纳米科技导论（鲍久圣）

纳米科技被公认为是21世纪*为重要、发展*快的战略高新技术之一，已成为促进传统产业改造升级、发展国民经济和保障国防安全的重要推动力，在材料科学、机械制造、微电子器件、计算机技术、生物技术、医学与健康、环境与能源、航空航天以及国家安全等领域已展现出广阔的应用前景。同时纳米科技还将推动产品的微型化、高性能化和环境友好化，极大地节约资源和能源，减少人类对资源的过分依赖，并促进生态环境的改善，将在新的层次为人类可持续发展提供物质基础和技术保证。世界各发达国家都非常重视纳米科技的研究和发展，在制定国家层面的科技与产业发展计划时都将其列为21世纪优先发展的关键技术之一。

本书定位为兼顾科学普及与专业知识的本科生通识教育课程或专业拓展课程教材，在内容上力求加强对纳米科技重要基础理论、关键核心技术和主要应用领域的介绍。首先，从量子物理知识出发，过渡到介观物理和纳米物理基础知识，使读者了解纳米科技的提出和发展历程，能够正确理解和认识物质在纳米尺度上出现的新现象与新规律；其次，在纳米科技的材料基础方面，分别介绍了纳米碳材料、纳米粉体、纳米薄膜、纳米块体和纳米复合材料的物化性质、制备方法和主要应用，特别强调了对纳米材料进行表面修饰和改性的重要性；再次，讲述了纳米尺度上的测量方法与加工技术，其中不仅涉及对超细粉体的测量，还介绍了电子光学表面分析相关仪器，重点介绍了扫描隧道显微技术；*后，分别介绍了微纳机电系统、纳米电子学、纳米生物医学三大交叉领域的应用与发展，列举介绍了纳米塑料、纳米陶瓷、纳米复合纤维、纳米复合涂料、纳米磁性液体等纳米科技典型应用实例，并对纳米科技在能源、环保、军事等其他领域的研究与应用情况也进行了简要介绍。通过对本书的学习，读者认识和了解纳米科技的提出和发展，理解和掌握纳米科技的基础知识、重要概念、主要方法、应用领域和发展前景等。

本书由中国矿业大学鲍久圣教授担任主编，中国矿业大学刘同冈教授、阴妍副教授担任副主编。全书内容共分为8章，其中第1、2、3、4章由鲍久圣负责编写，第5、6章由刘同冈负责编写，第7、8章由阴妍负责编写。董慧丽、胡格格、王晓阳等参与了资料搜集、图表绘制和文字校核等工作。

本书的出版得到了中国矿业大学教材建设专项资金的资助，特此致谢！由于本书涉及范围较广，内容定有不足，疏漏之处在所难免，敬请广大读者批评与指正。

主编

2020年6月

《纳米科技导论》系统介绍了纳米科技的提出、发展与基本内涵，详细阐述了纳米体系理论基础、纳米材料、纳米测量与加工技术等基础知识，重点介绍了微纳机电系统、纳米电子学、纳米生物医学三大交叉领域，简要介绍了纳米塑料、纳米陶瓷、纳米复合纤维、纳米复合涂料、纳米磁性液体等典型应用实例。

《纳米科技导论》内容较为全面，完整涵盖了纳米科技的基础理论、技术方法、应用领域等，不仅可作为高等院校理工类本科教学用书，也可作为普及纳米科技知识的基础教程和相关科技人员的参考用书。

鲍久圣，中国矿业大学机电工程学院，副主任、教授，鲍久圣教授现为中国矿业大学机电工程学院教授、博士生导师，现任江苏省矿山智能采掘装备协同创新中心副主任，曾入选江苏省“333人才工程”中青年科学技术带头人、江苏省“双创计划”企业创新博士、江苏省“六大人才高峰”高层次人才培养对象、中国矿业大学优*秀青年骨干教师等高层次人才培养工程。

在教学方面，先后为本科生讲授《纳米科技》、《测试技术》、《矿井运输提升设备》、《机电传动控制》、《机电设备管理》等8门本科课程；教学效果优*秀，曾获江苏省微课教学竞赛二等奖、中国矿业大学微课竞赛一等奖各1项。教学改革和课程建设经验丰富，担任《纳米科技》等3门课程负责人；已主持教学研究项目6项，其中：省部级1项；发表教学研究论文9篇，其中：第*一作者5篇；主持完成的“《纳米科技》课程建设与教学改革”成果荣获中国矿业大学优*秀教学成果一等奖（2012年，排名第1）；参与编著的教材《采矿运输技术与装备》荣获全国煤炭行业优*秀教材特等奖（2016年，排名第2）。

在科研方面，主要致力于摩擦材料与摩擦学、矿山智能运输技术等领域的科学技术研究，已主持科研项目27项，其中：国*家级3项，省部级4项、横向课题10项；发表学术论文100余篇，其中：第*一或通讯作者论文64篇（SCI检索28篇、EI检索8篇）；申请发明专利60余件，其中：第*一发明人42件（已授权23件）；曾获省部级科研学术奖励8项，其中：排名前五以内7项；指导大学生创新训练计划项目7项，其中：国*家级1项、省级2项。

第1章 绪论

1.1纳米科技的提出与发展1

1.1.1介观世界的发展1

1.1.2纳米科技概念的提出2

1.1.3纳米科技的发展历史3

1.2纳米科技的基本内涵6

1.2.1纳米科技的研究内容6

1.2.2纳米科技的研究方法9

1.2.3纳米科技的研究意义9

1.3纳米科技的研究现状与发展趋势11

1.3.1国际纳米科技的发展现状12

1.3.2我国纳米科技的发展现状14

1.3.3我国纳米科技的发展目标16

思考题17

第2章 纳米体系理论基础

2.1物理学相关基础理论18

2.1.1量子物理简介18

2.1.2量子统计简介27

2.1.3介观物理简介28

2.2纳米材料体系物理效应30

2.2.1电子能级的不连续性31

2.2.2量子尺寸效应32

2.2.3小尺寸效应33

2.2.4表面效应35

2.2.5量子隧穿效应36

2.3纳米材料的化学性质37

2.3.1纳米粒子的催化作用37

2.3.2半导体纳米粒子的光催化效应38

2.3.3纳米材料的化学吸附特性39

思考题40

第3章 纳米材料基础

3.1纳米材料的分类41

3.1.1纳米材料的定义及分类方法41

3.1.2纳米材料的维度分类41

3.2纳米材料的表面修饰与制备方法42

3.2.1纳米材料的自发团聚问题42

3.2.2纳米材料的表面修饰方法43

3.2.3纳米微粒的主要制备方法46

3.2.4超分子体系与分子自组装技术54

3.3纳米碳材料56

3.3.1富勒烯56

3.3.2碳纳米管58

3.3.3石墨烯65

3.4纳米粉体材料66

3.4.1纳米粉体的团聚控制66

3.4.2纳米粉体分散体系67

3.4.3纳米粉体的制备68

3.4.4纳米粉体的应用69

3.5纳米薄膜材料70

3.5.1纳米薄膜的制备71

3.5.2纳米薄膜的性能73

3.5.3纳米薄膜的应用76

3.5.4LB膜及其应用79

3.6纳米块体材料81

3.6.1纳米块体的制备82

3.6.2纳米块体的结构特点84

3.6.3纳米块体的性能86

3.6.4纳米块体的应用94

3.7纳米复合材料96

3.7.1金属基纳米复合材料97

3.7.2聚合物基纳米复合材料97

3.7.3陶瓷基纳米复合材料97

思考题98

第4章 纳米测量与加工技术

4.1纳米粒子的表征及测量99

4.1.1纳米粉体粒度的表征99

4.1.2纳米粉体粒度及形状测量101

4.1.3纳米粒子表面电性能测量103

4.2纳米测量技术104

4.2.1电子显微技术104

4.2.2扫描探针显微技术105

4.2.3衍射测量技术110

4.2.4谱学测量技术111

4.2.5热分析测量技术113

4.3微纳加工技术114

4.3.1光学曝光技术114

4.3.2电子束刻蚀技术115

4.3.3聚焦离子束技术116

4.3.4纳米压印技术117

思考题118

第5章 微纳机电系统

5.1微机械发展历程120

5.2纳米机械学基础122

5.2.1微机械的基本特性122

5.2.2微机械的基础材料123

5.2.3微机械的加工方法123

5.3纳米摩擦学127

5.3.1零摩擦127

5.3.2零磨损128

5.3.3薄膜润滑129

5.4微纳机电器件130

5.4.1微传感器130

5.4.2微执行器件132

5.4.3微能源装置136

思考题137

第6章 纳米电子学

6.1微电子技术的发展限制139

6.1.1微电子技术发展的摩尔定律139

6.1.2微电子技术发展的制约因素140

6.2纳米电子学基础142

6.2.1纳米电子学的理论基础142

6.2.2纳米电子学的技术途径143

6.3纳米电子材料及其组装技术144

6.3.1纳米电子材料144

6.3.2纳米结构组装技术145

6.4纳米电子器件148

6.4.1电子器件的发展历程148

6.4.2纳米电子器件的分类149

6.4.3典型纳米电子器件149

思考题157

第7章 纳米生物医学

7.1分子生物学158

7.1.1脱氧核糖核酸（DNA）159

7.1.2基因工程160

7.2纳米医学163

7.2.1纳米医学领域163

7.2.2纳米医用材料165

7.2.3纳米医用仪器166

7.2.4纳米医用机器人167

7.3纳米生物计算机168

7.3.1纳米生物芯片169

7.3.2纳米生物计算机171

7.4纳米生物机械172

7.4.1纳米马达172

7.4.2纳米轴承173

7.4.3其他纳米生物机械175

7.5纳米生物伦理问题175

7.5.1纳米技术的双面性175

7.5.2纳米技术伦理问题176

7.5.3纳米伦理问题研究177

思考题179

第8章 纳米科技典型应用实例

8.1纳米塑料180

8.1.1纳米塑料的制备方法180

8.1.2纳米塑料的性能183

8.1.3典型纳米塑料186

8.2纳米陶瓷188

8.2.1纳米陶瓷的制备工艺189

8.2.2纳米陶瓷的性能191

8.2.3纳米陶瓷的应用193

8.3纳米复合纤维195

8.3.1纳米复合纤维的制备方法195

8.3.2纳米复合纤维的功能特性195

8.4纳米复合涂料201

8.4.1纳米复合涂料的制备方法202

8.4.2纳米复合涂料的分类和功能203

8.4.3纳米复合涂料实例206

8.5纳米磁性液体207

8.5.1纳米磁性液体的组成207

8.5.2纳米磁性液体的特性209

8.5.3纳米磁性液体的制备210

8.5.4纳米磁性液体的应用212

8.6纳米科技在能源领域的应用220

8.6.1太阳能电池220

8.6.2燃料电池224

8.6.3锂离子电池225

8.6.4储氢材料226

8.6.5超级电容器228

8.7纳米科技在环保领域的应用230

8.7.1水处理230

8.7.2空气污染控制233

8.7.3其他环保应用235

8.8纳米科技在军事领域的应用236

8.8.1纳米材料在武器装备中的应用236

8.8.2纳米隐身技术239

8.8.3纳米信息装备241

8.8.4纳米攻击装备243

思考题245

参考文献