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纳米技术的最大谜题及其谜底: 热度 1 lch264200 2016-9-3 14:55; 纳米技术的最大谜题及其谜底诺贝尔物理学奖获得者理查德﹒费曼早在1959 年就提出：“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”。美国物理学家德雷克斯勒博士更是预言，将来人类可以通过原子分子的操纵直接制造几乎所有的物品。 20 世纪80年代初，扫描隧道显微镜（STM）的问世使单原子的操纵成为可能，1990年美国IBM公司的科学家们用扫描隧道显微镜（STM）操纵35个氙原子拼出“IBM”，宣告人类操纵原子分子直接制造功能物品（即，分子制造）的时代已经来临。于是，如何操纵原子分子直接制造宏观功能物体（而不是微观物体）成了纳米技术中最为重要的研究课题。于是，科学家们提出了很多方法，其中最引人注目的方法是通过操纵原子和分子，将它们精确定位到合适的位置（它是不同于自组装过程的人为控制过程）来实现分子制造。这种方法的核心就是原子分子的精确分布，我们称之为分子制造的精确分布方法。我们知道，世界上的任何物体都是原子分子的一种空间分布，从这个意义上讲，只要能够实现原子分子的任意精确分布，我们就可以制造出世界上的任何物体，甚至可以创造新物体。因此，分子制造的精确分布方法被认为是分子制造的革命所在。原子和分子的操纵方法可分为两大类：一类是单原子单分子的一个接一个的操纵（以下简称原子分子的逐点操纵），如利用扫描隧道显微镜（STM）的方法；另一类是同时操纵亿万个单原子单分子（以下简称原子分子的宏观操纵），如分子束外延、磁控溅射等。于是，原子分子的精确分布也分为两种，一种是“通过逐点操纵的精确分布”，另一种是“通过宏观操纵的精确分布”。众所周知，一个一个的摆放（即，逐点操纵）方法是一个实现物质的精确分布的基本方法，自从盘古开辟以来一直沿用到现在，它被认为是实现物质精确分布的一种万能的方法。但事实并非如此，量变引起质变，当分布材料小到原子分子层面的时候，在宏观尺度上实现 “通过逐点操纵的精确分布”是不可能的（如，一只苍蝇大小的物品，即使以每秒 100万个原子的速度制造，也需要几十亿年才能完成），因此， “通过逐点操纵的精确分布” 是不可能制造出任何宏观功能物体。这意味着，通过原子分子的精确分布方法制造出宏观功能物体的唯一可能性在于，我们能否实现 “ 通过宏观操纵的精确分布 ” ？这个问题更像是一个哲学问题，它实际上是要求我们回答两个貌似相互矛盾的事物，即“宏观操纵”和“精确分布”能否实现统一？。可是这个问题一直未能在科学上得到明确的结论，变成了一个名副其实的科学谜题。现在我们分析一下这个问题对分子制造的可能影响：首先，若 “通过宏观操纵的精确分布” 是不可能的，那么分子制造只剩下原子分子的逐点操纵方法和自组装方法，而这两种方法几乎制造不出任何复杂的宏观功能物品。如，正如上面指出，在宏观尺度上实现 “通过逐点操纵的精确分布”是不可能的，因此也就根本造不出任何宏观功能物体；而原子分子的自组装，因其自身缺陷（无法控制组装过程、不伴有物质交换和能量交换等），也只能制造诸如单分子层材料、纳米棒阵列等等组成单纯、结构简单的功能材料；相反，若 “通过宏观操纵的精确分布” 是可能的，正如上面讨论的，我们通过分子制造技术有可能制造出世界上任何物体，甚至可以创造出新物体。于是达到这样的结论：能否实现 “通过宏观操纵的精确分布”这个问题是分子制造因而也是纳米技术的最为基本和最为核心的问题，若不能及时解决这个问题，分子制造很有可能陷入极大的困境，甚至影响整个纳米技术的发展进程。那么，上述科学谜题的谜底到底是什么呢？今天受一位同行的委托，公开一个关于上述问题的研究成果，以期给上面的科学谜题一个明确答案。这个研究成果实际上是一幅 “原子画”（图 1 ）。“原子画”是指移动（或操纵）原子分子绘成的画像。这幅用肉眼看只有金属亮光的“原子画”，却有着超出人们的想象的震撼数据：它是用磁控溅射的方式操纵钨原子和铝原子画成的；在 12cm 的幅面里，画有一亿个左右互不重复的单细胞像（平均尺寸为 8 微米）；每个单细胞像由几十亿个金属原子构成，且其分辨率达到 6nm ；整幅画的完成时间为 3 小时 45 分钟（图 2 、图 3 、图 4 ）。图1| “原子画”。它是利用磁控溅射的方式操纵钨原子和铝原子完成的，其直径为 12cm 。图2| “原子画”（图 1 ）的 3.6mm ×2mm 局部的 250 倍背散射电子像。图中的亮度的高低表示钨原子的百分比含量的高低；图中的白色星点就是单个细胞的250倍放大像；在这3.6mm×2mm 局部里含有大约 10 万个细胞像。图3| “原子画”（图 1 ）的 0.46mm ×0.25mm局部的2000倍背散射电子像。图4| “原子画”（图 1 ）的 60 μm ×60 μm 局部的6600倍背散射电子像。毫无疑问，这幅“原子画”本身就是通过原子分子的宏观操纵（即磁控溅射）实现的原子分子的纳米级精确分布（其分辨率为 6nm ）。这直接证明了在大尺度上实现“通过宏观操纵的精确分布”是可能的，也就彻底揭开了上面科学问题的谜底：即，通过宏观操纵可以实现原子分子的精确分布。现在，随着这个纳米技术的重要谜题的解开，纳米技术的一个非常清晰的，崭新的发展路线图展现在我们面前：以分子制造的精确分布方法（即通过原子分子的精确分布直接制造功能物品）作为分子制造的主要发展方向，重点突破分子制造的关键核心技术 — “通过宏观操纵（而不是逐点操纵）实现原子分子的精确分布”的技术。当然，我们虽然证明了通过原子分子的宏观操纵可以直接制造宏观功能物体，但这还不够，我们还要找到实现它的一般性或者统一性方法，这才是最重要的，而且真正具有革命性。现在，我们有理由相信，分子制造已不再仅仅是一个幻想，人类也有可能真正踏入纳米时代。需要特别指出的是，即使不谈“ 原子画”（图 1 ）对解开上述谜题的重要作用，就拿这幅 “ 原子画 ” 本身来说，它在科学上具有非常重大的意义。我们可以设想一下，如果把上述“原子图”中的分布材料和图案改成其它材料（如，磁性材料或半导体材料或光学材料等）和其它图案（如，径向梯度变化图案等），我们会得到怎样的一种神奇材料！最后，让我们再次感受一下“ 原子画 ” （图 1 ）的几个颠覆性数据： ⑴ 这幅画是通过原子分子的宏观操纵（即磁控溅射）来绘成的； ⑵ 在仅仅12cm直径的幅面里，画有一亿个左右互不重复的单细胞像（平均尺寸为 8 微米），而每个单细胞像由几十亿个金属原子构成； ⑶ 这幅 “ 原子画 ” 的分辨率达到 6nm ，若按分辨率，它是世界上最小的彩图； ⑷ 这幅 “ 原子画 ”的像素超过 30 多万亿，比现有的世界上最大图（即“ 勃朗峰全景图”，它的像素数是3650亿，由7万张照片构成，如果以300dpi的分辨率标准打印出来，足有 1 个足球场那么大）高出将近100倍。即，若按像素数，它是世界上最大的彩图，甚至是人类建造的最大工程。 ⑸ 若用原子分子的逐点操纵方法绘制上述 “ 原子画 ” ，即使假设以每秒一百万个原子的速度（实际上这是不可能的），也将需要几千年才能完成。而这幅画实际上仅仅用了 3 小时50分钟。愿意和同行进行深入探讨，也欢迎同行的批评指正。; 个人分类: 科学研究|687 次阅读|1 个评论

纳米技术的最大谜题及其谜底: lch264200 2016-9-3 14:47; 纳米技术的最大谜题及其谜底诺贝尔物理学奖获得者理查德﹒费曼早在1959 年就提出：“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”。美国物理学家德雷克斯勒博士更是预言，将来人类可以通过原子分子的操纵直接制造几乎所有的物品。 20 世纪80年代初，扫描隧道显微镜（STM）的问世使单原子的操纵成为可能，1990年美国IBM公司的科学家们用扫描隧道显微镜（STM）操纵35个氙原子拼出“IBM”，宣告人类操纵原子分子直接制造功能物品（即，分子制造）的时代已经来临。于是，如何操纵原子分子直接制造宏观功能物体（而不是微观物体）成了纳米技术中最为重要的研究课题。于是，科学家们提出了很多方法，其中最引人注目的方法是通过操纵原子和分子，将它们精确定位到合适的位置（它是不同于自组装过程的人为控制过程）来实现分子制造。这种方法的核心就是原子分子的精确分布，我们称之为分子制造的精确分布方法。我们知道，世界上的任何物体都是原子分子的一种空间分布，从这个意义上讲，只要能够实现原子分子的任意精确分布，我们就可以制造出世界上的任何物体，甚至可以创造新物体。因此，分子制造的精确分布方法被认为是分子制造的革命所在。原子和分子的操纵方法可分为两大类：一类是单原子单分子的一个接一个的操纵（以下简称原子分子的逐点操纵），如利用扫描隧道显微镜（STM）的方法；另一类是同时操纵亿万个单原子单分子（以下简称原子分子的宏观操纵），如分子束外延、磁控溅射等。于是，原子分子的精确分布也分为两种，一种是“通过逐点操纵的精确分布”，另一种是“通过宏观操纵的精确分布”。众所周知，一个一个的摆放（即，逐点操纵）方法是一个实现物质的精确分布的基本方法，自从盘古开辟以来一直沿用到现在，它被认为是实现物质精确分布的一种万能的方法。但事实并非如此，量变引起质变，当分布材料小到原子分子层面的时候，在宏观尺度上实现 “通过逐点操纵的精确分布”是不可能的（如，一只苍蝇大小的物品，即使以每秒 100万个原子的速度制造，也需要几十亿年才能完成），因此， “通过逐点操纵的精确分布” 是不可能制造出任何宏观功能物体。这意味着，通过原子分子的精确分布方法制造出宏观功能物体的唯一可能性在于，我们能否实现 “ 通过宏观操纵的精确分布 ” ？这个问题更像是一个哲学问题，它实际上是要求我们回答两个貌似相互矛盾的事物，即“宏观操纵”和“精确分布”能否实现统一？。可是这个问题一直未能在科学上得到明确的结论，变成了一个名副其实的科学谜题。现在我们分析一下这个问题对分子制造的可能影响：首先，若 “通过宏观操纵的精确分布” 是不可能的，那么分子制造只剩下原子分子的逐点操纵方法和自组装方法，而这两种方法几乎制造不出任何复杂的宏观功能物品。如，正如上面指出，在宏观尺度上实现 “通过逐点操纵的精确分布”是不可能的，因此也就根本造不出任何宏观功能物体；而原子分子的自组装，因其自身缺陷（无法控制组装过程、不伴有物质交换和能量交换等），也只能制造诸如单分子层材料、纳米棒阵列等等组成单纯、结构简单的功能材料；相反，若 “通过宏观操纵的精确分布” 是可能的，正如上面讨论的，我们通过分子制造技术有可能制造出世界上任何物体，甚至可以创造出新物体。于是达到这样的结论：能否实现 “通过宏观操纵的精确分布”这个问题是分子制造因而也是纳米技术的最为基本和最为核心的问题，若不能及时解决这个问题，分子制造很有可能陷入极大的困境，甚至影响整个纳米技术的发展进程。那么，上述科学谜题的谜底到底是什么呢？今天受一位同行的委托，公开一个关于上述问题的研究成果，以期给上面的科学谜题一个明确答案。这个研究成果实际上是一幅 “原子画”（图 1 ）。“原子画”是指移动（或操纵）原子分子绘成的画像。这幅用肉眼看只有金属亮光的“原子画”，却有着超出人们的想象的震撼数据：它是用磁控溅射的方式操纵钨原子和铝原子画成的；在 12cm 的幅面里，画有一亿个左右互不重复的单细胞像（平均尺寸为 8 微米）；每个单细胞像由几十亿个金属原子构成，且其分辨率达到 6nm ；整幅画的完成时间为 3 小时 45 分钟（图 2 、图 3 、图 4 ）。图1| “原子画”。它是利用磁控溅射的方式操纵钨原子和铝原子完成的，其直径为 12cm 。图2| “原子画”（图 1 ）的 3.6mm ×2mm 局部的 250 倍背散射电子像。图中的亮度的高低表示钨原子的百分比含量的高低；图中的白色星点就是单个细胞的250倍放大像；在这3.6mm×2mm 局部里含有大约 10 万个细胞像。图3| “原子画”（图 1 ）的 0.46mm ×0.25mm局部的2000倍背散射电子像。图4| “原子画”（图 1 ）的 60 μm ×60 μm 局部的6600倍背散射电子像。毫无疑问，这幅“原子画”本身就是通过原子分子的宏观操纵（即磁控溅射）实现的原子分子的纳米级精确分布（其分辨率为 6nm ）。这直接证明了在大尺度上实现“通过宏观操纵的精确分布”是可能的，也就彻底揭开了上面科学问题的谜底：即，通过宏观操纵可以实现原子分子的精确分布。现在，随着这个纳米技术的重要谜题的解开，纳米技术的一个非常清晰的，崭新的发展路线图展现在我们面前：以分子制造的精确分布方法（即通过原子分子的精确分布直接制造功能物品）作为分子制造的主要发展方向，重点突破分子制造的关键核心技术 — “通过宏观操纵（而不是逐点操纵）实现原子分子的精确分布”的技术。当然，我们虽然证明了通过原子分子的宏观操纵可以直接制造宏观功能物体，但这还不够，我们还要找到实现它的一般性或者统一性方法，这才是最重要的，而且真正具有革命性。现在，我们有理由相信，分子制造已不再仅仅是一个幻想，人类也有可能真正踏入纳米时代。需要特别指出的是，即使不谈“ 原子画”（图 1 ）对解开上述谜题的重要作用，就拿这幅 “ 原子画 ” 本身来说，它在科学上具有非常重大的意义。我们可以设想一下，如果把上述“原子图”中的分布材料和图案改成其它材料（如，磁性材料或半导体材料或光学材料等）和其它图案（如，径向梯度变化图案等），我们会得到怎样的一种神奇材料！最后，让我们再次感受一下“ 原子画 ” （图 1 ）的几个颠覆性数据： ⑴ 这幅画是通过原子分子的宏观操纵（即磁控溅射）来绘成的； ⑵ 在仅仅12cm直径的幅面里，画有一亿个左右互不重复的单细胞像（平均尺寸为 8 微米），而每个单细胞像由几十亿个金属原子构成； ⑶ 这幅 “ 原子画 ” 的分辨率达到 6nm ，若按分辨率，它是世界上最小的彩图； ⑷ 这幅 “ 原子画 ”的像素超过 30 多万亿，比现有的世界上最大图（即“ 勃朗峰全景图”，它的像素数是3650亿，由7万张照片构成，如果以300dpi的分辨率标准打印出来，足有 1 个足球场那么大）高出将近100倍。即，若按像素数，它是世界上最大的彩图，甚至是人类建造的最大工程。 ⑸ 若用原子分子的逐点操纵方法绘制上述 “ 原子画 ” ，即使假设以每秒一百万个原子的速度（实际上这是不可能的），也将需要几千年才能完成。而这幅画实际上仅仅用了 3 小时50分钟。愿意和同行进行深入探讨，也欢迎同行的批评指正。; 个人分类: 科学研究|713 次阅读|0 个评论

从35亿年前的天然纳米物质到纳米制造时代: 热度 4 sciencepress 2015-9-24 08:32; 如今,纳米制造的时代己经到来,纳米科学的曙光已经初现. 随着人们对纳米技术研究的深入,纳米技术的应用不断拓展,纳米技术已成为当今最受追捧的学科之一.在 Science 和 Nature 杂志的年度科技评比中,有关纳米技术的研究成果总在前列.许多国家纷纷制定计划,将开发纳米技术定为国家战略,在开发纳米技术上的经费逐年递增. ✎ 然而,纳米技术的发展经历了一个漫长的过程,从天然存在的纳米物质(如活细胞、细菌、烟尘等)到人工操控原子、分子制造纳米材料,这是一个从不自觉到自觉、从设想到理论上的突破再到制造应用的过程. 自然界中存在的纳米物质 § 细胞 35亿年前,首批出现的活细胞即是天然存在的纳米物质.细胞是自我复制的分子纳米机器的集合体,它的内部容纳了蛋白质、DNA、RNA 分子等众多的纳米生物机器.这些纳米级的细胞“器官”各司其职.建造蛋白质、进行光合作用使生物能迅速地生长,使地球的原始表面布满了微生物、植物等种种有机物质,它把地球大气大部分CO₂转化为O₂,彻底地改变了地球的表面和大气.可见,在自然界的演变过程中,这些纳米机器集合体起着举足轻重的作用. § 天然无机纳米颗粒除有机体内部存在各种复杂的纳米物质外,自然界中还存在着天然的无机纳米颗粒.在古代中国,人们用收集蜡烛燃烧的烟尘来制造精墨,这种烟尘就是纳米级尺寸的碳黑;在古代铜镜表面有一层薄薄的防锈层,经过检验发现这种防锈层是由纳米氧化锡构成的薄膜.这些天然无机纳米物质为人们进行纳米技术研究提供了天然素材. 纳米技术的早期发展 § 早期理论发展公元前400年,Democritus和Leucippus提出了原子论(atom),原子论为纳米技术的发展提供了理论基础,即通过一些技术手段由下而上构造新物质成为可能.科学家对纳米技术的理论研究始于19世纪60年代,Thomas Graham使用明胶溶解扩散后制备了胶体,胶体粒子的直径为1~100nm.后来科学家对胶体进行了大量的研究,并建立了胶体化学理论.1905年,Albert Einstein由糖在水中扩散的实验数据计算出一个糖分子的直径约为1nm,人类第一次对纳米尺度有了一个感性认识.直到1935年,Max Knoll和N. Ruska研制出了电子显微镜,实现亚纳米级的成像,为人们探索微观世界提供了观察工具. § 早期技术酝酿第二次世界大战期间,日本名古屋大学的田良二教授为日军导弹探测器研制一种红外辐射吸收剂,在惰性气体的保护下,利用真空蒸发法制备了纯锌黑,锌黑的平均粒度小于10nm.然而还没有应用于实际,战争就结束了.后来,德国科学家也通过类似的方法制备了纳米金属粒子,当时还没有纳米材料这个概念,就把这种材料称为超微粒子(ultra-fine particles),这可能是人类有目的地制造纳米材料的真正开始. 纳米技术起源 § 费曼预言 1959年12月,诺贝尔奖获得者Richard Feynman在美国物理学会在加利福尼亚理工学院举行的一次会议上发表了题为《在底部还有很大空间》 (There's plenty of room at the bottom)的演讲.他以“由下而上的方法” (bottom up)出发,提出从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求.他说道,“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.”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大地扩充我们获得物性的范围.”尽管真正属于“纳米”范畴的技术在几十年后才出现,但在这篇讲稿中,费曼预见到了纳米科技的未来,对纳米技术起了界定作用,为纳米范畴的研究提供了最早的理论基础.事实上,以后许多科学家在纳米尺度上获得的研究成果在极大程度上是受了这篇讲话的启发. § 纳米技术的诞生纳米技术诞生于20世纪70年代初.1968年,Alfred Y.Cho和John. Archur及其同事利用分子束外延生长技术,在表面上沉积出单层原子;1969年Esaki和Tsu提出了超晶格(super lattices)理论,它由两种以上不同材料的薄片周期性地交替生长所构成.1971年,张立纲等利用超晶格理论和分子束外延生长技术,制备了能隙大小不同的半导体多层膜,并实现了量子阱和超晶格,观察到了极其丰富的物理效应.其中量子阱中的量子限制效应得到了广泛而深入的研究,并在此基础上研制出了许多新型的高性能光电子和微电子器件.1974年,谷口纪男(Norio Taniguchi)发明了“纳米技术”这个词,用以表示公差小于1μm 的机械加工,这使得纳米技术真正成为一种独立技术展现在历史舞台.但是,当时纳米尺度上物理学的完整图景还远不明朗. 纳米技术的重大突破 § 纳米革命的象征——STM 1981年,Gerd Binnig和Heirich Rohrer根据量子力学中的隧道效应研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(STM),它通过探测固体表面原子和电子的隧道电流来观察固体表面的形貌和操纵.STM 的发明是显微领域的一场革命,它是“纳米革命的象征”.在STM 的基础上,人们研制出了一系列的扫描探针显微镜,如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜和激光显微镜.STM 的出现使人类第一次可以实时地观测在物质表面单个原子的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,Gerd Binnig和Heirich Rohrer因此获得1986年的诺贝尔物理学奖. 发明扫描隧道显微镜（STM）的科学家Gerd Binnig（左）与 Heinrich Rohrer。图片来源：IBM § 人类对单个原子的首次操纵 1989年,IBM 公司Almaden 研究中心的Donald M. Eigler研究小组在STM 的辅助下,将吸附在金属Ni (110)表面上的35个Xe原子移动,并组成了IBM 三个字母,这是人类第一次实现单原子操纵,成为1990年世界十大科技新闻之一.科学家们从这种操纵单个原子的纳米技术中,看到了设计和制造分子大小的器件的希望. 纳米技术飞速发展 1990年7月,第一届纳米科学技术学术会议在美国巴尔的摩召开,这次会议正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支.以此为起点,在整个90年代纳米技术获得了飞速发展. 1991年,日本学者Sumio Iijima电子显微镜首次发现了多壁碳纳米管,标志着碳纳米管的问世.两年后Iijima和IBM 公司Donald Bethune制成了单壁碳纳米管. 1995年,研究者利用原子层外延(ALE)技术制成了在80K温度下工作的量子点激光器,今天量子点激光器大量应用于光纤通信、光盘存取、显示器等. 1990年,L.T.Canham 发现了多孔硅发光现象,这为在硅片上实现光电集成开辟了一个新的前景,解决了器件之间电互联造成的时间滞后弊端,大大提升集成电路性能和计算机速度. 1997年,明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘,磁盘尺寸为100nm×100nm,它是由直径为100nm、长度为40nm 的钴棒按周期为40nm 排列成的量子棒阵列,其存储密度达到41011比特/英寸. 纳米技术全面发展进入21世纪,纳米技术的发展和应用百花齐放,世界各国纷纷将发展纳米技术定为国家战略. 2000年,时任美国总统的克林顿宣布启动国家纳米技术计划(National Nanotechnology Initiative,NNI),使纳米技术的研究经费获得大幅度增加,知名度大为提高,并因此掀起了全球研究纳米技术的高潮. 日本文部科学省在2002年度预算里将拨款301亿日元(约合2.34亿美元),实施“纳米技术综合支援计划”. 在欧洲,由国家计划、欧洲合作网络和各大公司共同提供纳米技术研究和投资所需资金.同时欧盟的研究计划最为庞大,研究机构设置也最多,覆盖的领域比较广泛. 从20世纪80年代中期开始,中国政府就高度重视纳米科技的发展. 在1991年11月召开的纳米科技发展战略学术研讨会上,一致认为纳米科技是正在兴起的战略性科技领域.将纳米材料的制备科学与性能研究列为国家“八五”重点项目,在“十五”计划纲要中,明确提出将发展纳米科技作为科技进步的一项重要任务.据不完全统计,有一半的省市将纳米材料列入当地“十五”期间的发展规划. 2001年初,国家还成立纳米科技指导协调委员会,负责组织协调全国纳米科技研究开发力量,制定有关规划.2001年7月,国务院批准了“国家纳米科技发展纲要”. 2006年,国家制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,围绕我国经济与社会发展重大战略需求和世界纳米科学技术的重大前沿基础科学问题,以深化基础研究和促进产业化为主线,促进我国纳米科学技术产业化的进程. ✎ 目前,工程纳米材料已经广泛应用到医药工业、染料、涂料、食品、化妆品、环境污染治理等传统或新兴产业中.根据美国国家纳米技术计划的预测,到2020年,纳米技术所带动的经济产值可达3万亿美元;全球纳米相关产业从业人员将达600万人. 本文由刘四旦摘编自唐仕川、常兵主编《工程纳米材料职业健康与安全》一书。 ISBN：978-7-03-044956-6 纳米材料因其特殊的物理、化学、力学性能被人们越来越多地应用到了生产生活的各个角落。随着纳米材料的普及，在日常的工作和生活中，人们已经不知不觉地接触到了这种新型的材料。但是，纳米材料对人体潜在的健康风险并不为人所知，且不为人所关注。《工程纳米材料职业健康与安全》从纳米材料的定义与特性出发，探讨了纳米材料独特的物理化学性质和结构特征；以纳米材料应用为主线，纵览了目前世界范围内纳米产业现状及健康安全的研究进展；逐一针对纳米材料的暴露评价方法和步骤，工程纳米材料的潜在健康影响（从体外实验、动物实验、人群流行病学调查和生态学研究四个角度），纳米材料风险评估与风险管理，以及纳米材料暴露控制的工程方法展开论述。从而从整体上构建了以纳米材料健康风险为核心的概念、理论、方法体系。是国内第一部针对新型纳米材料健康风险的理论著作。用您的手指点亮科学! 欢迎评论、推荐分享朋友圈，您的鼓励是我们前进的动力！; 个人分类: 科学书摘|11127 次阅读|8 个评论

【论文】力控电纺丝工艺实现可控直写点-线微结构: yahuang 2012-9-18 04:11; 这篇论文主要是利用力控电纺丝方法的近场特点，纤维沉积到基板上时依然是液体，利用基板运动速度产生的纤维拉力和沉积在基板表面张力之间的竞争关系，实现点大小、间距的可控直写。并通过实验得到电纺丝直写的3个不同阶段。力控电纺丝的基本思想是通过宏观的运动来控制微纳米纤维的定位和形貌，能够极大地提高电纺丝直写的可控性，并且由于机械拉力的存在，可以有效地降低电压，这有利于在聚合物上直接沉积结构，避免了被击穿。 Tunable bead-on-string microstructures fabricated by mechano-electrospinning, JOURNAL OF PHYSICS D: APPLIED PHYSICS，2012 论文地址： http://iopscience.iop.org/0022-3727/45/40/405301 直接下载： JAPD-出版.pdf 【摘要】This paper presents mechano-electrospinning process to fabricate bead-on-string microstructures in a continuously tunable manner. The thin jet is pulled onto the substrate by the stable electric field force and tunable mechanical drawing force, then bead-on-string structures are generated by means of the force exerted on the jet at the contact point in the horizontal direction changes from capillary force, resisted viscosity force to friction force. When the mechanical drawing force in horizontal direction overtakes the surface tension, bead-on-string structures become continuous line structures by adjusting the substrate velocity. In stable formation process of the bead-on-string, one period can be divided into three stages from the point of view of jet behaviors: being anchored, being stretched, and skipping. The bead-size and the bead-gap are all continuously tunable through mechano-electrospinning process. The fabrication mechanisms of bead-on-string microstructure are uncovered through theoretical analysis and experimental characterization. When the critical velocity achieves, the combination of drawing force and electric field force leads the bead-on-string microstructures to continuous lines. It is a flexible and high-controllable method to fabricate bead-on-string microstructures.; 个人分类: 科研|4670 次阅读|0 个评论

【论文】基于纤维阵列形成的有限长度效应的点阵自组装工艺: 热度 1 yahuang 2012-8-31 01:42; 这种点阵制备方法是非常偶然情况下发现的，原来只是利用机-电纺丝工艺直写纤维网格，然后就将直写的纤维网格放到显微镜下观测，由于不小心呼吸时的水汽凝结在纤维网格所沉积的Si衬底上，然后纤维就形成了比较规则的点阵列。后来才有了这篇论文的工作。所以实验过程中遇到的失败或者偶尔现象往往都是非常值得研究的课题。论文：Controllable self-organization of colloid microarrays based on finite length effects of electrospun ribbons,Soft Matter, 2012,8, 8302-8311 论文地址： http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2012/SM/c2sm25535a 。直接下载： SoftMatter出版.pdf 这部分工作主要是利用机-电纺丝工艺直写出特定的纤维网格，由于网格交点具有锚固作用，可以控制每一段纤维的长度，通过表面张力和Plateau–Rayleigh 不稳定性实现点阵的自组装。本方法可以控制点阵的密度、点的大小、点的间距等。实验结果与已有的理论值吻合的非常好。本方式适合于大规模的点阵制备。摘要：This paper presents a mechanoelectrospinning (MES)-assisted surface-tension driven self-organization to provide a possible route towards inexpensive generation of large-scale ordered microarrays in a controllable manner. To control the self-organization driven by surface tension and Plateau–Rayleigh instability, finite length effects are utilized to manipulate the self-organizing processes and adjust the competition between nucleation and free surface instability. We introduce fine ribbon-lattices to determine the boundary conditions of ribbons to make use of the finite length effects. The ribbon-lattices are electrodeposited precisely by MES, borrowing ideas from the “Chinese kite”, by involving the mechanical drawing force and the electric field force. Then the samples are transferred to a moisture-rich environment in which the ribbons absorb water vapour and become liquid lines. Surface instability emerges and leads the liquid lines to controllable self-organization. We uncover the controllable area to manipulate the self-organization behavior. A uniform or hierarchical microarray with a specific position, gap and droplet-size can be generated in a continuously tunable manner. This bottom-up method provides a digital approach for the fabrication of large-scale ordered microarrays and micropatterns. （1）下图是本工艺的原理图——先止血纤维阵列，再移到湿润环境，然后进行自组装，最后进行干燥，形成点阵。（2）下图是工艺参数对点阵大小的控制规律（3）下图是线段长度与点间距的关系。; 个人分类: 科研|5147 次阅读|1 个评论

【论文】柔性电子喷印制造：材料、工艺与装备: 热度 1 yahuang 2010-11-23 20:43; 喷印技术直接将功能材料沉积到基板上形成图案，有望成为高性能柔性电子的主流制造工艺之一。目前，喷印技术面临材料、工艺和设备等诸多挑战。讨论无机、有机以及纳米复合喷印材料的电学性能，分析了打印性能与粘度、表面张力、蒸发率等关系。压电、热泡等传统喷印可实现微米级分辨率图案化，而电喷涂、电纺丝、电喷印等电流体动力喷印可实现纳米级分辨率图案化，如何通过多场调控提高其喷印过程操控性至为关键。讨论了电流体动力喷印设备实现关键技术，包括液滴操控、喷嘴设计、卷到卷输送等。最后展望了柔性电子喷印制造需研究并解决的关键科学技术问题。 ZP Yin, YA Huang, NB Bu, XM Wang, YL Xiong, Inkjet printing for flexible electronics: Materials, processes and equipments, Chinese Science Bulletin, 2010 - Springer 论文地址： http://www.springerlink.com/content/p6771x85l7574u07/ 论文下载： Inkjet printing for flexible electronics- Materials, processes and equipments.pdf; 个人分类: 科研|8464 次阅读|1 个评论

【分享】关于柔性电子的实验室: yahuang 2009-6-22 14:57; 逐步收集，慢慢分享。具体如下： Instrument of SHU-SOLARE RD Joint-Lab: http://www.shu-solare.org/ Printed Nano Electronics Lab http://www.postech.ac.kr/lab/mse/twlee/index.htm the Center for Nanoscale Chemical-Electrical-Mechanical Manufacturing Systems (Nano-CEMMS) http://www.nano-cemms.uiuc.edu/ Laboratory for Thin Films Nanosystems and Nanometrology: http://ltfn.physics.auth.gr/; 个人分类: 资源|3934 次阅读|0 个评论

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标签: 纳米制造

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