2020-09-25 11:05:01

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物理理论
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纳米科技(英文:Nanotechnology)是一门应用科学,其目的在于研究于纳米尺寸时,物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。

基本信息

  • 中文名称

    纳米科技

  • 外文名称

    Nanotechnology

折叠 编辑本段 纳米科技

纳米科技(英文:Nanotechnology)是一门应用科学,其目的在于研究于纳米尺寸时,物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类,美国的国家纳米科技启动计划(National Nanotechnology Initiative)将其定义为"1至100纳米尺寸间的物体,其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。"

纳米科技是尖端科技,却早就存在身旁。举例来说,荷叶表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内,所以不易吸附污泥灰尘。这种荷叶表面纳米化结构,自我清洁的物理现象,就被称作荷叶效应(lotus effect)。

纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控,尤其是现存科技在纳米时的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合,并且被表面效应所掌控,如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键疏水性亲水性量子穿隧效应等,而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子,当表面积对体积的比例剧烈地增大时,开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生,如原子力显微镜扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序,这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质,不论是由上至下制成(将块材缩至纳米尺度,主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状(比如超精度加工,难度在于得到的微小结构必须精确)。

或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构,主要办法有化学合成,自组装(self assembly)和定点组装(positional assembly)。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量,都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响,称为量子尺度效应,描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。

这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的,但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时,会和它们在巨观时有很大的不同,例如:不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成可以当催化剂(铂)、稳定的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象,并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

折叠 编辑本段 纳米技术的应用

折叠 科学领域

纳米技术已成功用于许多领域,包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲,包括如下领域:

1、纳米技术在新材料中的应用

2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用

3、纳米技术在制造业中的应用

4、纳米技术在生物、医药学中的应用

5、纳米技术在化学、环境监测中的应用

6、纳米技术在能源、交通等领域的应用

7、纳米技术在农业中的应用

8、 纳米技术在日常生活中的应用

折叠 日常生活

在纺织和化纤制品中添纳米微粒,可以除味杀菌。化纤布挺括结实,但有烦人的静电现象,加入少量金属纳米微粒就可消除静电现象。

利用纳米材料,冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末,可以使废水彻底变清水,完全达到饮用标准,纳米食品色香味俱全,还有益健康。

纳米技术的运用,使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层,可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖,根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料,还可以吸收对人体有害的紫外线。

纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料,能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米球润滑添加剂可以在机车发动机加入,起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息,帮助其安全驾驶

利用纳米技术制成的微型药物输送器,可携带一定剂量的药物,在体外电磁信号的引导下准确到达病灶部位,有效地起到治疗作用,并减轻药物的不良的反映。用纳米制造成的微型机器人,其体积小于红细胞,通过向病人血管中注射,能疏通脑血管的血栓。清除心脏动脉的脂肪和沉淀物,还可"嚼碎"泌尿系统的结石等。纳米技术将是健康生活的好帮手。

折叠 具体应用简介

纳米抗血栓中药

用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成分将使人类健康的头号威胁--心脑血管疾病得到更加有效的治疗,并将使中国文明的重要组成部分--中药走向世界。因为这样的纳米中药将具有普通中药数百万倍的物理活性(治疗效果),可以畅通无阻地到达因脂肪堆积而造成的血管栓塞和组织病变部位,并因亲和而与脂肪溶合,同时释放出治疗的有效成分,从而使药物的靶向性提高数百万倍。

纳米孔膜

利用二元协同纳米界面技术平台制备的纳米孔膜,将彻底解决油漆、涂料的潮解脱落问题,并可方便地大规模生产带有呼吸作用的纳米防水涂料和带有反渗析作用的纳米超滤膜,这将给人类的日常生活,甚至给海水淡化技术带来革命性变化,从根本上解决人类日益严重的缺水问题。

纳米修复材料

利用纳米技术还可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,制作生物材料和仿生材料,并能在材料破坏过程中进行纳米级的损伤诊断和修复。例如,纳米球是一种以多元合金为原料的纳米级尺度的球状原子团簇,能够吸附在受损的摩擦表面,形成新的超高硬度、极低摩擦系数、抗磨损、耐腐蚀的保护膜,实现润滑、修复和保护作用,实验显示其摩擦阻力仅为普通润滑剂的1/3。同时,纳米球润滑剂在润滑和修复的同时,提高了机械密封型,控制燃料和空气比重,燃料燃烧更充分,增强发动机动力,减少不完全燃烧过程中产生的多种有害气体污染,实现节能和减排的目的。纳米材料在仪器、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、通信、交通、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用。

纳米自洁表面处理和涂料

如果将透明、疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或瓷砖、玻璃上,大楼就不会被空气中的油污弄脏,瓷砖和玻璃也因不会沾上水蒸气而永远透明。任何粘在表面上的物质,经阳光的照射,都会在纳米涂料的催化作用下,变成可以蒸发的气体或者容易被擦掉的物质,建筑物不再总是脏乎乎的,家庭里的卫浴设备也不必每天清洗了。将这种纳米颗粒放到织物纤维中去,做成的衣服不会沾上灰尘,省去不少洗衣服的麻烦。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。平常人们戴的变色镜的变色速度较慢,用纳米材料做成的变色镜就不一样了,变色速度很快,用它做士兵的防护激光镜是再好不过了。

新型纳米光源和太阳能转换器

纳米氧化物材料做成广告板,在电、光的作用下,会变得更加绚丽多彩。半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光,可以做成超小型激光光源,它还可以吸收太阳光中的光能,把它们直接变成电能。这种技术一旦实现,太阳能汽车、太阳能住宅就会成为现实,到那时,人们居住的环境将更加美丽,空气更加清新。

纳米传感器

半导体纳米材料做成的各种传感器可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化,这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。纳米传感系统能进行病症的早期诊断,利用纳米材料还能制作耐用且人体友好的人工组织和器官、复明和复聪器件,提高病人的生活质量。

纳米导向药物和皮肤护理保健品

如果在人体外部加以导向,可利用纳米药物阻断毛细血管来饿死癌细胞,药物治疗的效果会大大提高。纳米颗粒还可以用于人体的细胞分离或细胞染色,也可以用来携带DNA进行基因缺陷治疗。如果把纳米药物做成膏药贴在患处,药物可以通过皮肤直接被吸收,而无须针管注射,少去了注射的感染。把不容易被人体吸收的药物或食品,如维生素等做成纳米粉或纳米粉的悬浮液,这种就极易被人体吸收。

纳米技术应用前景十分广阔,经济效益十分巨大,美国权威机构预测,2010年纳米技术市场估计达到14400亿美元,纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业。纳米复合、塑胶、橡胶和纤维的改性,纳米功能涂层材料的设计和应用,将给传统产生和产品注入新的高科技含量。专家指出,纺织、建材、化工、石油、汽车、军事装备、通讯设备等领域,将免不了一场因纳米而引发的"材料革命"我国以纳米材料和纳米技术注册的公司有近100个,建立了10多条纳米材料和纳米技术的生产线。纳米布料、服装已批量生产,象电脑工作装、无静电服、防紫外线服等纳米服装都已问世。加入纳米技术的新型油漆,不仅耐洗刷性提高了十几倍,而且无毒无害无异味。纳米技术正在改善着、提高着人们的生活质量。

纳米电子元器件

纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起,它具有芯片的功能,又可以探测到电磁波、光波(包括可见光、红外线和紫外线等)信号,同时还能执行电脑的指令。如果将这一集成器件安装在卫星上,可以使卫星的重量大大减小。当前人们已经在考虑用"小鸟"卫星部分地代替现有的卫星系统。如果在卫星上用纳米集成器件,"小鸟"卫星将更小,更容易发射,成本也更低。

纳米碳管的应用

各国科学家正在努力研究的碳纳米管是一种非常独特的材料。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个纳米。

这样的材料很轻,但是很结实。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,是唯一可以从月球上挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球到月球的电梯,人们到月球定居就很容易了。纳米管的细尖极易发射电子,用于做电子枪,可以制成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是电视制造业新的方向。

纳米材料超高物理活性应用

想像一下只包含几百个或几千个原子、分子的"纳米颗粒",按照一般的经验,原子与原子之间的距离为0.2纳米左右,由此可以估计出在尺寸为1纳米的立方体"颗粒"中,每一边上只能排列5个原子,总体可容纳125个原子,但是其中有98个原子在表面上。我们知道,表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用。因此,它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应,也就是说十分活泼。实验发现,如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会燃烧、发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力,可以用做新型火箭的固体燃料,也可用做烈性炸药。另外,用纳米金属颗粒粉体做催化剂,可加快化学反应过程,大大提高化工合成的出产率。

纳米高强度材料

如果把金属纳米材料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。人们幻想在下一个世纪,总有一天会制造出如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船,会使它们的重量减少到1/10。到那时,一辆摩托车的重量会变成只有20~30千克。人们日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点。硬是指它可以当做刀具用来切削金属,脆是指它经不住冲击。陶瓷的另一个长处是耐高温,在10000℃的高温下也不变形。用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性。这个问题一旦被彻底解决,会在汽车发动机上大显身手,彻底甩掉发动机的冷却系统,使发动机工作在更高的温度下,汽车将跑得更快、飞机会飞得更高。

纳米单电子元器件

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,就会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制,原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态,变成只能具有某一动量值,也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接结果表现为,在金属颗粒的两端加上电压,当电压合适时,金属颗粒导电;而电压不合适时,金属颗粒不导电。这样一来,原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不再成立了。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,这就切断了电流的连续性,这使人们联想到是否可以发明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,把它们集成起来做成电脑芯片,电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。

纳米激光器和高密度信息存储器

实际上,被囚禁的电子并不那么"老实"。按照量子力学的规律,有时它可以穿过"监狱"的"墙壁"逃逸出来,这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联,因而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。归根结底,在这一情况下电子应被看成是"波"而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现,但是真要用在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献,是会使材料发出很强的光。"量子点列激光器"或"级联激光器"的尺寸极小,但发光的强度很高,用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光,用来读写光盘可使光盘的存储密度提高好几倍。如果用"囚禁"原子的小颗粒量子点来存储数据,制成量子磁盘,存储度可提高成千上万倍,会给信息存储技术带来一场革命。

纳米机器人的研发

纳米机器人根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的"功能分子器件",也称分子机器人;而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。

目前,不少国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出:纳米机器人潜在用途十分广泛,其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现,似乎都包涵着无限可能。用不了多久,个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言:到21世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

折叠 编辑本段 纳米技术的注解

折叠 纳米科学技术

纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学纳米材料学纳米生物学纳米电子学纳米加工学、纳米力学等 。

折叠 纳米科技

纳米科学技术是在0.1nm~100nm尺度空间内,研究电子,原子和分子运动规律与特性的高技术学科。纳米科学技术涵盖纳米物理学纳米电子学纳米材料学纳米机械学,纳米制造学,纳米显微学,纳米计量学,纳米化学,纳米生物学,纳米医学。纳米科学技术是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的,是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。

折叠 纳米加工技术

为了纳米科学研究及其成果的应用,首先要能按照人们的意愿在纳米尺度上对材料进行自由地剪裁和安排,这一技术被称为纳米加工技术。实际上,一方面纳米加工技术是纳米材料应用的重要基础,另一方面纳米加工技术中也包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说,在一个粗细为几纳米的孔或线里,原子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一般而言,原子运动的自由程为几个微米。在这个长度上,原子发生碰撞、进行热扩散的作用可忽略不计。可是在纳米孔或线内,原子的扩散主要是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子,一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性,即物体表面越光滑,它们之间的摩擦力越小。在纳米世界里,材料表面很小,相互之间距离很近,以至于两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此,在纳米世界内,所有的加工技术都必须在原子尺寸的层面上考虑。

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