納米技術(shù)及材料

納米技術(shù)及納米材料化工三班張哲志一、納米技術(shù)

所謂納米技術(shù)，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律和特性的一項嶄新技術(shù)。科學(xué)家們在研究物質(zhì)構(gòu)成的過程中，發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數(shù)原子或分子，顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)，就稱為納米技術(shù)。何為納米技術(shù)簡單的解釋為：能操作細(xì)小到0.1～100nm物件的一類新發(fā)展的高技術(shù)。生物芯片和生物傳感器等都可歸于納米技術(shù)范疇。用納米技術(shù)排列原子的到的字母納米技術(shù)下的原子納米技術(shù)(nanotechnology），也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。

1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。

納米技術(shù)簡介：納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導(dǎo)委員會將納米技術(shù)劃分為納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)和納米計量學(xué)等6個分支學(xué)科。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。對納米技術(shù)的認(rèn)識:納米技術(shù)的內(nèi)涵非常廣泛，它包括納米材料的制造技術(shù)，納米材料向各個領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)(含高科技領(lǐng)域)，在納米空間構(gòu)筑一個器件實現(xiàn)對原子、分子的翻切、操作以及在納米微區(qū)內(nèi)對物質(zhì)傳輸和能量傳輸新規(guī)律的認(rèn)識等等。納米技術(shù)的發(fā)展歷程：1981年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具———掃描隧道顯微鏡，原子、分子世界從此可見。1990年，首屆國際納米科技會議在美國巴爾的摩舉辦，納米技術(shù)形式誕生。

1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鐵的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點。繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字，1999年美國國際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學(xué)院北京真空物理實驗室操縱原子成功寫出“中國”二字。

1997年，美國科學(xué)家首次成功地用單電子移動單電子，這種技術(shù)可用于研制速度和存儲容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機(jī)。同年，美國紐約大學(xué)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，DNA可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置。1999年，巴西和美國科學(xué)家在進(jìn)行碳納米管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子重量的“秤”，打破了美國和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。同年，美國科學(xué)家在單個分子上實現(xiàn)有機(jī)開關(guān)，證實在分子水平上可以發(fā)展電子和計算裝置。納米技術(shù)的發(fā)展趨勢：納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新興科技，其最終目標(biāo)是人類按照自己的意識直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個可見的原子、分子世界。這表明，人類正越來越向微觀世界深入，人們認(rèn)識、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。納米技術(shù)的前景納米技術(shù)的發(fā)展，將給我們的生活帶來極大的變化。"納米技術(shù)"就是通過物理或化學(xué)方法，將物質(zhì)粉碎成"納米級"微粒。這種微粒比頭發(fā)絲的十萬分之一還要細(xì)，要在20萬倍以上的電子顯微鏡下才能看得清楚。自九十年代初開始興起的納米技術(shù)，可以帶來信息、能源、交通、醫(yī)藥、食品、紡織、環(huán)保等諸多領(lǐng)域的新變革，大大提升我們的生活質(zhì)量。目前日本出現(xiàn)許多抗菌的日常用品，就是將抗菌物質(zhì)進(jìn)行納米化處理，在生產(chǎn)過程中加進(jìn)去，抗菌內(nèi)衣、抗菌茶杯等便生產(chǎn)出來了；如果在玻璃表面涂一層滲有納米化氧化鈦的涂料，那么普通玻璃馬上變成具有自己清潔功能的"自凈玻璃"，不用人工擦洗了；而電池使用納米化材料制作，則可以使很小的體積容納極大的能量，屆時汽車就可以像目前的玩具汽車一樣，以電池為動力在大街上奔馳了；計算機(jī)在普遍采用納米化材料后，可以縮小成為"掌上電腦"，體積將比現(xiàn)在的筆記本式電腦還要小得多。普通的材料，通過納米化處理，更能增添許多神奇特性。如陶瓷經(jīng)過納米化加工，可制成陶瓷彈簧、刀具等；而一些固體變成納米化微粒后，不僅粘附力增強(qiáng)，還新添了對紫外線光的吸收性質(zhì)，除了可制成抗掉色的口紅，還可開發(fā)出防灼的高級化妝品。此外，利用納米化材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，還可以開發(fā)出難以計數(shù)的新的元器件，在信息工程、生物工程等方面發(fā)揮重要作用，從而衍生出新興的高科技產(chǎn)業(yè)群。

我國的納米科技研究在國際上居于領(lǐng)先地位，有些成果還開始進(jìn)入了開發(fā)階段，如目前國內(nèi)一些廠家已研制出納米抗菌洗衣機(jī)之類的"納米家電"，"納米新生活"離我們越來越近。納米材料在國內(nèi)的研究成果及成就：納米技術(shù)作為一種最具有市場應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù)，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發(fā)達(dá)國家都投入大量的資金進(jìn)行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心，日本文教科部把納米技術(shù)，列為材料科學(xué)的四大重點研究開發(fā)項目之一。在德國，以漢堡大學(xué)和美因茨大學(xué)為納米技術(shù)研究中心，政府每年出資6500萬美元支持微系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)，許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開展納米技術(shù)的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：

定向納米碳管陣列的合成，由中國科學(xué)院物理研究所解思深研究員等完成。他們利用化學(xué)氣相法高效制備出孔徑約20納米，長度約100微米的碳納米管。并由此制備出納米管陣列，其面積達(dá)3毫米×3毫米，碳納米管之間間距為100微米。

氮化鎵納米棒的制備，由清華大學(xué)范守善教授等完成。他們首次利用碳納米管制備出直徑3~40納米、長度達(dá)微米量級的半導(dǎo)體氮化鎵一維納米棒，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。并與美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。

準(zhǔn)一維納米絲和納米電纜，由中國科學(xué)院固體物理研究所張立德研究員等完成。他們利用碳熱還原、溶膠-凝膠軟化學(xué)法并結(jié)合納米液滴外延等新技術(shù)，首次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。

用催化熱解法制成納米金剛石，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的錢逸泰等完成。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反應(yīng)，以此制備出了金剛石納米粉。

但是，同國外發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)相比，我們還有很大的差距。德國科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對納米技術(shù)未來市場潛力作過預(yù)測：他們認(rèn)為到2000年，納米結(jié)構(gòu)器件市場容量將達(dá)到6375億美元，納米粉體、納米復(fù)合陶瓷以及其它納米復(fù)合材料市場容量將達(dá)到5457億美元，納米加工技術(shù)市場容量將達(dá)到442億美元，納米材料的評價技術(shù)市場容量將達(dá)到27.2億美元。并預(yù)測市場的突破口可能在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域。

納米技術(shù)的發(fā)展趨勢：納米科技投入由基礎(chǔ)研究向應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)變由單一學(xué)科向多學(xué)科交叉和融合的方向發(fā)展由單打獨(dú)斗向集團(tuán)