文档介绍：Chapter 5 纳米功能纺织材料 Nanostructured Textiles
江南大学纺织服装学院
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纳米技术 Nanotechnology
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在人类科技发展的历史长河中,始终有两个目标:
一个是向着越来越大、越远的宏观(Macroscopic and cosmoscopic)世界进军,发明了望远镜向着世界的广度进军,探索宇宙的起源和进化;
另一个是向着越来越小、越深的微观(Microscopic)世界发展,发明了各种显微镜、粒子加速器,向着分子、原子、原子核、基本粒子的微观层次不断地探索物质起源和结构。
在向着这两个极端目标无尽的征途中,发现我们对在这两端中间的介观层次,即原子分子层次、纳米层次,却不甚了解。而这个层次才是对人类自身关系最密切的物质层次,于是人们又回过头,集中精力开展介观(Mesoscopic) 层次的纳米科技的研究。
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第三次工业革命:
21世纪,以纳米技术为代表的新兴科技,将给人类带来第三次工业革命。
第一次工业革命:
发生在18世纪中叶,以蒸汽机为代表,它的标志尺度是毫米,可以称作毫米技术应用时代。
第二次工业革命:
20世纪以电子技术为代表,它的标志是微米技术的应用。
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纳米:
纳米是一种长度单位,1纳米是1米的十亿分之一,相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度。
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
纳米技术 Nanotechnology
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1959年
1981年
1985年
1986年
1987年
1988年
1989年
1990年
1991年
2000年
2002年
1997年
纳米科技的发展史中不乏里程碑式(Milestone)的事件:
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1959年:
美国物理学家费曼(Richard Feynman)在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有想象力的演说“最底层大有发展空间”。他指出“倘若我们能按意愿操纵一个个原子,将会出现什么奇迹?”他说“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题,这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸。我不打算讨论我们将如何做到这一点,而只想谈谈原则上我们能做些什么。……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。”费曼(1918-1988)美国物理学家,因在量子电动力学研究中取得重大成果荣获1965年诺贝尔物理奖.
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长期以来人类就有一个幻想:希望能直接“看”到原子,而不是采用X衍射方法,通过X衍射图的分析间接地看到原子。直至20世纪80年代初除了个别情况外原子还是不能直接被“看”到。这个幻想在1981年由于扫描隧道显微镜(STM)的发明终于成为现实。在瑞士苏黎世的IBM实验室内,德国博士生比尼格(Binnig)在罗勒尔(Rohrer)教授的指导下,正在做博士论文研究导体间的电子隧道效应问题。带偏压(电压差)的两个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的,可是当这两个导电平板靠得很近,相隔小于1个纳米时,即使不接触,也会产生电流,称作隧道电流(tunneling current )。
导体间的电子隧道效应
Electron Tunneling Effect
1981年:
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这种隧道电流是随着间距的减少而指数上升。这种现象就是量子力学(Quantum mechanics) 中的隧道效应。正像电视显像管中电子束扫描一样,同时记录下每个扫描点相应的隧道电流,而这个电流是直接与表面高低起伏有关的,即与表面形貌有关的。这样一来测量平板间隧道电流的实验装置就变成了观察表面形貌特征的显微镜了!这就是比尼格和罗勒尔发明的扫描隧道显微镜(STM)。由于针尖可以做得很细、很尖,其顶端甚至只有一个原子,所以STM有原子级的分辨率,可以观察到物体表面单个原子。实现了人类直接“看”到单个原子的愿望!这是迈向纳米技术重要里程碑。比尼格和罗勒尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。
扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope STM)
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