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1、纳米技术与应用纳米技术与应用课程论文班级：无机非金属材料系 102 班学号： 2010015045 姓名: 刘小龙 日期: 2012,11,16 纳米技术与应用- 0 -纳米材料的应用与发展前景姓名：刘小龙 学号:2010015045(齐齐哈尔大学材料科学与工程学院无机非金属材料系)【摘要】 纳米材料和技术是 21 世纪“最有前途的材料”和“决定性的技术”文章综述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生物医药等方面的应用和在世界各主要国家的应用现状，并对纳米材料的应用前景进行了展望。【关键词】 纳米、纳米技术、纳米材料、应用。引言由于独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，
2、成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学建物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要包括：清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；人造超品格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物：纳米品体和纳米玻璃材料；金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展研究成果日新月异，研究范围小断拓宽。以下主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。1 纳米材料应用纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，其对蠕变、超塑性有显著影响，并使有限
3、固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强（受均匀腐蚀而不同于粗晶材料的晶界腐蚀） 。因此，纳米材料表现出的力、热、声、光、电、磁性等，往往不同于该物质在粗晶状态时表现的性质。与传统粗晶材料相比，纳米材料具有高强度/硬度、高扩散性、高塑性 /韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能。可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。1.1 力学性能高韧、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题。纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比。在纳米材料中位错密度
4、非常低，位错滑移和增殖采取 Frank-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般也比晶粒大，所以在纳米材料纳米技术与应用- 1 -中位错的滑移和增殖不会发生,此即纳米晶强化效应。这些材料可用于在制造苛刻条件下使用的燃气轮机，新型汽车，航天飞机的零部件。1.2 磁学性能纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达 50%，可用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时，纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似的线形关系，可用作新型的磁传感器材料。可在磁光系统，磁光材料中得到
5、应用。1.3 电学性能由于晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属-绝缘体转变利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制得的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点，可望全面取代常规半导体器件。德国和美国科学家在 2001年初用碳纳米管制备出了纳米晶体管、显示出很好的晶体三极管放大特性。荷兰大学在低温下测量了碳纳米管的三极管放大特性，并研制成功了室温下的单电子晶体管!随着单电子晶体管研究的深入，科学家研究出了碳纳米管组成的逻辑电路。1.4 热学性能纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值，这是由于界面原子排列比较混乱，原子密度低，界
6、面原子耦合作用变弱的结果。预计在蓄热材料，纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其用武之地。如 Cr-Cr2O3 颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，可以有效地将太阳光能转变为热能。1.5 光学性能纳米粒子的粒径远小于光波波长，与入射光有交互作用，光透性可通过控制粒径和气孔率而精确控制，在感应和光过滤场合有广泛应用!由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱普遍存在蓝移现象，其光吸收率很大，因此可应用于红外线感测器材料。1.6 生物医药材料纳米粒子比红血球小得多，可以在血液中自由运动，利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积
7、物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳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药品，纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便。2 纳米材料应用现状2.1 碳纳米管纳米技术与应用- 2 -1991 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的 10 成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。10-11图 2 聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸盐（PAH/PSS）纳米管 SEM 和 TEM 图3.2 碳纳米秤1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳
8、管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于个病毒的重量。其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。在这个例子中，弹簧就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量 。图 3 碳纳米秤3.3 纳米发电机2004 年 2 月欧洲科学院院士，国际固体微结构分析与信息功能材料方面的著名专家王中林，和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而形成的封闭式纳米技术与应用- 3 -环形纳米结构，成果发表在科学杂志。 2005 年 9 月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结构
9、，开拓功能氧化物钠米结构研究与应用的新领域。 2006 年 4 月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机纳米发电机。12-13图 4 （ A）在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。 （B ）在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。 （C ）当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放形成的三维电压 /电流信号图。3 预测与展望经过世界众多科学家对纳米技术的探索，目前研究人员已经能在实验室操纵原子，纳米技术已经得到了很大的发展。目前纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等 4
10、 大领域快速发展。可以预见：随着研究的深入，金属氧化物半导体场效应晶体管、平面显示器用发光纳米粒子和纳米复合物、光子晶体将应运而生；集成电路中单电子晶体管、记忆及逻辑器件、分子化学组装计算机将投入应用；原子、分子、簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、电子鼻、集成生物化学传感器、人体传感器及调节器等将被制造出来。挑战严峻，机遇难得，必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，纳米技术与应用- 4 -加速知识创新和技术创新，为 21 世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。人类将因纳米材料和技术的变革而发生根本性变化。纳米材料和技术方兴未艾，虽然部分产品已产业化!但整
11、体上仍处于实验研究和小规模生产阶段，材料研究者任重道远。4 结束语第一、纳米科技是一个新兴的多学科交叉领域，涉及的知识面和应用领域十分广泛，任何一个国家和单位都无法覆盖全部领域，也不可能在短期内实现对技术和市场的垄断。应当制定我国纳米科技中、长期发展战略，合理使用有限的资源和经费，大力发展那些对 21 世纪科学技术与国家安全有重大促进作用的领域和关键技术；积极引导和鼓励跨部门、多学科交叉联合研究与开发。第二、政府应加大投入，引导和支持企业界共同合作研究开发。根据我国人力资源结构和科技研发水平，尽快规划出若干个研发方向，从而配备先进的科研设备和建立技术研究开发中心。要避免研究方向过于分散，另外，
12、还要坚决抵制低水平重复建设、研究的弊病。第三、充分认识纳米结构和纳米材料是纳米科技的核心。加强纳米科技的基础性开发研究，我们要充分认识它的困难程度和目前仅处于研究的初期阶段的基本情况，其核心技术的规模应用还需相当长的时间；加强国内外学术交流，密切跟踪纳米科技研究前沿的新成果、新动向，不断提高研究水平，及时修正研究方向，使我国纳米科技健康、持久、有序地发展。参考文献1 孙红庆.科技天地计划与市场探索M,2001/052 肖建中材料科学导论M 北京：中国电力出版社,2001 ，4 35 0.3 GleiterH.，Prog.Mater.Sci.，1989;33:2234 EppersonJ.，Si
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