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什么是纳米技术

作者: 来源: 日期:2015/12/4 10:56:54 人气:1001
    纳米”是英文namometer的译名,是一种度量单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。1982年扫描隧道显微镜发明后,便诞生了一门以01至100纳米长度为研究分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
 从迄今为止的研究状况看,关于纳米技术分为三种概念。第一种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去,从理论上讲终将会达到限度。这是因为,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜的为得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。
 1980年的一天,在澳大利亚的茫茫沙漠中有一辆汽车在高速奔驰,驾车人是一位德国物理学家H格兰特(Gleiter)教授。他正驾驶租用的汽车独自横穿澳大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独,使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶体物理研究的科学家。此时此刻,一个长期思考的问题在他的脑海中跳动:如何研制具有异乎寻常特性的新型材料?
在长期的晶体材料研究中,人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体,是晶体材料的主体;而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、位错和晶界看作晶体材料中的缺陷。此时,他想到,如果从逆方向思考问题,把“缺陷”作为主体,研制出一种晶界占有相当大体积比的材料,那么世界将会是怎样?格兰特教授在沙漠中的构想很快变成了现实,经过4年的不懈努力,他领导的研究组终于在1984年研制成功了黑色金属粉末。实验表明,任何金属颗粒,当其尺寸在纳米量级时都呈黑色。纳米固体材料(nanometer sized materials)就这样诞生了。
 纳米材料一诞生,即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如,纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍;气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等;纳米相的铜比普通的铜坚固5倍,而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大;纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。
  效应颜料 这是纳米材料最重要最有前途的用途之一,特别是在汽车的涂装业中,因为纳米材料具有随角变统汽车面漆大增光辉,深受配受专家的喜爱。
 防护材料 由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品和材料中添加少量(一般不超过含量的2%)的纳米材料,就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用,使之更加具有耐久性和透明性。因而被广泛用于护肤产品、所装材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。
  精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因为这些纳米粒子非常小,很容易压实在一起。此外,这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料,喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上,具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨,还不易破碎。
 催化剂 纳米粒子表面积大、表面活性中心多,为做催化剂提供了必要的条件。目前用纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂,可大大提高反应效率。利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂,燃烧效率可提高100倍,如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明,镍粒径在5nm以下,反应选择性发生急剧变化,醛分解反应得到有效控制,生成酒精的转化率急剧增大。
 磁性材料 纳米粒子属单磁畴区结构的粒子,它的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此用它可作永久性磁性材料。磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫顽力很高的特征,用它来做磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。当磁性材料的粒径小于临界半径时,粒子就变得有顺磁性,称之为超顺磁性,这时磁相互作用弱。利用这种超强磁性可作磁流体,磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,它在工业废液处理方面有着广阔的应用前景。
 传感材料 纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等特征,是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳料粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化,利用其电阻的显著变化可做成传感器,其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。
 材料的烧结 由于纳米粒子的小尺寸效应及活性大,不论高熔点材料还是复合材料的烧结,都比较容易。具有烧结温度低、烧结时间短,而且可得到烧结性能良好的烧结体。例如普通钨粉耐在3000℃的高温下烧结,而当掺入01%~05%的纳米镍粉时,烧结成形温度可降低到1200℃到1311℃。
  医学与生物工程 纳米粒子与生物体有着密切的关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体。其粒度在15~20nm之间,生物体内的多种病毒也是纳米粒子。此外用纳米Si02微粒可进行细胞分离,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用等。研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,获取生命信息,特别是细胞内的各种信息,中利用纳米粒子研制成机器人,注入人体血管内,对人体进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物。甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。印刷油墨 根据纳米材料粒子大小不同,具有不同的颜色这一特点,可不依靠化学颜料而选择颗粒均匀、体积适当的粒子材料来制得各种颜色的油墨。
 能源与环保 德国科学家正在设计用纳料材料制作一个高温燃烧器,通过电化学反应过程,不经燃烧就把天然气转化为电能。燃料的利用率要比一般电厂的效率提高20%至30%,而且大大减少了二氧化碳的排气量。
 微器件 纳米材料,特别是纳米线,可以使芯片集成度提高,电子元件体积缩小,使半导体技术取得突破性进展,大大提高了计算机的容量和进行速度,对微器件制作起决定性的推动作用。纳米材料在使机器微型化及提高机器容量方面的应用前景被很多发达国家看好,有人认为它可能引发新一轮工业革命。
  光电材料与光学材料 纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料,以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等具有很高的应用价值。
 增强材料 纳米结构的合金具有很高的延展性等,在航空航天工业与汽车工业中是一类很有应用前景的材料;纳米硅作为水泥的添加剂可大大提高其强度;纳米纤维作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并提高其回弹性,纳米管在作纤维增强材料方面也有潜在的应用前景。
纳米滤膜 采用纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物,实现高能分离操全的纳米滤膜。其它还有将纳米材料用作火箭燃料推进剂、H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、复合磁性材料等。纳料材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能,广泛应用于宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统产业带来生机和活力。可以预言,纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,必将对传统的化学工业和其它产业重大影响。
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