纳米技术在生活中的相关应用

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纳米技术

科技名词定义

中文名称：

纳米技术

英文名称：

nanotechnology

定义：

能操作细小到0.1～100nm物件的一类新发展的高技术。生物芯片和生物传感器等都

可归于纳米技术范畴。

应用学科：

生物化学与分子生物学（一级学科）；方法与技术（二级学科）

本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科

学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、

量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧

道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科

学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。

基本概况

纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范

围内材料的性质和应用。

1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世

利用纳米技术将氙原子排成IBM

界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术

其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

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纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。

纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、

纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米

材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是

整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米

电子学是纳米技术最重要的内容。

概念分类

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的

分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所

有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大

进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"

来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将

达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把

电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，

还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在

纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重

要内容。

技术介绍

纳米纤维

[1]

1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：

纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促

进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许

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多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设

计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级

表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；

纳米生物学技术；纳米组装技术等。

发展历史

纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在

底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一

个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性

地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什

么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我

们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物

品的可能性。”

1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，

纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子

移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来

还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。

使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次

只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。

理查德·费曼

著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的

机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最

早的梦想；

构思梦想

70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐

尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；

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1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个

可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；

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；

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢

的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管

将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子

线路等；

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年

美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真

空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科

技领域占有一席之地；

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；

到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美

元；

近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。

日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国

专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部

门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿

美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”，其间涌出了像“安然纳米”等一系列

以纳米科技为代表的高科技企业。

技术内容

纳米技术包含下列四个主要方面：

1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，

物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，

也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。

如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。

过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领

域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正

认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制

备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度

以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁

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钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高

1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单

个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电

子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示

了强大磁性。

这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁

悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。

⒉、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),

用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断

仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的

深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，

用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微

摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。

3、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的

粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层

平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零

件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于

水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细

胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（上面是

老钱加注）

4、纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳

米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系

统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但

是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。

研究应用

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英特尔cpu

[2]

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。用纳米材料制作的器材重量更

轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特

定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。

1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

2、纳米技术带动了技术革命。

3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。

5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。

6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发

展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。

测量技术

纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。

纳米级测量技术主要有两个发展方向。

一是光干涉测量技术，它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辩率，其测量方法

有：双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F一P标准工具

测量法等，可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。

二是扫描探针显微测量技术(STM)，其基本原理是基于量子力学的隧道效应，它

的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并

不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主

要用于测量表面的微观形貌和尺寸。

用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)等。

衰层物理力学性能的检测

各种材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异。

而正是这极薄的表面材料在康擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用。反映

在现在“信

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原子力显微镜——纳米测量技术

息时代”的新型“智能型”材料的出现，如计算机磁盘、光盘等，要求表层小但有优良

的电、磁、光性能，而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织

稳定和优良的力学性能。因此，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、

机械性能及其检测方法的研究。纳米级表层物理力学性能的检测方法主要是表层微力

学探针检侧法，它是用纳米压痕的原理检测其力学性能的.其基本原理是利用金刚石

针尖用极小的力在试件表面压出纳米级或微米级压痕，根据压痕的大小测出试件表层

的显徽力学性能，即连续记录探针针尖加载逐步压人和卸载逐步退出试件表层的全过

程的压痕深度变化。因其中包含试件表层的弹性交形，塑性变形、姗变、变形速率等

多种信息，通过这些信息测出表层材料的多项力学性能。

加工技术

纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。

由于原于间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，

实现原子或分子的去除，切断原子间结合所孺要的能量，必然要求超过该物质的原子

间结合能，即所播的能t密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加

工就相当困难了。近年来纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超

大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层

材料的去除：扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。

粒子制备

纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。

物理方法

应用纳米技术制成的服装

真空冷授法：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、位度可控，但技术设备要求高。

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纳米技术应用——计算机磁盘

物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成

本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。

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：利用金属化合物蒸汽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：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，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，适合制备载化物。

应用纳米技术制成的服装

水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒

子。其特点纯度高，分散性好、拉度易控制。

溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳

米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族

化合物的制

备。

徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成

核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI

族半导体纳米粒子多用此法制备。

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材料合成

自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过10年的发展纳米材料有了

长足的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳

米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为

“21世纪新材料”，具有许多特异性能。

例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金

属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶

瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。

例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，snm的金粉熔点降低到

830℃，因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳

米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。

加人固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利

进入微血管。

纳米生物学

纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内

部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中

在下列方面。

遗传物质DNA的研究

这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。

脑功能的研究

工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息

处理功能。

仿生学的研究

这是纳米生物学的热门研究内容。近年取得不少成果。是纳米技术中有希望获得

突破性巨大成果的部分。

世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋

转

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纳米陶瓷

。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、

转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有3onm，转速可以高达15r/min，可在1μs

内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是

细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可

驱动鞭毛马达。现在人们正在探索设计一种能用电位差驭动的人工鞭毛马达驱动器。

日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片

以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一步用于机器人。

有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单

元，单元尺寸仅Inm，可组装成超小型计算机，仅有数微米大小，就能达到现在常用

计算机的同等性能。

在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组

装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋

白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能

了解并控制生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个

全新的更高的水平。

组装技术

由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，

受到人们很大的重视。

纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子

聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探

针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化

学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。近年来，分子有序组装技术及其应用

研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别

组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能

生物微感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。

在进行lgG归生物大分子的组装过程中，首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性

生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。

除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分

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子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加

工，使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米

机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。

中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势，目前同美、日、德等国

位于国际第一梯队的前列。虽然现在中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地，

纳米技术的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本

的产业化生产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高

额的利润回报。

纳米技术应用

纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计

量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用

于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。

纳米技术的应用

纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检

测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如

下领域：

1、纳米技术在新材料中的应用

2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用

3、纳米技术在制造业中的应用

4、纳米技术在生物、医药学中的应用

5、纳米技术在化学、环境监测中的应用

6、纳米技术在能源、交通等领域的应用

7、纳米技术在农业中的应用

8、纳米技术在日常生活中的应用

衣在纺织和化纤制品中添纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布挺括结实，

但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。

食利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品

包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮

用标准，纳米食品色香味俱全，还有益健康。

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住纳米技术的运用，使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷

砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含

有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。

行纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为

汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工

作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安

全驾驶。

医利用纳米技术制成的微型药物输送器，可携带一定剂量的药物，在

体外电磁信号的引导下准确到达病灶部位，有效地起到治疗作用，并减轻

药物的不良的反映。用纳米制造成的微型机器人，其体积小于红细胞，通

过向病人血管中注射，能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀

物，还可“嚼碎”泌尿系统的结石等。纳米技术将是健康生活的好帮手。

纳米技术应用前景十分广阔，经济效益十分巨大，美国权威机构预测，

2010年纳米技术市场估计达到14400亿美元，纳米技术未来的应用将远远

超过计算机工业。纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性，纳米功能涂层材

料的设计和应用，将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出，

纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域，将免不了

一场因纳米而引发的“材料革命”现在我国以纳米材料和纳米技术注册的

公司有近100个，建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线。纳米布料、

服装已批量生产，象电脑工作装、无静电服、防紫外线服等纳米服装都已

问世。加入纳米技术的新型油漆，不仅耐洗刷性提高了十几倍，而且无毒

无害无异味。纳米技术正在改善着、提高着人们的生活质量。

纳米结构材料具有独特的物理化学性质,已经引起了人们的普遍关注。理解和预测纳米结构材料的热力学性

质不仅对于纳米结构材料的制备,而且对其在现代工业中的应用都是极其重要的。本文运用改进的分析型嵌

入原子模型(MAEAM)和分子动力学模拟技术,首先计算了块体材料的吉布斯自由能,然后获得了纳米材料的

吉布斯自由能。在此基础上,研究了纳米材料的热力学性质,如熔化温度、摩尔熔解热、摩尔熔解熵、热容量

等热力学量的尺寸效应。另外,还运用分子动力学模拟研究了铁纳米晶体由体心立方结构到面心立方结构的

相变机制。首先完善了自由能的分子动力学计算方法。通过构建排斥系统的原子相互作用势的分析形式,并

提出排斥系统膨胀过程中体积变化的预测算法,为液体自由能的准确和快捷计算提供了保证。固体自由能的

计算效果也因采用两条判据确定爱因斯坦温度得到提高。作为方法的检验,采用吉布斯—杜亥姆方程和转换

哈密顿方法计算了铅和银的自由能、熔化温度、热容和熵,结果与实验值吻合很好。如获得银的熔点为1243K,

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实验值为1234K;铅的熔点为606K,实验值为601K。纳米结构材料的吉布斯自由能可以表示为体自由能和表

面自由能之和。本文的研究结果表明:纳米结构材料的其它热力学量也可以划分为两部分,一部分与中心体原

子相关,另一部分与表面原子相关,表面原子对于纳米结构材料的热力学性质的尺寸效应起着决定性的作用。

计算结果显示:纳米粒子的熔化温度、摩尔熔解热和摩尔熔解熵随颗粒尺寸减小而下降,而纳米粒子的热容和

熵随颗粒尺寸减小而增大。由固态和液态纳米粒子的自由能曲线的交点确定纳米粒子熔点的方法表明:固体

和液体的表面自由能之差以及自由能关于温度的导数是决定纳米结构材料熔点随尺寸变化的重要因素。另

外一个重要结论是对于直径为20nm以上的纳米粒子,热力学量的尺寸效应可忽略。改进了电荷密度修正方

案。由于嵌入原子方法既低估了固体的表面自由能,也低估了液体的表面自由能,Webb和Grest通过在嵌入

原子方法的嵌入函数的变元中加入电荷密度修正项,提高了液体表面自由能的计算精度。然而,方案中的修正

参数β和c需通过试错法来决定。本文根据修正前的表面能和第一原理计算值之差以及修正前后的空位形

成能之差建立了包含参数β和c的方程组。数值求解该方程组可获得修正参数β和c。这个方案被用于计算

镍纳米粒子的表面能,镍块体材料的表面能的各向异性以及随温度的变化。获得的结果与实验数据一致。在

各向同性条件下,该方案对块体材料的绝大部分性质没有影响;而对于各向异性性质的偏离可以限制在一个

小范围内。运用分子动力学和改进的分析型嵌入原子模型进一步研究了铁纳米晶的相变机制和相变温度。

首先,分别获得了体心立方结构和面心立方结构的吉布斯自由能随温度变化的函数,由此可以计算块体材料

相变的温度。其次,采用键序参数方法计算了平均晶粒尺寸为3.01nm的铁纳米晶体的相变温度,结果为975

±25K,这与热力学结果一致。最后,结合径向分布函数和原子对分析技术,分析了铁纳米晶体在相变过程中

的结构以及局域结构演变。从纳米晶体中取出的一个两原子层厚试样的一系列快照提供了相变过程的可视

化图像。结果表明:随着结构的转变,由于BCC颗粒的生长和消亡的竞争,BCC颗粒的位置频繁改变,FCC型

原子在离开BCC颗粒的晶界处形核。