納米科技

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什麼是納米科技

  納米科技是指在1—100nm尺度空內.研究電子、原子和分子運動規律、特性的高新技術學科。納米材料是納米科技發展的重要基礎,納米材料因其具有錶面效應、小尺寸效應、量子尺寸效應、巨集觀量子隧道效應從而導致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和錶面穩定性等不同於正常粒子。[1]

納米科技的提出

  最早提出納米尺度上科學和技術問題的是美國著名物理學家、兩度諾貝爾獎獲得者Richard P Feynnmn。1959年12月Feynman在加利福尼亞理工學院(Callfomia Institute of Technology,Caltech)召開的美國物理學學會(AmericarlPhys—icalSociety,APS)年會上做了一次題為“底部到底有多大空間”的著名演講。在演講中他曾預言,如果有一天人類能夠對物體微小規模上的排列加以某種控制,按自己的意志安排一個個原子份子,那將會產生許多激動人心的新發現,將從此打開一個嶄新的世界。他的這一預言被科學界視為納米科技萌芽的標誌。

納米科技的研究領域[2]

  1.納米材料

  納米材料是指由納米顆粒構成的並且具有特殊性能的固體材料。納米材料在機械強度、磁、光、聲、熱等方面都與普通材料有很大的不同。例如:納米鐵材料強度提高l2倍,硬度提高2~3個數量級;納米金屬塊在低溫下甚至會失去導體的能力;隨著納米顆粒尺寸的減小,納米材料的熔點會隨著降低,錶面積也會增大,錶面結構發生變化,錶面活性增強等。納米材料的研究包括兩方面:一是系統的研究納米材料的性能、微結構和譜學特征,找出其特殊的規律,建立描述和表徵納米材料的新概念和新理論;二是發展新型納米材料。既要在大規模製備的質量控制中,做到均勻化、分散化、穩定化,還要提高製備的速度和效率,降低成本。

  2.納米器件

  在納米尺度下,會出現種種新的現象,產生新的效應,如量子效應。利用量子效應工作的電子器件稱為量子器件。與電子器件相比,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、經濟可靠等優點。製造具有特定功能的納米產品的研究路線有兩種:一是通過微加工或固態技術,在尺寸上將產品微型化;二是以原子、分子為基本單元,根據人們的意願進行設計和組裝,構成具有特定功能的產品。

  科學家還應用生物學原理製造生物分子器件。目前,在納米化工廠、生物感測器、生物分子電腦、納米分子馬達等方面,都做了重要的嘗試。已經研製出的碳原子納米管,它的化學性質穩定,硬度約是鋼的100倍;還研製出了能在室溫條件下工作的單分子晶體管,其直徑只有4至5個原子長度的電路,為製造原子大小的電子元件提供了具體的可行性依據。

  3.納米結構的檢測和表徵

  包括在納米尺度上原位研究各種納米結構的電、力、磁、光等特性,納米空間的化學反應過程,物理傳輸過程,以及研究原子、分子的排列、組裝與奇異物性的關係。

  20世紀80年代初出現了納米科技研究的重要手段——掃描隧道顯微鏡(SaM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表徵和操縱技術。STM、AFM等掃描探針顯微鏡(SPM)被形象地稱為納米科技的“眼”和“手”。所謂“眼睛”,即可利用SPM直接觀察原子、分子以及納米粒子的相互作用與特性,表徵納米器件。所謂“手”,是指SPM可用於移動原子、分子,構造納米結構。其他實時、線上檢測和表徵技術,也為納米科技的研究提供了必不可少的手段,如激光鑷子技術可用於單個生物大分子。

納米科技的應用[3]

  1.材料製備

  材料製備包括:在納米尺度上,通過精確地控制尺寸和成分來合成材料單元,製備更輕、更強和可設計的材料,同時具有長壽命和低維修費用的特點;以新原理和新結構在納米層次上構築特定性質的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料;實現材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修複。

  2.微電子領域

  納米電子學是納米技術的重要組成部分,其主要思想是基於納米粒子的量子效應來設計並製備納米量子器件,它包括納米有序(無序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的發展將使集成電路進一步減小,研製出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。

  3.生物醫學

  納米技術將給生物醫學帶來變革。在納米尺度上按照預定的對稱性和排列可製備具有生物活性的蛋白質、核糖核酸等,在納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。同時,納米級粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便,用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體後,可主動搜索並攻擊癌細胞或修補損傷組織;在人工器官外面塗上納米粒子可預防移植後的排斥反應。

  4.航天和航空

  納米器件在航空航天領域的應用不僅是增加有效載荷,更重要的是使耗能指標呈指數地降低。這方面的研究內容還包括:研製低能耗、抗輻照、高性能電腦;微型航天器用納米集成的測試、控制儀器和電子設備;抗熱障、耐磨損的納米結構塗層材料。

納米科技的發展前景[4]

  隨著納米科技的出現,一個嶄新的時代迎面而來。納米科技成為當今發展最迅速、研究最廣泛、投入也最多的科學技術領域之一,和信息技術生物技術一起被譽為21世紀的三大新興技術。一時間,納米科技炙手可熱,納米科技因其廣闊的發展前景而備受人們的重視。

  1.材料和製備

  在納米尺度上,可以通過精確的控制尺寸和成分來合成材料單元,製備更輕、更強和可設計的材料,同時具有長壽命和低維修費用的特點;以新原理和新結構在納米層次上製備特定性質的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料,實現材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修複。

  2.微電子和電腦技術

  納米結構下微處理器的效率將提高一百萬倍,蔫實現兆兆比特的存儲器(提高1000倍);研製集成納米感測器系統。美國前總統柯林頓宣佈為納米技術研究撥款50億美元時曾預言:“請大家想象,整個國會圖書館的圖書都能存儲在一個糖塊大小的晶元中。”或許有一天,電子電腦會進人分子電腦的時代,而隨著電腦體積不斷減小的同時,其威力卻不斷增加。

  3.環境和能源

  利用納米材料獨特的物理化學性能——獨特的大比錶面積,可以製造出具有高靈敏度、高選擇性和高重覆性的應用於化學和生物化學領域的納米感測器。這些感測器可以監視和檢測環境,例如水的質量,毒氣的擴散,血液的成分變化等。用納米工程設計製備孔徑lnm的多孔材料作為催化劑的載體,有序納孔材料和納米膜材料(孔徑10-100nm)可以有效地消除水和空氣中的污染,進行廢物處理和回收,以及凈化水資源,發展綠色能源和環境處理技術,減少污染和恢復被破壞的環境;製備的納孔材料還可以成倍的提高太陽能電池的能量轉換效率。

  4.醫學和健康

  納米技術將給醫學帶來變革,納米級粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便,用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體後,可主動搜索並攻擊癌細胞或修複損傷組織;在人工器官外面塗上納米粒子可預防移植後的排斥反應;還可以利用納米技術研究耐用的與人體友好的人工組織、器官復明和復聰器件以及疾病早期診斷的納米感測器系統等。

  5.生物技術

  在納米尺度上按照預定的對稱性和排練製備具有生物活性的蛋白質、核糖核酸等,在納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,生物仿塵化學藥品和生物可降解材料;動植物的基因改善和治療,測定DNA的基因晶元等。

  6.航天和航空

  納米器件在航空航天領域的應用,不僅是增加有效載荷,更重要的是使耗能指標呈指數倍的降低。這方面的研究內容還包括:研製低能耗、抗輻照、高性能電腦、微型航天器用納米集成的測試、控制儀器和電子設備;抗熱脹、耐磨損的納米結構塗層材料。

  7.國家安全

  由於納米技術對經濟社會的廣泛滲透性,使擁有納米技術知識產權和廣泛應用這些技術的國家,將在國家經濟安全和國防安全方面處於有利地位。通過先進的納米電子器件在信息控制方面的應用,將使軍隊在預警、導彈攔截等領域快速反應;通過納米機械學、微小機器人的應用,將提高部隊的靈活性和增加戰鬥的有效性;用納米和微米機械設備控制,國家核防衛系統的性能將大幅度提高;通過納米材料技術的應用,可使武器裝備的耐腐蝕性、吸波性和隱蔽性大大提高,適用於艦船、潛艇和戰鬥機等。

參考文獻

  1. 容紅賓.納米科技的應用(J).科技信息.2012,11
  2. 李輝,郝冉等.納米科技的研究領域及前景展望(J).山西科技.2005,2
  3. 盧雲,鄧梅根等.納米科技的全球戰略及市場前景(J).材料導報.2005,F05
  4. 謝彩霞.關於我國納米科技的發展及思考(J).中州大學學報.2005,1
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