PPT1通识课程 题目：走进纳米科学 PPT2课程内容安排 ®专题1：认识纳米科学 ©专题2：纳米科学与生活 ©专题3：纳米技术与人类的认知 ©专题4：纳米技术在军事、航天领域的应用 ©专题5：纳米技术在生物、医疗领域的应用 ©专题6：纳米技术在交通、能源及MEMS系统中的应用 PPT3主要内容 1.1纳米的基本概念 1.2纳米科技发展史 1.3国内外纳米技术发展概况 1.4纳米技术的发展前景 1.5两种典型纳米材料介绍 PPT4 1、微电子技术的发展己到了纳米级的尺寸。 到目前，电子器件的尺寸己到了100m的范围，到2014年，计算机芯片上的晶体管的 最小线宽将降低到20m,经典物理学的极限己经来临量子器件的发展势在必行。可以说微 电子和信息、技术驱动了纳米技术。 PPT5 2、先进的显微技术和微观操纵技术 先进的显微技术和微观操纵技术使得人们可以将原子级的微观过程展现出来。透射电子 显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜、纳米镊子的急速发展给人们带来探索世界的“眼 晴”和操纵原子的“工具”，利用这些眼睛我们可以观测以前看不见的纳米世界，操纵以前 只可以想象而不能设计建造的原子分子结构。1989年，BM公司的DonaldM.Eigler首次用单 个的氙原子写下了该公司名字中的3个字母。 PPT6 3、新纳米结构层出不穷 新的纳米结构的发现极大地激发了人们研究热情。例如美国人Krot(柯尔)与smalley (斯莫利)及英国科学家克罗托在1985年发现的布基球（获1996年诺贝尔化学奖）、饭岛澄 男(sumiolijima)在1991年发现的碳纳米管以及半导体量子点和量子线、半导体氧化物带等纳 米结构的发现，为人们展现了纳米世界的多变性、多样性。 PPT7 4、计算机和网络技术为主导的信息技术产业群带，发展迅猛，不断掀起新技术革命浪潮， 推动信息化进程日新月异。 信息技术和信息产业的高速发展，对人类历史的进步和经济、社会、文化的发展产生了 全面而深刻的影响。信息产业正在成为规模最大、渗透力最强的战略性支柱产业，这样的形 势必然推进并启示相关科学技术和产业与其俱进，满足它发展中的需求。20世纪80年代以 来特别是进入了90年代后，正是在这种形势下以微电子、计算机和网络技术为主导的信息 技术产业群带，发展迅猛，不断掀起新技术革命浪潮，推动信息化进程日新月异。应用纳米 技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之 一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。 目前，纳米计算机的成功研制己有一些鼓舞人心的消息，惠普实验室的科研人员已开始应用
PPT1 通识课程 题目：走进纳米科学 PPT2 课程内容安排 专题 1：认识纳米科学 专题 2：纳米科学与生活 专题 3：纳米技术与人类的认知 专题 4：纳米技术在军事、航天领域的应用 专题 5：纳米技术在生物、医疗领域的应用 专题 6：纳米技术在交通、能源及 MEMS 系统中的应用 PPT3 主要内容 1.1 纳米的基本概念 1.2 纳米科技发展史 1.3 国内外纳米技术发展概况 1.4 纳米技术的发展前景 1.5 两种典型纳米材料介绍 PPT4 1、微电子技术的发展己到了纳米级的尺寸。 到目前，电子器件的尺寸己到了 10Onm 的范围，到 2014 年，计算机芯片上的晶体管的 最小线宽将降低到 20nm，经典物理学的极限己经来临量子器件的发展势在必行。可以说微 电子和信息、技术驱动了纳米技术。 PPT5 2、先进的显微技术和微观操纵技术 先进的显微技术和微观操纵技术使得人们可以将原子级的微观过程展现出来。透射电子 显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜、纳米镊子的急速发展给人们带来探索世界的“眼 睛”和操纵原子的“工具”，利用这些眼睛我们可以观测以前看不见的纳米世界，操纵以前 只可以想象而不能设计建造的原子分子结构。1989 年，IBM 公司的 DonaldM.Eigler 首次用单 个的氙原子写下了该公司名字中的 3 个字母。 PPT6 3、新纳米结构层出不穷 新的纳米结构的发现极大地激发了人们研究热情。例如美国人 Krot（柯尔）与 smalley （斯莫利）及英国科学家克罗托在 1985 年发现的布基球(获 1996 年诺贝尔化学奖)、饭岛澄 男(sumioIijima)在 1991 年发现的碳纳米管以及半导体量子点和量子线、半导体氧化物带等纳 米结构的发现，为人们展现了纳米世界的多变性、多样性。 PPT7 4、计算机和网络技术为主导的信息技术产业群带，发展迅猛，不断掀起新技术革命浪潮， 推动信息化进程日新月异。 信息技术和信息产业的高速发展，对人类历史的进步和经济、社会、文化的发展产生了 全面而深刻的影响。信息产业正在成为规模最大、渗透力最强的战略性支柱产业，这样的形 势必然推进并启示相关科学技术和产业与其俱进，满足它发展中的需求。20 世纪 80 年代以 来特别是进入了 90 年代后，正是在这种形势下以微电子、计算机和网络技术为主导的信息 技术产业群带，发展迅猛，不断掀起新技术革命浪潮，推动信息化进程日新月异。应用纳米 技术研制的计算机内存芯片，其体积不过数百个原子大小，相当于人的头发丝直径的千分之 一。纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源，而且其性能要比今天的计算机强大许多倍。 目前，纳米计算机的成功研制已有一些鼓舞人心的消息，惠普实验室的科研人员已开始应用
纳米技术研制芯片，一旦他们的研究获得成功，将为其他微型计算机元件的研制和生产铺平 道路。 2013年9月26日消息，斯坦福大学9月25日宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术 的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体 技术以生产新型电脑设备。英国学术杂志《自然》己在最近一期刊物中刊登了斯坦福大学的 研究成果。 “这是有史以来人类利用碳纳米管生产出的最复杂的电子设备。”斯坦福大学项目研究 小组出版论文联合作者马克斯·夏拉克尔(Max Shulaker)表示，“关于（纳米技术）这个领 域，舆论有很多天马行空的渲染。但人们却从来没有真正确定，这个技术原来是可以像现在 这样，以一个如此实际、实用的方式被利用的。” 斯坦福大学的研究成果基于来自包括BM等数家科研机构的技术成果之上。碳纳米 管是由碳原子层以堆叠方式排列所构成的同轴圆管。该种材料具有体积小、传导性强、支持 快速开关等特点，因此当被用于晶体管时，其性能和能耗表现要大幅由于传统硅材料。 夏拉克尔团队打造的人类首台纳米电脑实际只包括了178个晶体管，并运行只支持计数 和排列等简单功能的操作系统。然而，尽管原型看似简单，却己是人类多年的研究成果。 5、新的量子现象的发现 新的量子现象的发现为人们设计未来世界提供了新的手段、新的工具和迥然不同的工作 原理，这给未来发展留下了广阔空间。如电导率的量子化、热导率的量子化等。 PPT8 1.1.2纳米技术的相关术语 1、纳米的定义：一种长度单位，1纳米等于十亿分之一米(10米)。 名称和 尺度数量级 单位 缩写 比值 人体感觉细胞： 50100μme 米 m 主单位 人卵细胞 100um' 分米 dm 1/10 大多数植物细胞 25~50μme 厘米 cm 1/100 人体红细胞： 27μme 毫米 mm 1/1000 人体红血球（最小）5um 丝米 dmm 1/10000 细菌 1μme 病毒和 数百nme 忽米 cmm 1/100000 蛋白质分子 数十nm 微米 m 1/1000000 DNA分子直径2nm (螺距)3.4nm 纳米 nm 1/10000000000 原子 nm或A级： 埃 A 1/100000000000 PPT9 2、纳米尺度下各物质尺寸的比较 我们还可以举几个常见的例子来对比一下。 以纳米为单位，图中2米高的篮球运动员是20亿纳米，针头直径是100万纳米，红血球是 1千纳米，一个分子或者DNA(脱氧核糖核酸)是1个纳米，氢原子直径只有01个纳米， 通过比较对纳米尺度应该有了比较直观的印象。 PPT10 3、存在于我们身边的纳米 墨汁中国古代燃烧蜡烛成炭黑作为墨汁的原料，其中炭黑粒径是纳米级的，砚台中的炭黑
纳米技术研制芯片，一旦他们的研究获得成功，将为其他微型计算机元件的研制和生产铺平 道路。 2013 年 9 月 26 日消息，斯坦福大学 9 月 25 日宣布，人类首台基于碳纳米晶体管技术 的计算机已成功测试运行。该项实验的成功证明了人类有望在不远的将来，摆脱当前硅晶体 技术以生产新型电脑设备。英国学术杂志《自然》已在最近一期刊物中刊登了斯坦福大学的 研究成果。 “这是有史以来人类利用碳纳米管生产出的最复杂的电子设备。”斯坦福大学项目研究 小组出版论文联合作者马克斯·夏拉克尔（Max Shulaker）表示，“关于（纳米技术）这个领 域，舆论有很多天马行空的渲染。但人们却从来没有真正确定，这个技术原来是可以像现在 这样，以一个如此实际、实用的方式被利用的。” 斯坦福大学的研究成果基于来自包括 IBM 等数家科研机构的技术成果之上。碳纳米 管是由碳原子层以堆叠方式排列所构成的同轴圆管。该种材料具有体积小、传导性强、支持 快速开关等特点，因此当被用于晶体管时，其性能和能耗表现要大幅由于传统硅材料。 夏拉克尔团队打造的人类首台纳米电脑实际只包括了 178 个晶体管，并运行只支持计数 和排列等简单功能的操作系统。然而，尽管原型看似简单，却已是人类多年的研究成果。 5、新的量子现象的发现 新的量子现象的发现为人们设计未来世界提供了新的手段、新的工具和迥然不同的工作 原理，这给未来发展留下了广阔空间。如电导率的量子化、热导率的量子化等。 PPT8 1.1.2 纳米技术的相关术语 1、纳米的定义： 一种长度单位，1 纳米等于十亿分之一米（10 -9米）。 PPT9 2、纳米尺度下各物质尺寸的比较 我们还可以举几个常见的例子来对比一下。 以纳米为单位，图中 2 米高的篮球运动员是 20 亿纳米，针头直径是 100 万纳米，红血球是 1 千纳米，一个分子或者 DNA（脱氧核糖核酸）是 1 个纳米，氢原子直径只有 0.1 个纳米， 通过比较对纳米尺度应该有了比较直观的印象。 PPT10 3、存在于我们身边的纳米 墨汁---中国古代燃烧蜡烛成炭黑作为墨汁的原料，其中炭黑粒径是纳米级的，砚台中的炭黑
磨得越细写出来的毛笔字越好看，字迹保存时间越久。 宝剑一削铁如泥，经过纳米溶液表面处理，溶液中的碳元素，金属元素渗入宝剑表面起到硬 化效果。 莲花一自清洁效应，莲叶表面的纳米微凸体产生的张力使空气中的灰尘不会被吸附在表面， 在雨水的冲刷下一尘不染。 蜜蜂蜜蜂身体内存在磁性纳米粒子，具有罗盘的导航功能，飞多远都不会迷路。 牙齿-一含钙的羟基磷灰石(HAP)纳米结构。坚硬无比，能承受极大、不断咀嚼的磨耗和压力。 PPT11 生物体也存在许多纳米结构，比如：蛋白质、DNA(脱氧核糖核酸)、RNA(核糖核酸)、病 毒大小都在1100m的范围内。植物的光合作用在细胞-“纳米车间”进行，细胞中的一 些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就像一个“纳米工厂”，纳米结构是生命 现象中基本的结构。图中的珍珠贝壳就是由纳米文石层片、纳米酸性蛋白质层、纳米丝心蛋 白质层、纳米几丁质层叠加而成，构成的贝壳硬度高，有生物活性。 PPT12 4、纳米技术涉及的领域 纳米技术研究的主要内容包括：纳米物理学，纳米化学，纳米材料学，纳米电子学，纳米力 学，纳米机械学，纳米生物学，纳米医学，纳米测量学等等 PPT13 5、纳米技术中的常用概念 纳米科学：研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。 纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术。 纳米结构和纳米材料：纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下(1-100m)的微小结构。具有 纳米结构的材料称为纳米材料。 PPT14 纳米材料：是指由纳米结构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。 准一维纳米材料：指在两维方向上为纳米尺度，长度为微米级、毫米级的新型纳米材料。 碳纤维 碳纤维布 碳纤维手套 1970,法国科学家首次研制7mm的碳纤维 PPT15 1.2纳米科技发展史 1.2.1纳米技术发展历程 如图所示为纳米技术的发展里程碑。主要包括1959年纳米技术的提出，1981年扫描电子显 微镜的产生，1986年原子力显微镜的产生，1988年1BM公司利用氙原子排出IBM字样，1991 年发现了碳纳米管以及1999年发现的碳纳米管晶体管以及到现在的众多的纳米材料。 PPT16 1.2.2纳米科技历史重大事件 1905年春，爱因斯坦估计出一个糖分子的直径约为1纳米。当提交论文时，因为论文
磨得越细写出来的毛笔字越好看，字迹保存时间越久。 宝剑---削铁如泥，经过纳米溶液表面处理，溶液中的碳元素，金属元素渗入宝剑表面起到硬 化效果。 莲花---自清洁效应，莲叶表面的纳米微凸体产生的张力使空气中的灰尘不会被吸附在表面， 在雨水的冲刷下一尘不染。 蜜蜂---蜜蜂身体内存在磁性纳米粒子，具有罗盘的导航功能，飞多远都不会迷路。 牙齿---含钙的羟基磷灰石(HAP)纳米结构。坚硬无比，能承受极大、不断咀嚼的磨耗和压力。 PPT11 生物体也存在许多纳米结构，比如：蛋白质、DNA（脱氧核糖核酸）、RNA（核糖核酸）、病 毒大小都在 1~100nm 的范围内。植物的光合作用在细胞----“纳米车间” 进行，细胞中的一 些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就像一个“纳米工厂”，纳米结构是生命 现象中基本的结构。图中的珍珠贝壳就是由纳米文石层片、纳米酸性蛋白质层、纳米丝心蛋 白质层、纳米几丁质层叠加而成，构成的贝壳硬度高，有生物活性。 PPT12 4、纳米技术涉及的领域 纳米技术研究的主要内容包括：纳米物理学，纳米化学，纳米材料学，纳米电子学，纳米力 学，纳米机械学，纳米生物学，纳米医学，纳米测量学等等 PPT13 5、纳米技术中的常用概念 纳米科学：研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。 纳米技术：在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术被称为纳米技术。 纳米结构和纳米材料:纳米结构通常是指尺寸在 100 纳米以下（1-100nm）的微小结构。具有 纳米结构的材料称为纳米材料。 PPT14 纳米材料：是指由纳米结构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。 准一维纳米材料：指在两维方向上为纳米尺度，长度为微米级、毫米级的新型纳米材料。 PPT15 1.2 纳米科技发展史 1.2.1 纳米技术发展历程 如图所示为纳米技术的发展里程碑。主要包括 1959 年纳米技术的提出，1981 年扫描电子显 微镜的产生，1986 年原子力显微镜的产生，1988 年 IBM 公司利用氙原子排出 IBM 字样，1991 年发现了碳纳米管以及 1999 年发现的碳纳米管晶体管以及到现在的众多的纳米材料。 PPT16 1.2.2 纳米科技历史重大事件 1905 年春，爱因斯坦估计出一个糖分子的直径约为 1 纳米。当提交论文时，因为论文
过短而被拒绝，他只好加了些段落。 1959年，诺贝尔奖获得者，美国物理学家费曼在加州理工学院作报告：“倘若我们能 按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？现在我们还没有走到这一步，仅仅是因为 我们没有在这方面花足够的时间和精力。” PPT17费曼的赏金 (1)谁第一个能把一页书的信息都纪录到页面的两万五千分之一上，赏1000美元： (2)谁第一个能在0.06毫米大小的空间里，造出一台能通电转动的电动机，也赏1000美 公 PPT18 1982年，国际商业机器公司(IBM)苏黎世实验室的葛·宾尼(Gerd Binnig)博士和海·罗 雷尔(Heinrich Rohrer)博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器一一扫描隧道 显微镜(Scanning tunneling microscope,简称STM)。 STM被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一，并于1986年获得 Nobel物理学奖 PPT19 sTM具有极高的分辨率，其平行方向达0.04nm垂直方向达0.01nm,主要包括以下特点： 1、STM能以原子级空间分辨率来观察测试物质的表面原子或分子的几何分布和密度分布， 确定物理局域光、电、磁、热和机械特性。 2、直接观察到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像。 3、在观察材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱，从而研究材料表面化学结 构和电子状态。 4、在多种环境中进行工作，温度可以从绝对零度到上千摄氏度。 PPT20 1988年美国国际商业机器公司(IBM)的艾格勒在镍金属(110)表面用35个氙原子排 出“IBM"字样。 PPT21 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技 术的正式诞生。1993年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字，石墨 表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。 PPT22 1991年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的1/6，强度却 是钢的100倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所 拉断的绳索。 PPT23 1991年，BM公司的“拼字"科研小组用STM针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子， 拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶 端为氧分子，各个分子的间距约0.5nm。这个"分子人"从头到脚只有5nm高，堪称世界上最 小的人形图案。 科学家把碳60分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不 同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的 PPT24 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研 制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机
过短而被拒绝，他只好加了些段落。 1959 年，诺贝尔奖获得者，美国物理学家费曼在加州理工学院作报告：“倘若我们能 按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？……现在我们还没有走到这一步，仅仅是因为 我们没有在这方面花足够的时间和精力。” PPT17 费曼的赏金 （1）谁第一个能把一页书的信息都纪录到页面的两万五千分之一上，赏 1000 美元； （2）谁第一个能在 0.06 毫米大小的空间里，造出一台能通电转动的电动机，也赏 1000 美 元 PPT18 1982 年，国际商业机器公司（IBM)苏黎世实验室的葛·宾尼（Gerd Binnig）博士和海·罗 雷尔（Heinrich Rohrer）博士共同研制成功了世界第一台新型的表面分析仪器— — 扫描隧道 显微镜（ Scanning tunneling microscope，简称 STM）。 STM 被国际科学界公认为 20 世纪 80 年代世界十大科技成就之一，并于 1986 年获得 Nobel 物理学奖 PPT19 STM 具有极高的分辨率，其平行方向达 0.04nm 垂直方向达 0.01nm，主要包括以下特点： 1、STM 能以原子级空间分辨率来观察测试物质的表面原子或分子的几何分布和密度分布， 确定物理局域光、电、磁、热和机械特性。 2、直接观察到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像。 3、在观察材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱，从而研究材料表面化学结 构和电子状态。 4、在多种环境中进行工作，温度可以从绝对零度到上千摄氏度。 PPT20 1988 年美国国际商业机器公司（IBM）的艾格勒在镍金属（110）表面用 35 个氙原子排 出“IBM”字样。 PPT21 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技 术的正式诞生。1993 年中国科学院北京真空物理实验室操纵原子写出“中国”二字，石墨 表面通过搬迁碳原子而绘制出的世界上最小的中国地图。 PPT22 1991 年，日本科学家饭岛澄男发现碳纳米管，它的质量只有同体积钢的 1／6，强度却 是钢的 100 倍。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所 拉断的绳索 。 PPT23 1991 年，IBM 公司的“拼字”科研小组用 STM 针尖移动吸附在金属表面的一氧化碳分子， 拼成了一个大脑袋小人的形象。图中每个白团是单个一氧化碳分子竖在铂表面上的图象，顶 端为氧分子，各个分子的间距约 0.5nm。这个"分子人"从头到脚只有 5nm 高，堪称世界上最 小的人形图案。 科学家把碳 60 分子每十个一组放在铜的表面组成了世界上最小的算盘。与普通算盘不 同的是，算珠不是用细杆穿起来，而是沿着铜表面的原子台阶排列的 。 PPT24 1997 年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在 20 年后研 制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能 够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量：此后不久，德国科学家研制出能称 量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 PPT25 2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该 手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判 断。 2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕 225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。 20o3年Naomi Halas,Jennifer West,Rebekah Drezek,and Renata Pasqualin在菜斯大学(Rice University)开发的黄金纳米壳，当“调整"吸收近红外光的大小，作为诊断和治疗乳腺癌症， 在没有进入活性组织下进行切片检查和手术治疗。右图为计算机模拟的金纳米球在硅球上 的生长过程(N.Halas,Genome News Network,2003)。 PPT26 20o5年Erik Winfree and Paul Rothemund从加州理工学院开发的基于DNA计算与“自组装算 法”基础理论被用于纳米晶生长过程模拟。 2007年Angela Belcher和他的同事们在麻省理工建立了一个用一种常见类型的病毒制作的锂 离子电池，该电池对人体是无害的一种，使用成本低，对环境无害。电池具有和最先进的可 充电电池相同的能量和动力性能。 图中在展示一个可以被用于电池阳极的装载了病毒的薄膜。 PPT27 2010年BM在只有几纳米尺度的硅尖顶点（类似于原子力显微镜中使用的顶端）凿去从衬 底材料，创建了一个完整的纳米级3D世界地图（一粒盐的千分之一大小）。本研究成果凸 显出了强大的图形化方法产生的纳米级图案和结构，尺寸小到15纳米，大大降低了制造成 本和工艺复杂性，在电子，光电，医药等领域开辟了新的应用前景。 2013年俄亥俄大学的研究小组创造出了纳米马达。 上图为纳米硅尖在有机分子基底上雕刻世界上最小的立体地图。图片中间展示的是地中海 领域和欧洲。下图为分子马达结构 PPT28 乐高积木是一种很有魔力的塑料玩具，它不断地激发出一个又一个新创意。乐高积木的 塑料组件体积很小，能按照不同方式组合到一起，从而变成神奇的汽车、设计巧妙的城堡和 许多其他结构。而今天，新一代材料科学家正受乐高积木的启发，将这种组合方式应用到纳 米世界。 这里的积木组件是一些层状材料。这些材料最薄可以达到仅有一层原子，可以按照设计 好的结构，以精确的顺序一层一层地叠加到一起。这种前所未有的精密组合方式，能够制造 出全新的物质，这些物质具备前所未有的电学和光学性能。科学家们进一步设想，可以利用 这些物质，制造出几乎没有电阻的导电材料，运算能力更强大、运行更快的计算机，以及可 弯曲、可折叠而且非常轻的可穿戴电子器件。 PPT29 很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限：光学显微镜无法获得比半光波长 更好的分辨率。在荧光分子的帮助下，2014年诺贝尔化学奖的几位获得者（埃里克·白兹格， 斯特凡W赫尔，威廉姆艾斯科莫尔纳尔)巧妙的绕开了这种极限。他们突破性的研究将光 学显微镜带入了纳米维度
1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的 “秤”，它能 够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称 量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 PPT25 2000 年 4 月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该 手术刀可以每秒扫描 10 万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判 断。 2001 年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕 -225 的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。 2003 年 Naomi Halas, Jennifer West, Rebekah Drezek, and Renata Pasqualin 在莱斯大学（Rice University）开发的黄金纳米壳，当“调整”吸收近红外光的大小，作为诊断和治疗乳腺癌症， 在没有进入活性组织下进行切片检查和手术治疗。 右图为计算机模拟的金纳米球在硅球上 的生长过程（N. Halas,Genome News Network, 2003） 。 PPT26 2005 年 Erik Winfree and Paul Rothemund 从加州理工学院开发的基于 DNA 计算与“自组装算 法” 基础理论被用于纳米晶生长过程模拟。 2007年Angela Belcher和他的同事们在麻省理工建立了一个用一种常见类型的病毒制作的锂 离子电池，该电池对人体是无害的一种，使用成本低，对环境无害。电池具有和最先进的可 充电电池相同的能量和动力性能。 图中在展示一个可以被用于电池阳极的装载了病毒的薄膜 。 PPT27 2010 年 IBM 在只有几纳米尺度的硅尖顶点（类似于原子力显微镜中使用的顶端）凿去从衬 底材料，创建了一个完整的纳米级 3D 世界地图（一粒盐的千分之一大小）。本研究成果凸 显出了强大的图形化方法产生的纳米级图案和结构，尺寸小到 15 纳米，大大降低了制造成 本和工艺复杂性，在电子，光电，医药等领域开辟了新的应用前景。 2013 年俄亥俄大学的研究小组创造出了纳米马达。 上图为纳米硅尖在有机分子基底上雕刻世界上最小的立体地图。 图片中间展示的是地中海 领域和欧洲。下图为分子马达结构 PPT28 乐高积木是一种很有魔力的塑料玩具，它不断地激发出一个又一个新创意。乐高积木的 塑料组件体积很小，能按照不同方式组合到一起，从而变成神奇的汽车、设计巧妙的城堡和 许多其他结构。而今天，新一代材料科学家正受乐高积木的启发，将这种组合方式应用到纳 米世界。 这里的积木组件是一些层状材料。这些材料最薄可以达到仅有一层原子，可以按照设计 好的结构，以精确的顺序一层一层地叠加到一起。这种前所未有的精密组合方式，能够制造 出全新的物质，这些物质具备前所未有的电学和光学性能。科学家们进一步设想，可以利用 这些物质，制造出几乎没有电阻的导电材料，运算能力更强大、运行更快的计算机，以及可 弯曲、可折叠而且非常轻的可穿戴电子器件。 PPT29 很长一段时间里，科学家认为光学显微镜有一个极限：光学显微镜无法获得比半光波长 更好的分辨率。在荧光分子的帮助下，2014 年诺贝尔化学奖的几位获得者（埃里克·白兹格， 斯特凡·W·赫尔，威廉姆·艾斯科·莫尔纳尔）巧妙的绕开了这种极限。他们突破性的研究将光 学显微镜带入了纳米维度