纳米科技

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什么是纳米科技

  纳米科技是指在1—100nm尺度空内.研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。纳米材料是纳米科技发展的重要基础,纳米材料因其具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应从而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子。[1]

纳米科技的提出

  最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、两度诺贝尔奖获得者Richard P Feynnmn。1959年12月Feynman在加利福尼亚理工学院(Callfomia Institute of Technology,Caltech)召开的美国物理学学会(AmericarlPhys—icalSociety,APS)年会上做了一次题为“底部到底有多大空间”的著名演讲。在演讲中他曾预言,如果有一天人类能够对物体微小规模上的排列加以某种控制,按自己的意志安排一个个原子份子,那将会产生许多激动人心的新发现,将从此打开一个崭新的世界。他的这一预言被科学界视为纳米科技萌芽的标志。

纳米科技的研究领域[2]

  1.纳米材料

  纳米材料是指由纳米颗粒构成的并且具有特殊性能的固体材料。纳米材料在机械强度、磁、光、声、热等方面都与普通材料有很大的不同。例如:纳米铁材料强度提高l2倍,硬度提高2~3个数量级;纳米金属块在低温下甚至会失去导体的能力;随着纳米颗粒尺寸的减小,纳米材料的熔点会随着降低,表面积也会增大,表面结构发生变化,表面活性增强等。纳米材料的研究包括两方面:一是系统的研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征,找出其特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论;二是发展新型纳米材料。既要在大规模制备的质量控制中,做到均匀化、分散化、稳定化,还要提高制备的速度和效率,降低成本。

  2.纳米器件

  在纳米尺度下,会出现种种新的现象,产生新的效应,如量子效应。利用量子效应工作的电子器件称为量子器件。与电子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高l000倍)、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集成度、经济可靠等优点。制造具有特定功能的纳米产品的研究路线有两种:一是通过微加工或固态技术,在尺寸上将产品微型化;二是以原子、分子为基本单元,根据人们的意愿进行设计和组装,构成具有特定功能的产品。

  科学家还应用生物学原理制造生物分子器件。目前,在纳米化工厂、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面,都做了重要的尝试。已经研制出的碳原子纳米管,它的化学性质稳定,硬度约是钢的100倍;还研制出了能在室温条件下工作的单分子晶体管,其直径只有4至5个原子长度的电路,为制造原子大小的电子元件提供了具体的可行性依据。

  3.纳米结构的检测和表征

  包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁、光等特性,纳米空间的化学反应过程,物理传输过程,以及研究原子、分子的排列、组装与奇异物性的关系。

  20世纪80年代初出现了纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜(SaM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术。STM、AFM等扫描探针显微镜(SPM)被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。所谓“眼睛”,即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性,表征纳米器件。所谓“手”,是指SPM可用于移动原子、分子,构造纳米结构。其他实时、在线检测和表征技术,也为纳米科技的研究提供了必不可少的手段,如激光镊子技术可用于单个生物大分子。

纳米科技的应用[3]

  1.材料制备

  材料制备包括:在纳米尺度上,通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻、更强和可设计的材料,同时具有长寿命和低维修费用的特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料;实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

  2.微电子领域

  纳米电子学是纳米技术的重要组成部分,其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件,它包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的发展将使集成电路进一步减小,研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。

  3.生物医学

  纳米技术将给生物医学带来变革。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列可制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等,在纳米材料和器件中植入生物材料可使其兼具生物功能和其他功能。同时,纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后,可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织;在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应。

  4.航天和航空

  纳米器件在航空航天领域的应用不仅是增加有效载荷,更重要的是使耗能指标呈指数地降低。这方面的研究内容还包括:研制低能耗、抗辐照、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。

纳米科技的发展前景[4]

  随着纳米科技的出现,一个崭新的时代迎面而来。纳米科技成为当今发展最迅速、研究最广泛、投入也最多的科学技术领域之一,和信息技术生物技术一起被誉为21世纪的三大新兴技术。一时间,纳米科技炙手可热,纳米科技因其广阔的发展前景而备受人们的重视。

  1.材料和制备

  在纳米尺度上,可以通过精确的控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻、更强和可设计的材料,同时具有长寿命和低维修费用的特点;以新原理和新结构在纳米层次上制备特定性质的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料,实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复。

  2.微电子和计算机技术

  纳米结构下微处理器的效率将提高一百万倍,蔫实现兆兆比特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统。美国前总统克林顿宣布为纳米技术研究拨款50亿美元时曾预言:“请大家想象,整个国会图书馆的图书都能存储在一个糖块大小的芯片中。”或许有一天,电子计算机会进人分子计算机的时代,而随着电脑体积不断减小的同时,其威力却不断增加。

  3.环境和能源

  利用纳米材料独特的物理化学性能——独特的大比表面积,可以制造出具有高灵敏度、高选择性和高重复性的应用于化学和生物化学领域的纳米传感器。这些传感器可以监视和检测环境,例如水的质量,毒气的扩散,血液的成分变化等。用纳米工程设计制备孔径lnm的多孔材料作为催化剂的载体,有序纳孔材料和纳米膜材料(孔径10-100nm)可以有效地消除水和空气中的污染,进行废物处理和回收,以及净化水资源,发展绿色能源和环境处理技术,减少污染和恢复被破坏的环境;制备的纳孔材料还可以成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。

  4.医学和健康

  纳米技术将给医学带来变革,纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后,可主动搜索并攻击癌细胞或修复损伤组织;在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;还可以利用纳米技术研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件以及疾病早期诊断的纳米传感器系统等。

  5.生物技术

  在纳米尺度上按照预定的对称性和排练制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等,在纳米材料和器件中植人生物材料使其兼具有生物功能和其他功能,生物仿尘化学药品和生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗,测定DNA的基因芯片等。

  6.航天和航空

  纳米器件在航空航天领域的应用,不仅是增加有效载荷,更重要的是使耗能指标呈指数倍的降低。这方面的研究内容还包括:研制低能耗、抗辐照、高性能计算机、微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。

  7.国家安全

  由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性,使拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家,将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用,将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应;通过纳米机械学、微小机器人的应用,将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性;用纳米和微米机械设备控制,国家核防卫系统的性能将大幅度提高;通过纳米材料技术的应用,可使武器装备的耐腐蚀性、吸波性和隐蔽性大大提高,适用于舰船、潜艇和战斗机等。

参考文献

  1. 容红宾.纳米科技的应用(J).科技信息.2012,11
  2. 李辉,郝冉等.纳米科技的研究领域及前景展望(J).山西科技.2005,2
  3. 卢云,邓梅根等.纳米科技的全球战略及市场前景(J).材料导报.2005,F05
  4. 谢彩霞.关于我国纳米科技的发展及思考(J).中州大学学报.2005,1
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