神奇的納米技術(shù)和應用

1、“如果有一天能按人的意志安排一個原子和分子，將會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？” R.P.Feynman 神奇的納米技術(shù)和應用納米(nanometer)是一個長度單位，簡寫為nm 1nm=10-3m=10-6mm=10-9m 1nm=10 （1=10-10m） 一、納米和納米技術(shù)1、納米納米科學技術(shù)是20世紀80年代末誕生并正在蓬勃發(fā)展的一種高新科技。它的內(nèi)容是在納米尺寸范圍內(nèi)(100nm)認識和改造自然。通過直接操縱和安排原子、分子而創(chuàng)造新物質(zhì)。它的出現(xiàn)標志著人類改造自然的能力已延伸到分子、原子水平，標志人類科學技術(shù)已進入一個新的時代納米科技時代。 2、納米技術(shù)誰要想在21世紀領(lǐng)先于世界，誰就必須掌握

2、納米技術(shù)這一關(guān)健技術(shù)。人們強烈地期待著它能在材料科學、電子儀器、信息通訊、環(huán)境和能源、生物、制藥及醫(yī)學等領(lǐng)域，帶來廣泛的突破性進展。日本關(guān)于促進納米技術(shù)和納米材料研究開發(fā)的方案新一代通訊用納米器件超集成系統(tǒng)及其元件/材料研究單分子元件及集成量子元件的探索及研究新一代光子學的基礎(chǔ)原理生物分子元件超高感度智能傳感器技術(shù)醫(yī)療IT化，藥物轉(zhuǎn)輸/納米機器納米構(gòu)造的能量貯藏/轉(zhuǎn)換材料 納米構(gòu)造控制催化材料納米空間材料超分子控制納米管/富勒烯 納米束子和納米粒子納米混合構(gòu)造材料納米構(gòu)造控制/功能材料納米自旋電子設(shè)備納米造型納米測量納米模擬試驗全世界在納米技術(shù)方面的政府研究開發(fā)投資額比較(單位：百萬美元)年度

3、1997年2000年2001年2002年美國日本西歐其他國家(注) 11612012670270245200110422465270380604650400520合計43282514922174注：其他國家包括：澳大利亞、加拿大、中國、東歐、俄羅斯、以色列、韓國、新加坡中國納米研究情況20世紀80年代后期開始。20012005年政府投入20億資金用于納米研究，資金投入領(lǐng)域為納米材料、納米電子工程學、納米生物學、納米電氣系統(tǒng)、測量及評價技術(shù)。中國在納米材料的有關(guān)研究和開發(fā)上頗有特色，例如氧化鋅、氧化鈦、氧化硅等納米粒子及粉未材料。2002年2月，中國成立了國家納米科學中心。二、觀察原子世界的眼睛

4、掃描隧道顯微鏡 1、觀察微觀世界的工具科學技術(shù)的進步總是與工具的進步密切相關(guān)的。自從有了人類文明以來，人們就一直為探索微觀世界的奧秘而不懈地努力。1674年，荷蘭科學家列文虎克發(fā)明了世界上第一臺光學顯微鏡，觀察到了血紅細胞水平，分辨率大約為10-6米10-7m。 1973年，德國科學家恩斯特魯斯卡成功地發(fā)明了電子顯微鏡 ，觀察病毒，分辨率達10-8m。 1980年，美國科學家葛賓尼和海羅瑞爾發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(STM)，觀察到原子，分辨率：橫向，縱向。(1986年獲得諾貝爾物理學獎)2、隧道效應在一段導體的兩端施加電壓，導體就會有電流通過。如果把這導體弄斷并分開，電流就沒有了！如果我們把這斷

5、為兩截的導體放得非常近（1nm），情況如何？根據(jù)經(jīng)典電學的常識，導體沒接上，應該沒有電流通過。根據(jù)量子力學，當具有電位勢差的兩個導體之間的距離小到一定的程度時，電子將存在一定的幾率穿透兩個導體之間的勢壘，從一端向另一端躍遷，這種電子躍遷的現(xiàn)象在量子力學中稱為隧道效應，而躍遷形成的電流稱為隧道電流。 3、掃描隧道顯微鏡的工作原理 利用加上高電壓的探針與樣品，在近距離（納米）時產(chǎn)生的隧道電流來“看見”原子。 STM探針和待測物體間流動的隧道電流，與探針和待測物體之間的距離存在著指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即使極其微小的距離差異也可以捕捉到隧道電流的變化。4、掃描隧道顯微鏡的應用 掃描隧道顯微鏡的發(fā)明，不僅可以直

6、接觀察原子、分子，而且能夠利用STM直接操縱和安排原子和分子，這就實現(xiàn)了人們由來已久的兩個幻想，一是直接看到原子，二是按人們的意愿去安排原子、分子。1990年，美國加州的IBM研究室，利用STM，于低溫下在鎳的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標。日本研究室實現(xiàn)了在室溫下進行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“peace91”的字樣。中國科學院北京真空實驗室科研人員，使用掃描隧道顯微鏡獲得了硅原子“毛澤東” ，此圖比真跡（100nm）放大約120萬倍。原子字“毛澤東” 探針“撿起”該原子單個氙原子靜置在鎳原子表面上原子操作過程的STM像 STM的針尖在銅表面上搬運和操縱原子，形成干涉紋

7、上圖顯示了掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運和操縱48個原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時向圓內(nèi)的電子相互干涉，形成干涉紋。 三、納米材料1、納米材料的分類納米材料納米固體材料 納米超微粒子粒子尺寸為1100納米的超微粒子 由納米超微粒子制成的固體材料 根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)，可分為四類：納米材料納米結(jié)構(gòu)晶體或三維納米結(jié)構(gòu)二維納米結(jié)構(gòu)或纖維狀納米結(jié)構(gòu)一維納米結(jié)構(gòu)或?qū)訝罴{米結(jié)構(gòu)零維原子簇或簇狀組裝納米材料結(jié)構(gòu)示意圖0.零維 1.一維 2.二維 3.三維2、納米微粒的制備納米微粒的制法 物理方法：蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機械研磨法、 低溫等離子法、氫脆法、電火花法和爆炸法化

8、學方法：水熱法、水解法、熔融法綜 合 法：激光誘導化學沉淀法、等離子加強化學沉淀法納米鐵、銀、銅的形貌圖3、納米微粒的特性當小微粒尺寸進入納米數(shù)量級(1100納米)時，其本身和由它構(gòu)成的納米固體具有許多傳統(tǒng)固體不具備的特殊性質(zhì)。 表面效應 定義：表面效應是指納米離子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力隨著增加，從而引起納米粒子的性質(zhì)的變化。 表 粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系直徑/nm1510100原子總數(shù)N30400030000表面原子百分數(shù)10040202超微粒子表面活性很高，利用表面活性的特點，金屬超微粒子可望成為新一代高效催化劑及儲氫材料

9、 。小尺寸效應 定義：當超微粒子尺寸不斷減少，在一定條件下，會引起材料客觀物理、化學性質(zhì)上的變化 。陶瓷材料在通常情況下呈現(xiàn)脆性，而由納米超微粒制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性，成為 “摔不碎的陶瓷”。黃金首飾通常呈現(xiàn)光澤，而當被細分到幾百納米時，變?yōu)楹谏?，這說明金屬超微粒子對光的反射率很低，一般1%。利用此特性可制作高效光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可高效地將太陽能轉(zhuǎn)化為熱、電能。 利用超微粒子具有高矯頑力的性質(zhì)，已做成高儲存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤、磁卡和磁性鑰匙等。 量子效應定義：當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。納米半導體微粒存在不連續(xù)的被占據(jù)的

10、最高分子軌道能級，并且存在未被占據(jù)的最低的分子軌道能級，同時，能隙變寬。由此導致的納米微粒的催化、電磁、光學、熱學和超導等微觀特性和宏觀性質(zhì)表現(xiàn)出與宏觀塊體材料顯著不同的特點。我國著名科學家錢學森指出“納米科技是21世紀科技發(fā)展的重點，會是一次技術(shù)革命，而且會是一次產(chǎn)業(yè)革命”。從表面上看，可能會讓人不敢相信，甚至感到似乎有點荒謬至極：某一項技術(shù)的用途竟然多得令人難以置信，它可以治療疾病、延緩衰老、消除有毒廢料，可以殺菌、抑菌，增加世界食品供應；還可以修路、造汽車、改善環(huán)境、建摩天大樓，而且，這還剛剛開始，然而，這恰恰就是納米技術(shù)支持者聲稱能夠成為現(xiàn)實，甚至可以在21世紀上半葉就成為現(xiàn)實的東西。

11、盡管有關(guān)納米技術(shù)的想法聽起來很荒唐，但它確實已成為主流科學，遍布全球的實驗室都在設(shè)法使它成為現(xiàn)實，使其發(fā)揮作用?？梢哉f納米技術(shù)有著不可限量的潛力，正孕育著新的科學技術(shù)時代和產(chǎn)業(yè)大革命的到來。 四、納米材料的應用前景1、納米材料在電子信息領(lǐng)域中的應用納米信息材料是指用于信息領(lǐng)域的納米材料與結(jié)構(gòu)，它包括納米電子材料、光學材料和磁性材料。單電子存儲器隨著信息科學和信息技術(shù)的發(fā)展，人們對信息的存儲量越來越大，而掌上電腦、移動 、數(shù)碼相機等電子器件的發(fā)展更需要高密度、低能耗的存儲設(shè)備。例如，對一張高分辨率的彩色圖片（1024bit768bit24bit），如果不進行壓縮，則需要接近20Mbit的存儲量，

12、這就意味著存儲100張這樣的圖片需要2Gbit的存儲量。對2個小時這樣的高分辨圖片的VCD（30幀/s）而言，其存儲量將達到4Tbit。當然，高級壓縮技術(shù)的確可以大大降低信息的存儲量，但仍然不能從根本上解決呈指數(shù)速率增長的信息量。因此，發(fā)展一種快速度、高密度、低能耗的存儲器件，具有廣泛的應用前景。1998年，Yano等人報道了128Mbit單電子存儲器的原始模型。納米芯片芯片可以看作是集成電路塊。集成電路塊從小規(guī)模向大規(guī)模發(fā)展的歷程，可以看作是一個不斷向微型化發(fā)展的過程：20世紀50年代末小規(guī)模集成電路集成度為10個元件20世紀60年代末中規(guī)模集成電路集成度為1000個元件20世紀70年代末大

13、規(guī)模集成電路集成度為10萬個元件20世紀80年代末特大規(guī)模集成電路集成度為100萬個元件隨著集成度的提高，做圖的條寬越來越小，現(xiàn)在已減小到，1998年，IBM已研制成功存儲容量達到64兆位的動態(tài)隨機存儲器芯片，集成電路的條寬只有。目前實驗室的數(shù)據(jù)為，并向進軍。到2001年已降到，即130nm。 這是電子技術(shù)史上的第四次重大突破。今天，集成度已進一步提高到1000萬個元件。集成電路的條寬再縮小，將出現(xiàn)一系列物理效應，從而限制了微電子技術(shù)的發(fā)展。利用納米技術(shù)，開發(fā)納米芯片，將能解決這些問題?！靶酒奕恕庇⑻貭柟居?000年12月公布,英特爾公司最新納米技術(shù)研制成功30nm晶體管芯片。新芯片的運算

14、速度達10GHz，是目前運算速度最快的芯片運算速度的7倍。它能在子彈飛行30cm的時間內(nèi)運算2000萬次，或在子彈飛行25mm的時間內(nèi)運算200萬次。英特爾公司稱，用這種新處理器制造的產(chǎn)品最早將在2005年以后投放市場。納米電腦納米電腦包括量子計算機、超導電腦、化學電腦、生物電腦和神經(jīng)電腦傳統(tǒng)計算機的最小信息單位為位，而量子計算機的最小信息單位被稱為量子位。20世紀70年代，英國和美國最早開始對量子計算機進行研究。1993年，貝爾實驗室研究證實，量子計算機的運算速度比現(xiàn)有的數(shù)字計算機快得多。1994年，計算機科學家彼得肖爾設(shè)計了一個具體的量子算法,這是一個革命性的突破。1996年，IBM公司著

15、手建造量子計算機。2000年，中國科學院知識創(chuàng)新工程開放實驗室成功研制出4個量子位的演示用量子電腦， 美國IBM公司又推出5個量子位的演示用量子電腦。預 料：雖然量子電腦距離實用化還有很長的一段路要走，但它取代硅芯片電腦可能只 是時間問題。量子計算機生物電腦電腦的性能是由元件與元件之間電流啟閉的開關(guān)速度決定的?？茖W家發(fā)現(xiàn), 蛋白質(zhì)有開關(guān)特性，用蛋白質(zhì)分子元件制成的集成電路， 稱為生物芯片。 使用生物芯片的電腦稱為蛋白質(zhì)電腦，或稱為生物電腦。用蛋白質(zhì)制造的電腦芯片，在1mm2面積上可容納數(shù)個電路。因為它的一個存儲點只有一個分子大小，所以存儲容量可達到普通電腦的10億倍。 蛋白質(zhì)構(gòu)成的集成電路大小

16、只相當于硅片集成電路的10萬分之一， 而且運轉(zhuǎn)速度更快，大大超過人腦的思維速度，生物電腦元件的密度比大腦神經(jīng)元的密度高100萬倍，傳遞信息速度也比人腦思維速度快100萬倍。生物分子集成電路在1cm3體積內(nèi)，可容納一個大型電子計算機的記憶裝置，其應用前景十分誘人。所以，一些發(fā)達國家投入巨額資金，開發(fā)生物集成電路。它給我們?nèi)祟悗淼南Ｍ嵌喾矫娴?，不僅電腦可以做得超微型化，而且它的計算速度更快，存儲的信息更多。更重要的是，生物集成電路的問世，可以創(chuàng)造出許多過去連想都不敢想的奇跡來。例如，把生物集成電路片植入盲人的視網(wǎng)膜皮質(zhì)中，使盲人重見光明；把它植入截癱者的脊髓中，能使病人接受外界微弱的電信號而使

17、四肢活動起來。 有些科學家預言，21世紀初，生物電腦即可問世并成為商品。這將改變?nèi)藗兊纳?、工作和學習方式。例如，人們很容易忘記許多事情，如有一臺生物電腦在身，它就可以把你每天所做的事或接觸的人，以及處理過的文字文件統(tǒng)統(tǒng)記錄下來，在存儲器中長期存儲。當你需要回憶時，只要打開生物電子計算機，它就可以把你需要查詢之事告訴你。有了它，我們學習任何一門科學，都會覺得極為方便，它可以給我們講課、復習、回答任何問題。至于在日常生活中，它可以幫助我們安排得井井有條，提醒我們應該去做的事。 人腦有140億神經(jīng)元及10億多神經(jīng)節(jié)，每個神經(jīng)元都與數(shù)千個神經(jīng)元交叉相連，它的作用都相當于一臺微型電腦。人腦總體運行速度

18、相當于每秒1000萬億次的電腦功能。用許多微處理機模仿人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成了神經(jīng)電腦。神經(jīng)電腦的信息不是存在存儲器中，而是存儲在神經(jīng)元之間的聯(lián)絡(luò)網(wǎng)中。若有節(jié)點斷裂，電腦仍有重建資料的能力，它還具有聯(lián)想、記憶、視覺和聲音識別能力。神經(jīng)電腦將會廣泛應用于各領(lǐng)域。它能識別文字、符號、圖形、語言以及聲納和雷達收到的信號，判讀支票，對市場進行估計， 分析新產(chǎn)品，進行醫(yī)學診斷，控制智能機器人， 實現(xiàn)汽車自動駕駛和飛行器自動駕駛，發(fā)現(xiàn)識別軍事目標，進行智能決策和智能指揮等。因此，神經(jīng)電腦又被稱為人工大腦，它是人類開發(fā)的第六代電腦。 神經(jīng)電腦日本科學家已開發(fā)出神經(jīng)電腦用的大規(guī)模集成

19、電路芯片， 在2的硅片上可設(shè)置400萬個神經(jīng)元和4萬個神經(jīng)節(jié)，這種芯片能實現(xiàn)每秒2億次的運算速度。富士通研究所開發(fā)的神經(jīng)電腦， 每秒更新數(shù)據(jù)速度近千億次。日本電氣公司推出一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聲音識別系統(tǒng)， 能夠識別出任何人的聲音，正確率達99.8%。美國研究出由左腦和右腦兩個神經(jīng)塊連接而成的神經(jīng)電腦。右腦為經(jīng)驗功能部分，有1萬多個神經(jīng)元，適用于圖像識別；左腦為識別功能部分，含有100萬個神經(jīng)元，用于存儲單詞和語法規(guī)則。 現(xiàn)在， 紐約、 邁阿密和倫敦的飛機場已經(jīng)用神經(jīng)電腦來檢查爆炸物，每小時可以查600700件行李，檢出率為95%，誤差率為2%。 磁學性能納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等使

20、得它具有常規(guī)粗晶粒材料所不具備的磁特性。納米微粒的主要磁特性可以歸納如下： 超順磁性納米微粒尺寸小到一定臨界值時進入超順磁狀態(tài)，例如-Fe，F(xiàn)e3O4和-Fe2O3粒徑分別為5nm、16nm和20nm時變成順磁體。 矯頑力納米微粒尺寸高于超順臨界尺寸時通常呈現(xiàn)高的矯頑力Hc。 高磁化率納米磁性金屬的磁化率X是常規(guī)金屬的20倍。納米磁性材料巨磁阻材料磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下的電阻改變的現(xiàn)象。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬或合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應用前景。

21、美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁阻材料及其在高技術(shù)上的應用投入很大的力量。1994年IBM公司研制成巨磁阻效應的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbit/in2，最近報道為11Gbit/in2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應大，易使器件小型化、廉價化，可廣泛用于數(shù)控機床、汽車測速、非接觸開關(guān)、旋轉(zhuǎn)編碼器中。磁記錄材料納米顆粒磁記錄材料、磁記錄薄膜納米磁性材料的應用高新技術(shù)材料是航空航天技術(shù)的基礎(chǔ)，航空航天技術(shù)的發(fā)展不斷對材料科學提出新的要求。航空航天結(jié)構(gòu)材料要求具有高的強度，低的密度，部分材料還要求具有耐高溫、耐腐蝕、耐磨擦、耐高壓等性能。納米材料具有極佳

22、的力學性能，如高強、高硬和良好的塑性。這些使得納米材料在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛的應用前景。 2、納米材料在航空航天領(lǐng)域中的應用航空航天飛機外殼不同部位的溫度分布鋁合金是傳統(tǒng)的制造超音速飛機或飛行器蒙皮的合金材料。而今，密度只有約鋁合金50%的鋰鎂合金等， 以其塑性好、強度高等特性開始大量用作導彈、宇宙、飛船的結(jié)構(gòu)材料。為了進一步提高這些新型合金的性能，納米相及納米金屬間化合物彌散補強合金可大幅度提高材料的強度，降低材料的用量，減輕飛行器的質(zhì)量，從而提高飛行器的飛行速度和性能。 納米金屬復合結(jié)構(gòu)材料 金屬焊接通常都是在高于金屬熔點的高溫下進行，但是，對于飛行器或其他部位的焊接將是非常困難的，為了

23、保證相差儀表及傳感器不受影響，只有采用納米焊接。一方面隨著顆粒尺寸的減小，納米材料的熔點不降，另一方面隨著顆粒比表面積的提高，擴散速度大幅度上升。 金的熔點為1064，10nm金的熔點為940，2nm金的熔點為833。 俄羅斯科學家利用納米焊接技術(shù)對和平號太空站的外殼裂紋及儀表等進行了多次成功的納米焊接修補。使和平號太空站的服役時間延長了近3倍。 納米焊接涂層材料是航空航天材料中的重要組成部分。隨著航空航天技術(shù)及材料科學的不斷發(fā)展，航空航天涂層材料已經(jīng)由過去的單一功能發(fā)展成為集防護、裝飾與特殊功能（如隱身）于一體多功能復合涂層材料。已由單一有機或無機涂層發(fā)展成為集表面處理、 納米改性及有機-無

24、機涂層技術(shù)相結(jié)合的復合功能材料涂層。納米復合涂層材料 作用：防止金屬材料的腐蝕和延緩復合材料的老化，從而保證飛行器的安全飛行和延長飛行器壽命。 金屬及合金的納米涂層材料：提高材料的抗腐蝕性能及適當提高耐磨性能。 陶瓷材料納米涂層：用于耐高溫、抗腐蝕、耐磨、高強度、電絕緣等關(guān)鍵部位。 塑料與高分子納米復合涂層材料：增強涂層結(jié)合強度，提高涂層抗腐蝕能力，防止塑料老化變脆。 防護涂層“隱身”這個名詞，顧名思義就是隱蔽的意思。近年來，隨著科學技術(shù)的發(fā)展，各種探測手段越來越先進。例如，用雷達發(fā)射電磁波可以探測飛機；利用紅外探測器可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線的物體。當前，世界各國為了適應現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，提高在軍事

25、對抗中的實力，也將隱身技術(shù)作為一個重要研究對象，其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要的地位。納米隱身涂層是包含納米微波涂層、納米光學及紅外涂層等技術(shù)的一種特性功能的復合結(jié)構(gòu)涂層。 納米隱身材料隱身技術(shù)是當代軍事領(lǐng)域中舉世矚目的高新技術(shù)之一，它與激光、巡航導彈并稱為當代軍事技術(shù)的三大革命，因此受到世界各國的重視。目前的隱身技術(shù)主要有反聲納探測技術(shù)、反雷達探測技術(shù)、反光學探測技術(shù)和反紅外探測技術(shù)。美國的隱身技術(shù)最先進，1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國第一天出動的戰(zhàn)斗機就躲過了伊拉克嚴密的雷達監(jiān)視網(wǎng)，迅速到達首都巴格達上空，直接摧毀了電報大樓和其他軍事目標，在歷時42天的戰(zhàn)斗中，執(zhí)行任務的飛機達1270架次，

26、使伊軍95%的重要軍事目標被毀,而美國戰(zhàn)斗機卻無一架受損。這場高技術(shù)的戰(zhàn)爭一度使世界震驚。 為什么伊拉克的雷達防御系統(tǒng)對美國戰(zhàn)斗機束手無策？ 為什么美國的導彈擊中伊拉克的軍事目標如此準確？空對地導彈擊中伊拉克的坦克為什么有極高命中率？ 一個重要的原因就是美國F117A型戰(zhàn)斗機機身表面包覆了紅外與微波隱身材料，它具有優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達的監(jiān)視。而伊拉克的軍事目標和坦克等武器沒有防御紅外線探測的隱身材料，很容易被美國戰(zhàn)斗機上靈敏紅外線探測器所發(fā)現(xiàn)，并通過先進的激光制導武器很準確地擊中。美國F117A型飛機蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子， 它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力

27、。為什么超微粒子，特別是納米粒子對紅外和電磁波有隱身作用呢？主要原因有兩點：一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微米材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微米材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個數(shù)量級， 對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多。 納米粒子作為催化劑有著許多優(yōu)點：首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高；另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此電子、空穴能夠到達表面的數(shù)量多，化學反應活性高。納米粒子的光催化成為一項正在蓬勃發(fā)展的應

28、用于水與空氣凈化、修復的高新技術(shù)。3、納米技術(shù)在環(huán)保和能源領(lǐng)域的應用納米粒子光催化工業(yè)生產(chǎn)中燃料使用產(chǎn)生的有害氣體汽車排放的尾氣（主要）（大城市中40%以上NOX，80%以上的CO和70%以上的碳氫化合物來源于汽車尾氣的排放污染）納米材料在空氣凈化中的應用空氣污染源解決對策空氣污染物質(zhì)：一氧化碳（CO）、二氧化硫（SO2）、氮氧化物（NOX）。開發(fā)替代燃料研究用于控制和減少汽車尾氣對大氣污染的材料納米材料具有處理空氣污染方面的原理納米材料具有較小的顆粒尺寸，而且納米微粒表面形態(tài)隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凸凹不平的原子臺階，從而起到以下三個方面的作用：提高反應速度，增加反應率決定反

29、應路徑，良好的選擇降低反應溫度納米汽車尾氣超標報警器納米材料制備與組裝的汽車尾氣傳感器，通過對汽車尾氣排放的監(jiān)控，及時對超標排放進行報警，并調(diào)整合適的空燃比，達到降低有害氣體排放和燃油消耗的目的。納米級助燃催化劑復合稀土化合物的納米級粉體有極強的氧化還原性能，這是其他任何汽車尾氣凈化催化劑所不能比擬的。它的應用可以徹底解決汽車尾氣中的一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOX）的污染問題。以活性炭作為載體，納米Zr1/2Ce1/2O2粉體為催化活性體的汽車尾氣凈化催化劑，由于其表面存在Zr4+/Zr3+及Ce4+/Ce3+，電子可以在其三價和四價離子之間傳遞，因此具有極強的電子得失能力和氧化還原能力，

30、再加上納米材料比表面積大、空間懸鍵多、吸附能力強，因此它在氧化一氧化碳的同時還原氮氧化物，使它們轉(zhuǎn)化為對人體和環(huán)境無害的氣體二氧化碳和氮氣。納米材料在污水處理中的應用污水治理就是將污水中通常含有的有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細菌病毒等物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染問題，污水治理一直得不到很好的解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應用很可能徹底解決這一難題。一種新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力，它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑AlCl3的1020倍，因此它能將污水中懸浮物完全吸附并沉淀下來。然后采用納米磁性物質(zhì)、纖維和活性炭等凈化裝置，有效地除去水中的

31、鐵銹、泥沙以及有異味的污染物。若再經(jīng)過帶有納米孔徑和特殊水處理膜和帶有不同孔徑的陶瓷小球組成的處理裝置，可將水中的細菌、病毒100%去除。TiO2具有兩種特殊的光感應現(xiàn)象， 一種是我們前面提到的光催化現(xiàn)象，第二種是最近才發(fā)現(xiàn)的親水性，這種現(xiàn)象被稱為超親水性。超親水性是1995年在ToTo公司的實驗室里意外發(fā)現(xiàn)的。當時TiO2薄膜在制備過程中摻入一定百分比的SiO2時， TiO2薄膜在緊外光的照射下獲得了超親水性。光誘導超親水性的機理如下：電子將Ti()離子還原成Ti()，空位將去氧化氧離子。氧原子被逐出形成氧空位，水分子可以占據(jù)這些空位產(chǎn)生OH基團，從而使表面具有親水性。自清潔表面圖光誘導超親

32、水性的機理性能種類應用自清潔道路房屋建筑物電器和電子設(shè)備交通工具日常用品隧道墻面、隧道照明燈、隔聲墻、廚房衛(wèi)生間的瓷磚、屋內(nèi)瓷磚、窗戶鋁質(zhì)面板、建筑用磚、結(jié)晶玻璃、計算機的顯示器、太陽能電池的覆蓋玻璃、擋風玻璃及車前燈的內(nèi)表面涂層、餐具、廚具、噴射的防污涂層防霧道路房屋商店交通工具日常用品光學儀器公路指示牌浴室及換衣間的鏡子需冷凍的陳列櫥玻璃內(nèi)表面，后視鏡房屋涂層和薄膜光學透鏡長久以來，許多公司嘗試開發(fā)自清潔面，尤其是自清潔窗。其中一條途徑就是使所需的表面具有較高的親水性，從而水流足夠?qū)⒃斐晌埸c的有機化合物替換掉。超親水性的應用見下表。表 超親水性的應用隨著工業(yè)的發(fā)展和人類物質(zhì)生活及精神文明的

33、提高，能源的消耗也與日俱增，世界上最近25年內(nèi)能源的消耗相當于過去100年的消耗。地球上天然礦物的一次能源如石油、煤炭和天然氣等存儲量快速減少，同時能量消耗的急劇增長又導致人類生存環(huán)境的惡化，因此在開發(fā)新能源的同時必須考慮能源的高效利用及盡可能降低對環(huán)境的污染。除太陽能、風能、水能和生物能等再生能源外，氫能以其特有的優(yōu)勢和豐富的資源受到廣泛重視。氫是宇宙中最豐富的元素，占宇宙總質(zhì)量的75%，地球上也分布著氫，取之不盡，用之不竭。氫的燃燒產(chǎn)物是水，不會對環(huán)境產(chǎn)生任何污染。因此，氫能是一個有待進一步開發(fā)的再生能源。燃料電池燃料電池是利用氫元素與氧元素反應生成水的化學反應而制成的低公害電池。它由催化

34、劑、電極和離子傳導膜構(gòu)成（見圖），一端的電極附著有用于使氫分子分離為電子和氫離子的催化劑，另一端電極則附著有可使氫離子與空氣中的氧元素反應生成水的反應催化劑。電極之間用膜隔開，氫離子可在這層膜間移動。為了使氫元素和氧元素的反應盡可能高效率進行，有必要使用大小為納米級的貴金屬粒子對催化劑進行分散，此外，為了使氫離子、空氣及氫氣或水蒸氣能迅速移動，還必須在電極上設(shè)置適當?shù)目障?。電極之間的膜則要求具有電子無法通過，而氫離子可以自由通過的特性。為了使0.11納米大小的分子和離子高效率地活動和反應，采用納米材料可以進行控制。 固體高分子型燃料電池的基本原理 固體高分子型燃料電池的工作原理圖 被稱為“納米生物技術(shù)”的新領(lǐng)域最近備受注目。 生物是由大小數(shù)納米至數(shù)十納米的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、糖、核酸等生物分子結(jié)合，構(gòu)成細胞內(nèi)的核及微小的器官，再由這些細胞構(gòu)成生物組織和生物的。這些生物分子分別被配置在各細胞內(nèi)，相互間有機結(jié)合，進行代謝反應及合成反應， 接收、傳輸或轉(zhuǎn)換信息， 生產(chǎn)能源、運動等，換句話說，生物是由納米水平的生物分子為中心構(gòu)成構(gòu)造體，再由這些構(gòu)造體集聚起來，相互作用，發(fā)揮各自的功能，從而形成生命現(xiàn)象的。這些生物分子具有自集合、自組化、自我復制等令人驚異的功能，可以說，生物體本身就是納米技術(shù)的最好樣板。目前，納米技術(shù)與生物技術(shù)相結(jié)合而