资源简介

12-2 纳米科学技术
一、教学目标：
1．了解纳米科技
2．介绍搬移原子的仪器
3．介绍纳米材料和纳米机械
二、教学重点、难点：
纳米科技的定义、纳米科技的应用。
三、教学器材
四、教学建议
教法建议：多媒体演示、讲解，讨论
教学设计方案：
（一）引入新课：
在最近一段时间，纳米逐渐走进我们的生活。纳米冰箱、纳米洗衣机、纳米涂料到纳米化妆品，纳米似乎在一夜之间就进入到我们的生活。那么，什么是纳米，什么是纳米科技？它能给我们带来哪些好处？
（二）新课教学：
1．纳米 纳米结构 纳米技术
纳米（nm）是一个长度计量单位，1 nm = 10-9 m 。
纳米结构通常是指尺寸在100 nm以下（0.1～100 nm）的微小结构。
纳米技术是在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。
2．操纵原子
纳米技术就是操纵和排布原子、分子的技术。
扫描隧道显微镜的英文名称是 Scanning Tunneling Microscope，简称为STM。STM具有惊人的分辨本领，水平分辨率小于0.1 nm，垂直分辨率小于0.001 nm。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。利用扫描隧道显微镜可以操纵和排布原子、分子，制造纳米传感器、各种纳米电子元件、纳米电子芯片等，再用它们组装成纳米计算机、纳米激光器……
3．纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9～10-7 m)或由它们作为基本单元构成的材料
纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应：小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。由于纳米材料在磁、热、光、电、催化、生物等方面具有奇异的特性，使其在诸多领域有着非常广泛的应用前景，并已经成为当今世界科技前沿的热点之一。
图1 扫描隧道显微镜
图2 美国IBM公司首次实现原子排布成“IBM”字样
图3 中国科学院化学所写下的“中国”字样和中国地图
图4 碳纳米管
4．纳米材料家族的重要成员——碳
具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现出良导体、半导体或绝缘体的性质。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。有人设想过碳纳米管的可能用途，例如做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。最异想天开的用途莫过于将碳纳米管做成太空升降机的缆绳。由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情。
5．纳米机械
我们知道，机械加工的方法是用车、磨、铣、刨、钻等机床把材料加工成各种需要的工件。这是一种自上而下，或者说从大到小的加工方法。加工的过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是由相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。这是机械加工的一场革命。原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技已经为这种突破提供了可能性。目前，科学研究的前沿已经深入到单原子的探测和操纵中，制作具有特殊功能的人造分子和纳米器件已经成为可能。在一些实验室中科学家们已经开始了制造诸如纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关、甚至分子马达等，这些纳米机械雏型的探索取得了可喜的成果。可以想象，到人类可以按照自己的意愿创造物质的时候，世界将会变成怎样。
图5 两种分子的自组装
图5描述的是两种不同的分子在分子力的作用下在溶液中自组装的情形。由于纳米尺寸非常之小，纳米机械必须具有自组装、自我复制等功能。
纳米机械中最具有卡通色彩的莫过于纳米机器人了。未来纳米世界是纳米机器人纵横驰骋的天下。一次太空发射可以将成千上万的纳米飞船发射到外太空，这些飞船的目的是到其它星球去执行生产和复制的工作。具有特殊使命的纳米间谍被散播到敌方或竞争对手中去，它们的任务是侦察敌情和搜集情报。人的身体更是纳米机器人大显身手的地方。这些机器人比血红细胞还要小，它们各司其职：有的负责监视病情，有的负责向特定的部位传输药物，有的则负责清除病毒、血栓、垃圾等有害物质。
图6 纳米机器人清理血管
图6描述的是一个纳米机器人在清理血管中的有害堆积物。由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于像脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。
（二）小结：
1．纳米是长度单位，“纳”是词头，它表示的数量级是10-9，1 nm=10-9 m。1纳米相当于头发直径的五六万分之一。
2．纳米技术将进一步推动产业革命。
（三）作业布置：
p.167 1、2、3题 《技术物理练习册》（第3版）相关习题

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