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| 纳米技术 |
| 来源：中国仪器仪表大市场信息中心 时间：2008/7/23 浏览数：1756 【我要关闭】 |
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纳米是一种长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于十个氢原子一个挨一个排起来的长度。而纳米技术则是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。
世纪的新材料——纳米材料
当物质颗粒小到纳米量级后，这种物质就可被称为纳米材料。纳米材料是８０年代初发展起来的新材料领域，它具有奇特的性能和广阔的应用前景，引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料，先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划，发展迅速。我国也及时地编制“８６３”计划，对其进行跟踪和研究开发。
纳米材料的发现者是著名的美国物理学家，两次诺贝尔奖金获得者ＲｉｃｈａｒｄＦｅｙｎｍｅｎ。他在６０年代曾经预言：如果我们能控制物体微小规模上的排序，将获得很多具有特殊性能的物质。１９８４年，Ｇｌｅｃｔｅｒ采用气体冷凝方法，制备成功铁纳米微粉。随后，美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料，开始了纳米材料及技术的研究时代。
为了总结和交流纳米材料的研究成果，推动纳米技术的发展，１９９０年在美国召开了“第一届纳米科学与技术讨论会”，这是纳米材料发展的一个里程碑。以后，各国科学家积极参与了对纳米材料物理和化学性能的研究，不断地发现纳米材料的特殊性能，引起各国科学家和政府的关注，特别是工业化国家给予专款支持，使纳米材料的性能开发、制备技术和实际应用得到了迅速发展。
纳米材料是指物质的颗粒尺寸＜１００ｎｍ的超微粉末，它的比表面积很大，晶界处的原子数比率高达１５％—５０％，纳米材料的结构是有序排列还是无序排列还在研究讨论。一些科学家认为，纳米材料不同于晶态与非晶态，是物质的第三态固体材料，其种类很多，可分为金属、陶瓷、有机与无机、复合纳米材料等。
纳米材料的特殊性能
由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。如ＴｉＯ２纳米材料具有奇特韧性，在１８０℃经受弯曲不断裂；ＣａＦ２纳米材料在８０—１８０℃温度下，塑性提高１００％。
纳米金属的熔点比普通金属低几百度；气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高１０倍；纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波的吸收性能极强，是隐形技术的突破；纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径。
碳纳米管
碳纳米管是"纳米世界"中的重要一员。在纳米材料中，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一。
碳纳米管的发展历程如下:1991年，日本科学家发现碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。
作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6。因为性能奇特，被科学家称为未来的"超级纤维"。
虽然成分和石墨一样，但碳纳米管潜在用途十分诱人:可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。
纳米电子技术
利用电子的量子效应原理制作的器件称为量子器件或纳米器件也叫单电子晶体管。在量子器件中，只要控制一个电子的行为即可完成特定的功能，即量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，从根本上解决日益严重的功耗问题。
由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点，因此，有理由相信纳米电子学的发展，必将在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。
要实现量子效应，在工艺上要实施制作厚度和宽度都只有几到几十纳米的微小导电区域（称为势阱），这样，当电子被关闭在此纳米导电区域中时，才有可能产生量子效应，这也是制作量子器件的关键所在。
如果制作若干纳米级导电区域而导电区域之间形成薄薄的势垒区，由于电子的波动性质，可以从某势阱穿越势垒进入另一势阱，这就是量子隧道效应。
势阱中形成电子能级，当电子受激励时，将从低能级跃迁到高能级，而当电子从高能级向低能级弛豫时，会发射一定颜色的光。这样一些量子效应在纳米技术中将得到有效的应用。制作量子势阱的方法有分子束外延（ＭＢＥ）、原子层外延（ＡＬＥ）、等离子体增强化学汽相淀积（ＰＥＣＶＤ）和有机金属化学汽相淀积（ＭＯＣＶＤ）等方法。
所以，纳米技术是指在０.１～１００ｎｍ尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高新技术学科。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品，它包括纳米电子学、纳米物理学、纳米材料学、纳米机械学、纳米制造学、纳米生物学、纳米显微学和纳米计量学等。它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术。
纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法主要包括物理法和化学法两大类。
（１）物理法：放电爆炸法、机械合金化法、严重塑性变形法、惰性气体蒸发法、等离子蒸发法、电子束法、激光束法等。
（２）化学法：气相燃烧合成法、气相还原法、等离子化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、共沉淀法、碳化法、微乳液法、络合物分解法等。纳米微粒和纳米材料具有广阔的应用前景，它的应用领域包括化工、机械、生物工程、电子、航天、陶瓷等方面。
纳米技术应用领域
纳米技术在新世纪将推动信息技术、医学、环境科学、自动化技术及能源科学的发展，像抗生素、集成电路和人造聚合物在二十世纪发挥了重要作用一样，纳米技术在新世纪将人类的生活带来深远影响。
纳米技术将给医学带来变革：纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。
在电子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。可以预见，未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快，效率将更高。
环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
尽管纳米技术前景诱人，但是在科学家真正掌握纳米技术之前，还有许多工作要做。
目前世界上许多实验室仍在研究如何自由地操纵原子和分子问题，这对於进一步探究如何将一个个原子重新组合成新的物质来说非常重要。
科学家认为，细胞本身就是“纳米技术大师”，细胞中所有的酶都是能完成独特任务的“纳米机器”。它们在微观世界里能极其精确地制造物质，而这正是科学家希望通过纳米技术实现的梦想。科学家希望通过对细胞的研究来进一步掌握纳米技术。
纽约大学一实验室最近研制出了一个纳米级机器人，机器人有两个用ＤＮＡ制作的手臂，能在固定的位置间旋转。研究人员认为，这一成果预示着，科学家有朝一日能够研制出在纳米级工厂里制造分子的纳米机器人。
应用例子
（１）纳米微粒用作催化剂。聚合型马来酰亚胺树脂材料在军工、民用行业得到广泛应用，它性能优良，被认为是最有发展前途的树脂基体。纳米ＴｉＯ２可作为Ｎ—苯基马来酰亚胺聚合反应的催化剂。
（２）纳米微粒可提高陶瓷塑性。纳米ＴｉＯ２与其它金属氧化物纳米晶一起可组成具有优良力学性能的各种新型复合陶瓷材料，在开发超塑性陶瓷材料方面具有诱人的前景。
（３）纳米微粒用作润滑油添加剂，可大大减轻摩擦件之间的磨损。把平均粒径小于１０ｎｍ的金刚石微粒（ＮＭＤ）均匀加入Ｃｕ１０Ｓｎ合金基体中，干滑动摩擦试验结果表明：在载荷７８Ｎ、滑动速率低于１.６ｍ／ｓ时，Ｃｕ１０Ｓｎ２ＮＭＤ复合材料的摩擦因数稳定在０.１９左右，远低于基体Ｃｕ１０Ｓｎ合金（μ＝０.３１～０.３８）。而且Ｃｕ１０Ｓｎ合金在摩擦过程中产生较大的噪音，摩擦过程不平稳，而Ｃｕ１０Ｓｎ２ＮＭＤ复合材料摩擦过程非常平稳，噪音很低，并且在摩擦副的表面形成了部分连续的固体润滑膜。
（４）纳米颗粒用于生物传感器。葡萄糖生物传感器在临床医学、食品工业等方面都有重要的用途。将金、银、铜等纳米颗粒引入葡萄糖氧化酶膜层中，由此制得的生物传感器体积小，电极响应快、灵敏度高。
（５）纳米复合材料。采用溶胶—凝胶法可制备出聚酰亚胺／二氧化硅纳米复合材料。
（６）纳米微晶应用于磁性材料中，可制备出高效电子元件和高密度信息贮存器。
国家重大基础研究纳米项目首席科学家、中国科学院固体物理研究所研究员张立德日前提醒说，当前我国发展纳米技术应注重保护自己的知识产权，且还必须解决好3个方面的问题。首先，必须坚持以市场为导向，以需求作牵引；其次，应坚持3个结合:一是从事纳米技术的科研人员和各领域的专业人员相结合，二是纳米技术的专业人员与企业经营者相结合，三是企业发展纳米技术要与政府的宏观指导相结合；第三，发展纳米技术和纳米产业要有战略上的规划。 |
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