“纳米材料”一开启微观世界之门 纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为：在1 nm?100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规 律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的 新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺 度范围(1?100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10?100 个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性 质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的 波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、 光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观 物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世 纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中， 人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体 系。这个体系通常研究的范畴为1?100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于 纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特 性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼(Richard Feynman)在美国物理 学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果 我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可 能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本 概念。1974年，日本教授谷口纪男(Norio Taniguchi)在一篇题为：论纳米 技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词一一纳米(Nano)。 1981年格尔德?宾宁(Gerd Binnig)和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了 Fe纳米粉。随后， 美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯(fullerenes)(更为人熟知的名称是 “布基球(buckyballs)，由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特? 富勒(R. Buckminster Fuller)命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使 用最广泛的纳米材料之一。 1986年在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文?夸特(Calvin Quate)和克 里斯托?格柏(Christoph Gerber)与德国物理学家宾尼(Binnig)协作，发明 了原子力显微镜。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这 是纳米技术最核心的部分。 1989年在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾?格勒(Don Eigler)和埃哈德?施魏策尔(Erhard Schweizer)使用35个氙原子拼出了 IBM 公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。 1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，正式将 纳米材料科学作为材料科学的一个新分支公布于众。1991年NEC公司的饭岛澄 男(Sumio Iijima)制造出了碳纳米管，它是一种二维材料，直径只有几个纳米， 而强度比钢高100倍；密度仅为钢的1/6.是很有前途的增强剂，因其导电性 超过铜，有可能成为纳米级电子线年白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的 任务是：赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。 1999年使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。 2001年美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工 作，提高美国在纳米技术上的竞争力。 2002年欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。 2003年美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。为美国纳米技术计 划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究 以解决关键问题。 2008年12月10日国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全 研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。 2009年9月29日美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米 材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者 必须告知环保局它们的使用计划。 2010年1月8日在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表 了有关纳米技术和食品问题的长篇，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术 的使用情况。 2010年3月美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物 质控制法收集证据。美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。 纳米材料科学的诞生标志着材料科学已进入了一个新时代，而人们对客现世 界的认识又前进了一大步。 纳米材料的性能 20世纪九十年代以后，随着纳米材料的不断发展，在理论研究方面，纳米 科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质的性质 都是由其本身的特性、聚集状态形式以及存在的环境条件范围决定，而且在不 同的聚集状态及存在环境条件下，其自身的物性规律和运动规律都将发生根本 性变化。换言之，物性的变化规律和与之相适应的理论都是在一定的环境条件 范围内成立的，当环境条件超过某一极限范围后，物质的运动规律、物性都会发 生质的变化，其相应的理论也将发生改变，必须寻找新的适应该环境条件范围内 的理论与之相适应。比如按相对论的推理，当物体速度超过光速后，时间就会成 为负值，即出现时间倒转，这可能吗?那么是否是这个理论是不正确的呢?不是的， 事实上，从环境条件的观点来看，这个理论的适用范围就是物体的速度不超过光 速。当物体速度超过光速后，这个理论将不再适应。应该有新的理论来取代；再 比如化学热力学中的绝对温度零度，在热力学中绝对零度是不能达到的。因为温 度低于绝对温度零度，体系能量将会变成不确定的数（分母为零），那么是否绝 对温度零度就一定不能达到呢？也不是这样的，只能说当温度达到绝对温度零度 后，热力学中的这些定律、公式已经不再适用，必须有新的理论代替之。物体 的尺寸大小也一样，当物质的聚 集形式达到极细（纳米尺度）的程度，这种物质 的聚集形式的细小程度就使物质环境范围达到了质变的极限程度，这种状态下 的物质与常态下的该物质的物性就会出现许多本质的不同，如原来的良导体变成 了绝缘体、惰性物质变成了活性物质，而且这些现象也无法用原来的理论加以解 释，这就说明原来的理论已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代之。在 这样的思路下可以设想，在温度极高或极低，压力极大或极低、单个原子、数十 数百个原子（纳米状态）和宏观物质的情况下，同一种材料将产生完全不同的物 性，也将有不同的理论诞生，用以解释在该条件下的各种现象、以及不同的物性。 这种思路极大地拓宽了材料科学的研究范围，促使了新材料的诞生，同时也拓宽 了材料的使用范围。 物质的尺寸处于纳米尺度范围时，其表现出来的性能与其在常规尺寸下所表 现出的性能有很大的差别。它们不仅表现出许多常规尺寸时没有的性能，而且对 常规尺寸时的一些性能则表现出完全相反的性质。例如，金属在常规尺寸下，具 有金属光泽、是一种好的导体。但金属在纳米状态时都不具有光泽，成为黑色的； 并且所有的金属在纳米状态下都不导电。一些在常规尺寸下绝缘的材料，在纳米 状态下又呈现出超导现象等等。众所周知，物质的宏观性能是物质微观结构的 宏观表现。纳米材料与其在常规尺寸下的性能发生巨大变化表明，物质的尺寸处 于纳米尺度范围时原子的受力状态与常规尺寸下的原子的受力状态是不同的。事 实上我们知道当物质聚积在一起时，原子是靠某种力结合在一起，如金属是靠金 属键力，离子晶体是靠离子间的化学键力而分子的聚积则是靠分子间的范德华力 结合在一起。原子聚积在一起后，形成一定大小的颗粒，这在宏观上表现为一个 晶粒，非晶体表现为一个分子聚集体，无论是晶体的规则排列结构，还是非晶 体的分子聚集体，这些处于颗粒心部的原子将受到上下左右前后各个方向的原子 （分子）的作用，而处于颗粒表面的原子则不同，它至少有一个方向不会受到其它 原子（分子）的作用，但是这些处于表面的原子又将受到界面外的其他原子的作 用，所以处于表面的原子（分子）与处于心部的原子（分子）的受力状态是不一样 的，在常规尺寸下，物质的颗粒尺寸较大，处于心部的原子（分子）占绝大部分， 处于表面的原子只是极少数，其受力状态的情况完全可以忽略不计，材料的宏观 性能就是处于心部原子（分子）的受力状态平均值，所以这时材料的宏观性能完 全决定于处于心部原子（分子）的受力状态，而表面原 子（分子）对物质宏观性能 的贡献很小，可以忽略不计；但是当材料处于纳米状态时，由于材料的颗粒尺 寸非常小，材料的比表面积大大增加，处于表面的原子（分子）的数量就大大增 加，这时处于表面原子（分子）的受力状态对宏观性能的影响就不能忽略不计， 甚至起到了决定性的作用，我们知道，处于表面的原子（分子）与处于心部的原 子（分子）的受力状态是完全不同的，所以当物质处于纳米尺度范围时物质的宏观 性能与常规尺寸下的性能完全不同，这就是必然的了。物质的颗粒越小，其表 面积越大，物质体系的表面能越高，同时物质的颗粒越小，其原子（分子）的混乱 度越大，体系的熵值也越大。因此物质的颗粒尺寸越小，体系的能量就越大， 体系能量越高，体系就越不稳定。因此纳米状态实际上是一种不稳定的高能体系 状态。它会自发的由小颗粒的高能状态向大颗粒的低能状态转变，这就是我们在 纳米材料中常说的团聚。因此纳米材料在制备和应用过程中的一个较大的困难 就是要防止纳米材料的团聚。纳米颗粒一旦发生团聚，材料在纳米尺度范围所 表现出的优异性能就会丧失待尽。目前经过广大科学家的努力，纳米材料在理论 研究上已获得许多研究成果。这些研究大都是从纳米材料的原子状态能级关系 等方面而入手进行。这些理论有：量子尺寸效应、小尺寸效应、表面与界面效应、 宏观量子隧道效应、库仑阻塞与量子隧穿、介电限域效应等。 4.纳米技术的辩证哲学思考 纳米尺度下的物质世界及其特性是人类较为陌生的领域，也是一片新的研 究疆土。在宏观和微观的理论充分完善之后，介观尺度上有许多新现象、新规律 有待发现，这是新技术发展的源头。从人类未来发展的角度看，可持续发展将是 人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友善 化，这将极大节约资源和能源，减少对它们的过分依赖，并促进生态环境的改善。 这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。纳米科技 是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的 学科领域。而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，在 这一尺度下，充满了原始创新的机会。科学方法的跨学科应用客观事物具有统一 性，因而不同学科之间存在着一定的共性和相似性。科学作为一个有机的整体， 在各学科、各方向存在着相互渗透相互支撑的密切关系。现代科学的细致分工， 使一个学科的研究方法得以发展得十分细致，其他学科直接或间接地加以借鉴运 用，实际上是一种思维方法的拷贝。 4.1纳米科技对人类生产方式改变 生产力决定生产关系，生产关系反作用于生产力。历史上每一次技术革命 都是生产力的大解放和大发展。纳米新科技革命，预示了一种全新的、与蒸汽时 代和电子时代乃至我们正在经历的电子计算机时代不同的经济运行模式，将引发 一场新的技术革命和产业革命。纳米技术从根本上改变了传统的物质生产方式纳 米技术的本质在于根本改变自有文明以来人类创造物质世界的生产方式。1959 年12月29日，查德?费曼在《底部有个很大的空洞》的演讲中提出：从石器时 代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都是通过削去“多余”物质（数 以亿计的原子），以便把物质做成有用的形态，这是“从大到小”或者“由上到 下”的加工技术。费曼想“为什么我们不可以从另一个方向出发，从单个分子， 甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求?如果有一天可以按人的意志安排一 个个原子，将会产生怎样的奇迹？”。这一灵感来自于大自然本身从单个分子，甚 至单个原子创造物质的启示。大自然具有无可比拟的创造力，在自我复制的“工 厂”里，创造出一个个奇迹。“如果把人体分解成组成它的基本单元，我们获得 的将是一小桶的氧、氢和氮；一小堆碳、钙和盐；微量的硫、磷、铁和镁；以及 微不足道的20多种或更多的其他化学因素。大自然就是采用它自己的、科学家 们称之为纳米工程的方法，把这些无生命单元转换成具有自生成、自修复、自意 识能力的生灵。”按原子逐个排列一这就是大自然设计和制造物质的方式。纳米 技术正是模仿大自然的这种创造能力，在原子水平上直接生产出自己需要的任何 东西，如分子大小的“万能制造机V “原子装配机”能够运用任何材料去合成一 切生存和享用的必需品。纳米技术的实现方式是从微观向宏观，即“从小到大” 或者“由下自上”。人类可以用小的机器制造更小的机器，最后将变成根据人米乐平台 m6官方平台类 意愿，逐个地排列原子，制造产品及在原子层面上操纵物质。 4.2纳米材料对人类认知方式的改变 人类在感受纳米技术所展现的奇异的物质结构、特性与功能的同时，潜移默 化地更新观念，调整着习以为常的认知方式。德雷克斯勒认为“纳米技术不是小 尺度技术的延伸”，“它根本不该被看作是技术，而是一场认知的革命”。纳米技 术标志着人类认识自然达到了一个新层次恩格斯指出：“全部哲学，特别是近代 哲学的重大的基本问题，是思维和存在的关系问题。”思维和存在的关系问题也 就是物质和意识的关系问题。物质是始终标志客观实在，并能被人所反映、摹写， 它终究是能被人们不断认识并被利用和造福人类的。人们对于纳米材料的研究和 进一步利用，首先就是符合物质和意识的辩证关系原理。人类认识外部世界是从 感官开始的，用肉眼认识周围世界，借助仪器探测宇宙和微小世界。人类早就认 识到物质是由原子构成的。人类对物质的认识一直存在着一个巨大的断层：断层 的下方是由原子、分子和更小的基本粒子构成的微观物质世界，断层的上方是由 无数个原子构成的即增减一部分原子性质不会改变的物体构成的宏观物质世界。 两个物质世界之间存在着一个过渡区域即纳米世界，从通常的关于微观和宏观的 观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介 观系统。由于纳米微粒尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应，使它具有不同于常 规固体的新的特性。纳米材料的发展史充分体现了辩证唯物主义关于认识运动是 充分发展的这一基本规律。纳米材料的诞生标志着材料科学进入了一个新的层 次。从认识论的意义上看，人们认识自然的水平又前进了一步。北京大学技术物 理系的博士后李正孝对此进行了深刻分析：“人类对毫米、微米、深亚微米的认 识和概括，再到对纳米的研究成功，总是循序渐进的，没有对微米级材料研究的 实践活动，就不可能有对微电子技术越来越小的思考，也就无法归纳物质物理分 解的极限特性，以及无法研究并突破这一极限的纳米材料，这就是不断实践，不 断认识，持续开发研究，使人类对物质特性的认识越来越丰富，越来越深入，把 纳米级区间物理上的新现象和新效应揭示出来，并建立起新的理论和发展新的规 律，最终成为新技术开发的源头。” 4.3纳米材料中质量互变 纳米技术也体现了由量变到结构改变再到质变的新的飞跃唯物辩证法认为， 物质的变化均应在一定质的基础上首先进行量的积累，这种扩大或缩小的量的变 化达到一定程度，超过了某种临界，就要发生质的变化。不仅如此，量变还可在 总量不变的情况下，由于其内部分子、原子的排列结米乐平台 m6官方平台构改变，重新受控组台。发 生质变，其性质由原有的状况变化为新的状况，常规下出现新质的事物。纳米技 术就是通过控制、设计单个原子或分子间的配置，从而改变其内部原予或分子的 空间位置，压缩原子或分子间的距离，使其重新合成出新质的材料，并始终保持 在100纳米以下的尺寸从事加工，从而使新合成的物质往往产生既不同于微观原 子、分子，也不同于宏观物质的超常规特性，这就是到新质的飞跃，新生事物由 此而诞生。 5.纳米技术是把双刃剑 随着纳米技术的快速发展，纳米技术的应用十分广泛，当前纳米技术的研 究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、 环境和能源、生物技术和农产品等方面，它可能带来的巨大商机，企业界因此而 参与纳米产品的研发，公众因其可能有特殊而神奇的功能而有所期待，正因为如 此，商家才常常大打“纳米牌”。但纳米科技同样是一把双刃剑，存在着的潜在 风险纳米技术向人们显示了其巨大的发展潜力，然而它的不确定性和不可控性依 然存在，这使得人们开始对纳米技术潜在的风险进行思考。 5.1人体健康 纳米颗粒很容易被吸入，一旦人吸入很难排掉，那么一些纳米粒子是有毒性 的，它们会危害实验动物的呼吸系统、循环系统、神经系统、免疫系统等，甚至 导致实验动物死亡，因此，这些纳米粒子如果通过各种渠道侵入人体，其后果将 不堪设想。 5.2社会伦理 另外如果利用纳米科技能够改变基因和细胞结构，那么人类就可以根据自 己的想法和目标去生育后代，这样将改变传统的生育方式和人类传统的传宗接代 的方式。果真如此，也就不存在传统意义上的父母双亲的概念了，这对人类的伦 理道德将是一个极大的挑战。纳米技术使人类的永生不再只是一个神话，如果纳 米技术足够发达的话，人们可以将年轻时的个人信息储存起来，然后选择未来的 某个年代再将自己“召回”。但是，这种复制人和永生的设想将永远无法回避伦 理学上的恐慌，纳米技术装置能够被用来窃听和侵扰他人的隐私。而纳米技术在 军事上的广泛应用将给人类世界带来更大的甚至是毁灭性的灾难。此外，随着纳 米技术的发展，人们的寿命将得到延长，人口的死亡率大大低于人口的出生率， 由此将引发世界人口的急剧增长。这些都是引起社会的不稳定的因素。 5.3环境保护 纳米粒子对环境的影响不容忽视。研究表明，一些纳米粒子具有很好的水溶 性，而且具有杀菌作用，因为细菌在许多生态系统中处于食物链的低端，因此纳 米粒子可能会破坏生态系统。“还有研究表明，一些纳米粒子在环境中很难降解。 因此，纳米粒子在环境中长期累积和扩散，也将会对环境带来负面影响。” 5.4世界发展 纳米科技的发展有可能加剧世界各国之间的发展不平衡，从而无助于实现可 持续发展的公平性，尤其是代内公平。那些在纳米技术领域处于领先地位的国家、 地区和群体，将率先享有应用纳米技术所带来的各种发展优势，从而在日趋激烈 的世界发展竞争中占据主导地位。 所以纳米技术的不适当运用甚至滥用，则可能导致科技工具理性的极度膨 胀，带来一系列的社会问题。从哲学意义上考察，技术的异化导致人性的异化。 纳米技术等高科技

　　人教版初中英语八年级上册8A-Unit 4 Period 2-课件.

　　外研版（一起）四上Module 2《Unit 2 Amy painted a picture》课件1.

　　人教版英语三年级上册Unit2 Ways to go to school B Lets talk-课件.

　　外研版英语六年级上册Module 1《Unit 1 How long is the Great Wall》课件4.

　　川教版小学六上信息技术-第二单元 智能感知-第1节 开源硬件及软件【课件】.

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