我眼中的納米材料與納米技術(shù)的未來

PAGEPAGE2《納米材料》課程論文我眼中的納米材料與納米技術(shù)的未來學(xué)院：專業(yè)：班級：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)老師：日期：我眼中的納米材料與納米技術(shù)的未來摘要:21世紀(jì)，納米材料與納米技術(shù)在科技領(lǐng)域?qū)缪葜匾巧?。納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)之一。本文簡要地概述了我了解的納米材料，包括其基本特性以及其在力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等方面的主要應(yīng)用，并簡單展望了納米技術(shù)的未來。關(guān)鍵詞：納米材料；性能；應(yīng)用；納米技術(shù)；一、納米材料1.1納米材料納米材料是指材料基本構(gòu)成單元的尺寸在納米范圍即1~100納米或者由他們形成的材料。由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因?yàn)檫@樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個(gè)科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用?？茖W(xué)家們和工程技術(shù)人員利用納米材料的特殊性質(zhì)解決了很多技術(shù)難題，可以說納米材料特性促進(jìn)了科技進(jìn)步和發(fā)展。對于納米材料的研究包括兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)地研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和光譜學(xué)特征，通過和常規(guī)材料對比，找出納米材料特殊的規(guī)律，建立描述和表征納米材料的新概念和新理論；二是發(fā)展新型納米材料，包括新型納米材料合成方法的探索和對常規(guī)材料的納米修飾與改性。目前，在納米材料的應(yīng)用中所遇到的關(guān)鍵技術(shù)問題是：在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中，如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。1.2、材料分類納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時(shí)間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。（1）納米陶瓷利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達(dá)到納米水平，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。2.3電學(xué)性質(zhì)由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn)，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進(jìn)展，已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。2.4磁學(xué)性質(zhì)當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)量級，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。三、納米材料的主要應(yīng)用借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學(xué)家們在各個(gè)研究領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時(shí)也促進(jìn)了納米材料應(yīng)用的越來越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產(chǎn)材料科學(xué)領(lǐng)域無疑會是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng))使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。例如普通鎢粉需在3000℃高溫時(shí)燒結(jié)，而當(dāng)摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃～13113.2生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。3.3納米生物計(jì)算機(jī)開發(fā)生物計(jì)算機(jī)的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能、自動修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機(jī)制等。世界上第一臺生物計(jì)算機(jī)是由美國于1994年11月首次研制成功的?？茖W(xué)家們預(yù)言，實(shí)用的生物分子計(jì)算機(jī)將于今后幾年問世，它將對未來世界產(chǎn)生重大影響。制造這類計(jì)算機(jī)離不開納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時(shí)人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。目前納米科學(xué)技術(shù)正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關(guān)心未來發(fā)展的全世界科學(xué)家的思索。人們正注視著納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進(jìn)展，這一領(lǐng)域前景十分誘人。它與其它學(xué)科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學(xué)科或?qū)W科群，其有關(guān)發(fā)展將對經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國防實(shí)力、科技發(fā)展乃至整個(gè)社會文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影3.4新的國防科技革命納米技術(shù)將對國防軍事領(lǐng)域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對化學(xué)、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運(yùn)動加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮　⑤p、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用都將大有作為3.5其他領(lǐng)域除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微電子學(xué)等其他領(lǐng)域也有著逐漸廣泛的應(yīng)用，納米材料在這些領(lǐng)域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。四、納米技術(shù)的未來20世紀(jì)80年代開始的納米技術(shù)在90年代獲得了突破性進(jìn)展，其與醫(yī)學(xué)的結(jié)合形成了新興邊緣學(xué)科———納米醫(yī)療，即在分子水平上利用分子工具和已掌握的關(guān)于人體的知識，從事的疾病診斷、醫(yī)學(xué)、預(yù)防、保健和改善健康狀況等。在認(rèn)識生命的分子基礎(chǔ)上，人們可以設(shè)計(jì)制造大量的具有奇特功效的納米裝置，它們能夠發(fā)揮類似于組織和器官的功能;它可以達(dá)人體的各處甚至出入細(xì)胞，在人體的微觀世界里完成畸變的基因修復(fù)、扼殺初發(fā)的癌細(xì)胞、捕捉侵入人體的細(xì)菌和病毒、探測機(jī)體內(nèi)化學(xué)或生物化學(xué)成分的變化、適時(shí)地釋放藥物和人體所需的微量物質(zhì)、及時(shí)改善人的健康狀況等特殊使命。納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的普遍應(yīng)用將使21世紀(jì)的醫(yī)學(xué)產(chǎn)生一個(gè)質(zhì)的飛躍。經(jīng)過幾十年對納米技術(shù)的研究探索，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室操縱單個(gè)原子，納米技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤4大領(lǐng)域高速發(fā)展?？梢灶A(yù)測：不久的將來納米金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復(fù)合物、納米光子晶體將應(yīng)運(yùn)而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學(xué)組裝計(jì)算機(jī)將投入應(yīng)用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機(jī)器人、集成生物化學(xué)傳感器等將被研究制造出來。

納米技術(shù)目前從整體上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段，但從歷史的角度看：上世紀(jì)70年代重視微米科技的國家如今都已成為發(fā)達(dá)國家。當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國家。納米技術(shù)對我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)人類社會將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革。五、參考文獻(xiàn)[1]孫紅慶.科技天地—計(jì)劃與市場探索[M],2001/05[2]肖建中．材料科學(xué)導(dǎo)論[M]．北京：中國電力出版社,2001，43～50.[3]GleiterH.，Prog.Mater.Sci.，1989;33:223[4]EppersonJ.，SiegelR·，Mater·Res.Soe·Symp·Proe.，1989;132:15[5]LID.X·，PingD·H·，YeH.Q.etal·，PH-IL·Mag·Lett·，1993[6]張立德,牟季美.納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M].北京：科學(xué)出版社，2002:112～121.[7]吳天誠,杜仲良,高緒珊.納米纖維[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：1～10.[8]李玲，向航.功能材料與納米技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003：42～47.[9]張立德.超微粉體制備與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：中國石化出版社，2001：82～132.[10]WangJ,TianB,RogersKR.Thick-filmelectrochemicalimmunosensorbasedonstrippingpotentiometricdetectionofametalionlabel.AnalyticalChemistry,1998,70(9):1682-1685[11]NiwaO,XuY,HalsallHB,etal.Small-volumevoltammetricdetectionof4-aminophenolwithinterdigitatedarrayelectrodesanditsapplicationtoelectrochemicalenzymeimmunoassay.AnalyticalChemistry,1993,65(11):1559-1563[12]ZhongLinWang，JinhuiSong.PiezolectricNanogeneratorsBasedonZincOxideNanowireArrays[J].Science,2006,312(5771):242-246.[13]XudongWang,JinhuiSong,JinLiu,ZhongLinWang.Direct-CurrentNanogeneratorDrivenbyUltrasonicWaves,Sc