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什么是纳米科技?

发布时间:2009/4/20  发布者:  浏览次数:3975

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什么是纳米科技? 纳米科学技术是研究在千万分之一米(10-7)到亿分之一米(10-9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问;同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
纳米科技的研究内容
创造和制备优异性能的纳米材料
设计、制备各种纳米器件和装置
探测和分析纳米区域的性质和现象
什么是纳米?
  纳米是尺寸或大小的度量单位:千米(103 )→米→厘米→毫米→微米→纳米( 10-9)4倍原子大小,万分之一头发粗细。
纳米科技研究什么问题?
生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。生物科学技术中对基因的认识,产生了转基因生物技术,可以治疗顽症,也可以创造出自然界不存在的生物;信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事,因特网几乎可以改变人们的生活方式。
纳米科学是研究在千万分之一米(10-7)到亿分之一米(10-9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问;同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
还原论:把物质的运动都还原到原子、分子这一层面上。原子论和量子力学取得了巨大的成功。有机合成;分子生物学;转基因食品、克隆羊;原子光谱和激光;固体电子论和IC;几何光学到光纤通讯。
宏观世界上经典物理、化学、力学的巨大成就:计算机和网络、宇宙飞船、飞机、汽车、机器人等改变了人们的生活方式。科学技术有认识上的盲区或人类知识大厦上的裂缝。裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界,另一岸是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是直接而简单的联结,存在一个过渡区--纳米世界。
例:分子合成 ≤1.5nm, →活体 微电子技术在0.2μm,显微外科只能连接大、小、微血管≤ PM10和PM1.5的微粒
50年代,钱老“物理力学”是企图连接两个世界的前驱工作之一
几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时,表现出既不同于单个原子、分子的性质,也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质,如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时,奇特的性质又会失去,像真是一些长不大的孩子。
在10nm尺度内,由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合及探测、应用它们---纳米科学技术的主要问题:
*原子和分子的微观世界和宏观世界的过渡区内的新现象和新规律
*探测纳米长度内物理、化学生物信息的新原理和新方法
*新概念和新理论:强关联、强场、快过程、少粒子的量子体系
*应用
新科学还是老理论的翻版?
*历史悠久的新科学技术
西汉铜镜和黑漆鼓
徽墨
漆器
催化剂材料
感光材料和彩色胶片
含有高岭土颗粒的轮胎
WHY?不清楚
  近十年,计算机和材料设计;探测技术STM、AFM、SNOM;IC和生命科学的推动;制备技术发展;理论的发展高强度和高韧性、可自修复、有智能、可再生→新一代纳米材料
  为什么小尺寸会有如此重要的影响?
  表面效应
小尺寸效应
量子限域效应
研究目标和可能的应用 
材料和制备:更轻、更强和可设计;长寿命和低维修费;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;材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复;
微电子和计算机技术:2010年实现线条为100nm的芯片,纳米技术的目标为:纳米结构的微处理器,效率提高一百万倍;10倍带宽的高频网络系统;兆兆比特的存储器(提高1000倍);集成纳米传感器系统
医学与健康
快速、高效的基因团测序和基因诊断和基因治疗技术;用药的新方法和药物’导弹’技术;耐用的人体友好的人工组织和器官;复明和复聪器件;疾病早期诊断的纳米传感器系统 。
航天和航空 
低能耗、抗辐照、高性能计算机;微型航天器用纳米测试、控制和电子设备;抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料 。
环境和能源 
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;
孔径为1nm的纳孔材料作为催化剂的载体;MCM-41有序纳孔材料(孔径10-100nm)用来祛除污物;
生物技术和农业
在纳米尺度上,按照预定的大小、对称性和排列来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产生具有生物功能和其他功能的综合性能。,生物仿生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。
神通广大的纳米材料
 纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的“颗粒”。这些“颗粒”的尺寸只有几个纳米
脾气爆燥、易燃易爆的纳米金属颗粒 
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝作成纳米颗粒,遇到空气就会激烈燃烧,发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作成功固体火箭的燃料、催化剂。
  材料世界中的大力士--纳米金属块体
金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料,它会变得十分结实,强度比一般金属高十几倍,同时又可以像橡胶一样富于弹性。
奇妙的碳纳米管。碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状“纤维”,内部是空的,外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一,而强度却是钢的100部。轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。如果,用碳纳米管作出绳索,是从月球上挂到地球表面,而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它作为地球--月球乘人的电梯。
  善变颜色的纳米氧化物材料
氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。作成士兵防护激光枪的眼镜和广告板,在电、光的作用下,会变得更加喧丽多彩。
刚柔并济的纳米陶瓷
纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性,高硬度和耐高温,使发动机工作在更高的温度下,汽车会跑得更快,飞机会飞得更高。
  爱清洁的纳米材料
  把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上,大楼不会被空气中的油污弄脏,玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中,做成的衣服不沾尘,省去不少洗衣的麻烦。
法力无边的半导体纳米材料
半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光,可以做成超小型的激光光原。它还可以吸收太阳光中的光能;把它们直接变成电能。
运送药物的“导弹”
把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动,如果在人体外部加以导向,使药物集中到患病的组织中,那么药物治疗的效果会大大地提高。
奇妙的碳纳米管
最近,科学家正在致力于一种新型纳米材料--碳纳米管的研究,这是一种非常奇特的材料,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维",内部是空的,外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻,但很结实。它的密度是钢的1/6,而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索,是唯一可以从月球挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯,人们在月球定居就很容易了。
纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是电视制造业的发展方向。
被囚禁的电子和未来的电子学器件
把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内,或者在一根非常细的短金属线内,线的宽度只有几个纳米,会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制,电子动或能量被量子化了。结果表现在当在金属颗粒的两端加上电压,电压合适时,金属颗粒导电;而电压不合适时金属颗粒不导电。这样一来,原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。还有一种奇怪的现象,当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时,金属颗粒具有了负电性,它的库仑力,足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内,切断了电流的连续性,也使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件,所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小,一旦实现,并把它们集成起来作成计算机芯片。计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而,事情可不是像人们所设想的那么简单。起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上,被囚禁的电子可不是那么“老实”,按照量子力学的规律,有时它可以穿过“监狱”的壁逃逸出来,一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相互关联在一起,当然,需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路,另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根到底,在这一世界中电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管单电子器件已经在实验室里得以实现,但是真是要用在工业上,要假以时日,是明天或后天的技术。
被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献,会使材料发出强的光。“量子点列阵激光器”或“级联激光器”的尺寸小,发光的强度高,驱动它们发光的电压低。可发生兰光和绿光。用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者,如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存贮数据,制成量子磁盘,存贮度可提高成千上万倍。会给信息存贮的技术带来一场革命。
  囚禁冷却的原子和“原子激光”
绝对零度(10nK)附近囚禁原子,原子的热运动十分弱。在磁场中,同时在三个方向上用激光照射被冷却的原子,原子将停留在激光的电场波动的谷内。实验上已经可将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内。有趣的是所有的原子还具有同样的动量。发射出来,一束原子具有与激光一样的性质,即空间和时间的相干性。人们在思考如何利用这一束原子“激光”。初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用。
纳米加工技术-通向纳米世界的桥梁
按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁、按排材料,这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术是纳米科学的重要基础,也包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。
例:纳米的孔或线里的原子的扩散
  纳米尺度内相互运动时的摩擦
在纳米世界内,所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑。
纳米集成技术使不同材质的材料集成在一起,它既具有芯片的功能,又可以探测到电磁波,光波(包括可见光红外、紫外线等)的信号,还同时能完成计算机的命令的动作。
纳米探测技术
*现有技术TEM、SEM、STM、AFM、SNOM 
*将来的技术是什么?
总而言之,下一个世纪是生命科学技术、信息科学技术大有作为的时代,而纳米科学的发展将给它们带来更多的机会和工具。纳米科学这一未知而又神奇的世界中,正等待人们去探索和发掘。
 
 

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