要求具有高的强度，低的密度，部分材料还要求具有耐高温、耐腐蚀、耐磨擦、耐高压等性能。纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。这些使得纳米材料在航空航天领域中具有广泛的应用前景。

36 航空航天飞机外壳不同部位的温度分布

37 纳米金属复合结构材料 　　铝合金是传统的制造超音速飞机或飞行器蒙皮的合金材料。而今，密度只有约铝合金50%的锂－镁合金等， 以其塑性好、强度高等特性开始大量用作导弹、宇宙、飞船的结构材料。为了进一步提高这些新型合金的性能，纳米相及纳米金属间化合物弥散补强合金可大幅度提高材料的强度，降低材料的用量，减轻飞行器的质量，从而提高飞行器的飞行速度和性能。

38 纳米焊接 金属焊接通常都是在高于金属熔点的高温下进行，但是，对于飞行器或其他部位的焊接将是非常困难的，为了保证相差仪表及传感器不受影响，只有采用纳米焊接。一方面随着颗粒尺寸的减小，纳米材料的熔点不降，另一方面随着颗粒比表面积的提高，扩散速度大幅度上升。 金的熔点为1064℃，10nm金的熔点为940℃，2nm金的熔点为833℃。 俄罗斯科学家利用纳米焊接技术对和平号太空站的外壳裂纹及仪表等进行了多次成功的纳米焊接修补。使和平号太空站的服役时间延长了近3倍。

39 纳米复合涂层材料 　　涂层材料是航空航天材料中的重要组成部分。随着航空航天技术及材料科学的不断发展，航空航天涂层材料已经由过去的单一功能发展成为集防护、装饰与特殊功能（如隐身）于一体多功能复合涂层材料。已由单一有机或无机涂层发展成为集表面处理、 纳米改性及有机-无机涂层技术相结合的复合功能材料涂层。

40 防护涂层 作用：防止金属材料的腐蚀和延缓复合材料的老化，从而保证飞行器的安全飞行和延长飞行器寿命。
金属及合金的纳米涂层材料：提高材料的抗腐蚀性能及适当提高耐磨性能。 陶瓷材料纳米涂层：用于耐高温、抗腐蚀、耐磨、高强度、电绝缘等关键部位。 塑料与高分子纳米复合涂层材料：增强涂层结合强度，提高涂层抗腐蚀能力，防止塑料老化变脆。

41 纳米隐身材料 　　“隐身”这个名词，顾名思义就是隐蔽的意思。近年来，随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进。例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机；利用红外探测器可以发现放射红外线的物体。当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中的实力，也将隐身技术作为一个重要研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要的地位。纳米隐身涂层是包含纳米微波涂层、纳米光学及红外涂层等技术的一种特性功能的复合结构涂层。

42 　　隐身技术是当代军事领域中举世瞩目的高新技术之一，它与激光、巡航导弹并称为当代军事技术的三大革命，因此受到世界各国的重视。目前的隐身技术主要有反声纳探测技术、反雷达探测技术、反光学探测技术和反红外探测技术。美国的隐身技术最先进，1991年海湾战争中，美国第一天出动的战斗机就躲过了伊拉克严密的雷达监视网，迅速到达首都巴格达上空，直接摧毁了电报大楼和其他军事目标，在历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95%的重要军事目标被毁,而美国战斗机却无一架受损。这场高技术的战争一度使世界震惊。

43 为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策？ 为什么美国的导弹击中伊拉克的军事目标如此准确？空对地导弹击中伊拉克的坦克为什么有极高命中率？ 一个重要的原因就是美国F117A型战斗机机身表面包覆了红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视。而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，并通过先进的激光制导武器很准确地击中。

44 　　美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子， 它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？主要原因有两点：一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微米材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微米材料的比表面积比常规粗粉大3～4个数量级， 对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多。

45 3、纳米技术在环保和能源领域的应用 纳米粒子光催化
　　纳米粒子作为催化剂有着许多优点：首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高；另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。　因此电子、空穴能够到达表面的数量多，化学反应活性高。纳米粒子的光催化成为一项正在蓬勃发展的应用于水与空气净化、修复的高新技术。

46 纳米材料在空气净化中的应用 空气污染物质：一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）。 工业生产中燃料使用产生的有害气体
汽车排放的尾气（主要） （大城市中40%以上NOX，80%以上的CO和70%以上的碳氢化合物来源于汽车尾气的排放污染） 空气污染源 开发替代燃料 研究用于控制和减少汽车尾气对大气污染的材料 解决对策

47 纳米材料具有处理空气污染方面的原理 　　纳米材料具有较小的颗粒尺寸，而且纳米微粒表面形态随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凸凹不平的原子台阶，从而起到以下三个方面的作用： ①提高反应速度，增加反应率 ②决定反应路径，良好的选择 ③降低反应温度 纳米汽车尾气超标报警器 　　纳米材料制备与组装的汽车尾气传感器，通过对汽车尾气排放的监控，及时对超标排放进行报警，并调整合适的空燃比，达到降低有害气体排放和燃油消耗的目的。

48 纳米级助燃催化剂 　　复合稀土化合物的纳米级粉体有极强的氧化还原性能，这是其他任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可以彻底解决汽车尾气中的一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOX）的污染问题。以活性炭作为载体，纳米Zr1/2Ce1/2O2粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+，电子可以在其三价和四价离子之间传递，因此具有极强的电子得失能力和氧化还原能力，再加上纳米材料比表面积大、空间悬键多、吸附能力强，因此它在氧化一氧化碳的同时还原氮氧化物，使它们转化为对人体和环境无害的气体—二氧化碳和氮气。

49 纳米材料在污水处理中的应用 　　污水治理就是将污水中通常含有的有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等物质从水中去除。　由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染问题，污水治理一直得不到很好的解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。 　　一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂AlCl3的10~20倍，因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来。然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭等净化装置，有效地除去水中的铁锈、泥沙以及有异味的污染物。若再经过带有纳米孔径和特殊水处理膜和带有不同孔径的陶瓷小球组成的处理装置，可将水中的细菌、病毒100%去除。

50 自清洁表面 TiO2具有两种特殊的光感应现象， 一种是我们前面提到的光催化现象，第二种是最近才发现的亲水性，这种现象被称为超亲水性。
　　超亲水性是1995年在ToTo公司的实验室里意外发现的。当时TiO2薄膜在制备过程中掺入一定百分比的SiO2时， TiO2薄膜在紧外光的照射下获得了超亲水性。光诱导超亲水性的机理如下：电子将Ti(Ⅳ)离子还原成Ti(Ⅲ)，空位将去氧化氧离子。氧原子被逐出形成氧空位，水分子可以占据这些空位产生OH基团，从而使表面具有亲水性。

51 图　光诱导超亲水性的机理

52 　　长久以来，许多公司尝试开发自清洁面，尤其是自清洁窗。其中一条途径就是使所需的表面具有较高的亲水性，从而水流足够将造成污点的有机化合物替换掉。超亲水性的应用见下表。
表 　超亲水性的应用 性能 种类 应用 自清洁 道路 房屋 建筑物 电器和电子设备 交通工具 日常用品 隧道墙面、隧道照明灯、隔声墙、厨房卫生间的瓷砖、屋内瓷砖、窗户铝质面板、建筑用砖、结晶玻璃、计算机的显示器、太阳能电池的覆盖玻璃、挡风玻璃及车前灯的内表面涂层、餐具、厨具、喷射的防污涂层 防雾 商店 光学仪器 公路指示牌 浴室及换衣间的镜子 需冷冻的陈列橱 玻璃内表面，后视镜 房屋涂层和薄膜 光学透镜

53 燃料电池 　随着工业的发展和人类物质生活及精神文明的提高，能源的消耗也与日俱增，世界上最近25年内能源的消耗相当于过去100年的消耗。地球上天然矿物的一次能源如石油、煤炭和天然气等存储量快速减少，同时能量消耗的急剧增长又导致人类生存环境的恶化，因此在开发新能源的同时必须考虑能源的高效利用及尽可能降低对环境的污染。 　除太阳能、风能、水能和生物能等再生能源外，氢能以其特有的优势和丰富的资源受到广泛重视。氢是宇宙中最丰富的元素，占宇宙总质量的75%，地球上也分布着氢，取之不尽，用之不竭。氢的燃烧产物是水，不会对环境产生任何污染。因此，氢能是一个有待进一步开发的再生能源。

54 　　燃料电池是利用氢元素与氧元素反应生成水的化学反应而制成的低公害电池。它由催化剂、电极和离子传导膜构成（见图），一端的电极附着有用于使氢分子分离为电子和氢离子的催化剂，另一端电极则附着有可使氢离子与空气中的氧元素反应生成水的反应催化剂。电极之间用膜隔开，氢离子可在这层膜间移动。为了使氢元素和氧元素的反应尽可能高效率进行，有必要使用大小为纳米级的贵金属粒子对催化剂进行分散，此外，为了使氢离子、空气及氢气或水蒸气能迅速移动，还必须在电极上设置适当的空隙。电极之间的膜则要求具有电子无法通过，而氢离子可以自由通过的特性。为了使0.1~1纳米大小的分子和离子高效率地活动和反应，采用纳米材料可以进行控制。

55 固体高分子型燃料电池的基本原理 固体高分子型燃料电池的工作原理图

56 4、纳米技术在生物医药领域的应用 　　被称为“纳米生物技术”的新领域最近备受注目。 生物是由大小数纳米至数十纳米的蛋白质、脂质、糖、核酸等生物分子结合，构成细胞内的核及微小的器官，再由这些细胞构成生物组织和生物的。这些生物分子分别被配置在各细胞内，相互间有机结合，进行代谢反应及合成反应， 接收、传输或转换信息， 生产能源、运动等，换句话说，生物是由纳米水平的生物分子为中心构成构造体，再由这些构造体集聚起来，相互作用，发挥各自的功能，从而形成生命现象的。 　　这些生物分子具有自集合、自组化、自我复制等令人惊异的功能，可以说，生物体本身就是纳米技术的最好样板。目前，纳米技术与生物技术相结合而成的纳米生物技术这一新的技术开发领域在迅速成长，人们对它寄予了极大的期待。

57 药物传输系统（DDS） 向身体施以药物，药物即会向全身扩散分布，在不需要药物的部位也发生作用，这种药物作用称为副作用，假如是抗癌药物的话，其引起的后果有时会是非常严重的，为了解决这个问题，人们设想了“在必要的时候、必要的部位、以必要的量使药物产生作用”的药物传输系统（DDS）。

58 利用光和糖的巨分子型药物传输系统 图1　巨分子与树突

59 图2　利用巨分子进行药物输送

60 图3　利用细胞表层的感应体来识别糖并吸收至细胞内

61 图4　通过糖使细胞识别及通过光照射将药物释放出的巨分子型DDS的构造

62 图5　巨分子型DDS作为慢性风湿性关节炎治疗药物的可能性

63 利用高分子纳米胶态离子的药物传输系统 　　作为载体被关注的纳米微粒子中有一类高分子胶态离子，其特征是大小为数十纳米，粒子内部拥有相分离构造（核－壳构造），不仅尺寸非常重要，拥有核－壳构造也是作为药物输送载体发挥功能的重要前提。高分子胶态离子将药物保存在核内，壳则起到抑制与体内其他物质（蛋白质等）发生接触的保护层作用，事实上，高分子胶态离子通过静脉注射方法将药物投入体内的话，可以长期存在于血液中，经动物实验证实，它可以将厌水性的抗癌药物一直保持到癌症完全消失。

64 图1　作为药物输送载体十分有效的纳米微粒子

65 图2　作为药物输送载体的高分子胶态离子

66 图3　通过可保持抗癌药的高分子胶态离子实现有效的DDS

67 活体细胞内的外科手术 　　利用激光器放射出的近红外线，可以直接切除活体组织及细胞的内部，或在细胞器官上钻孔等，这一技术使得利用光进行细胞或组织的诊断及手术，以及其功能的控制成为可能，因而被寄予了极大的期待。

68 图1　利用激光进行细胞纳米手术 图2　利用激光切断的红血球

69 图3　激光对分子的破坏 图4　用激光激起钙离子浓度的上升 图5　钙离子浓度的上升还可以传递至周围的细胞

70 利用微多孔膜进行血液透析的技术 　　利用微多孔膜将物质分离的技术，也被应用于医疗领域。最有代表性的就是血液透析，它被称作人工肾脏。所谓血液透析是指采用血液净化方法代替功能低下的肾脏，将生物不需要的坏死物质除去，是维持尿毒症患者生命不可缺少的治疗方法。

71 图1　血液透析的原理

72 图2 中空线型血液透析器的外观照片

73 图3 中空线型血液透析器的构造

74 图4 中空线膜的照片（a） 中空线膜断面的电子显微镜照片（b）

75 图5　血液透析系统的一例

76 　　由于纳米技术的出现，将带来改变世界的数次工业革命。第一次工业革命带来了蒸汽机、拖拉机，第二次工业革命造就了电力时代，第三次工业革命的计算机信息时代。这三次工业革命所取得的成就，今天的人类正在收益着。那么，神奇的纳米技术将给人类的明天带来怎样的惊喜呢？专家预言，未来的数次工业革命将与纳米技术有着密切相关的联系。我们期待着纳米技术带给我们更方便、更美好的新生活。