纳米材料论文素材

浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品机械工业中的应用，并研究预测了纳米技术在未来机械工业中的发展前景。关键词：纳米技术；微机械；机械工业；发展前景1纳米技术的内涵纳米是长度单位，原称“毫微米”，就是10－9（10亿分之一）米。纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1~100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。2纳米技术的主要内容（1）纳米材料包括制备和表征。在纳米尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性质）和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色。而不改变物质的化学成份。（2）纳米动力学主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。MEMS使用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。（4）纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光／电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但是“更小”并非没有限度。3纳米技术在机械工业中的应用3．1纳米技术在微机械领域中的应用随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一是通过微加工和固态技术，不断将产品微型化；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，从而构筑成具有特定功能的产品。3．1．1采用微加工技术制造纳米机械（1）微细加工。日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器，实现了微细加工。（2）微型机器人。在工业制造领域，微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10％的位置重复精度（±5 nm），可适用于精密微细操作。我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的机器人，其操作精度达到了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下才能看得见。德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感器，这种传感器将为人们提供关于汽车上每个零部件在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。3．1．2采用自组装技术制造纳米机械（1）生物器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。（2）纳米分子电动机。美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分开后，它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到治疗的目的。3．2纳米技术在包装机械领域中的应用采用纳米材科技术对包装机关键零部件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和沸腾干燥床关健部件的表面涂层。3．3纳米技术在食品机械领域中的应用纳米SiC、Si3N4在较宽的波长范围内对红外线有较强的吸收作用，可用作红外吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。纳米Si3N4非晶块具有从黄光到近红外光的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以纳米SiO2做成的光纤对600 nm以上波长光的传输损耗小于10 dB／km，以纳米SiO2和纳米TiO2制成的微米级厚的多层干涉膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统的卤素灯相比，可节省15％的电能。经研究证明，将30～40 nm的TiO2分散到树脂中制成薄膜，成为对400 nm波长以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材料，可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。纳米SiO2光催化降解有机物水处理技术无二次污染，除净度高，其优点是：①具有很大的比表面积，可将有机物最大限度地吸附在其表面；②具有更强的紫外线吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，可快速将吸附在其表面的有机物分解掉。这为污水处理量较大的食品企业提供了有力的技术支持。介孔固体和介孔复合体是近年来纳米材料科学领域较引人注目的研究对象，由于这种材料较高的孔隙率（孔洞尺寸为2～50 nm）和较高的比表面，因而在吸附、过滤和催化等方面有良好的应用前景。对纯净水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了一个广阔的发展空间。橡胶和塑料是包装和食品机械应用较多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为黑色，不适宜用在食品机械上。纳米材料的问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老化性能提高3倍，使用寿命长达30年以上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，限制了它在包装和食品机械上的大范围应用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改性，达到工程塑料尼龙－6的性能指标，且工艺性能好、成本低，可大量采用。4纳米技术在机械行业中的发展前景（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型模、拉丝模、套筒和热胶道，可有效减少积料碳化的产生几率。（3）射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑，更是任何金属所无法表现的优异性。（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动性大幅提升，特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。5结语综上所述，纳米技术是近十多年来逐步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的新学科，是现代科学和现代技术相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。美国商业通讯公司研究报告称，未来五年，用于橡胶产品和油墨生产的碳黑填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今后几年，全球纳米材料的需求将以2．7％年增长速度增长，到2010年将达到1 030万t，所以纳米包装具有较大的市场发展潜力。过去，我国机械包装工业的一些先进设备、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术的出现，将对我国机械包装行业的技术创新带来新的发展机遇。相信在不远的将来，纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领域，它给机械工业带来的变化将是巨大的。参考文献1向春礼．纳米科技及其发展前景［J］．新材料产业，2001（4）2王新林．金属功能材料的几个最新发展动向［J］．新材料产业，2001（4）3唐苏亚．纳米技术在微机械领域中的应用［J］．微电机，2002（5）4万乃建．21世纪数控技术新面貌［J］．机械制造，2001（20）5杨大智．智能材料与智能系统［M］．天津：天津大学出版社，2000

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二○○七年五月纳米科技带给我们的哲学思考摘要：纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工陶瓷材料公司业化，以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性技术体系。纳米科技的发展拓展了人类认识微观世界的能力，可以在微观尺度探索人类和世界的奥秘。但另一方面，我们也应看到纳米技术的不当应用带来的灾难，本文在总结纳米科技的成就基础上运用哲学辨证法思考纳米科技的危害。关键词：纳米科技 哲学反思 解决之道正文1纳米科技及其成就1．1什么是纳米纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。纳米尺度范围的性能表现在小尺寸效应、比表面效应、量子尺寸效应等。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。1．2 &nbs工艺陶瓷模具p; 纳米科技纳米科技是指在至100nm纳米材料是究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。4纳米产业发展趋势（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3我眼中的纳米的论文个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。(3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。(4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。(6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入WTO后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。纳米科技的发展和纳米材料的不断研制，给我们的生活带来了翻天覆地的变化，极大地改变着我们的生活，但是纳米材料的安全性问题引起人们的关注。对纳米科技的反思从“纳米牙膏”到“纳米护肤霜”，全球目前已有300多种号称使用纳米技术的产品上市了。纳米技术开始走进人们的生活圈。但与此同时，人们对纳米材料可能的、潜在的安全性问题却一直心有余悸。早在3年前，就有几份报告让人对“纳米”这个极具发展前景的新兴技术感到迷惑。在2003年美国化学学会年会上，有3个研究小组发表了纳米材料具有特殊毒性的报告。美国宇航局的研究小组发现碳纳米管会进入小鼠肺泡，形成肉芽瘤，这是肺结核病的典型特征。杜邦公司的一个研究小组也发现了类似的结果。纽约罗切斯特大学的研究者让老鼠在含有直径为20纳米聚四氟乙烯颗粒的空气中待15分钟，大多数实验鼠在随后4小时内死亡，而另一组大鼠暴露在含直径为120纳米颗粒的空气中，则安然无恙。该研究小组在另一项实验中还发现纳米颗粒能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。目前，人们关注的纳米技术安全性问题主要集中在：纳米微粒对人类健康的潜在风险和对环境的负面影响。尽管纳米材料毒理的问题现在还说不清楚，但专家都同意需要对纳米科技的潜在风险及其负面影响进行专门研究。纳米技术这个名词的发明者———美国麻省理工学院的埃里克·德雷斯勒早在1986年出版的《创造的引擎》一书中，就详尽描述了操作原子大小物质的各种纳米技术的现状、未来发展潜力和危险。这样他既激起了人们对纳米技术的兴趣，也让许多人对纳米技术的未来忧心忡忡。“纳米技术的危险性远远高出它的益处。”整个90年代，这种论点一直在科学界中广泛存在。2000年底，《发现》杂志曾评出21世纪20大危险，纳米技术与行星撞地球及全球疫病一道，并列为其中之一。那么，在科学家眼中，纳米技术的危险又在哪里呢？这还得从德雷斯勒说起。在他的书中，德雷斯勒设想过一种叫做“装配工”的纳米机械通过原子的抓取和放置，这种人造的分子大小的纳米机械能够像人体内的蛋白质和酶一样，制造出任何东西，比如电视机和电脑———当然，也包括它们自己。科学家们由此开始担心：这些装配工如果能够听从人的善意指挥，固然是一件好事，但如果控制程序出现错误或被人恶意利用，是否会像计算机蠕虫病毒那样无限度自我复制下去，从而覆盖并毁灭整个地球？相关阅读：新型建筑材料有哪些+碳纳米管化学纪事ChroniclesofCarbonNa...发表于2007-12-1800:41|碳纳米管化学佛山世界现代设计史论文陶瓷模具纪事八发信人:...新型建筑材料有哪些&科学家展望未来世界关键字：发展世界国家成为人类创新科技人们未来服饰未来世界的食品低热量低胆固醇随着现代科技的迅猛发展...新型建筑材料有哪些!人文科技走进科学科学知识科学新闻科学论文研究纳米技术的科陶瓷材料学家都有这样的感觉：他们实际上是在——探寻宇宙万物的最终秘密它不是小尺寸的...科技新闻::孩子们眼中的纳米爸爸$新型建筑材料有哪些今年刚40岁的王中林博士是美国佐治亚理工学院材料科学系教授，佐治亚理工学纳米科氧化物基金属陶瓷学和...新型建筑材料有哪些&科学家展望未来世界关键字：发展世界国家成为人类创新科技人们未来服饰未来世界的食品低热量低胆固醇随着现代科技的迅猛发展...新型建筑材料有哪些科学家展望未来世界关键字：发展世界国家成为人类创新科技人们未来服饰未来世界的食品低热量低胆固醇随着现代科技的迅猛发展...

纳 米 科 技丁福全前 言一、纳米与纳米科技的基本概念二、纳米科技发展的十年三、“纳米热”四、纳米技术的应用五、结束语参考文献纳 米 科 技——21世纪高科技三剑客之一前 言人类从工业经济向知识经济转变的时代，正好是20世纪和21世纪交替的时候。所以说20世纪是工业经济高度发展的世纪，那么21世纪，则是知识经济如日东升的世纪。知识经济的基本特征预示着21世纪人类经济，乃至整个人类社会，将发生许多深刻的变化，经济发展的持续性，将把人类推向一个新的文明时代。人类的知识，不仅是“重新安排”物质的知识，使之得到充分的发展。重新安排“人类精神”的知识，也将得到更大的发展。今天，纳米科技开发的大潮正在全球掀起。这是人类科学进步的又一体现，是发展新经济的又一次机遇，是人类创造科技奇迹的又一次大好机会。因此，各国的科技力量云集于这个纳米科技开发的大战场。排好队形，摆开阵势，决战这个战场。有人说，这是一场无硝烟的激战，是一场高科技领域的世界角逐。其科技含量和创造辉煌的程度将超过人类任何一次科技成就。一、纳米与纳米科技的基本概念“纳米”是英文namometer的译名。另一种说法“纳米”一词源自于拉丁文“NANO”，意思是“矮小”。纳米是一个度量单位，是一个长度单位。纳米材料构筑的物质，是看不到，摸不着的微细物质。1纳米，即1nm=10-9m，也就是十亿分之一米，约相当45个原子串在一起的长度，或者说，1个纳米大体上相当于4个原子的直径。如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃弹球大小相比。人的一根头发直径约为80μm（微米），即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝的直径上就可写入8000字，相当于一篇较长的科技论文容量。所谓纳米科技是以1~100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新兴学科，就是指通过一定的微细加工方式，按人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造新功能的器件、机器以及其它各方面应用的科学与技术。可见，纳米科技的首要任务就是要通过各种手段，如微细加工技术和扫描探针技术等来制备纳米材料或具有纳米尺度的结构；其次借助许多先进的观察测量技术与仪器来研究所制备纳米材料或纳米尺度结构的各种特性，最后根据其特殊的性质进行有关的应用。所以，从一定程度上讲，纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量表征技术构成为纳米科技发展的三个非常重要的支撑技术。纳米科技开发领域，主要有：纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造学、纳米表征测量学及纳米医学，等等。二、纳米科技发展的十年追求新鲜和进步是人类文明的动力。纳米科技形成独立学科领域是在20世纪90年代，1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议（Nano I），成立了常设机构——顾问委员会，中国是成员之一。该委员会将纳米科技的研究范围分为6个部分。纳 米 学 科 分 类纳米电子学纳米物理纳米化学纳米生物学纳米机械纳米测量1993年8月在莫斯科召开了第二届国际纳米科技会议(Nano Ⅱ)1996年在北京召开了第四届国际纳米科技会议(Nano Ⅳ)。2000年在德国举行了第六届国际纳米科技会议（Nano Ⅵ）。三、“纳米热”纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。现今发达国家的主导工业已是以微电子为基础的电子工业，不再是钢铁、材料、能源、化工、交通。目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研究、开发进行大量的投入，试图抢占21世纪战略技术的制高点。2000年1月，美国克林顿总统在加州理工学院演讲时说：“我们将在原子和分子水平操纵物质。想象一下这样的可能性：材料具有10倍于钢的强度，而重量只有钢的六分之一；把国会图书馆的所有信息压缩进入一个只有一块方糖大小的器件；在肿瘤只有几个细胞大小时就能检测出来” 。2001年1月18日。中国成立了中国纳米科技指导协调委员会，制订发展中国纳米科技的计划。目前国家已初步规划在北京、上海成立北、南两个研发中心（纳米科技创新基地）。当前我国纳米科技发展的主要任务是：①加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作；②突破一批纳米科技发展共性关键技术；③开拓纳米材料和器件的应用，培育相关产业；④建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地；⑤建设高素质的纳米科技骨干队伍。德国国家科学技术部于1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元。四、纳米技术的应用(一) 纳米材料1. 纳米材料与纳米结构的定义广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1~100mm）或由他们作为基本单元构成的材料。纳米结构是指由纳米尺度的基本单元按照一定的规律构建或组装成的一维、二维或三维体系。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。2. 纳米材料的特性（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。3. 纳米材料的应用纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用。包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的“头盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。纳米塑料，是一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，不发生变性情况。如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。（二）纳米电脑电脑是20世纪人类的一大发明。由于纳米材料和纳米技术的出现，由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。有所谓蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，据测每平方厘米达1015至1016个，比硅片集成电路高3~5个数量级，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，在1立体毫米晶片上可含100亿比特，运算速度更达到10微微秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。在新型的纳米芯片支持下，纳米级电脑包括了所谓超导电脑、化学电脑、光电脑、生物电脑（其中DNA电脑运算速度快，它几天的运算量就相当于目前世界上所有计算机问世以来总运算量），量子电脑（其基本元件就是原子和分子），神经电脑（用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成神经电脑，又称为人工大脑）。（三）纳米武器纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前研制的主要有：1.微型间谍飞行器。只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。进行侦察、收集情报信息，起一种潜伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。2.袖珍遥控飞机。是一种不足扑克牌大小的遥控飞行装置。机上装有超灵敏感应器，这种传感器不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地。3.“间谍草”。实际上是一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。4.纳米卫星。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核心片作为星载设置，可使卫星的体积和重量大为减小。重量小于100克。纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。5.高性能敌我识别器。6.有毒化学战剂报警传感器。纳米攻击系统。这是运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。有所谓微机器人电子失能系统、昆虫平台、“蚂蚁雄兵”、“机器虫”，“蚊子”导弹、“针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000）。这些微型武器广泛应用于战斗中，将使那些称雄一时令人生畏的重装武器系统被取代，或使它们败在手下。所谓小鱼吃大鱼。这些微型战士按军兵种分类，有所谓微型陆军、微型空军、微型海军（纳米鱼雷、纳米水雷、纳米导弹、纳米炸弹、纳米雷达、水下深潜探测器、无人水面侦察快艇、微型侦察潜艇等）、微型天军。纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方的神经系统必然是纳米武器的首选目标。通过纳米武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。21世纪的战争将是什么样式？战场将出现何种变化？怎样为此进行战争准备？这是事关各国国家总体战略和国防发展战略的重大问题。因此，对21世纪可能发生的战争及战场形态进行科学预测，已成为当今世界各国谋求国家安全的重要途径。预学预测的主要依据是当今迅猛发展的微电子技术。未来的战略竞争将是硬件技术和软件技术的竞争。(四)纳米工业化利用纳米技术制造机器——微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去收割庄稼，有如一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机快。当地下电缆断了以后，让成千上万个微型机器人沿着电缆爬行，爬到断头时，便举起前脚搭在前端断头上，于是微型机器人便成为连接线，永久留在电缆上。（五）纳米农业（六）纳米医疗和保健系统纳米技术的应用，将使基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和攻克癌症顽疾等多个医学领域上取得突破。（七）一个全新的服务行业21世纪，随着纳米技术的发展和普及，一个全新的纳米产品服务行业将会诞生。它将给人类带来一个全新的生活和工作空间。1. 更精彩的纳米世界电影纳米世界也与宏观及中观世界一样，都存在着各种微观物质的活动。而且，活动的种类和内容更加丰富多彩。可以想象，如果人们要看一部病菌和杀菌分子机器人“决斗”的记录片。可以将无数台分子摄像机放入血管中，进行现场转播或拍摄成电影。其真实性则大过现实人们电脑合成的仿生动画片。利用这一纳米电影形式，还可以帮助人们诊断疾病和观察病人治疗的情况。2. 纳米电视21世纪10年代将出现像纸一样薄的由纳米材料构成的大屏幕液晶显示屏。这种电视高清晰度、无辐射、耗电低，它的显示材料是由特种的纳米级材料组成；而电视的全部电器是使用纳米元件。3. 纳米新闻素材4. 优美的自然音乐在大自然中存在着很多优美的声音旋律，如鸟鸣、鸡啼；瀑布轰鸣，江河咆哮等。而在微小的纳米世界中，也存在着各种物质的分子和原子运动时所发出优美动听的音乐旋律。5. 纳米光盘出版物一张3寸光盘，可以储存上百万亿个字符。如果使用生物纳米碳管，则储存量更大，可以达到1T（万亿）个字符，相当于1千万本书的字数。6. 饮食业的纳米科学五、结束语纳米科技是一把双刃剑。有一类纳米材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的，所谓具有飘浮的弥散行为。因此，在使用这类材料时，特别要注意这个飘浮特性，否则会造成对于人类环境和身体的污染、侵害。由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊毛孔进入人体内部，所以它是比空气中粉尘危害更大的污染，不可以掉以轻心，否则也许会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等更严重的伤害人类的自然灾害。当然还有其它潜在的危险，如果纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有某种内在的停止信号，那么灾难是极可能发生的。快速复制的纳米机器人在人体内扩散的速度可以比癌细胞还要快，从而会排挤掉正常的组织，等等。但是，我们也不能就因噎而废食，虽然纳米技术专家们并不排除这些危害，但是专家们都相信是可以应付的。纳米科技将给人类带来无限美好的未来。参 考 文 献1.薛增泉著.纳米科技探索.北京:清华大学出版社,20022.龚建华著.走进纳米世界.广东:经济出版社,20013.顾宁,付德刚，张海黔等.纳米技术与应用.北京:人民邮电出版社,20024.赵冬等.纳米技术与纳米武器.军事谊文出版社,20015.李凤生等.纳米/微米复合技术及应用.北京:国防工业出版社,20026.张玉龙等.纳米技术与纳米塑料.北京:中国轻工业出版社,2001