納米材料與納米技術(shù)選修結(jié)課論文

1、 考試序列號_88_ 通識教育課程論文 論文題目： 納米材料與納米技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用 課程名稱: 納米材料與納米技術(shù) 學 院 外國語學院 專業(yè)班級 15級科技英語2班 學 號 3115006865 姓 名 劉輝鷹 聯(lián)系方式任課教師 陶平均 2016年10月31日摘要：1、納米是一種幾何尺寸的度量單位，1納米=百萬分之一毫米。2、納米技術(shù)帶動了技術(shù)革命。3、利用納米技術(shù)制作的藥物可以阻斷毛細血管，“餓死”癌細胞。4、如果在衛(wèi)星上用納米集成器件，衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射。5、納米技術(shù)是多科學綜合，有些目標需要長時間的努力才會實現(xiàn)。6、納米技術(shù)和信息科學技術(shù)、生命科學技術(shù)是當前

2、的科學發(fā)展主流，它們的發(fā)展將使人類社會、生存環(huán)境和科學技術(shù)本身變得更美好。7、納米技術(shù)可以觀察病人身體中的癌細胞病變及情況，可讓醫(yī)生對癥下藥。和生物技術(shù)一樣，納米科技也有很多環(huán)境和安全問題（比如尺寸小是否會避開生物的自然防御系統(tǒng)，還有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。1、 納米材料與納米技術(shù)的定義：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當于10100個原子緊密排列在一起的尺度。納米科學技術(shù)是介于微觀與宏觀之間的介觀物理，關(guān)于納米科學技術(shù)的定義很多，具有代表性的說法有：如英國科學家阿爾培特.佛朗克斯教授把納米技術(shù)定義為&q

3、uot;在0.1-100納米尺度范圍起關(guān)鍵作用的科學技術(shù)領(lǐng)域。"美國"國家納米技術(shù)倡議"（NNI）即推薦采用科普作家伊凡.阿莫托在一本小冊子中的提法："納米科學和納米技術(shù)一般是指，在納米尺度上，則從一納米到幾百納米介觀范圍內(nèi)，所從事的工作范疇"。2、 納米材料與納米技術(shù)的現(xiàn)狀目前納米材料及技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，在專業(yè)電子信息產(chǎn)業(yè)，納米技術(shù)的應(yīng)用將為電子信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展克服以強場效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)等為代表的物理限制，以功耗、互聯(lián)延遲、光刻等為代表的技術(shù)限制和制造成本昂貴、用戶難以承受的經(jīng)濟限制，制造出基于量子效應(yīng)的新型納米器件和制備技術(shù)。具有量子

4、效應(yīng)的納米信息材料將提供不同于傳統(tǒng)器件的全新功能，從而產(chǎn)生出新的經(jīng)濟增長點。這將是對信息產(chǎn)業(yè)和其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的一場深刻的革命。這些技術(shù)的突破將全面地改變?nèi)祟惖纳娣绞?，它所帶來的?jīng)濟價值是難以估量的。正如美國新技術(shù)周刊指出，納米技術(shù)在電子信息產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用，將成為21世紀經(jīng)濟增長的一個主要發(fā)動機，其作用可使微電子學在21世紀 對世界的影響相形見絀。納米技術(shù)將在生物醫(yī)學、藥學、人類健康等生命科學領(lǐng)域有重大應(yīng)用。在納米生物材料、微細加工、光學顯示、生物信息和分子生物學等技術(shù)積累的基礎(chǔ)上，發(fā)展生物芯片技術(shù)、形成新型生物分子識別的專家系統(tǒng)、臨床疾病檢測系統(tǒng)、藥物篩選系統(tǒng)和生物工業(yè)活性監(jiān)測系統(tǒng)等實用化技術(shù)，

5、具有重要的社會與經(jīng)濟前景。預(yù)計到!"-#年，僅納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用，全球市場將達到2000億美元。納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測技術(shù)（化學組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時因粒徑縮小而提供了大表面的

6、活性原子。就熔點來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點下降，同時納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進材料。一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優(yōu)異的磁性材料。納米粒子的粒徑（10納米100納米）小于光波的長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強

7、烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測器材料。3、 納米材料與技術(shù)的發(fā)展趨勢：自20世紀70年代納米顆粒材料問世以來，從研究內(nèi)涵和特點大致可劃分為三個階段：第一階段（1990年以前）：主要是在實驗室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。第二階段（19901994年）：人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學特性，設(shè)計納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三階段（1994年至今）：納

8、米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點。國際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。而今天，從技術(shù)創(chuàng)新的發(fā)展趨勢來看，需要更精致、環(huán)境友好、更具有智能化的技術(shù)創(chuàng)新。納米材料具有一定的獨特性，當物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學取代傳統(tǒng)力學的觀點來描述它的行為，當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。高級納米技術(shù)，有時被稱為分子制造，用

9、于描述分子尺度上的納米工程系統(tǒng)（納米機器）。無數(shù)例子證明，億萬年的進化能夠產(chǎn)生復(fù)雜的、隨機優(yōu)化的生物機器。在納米領(lǐng)域中，我們希望使用仿生學的方法找到制造納米機器的捷徑。然而，K Eric Drexler和其他研究者提出：高級納米技術(shù)雖然最初會使用仿生學輔助手段，最終可能會建立在機械工程的原理上。單純由大到?。╰op down）的創(chuàng)新思維和方法已經(jīng)面臨挑戰(zhàn)，納米科學技術(shù)的研究方法（approaches），即提出了全新的創(chuàng)新思維和方法，這里有兩種方法：第一是繼續(xù)沿著古已有之的"由大到小"（top down）思路和方法干下去，不過這里的"小"可不是原有意義上的

10、毫米、微米的小，而是在納米尺度（0.1-100nm）上的小，在這么"小"的地方出現(xiàn)的景觀同傳統(tǒng)意義上的毫米、微米尺度上的出現(xiàn)的景象根本不同，在這里真正的發(fā)生了量子力學上的波粒二像性?，F(xiàn)在用這種方法（top down），可以在宏觀塊體材料（如半導(dǎo)體）上利用機械和蝕刻技術(shù)制造納米尺度結(jié)構(gòu)。納米材料的制備的種種方法，還是這一方法。估計二十一世紀的前半葉，甚至更長時間，這種方法還起到支柱作用。但是它創(chuàng)造的文明會是非常輝煌的。第二種方法，就是實現(xiàn)量子物理學界的奇才費曼所預(yù)言的那樣"物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性"。即"由小到大&qu

11、ot;（bottom up）的方法，人們按需要用一個個原子或一個個分子組裝創(chuàng)造出有機和無機物品。這方面的創(chuàng)新工作已取得一些成果，見諸報端的不少，但離真正的實用還要走很長的路。4、 納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用：1、 天然納米材料海龜在美國佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國附近的海域，才能得以生存和長大。最后，長大的海龜還要再回到佛羅里達州的海邊產(chǎn)卵。如此來回約需56年，為什么海龜能夠進行幾萬千米的長途跋涉呢？它們依靠的是頭部內(nèi)的納米磁性材料，為它們準確無誤地導(dǎo)航。生物學家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來不會迷失方向時，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料

12、為它們導(dǎo)航。2、 納米磁性材料在實際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤滑和選礦等領(lǐng)域。3、 納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運動，因此，納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，

13、然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。4、納米傳感器納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀，檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。5、 納米傾斜功能材料在航天用的氫氧發(fā)動機中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便

14、能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時，就能達到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。6、納米半導(dǎo)體材料將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時產(chǎn)生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力

15、，因而它能氧化有毒的無機物，降解大多數(shù)有機物，最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。7、納米催化材料納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數(shù)較大、表面的化學鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600 降低到室溫。8、 醫(yī)療上的應(yīng)用血液中紅血球的大小為6 0009 000 nm，而納米粒子只有幾個納米大小，實際上比紅

16、血球小得多，因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個部位，便可以檢查病變和進行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。碳材料的血液相溶性非常好，21世紀的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復(fù)雜，而且一般只適用于制備硬材料。介入性氣囊和導(dǎo)管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備，通過把具有高長徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中，我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優(yōu)異的力學性質(zhì)和容易加工成型的特性，一方面獲得更好的血液相溶性。實驗結(jié)果顯示，這種納米復(fù)合材料引起血液溶血的程度會降低，激活血小板的程度也會降低。使用納

17、米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進行修飾形成一些具有靶向，可控釋放，便于檢測的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法，為藥物開發(fā)開辟了新的方向。9、納米碳管1991年，日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同

18、軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖所示。這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長的尺寸都是納米量級的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。在空氣中將納米碳管加熱到700 左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進入納米碳管中空的芯部。由于納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此，納米碳管加上納米絲可能成為新型的超導(dǎo)體。納米技術(shù)在世界各國尚處于萌芽階段，美、日、德等少數(shù)國家，雖然已經(jīng)初具基礎(chǔ)，但是尚在研究之中，新理論和技術(shù)的出現(xiàn)仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平，研究隊伍也在日漸壯大。5、 納米材料與納米技術(shù)存在的問題：盡管納米材料在生物醫(yī)學領(lǐng)域產(chǎn)生的革命性的變化，但是納米材料的安全性問題同時也非常值得我們關(guān)注。任何一門技術(shù)都具有雙面性，即有有利的一面也會存在有害的一面，納米材料也不例外。 對納米材料安全性的研究工作最早的是英國牛津大學和蒙特利爾大學的科學家在1997年發(fā)現(xiàn)防曬霜中的TiO2和ZnO納米顆粒會破壞皮膚細胞的DNA。直到2003年3月，美國化學會年會上的有關(guān)納米顆粒對生物可能存在危害的報告才引起了世界