纳米技术的发展和应用

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1、纳米技术的发展和应用摘要：所谓纳米技术，是指在0.1100 纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的 运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米 尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而 利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。 . 纳米技术与微电 子技术的主要区别是：纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的 功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实 现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。人们研究和开发纳米技术的目的，就是 要实现对整个微观世界的有效控制。 . 纳米技术是一门

2、交叉性很强的综合学科，研 究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993 年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术 划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量 学等 6个分支学科。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米 电子学是纳米技术最重要的内容。关键词: 纳米技术 应用 发展一、 什么是纳米技术?“纳米”是英文 namometer 的译名，是一种度量单位，1 纳米为百万分之 一毫米，即 1 毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于 45个原子串起来那么长。 纳米结构通常是指尺寸在 100 纳米以下的微小结构。1982 年扫描隧道显微镜发 明后，便诞生了一门以

3、0 1 至 100 纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直 接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单 个原子、分子制造物质的技术。从迄今为止的研究状况看，关于纳米技术分为三种概念。第一种，是 1986 年美国科学家德雷克斯勒博士在创造的机器一书中提出的分子纳米技术。根 据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子， 可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。 第二 种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来 人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即 将达到极

4、限。现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为， 如果把电路的线幅变小，将使构成电路的绝缘膜的为得极薄，这样将破坏绝缘效 果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型 的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和 生物膜内就存在纳米级的结构。1980 年的一天，在澳大利亚的茫茫沙漠中有一辆汽车在高速奔驰，驾车人 是一位德国物理学家H格兰特(Gleiter)教授。他正驾驶租用的汽车独自横穿澳 大利亚大沙漠。空旷、寂寞、孤独，使他的思维特别活跃。他是一位长期从事晶 体物理研究的科学家。此时此刻，一个长期思考的问题在他的脑海中跳动：如

5、何 研制具有异乎寻常特性的新型材料?在长期的晶体材料研究中，人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体，是 晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、替位原子、间隙原子、相界、位错和 晶界看作晶体材料中的缺陷。此时，他想到，如果从逆方向思考问题，把“缺陷” 作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会是怎样? 格 兰特教授在沙漠中的构想很快变成了现实，经过 4 年的不懈努力，他领导的研究 组终于在1984 年研制成功了黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺 寸在纳米量级时都呈黑色。纳米固体材料（nanome ter sized mat erials）就这样 诞生了。纳米材料一诞生

6、，即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这是因 为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如，纳米铁材料的断裂应力 比一般铁材料高 12 倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速 度快几千倍等；纳米相的铜比普通的铜坚固 5 倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而 增大；纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。二、 纳米技术的应用及其前景纳米技术在新世纪将推动信息技术、医学、环境科学、自动化技术及能源科 学的发展，像抗生素、集成电路和人造聚合物在二十世纪发挥了重要作用一样， 纳米技术在新世纪将人类的生活带来深远影响。（一）纳米技术将给医学带来变革纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便

7、，用数层纳米粒子包裹的智能 药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；在人工器官外面涂上 纳米粒子可预防移植后的排异反应；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量 血液，就能通过其中的蛋白质和DNA（脱氧核糖核酸）诊断出各种疾病。在电 子领域，可以从阅读硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片 上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。可以预见，未来以纳米技术为核心的 计算机处理信息的速度将更快，效率将更高。 环境科学领域将出现功能独特 的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂 进行过滤，从而消除污染。尽管纳米技术前景诱人，但是在科学家真正掌握纳米

8、 技术之前，还有许多工作要做。目前世界上许多实验室仍在研究如何自由地操纵原子和分子问题，这对於进 一步探究如何将一个个原子重新组合成新的物质来说非常重要。科学家认为，细胞本身就是“纳米技术大师”，细胞中所有的酶都是能完成 独特任务的“纳米机器”。它们在微观世界里能极其精确地制造物质，而这正是 科学家希望通过纳米技术实现的梦想。科学家希望通过对细胞的研究来进一步掌 握纳米技术。纽约大学一实验室最近研制出了一个纳米级机器人，机器人有两个 用DNA制作的手臂，能在固定的位置间旋转。研究人员认为，这一成果预示着， 科学家有朝一日能够研制出在纳米级工厂里制造分子的纳米机器人。 （二）纳米技术：主导下一次

9、产业革命新华网1月21日电（李长久）去年初,美国总统克林顿向国会提出了“国家纳 米技术计划”,并指出：“纳米技术将领导下一场工业革命。”而在提出这项计划 之前,以美国国家科学基金会为首的十几个政府部门联合出资 ,委托世界技术评 估中心对纳米技术的研究与开发现状和趋势进行了周密的调查研究。该中心组成 了一个八人专家组,在美国国内和西欧、日本以及中国台湾地区的42所大学、工 业公司和实验室进行了为期三年（19961998）的调查研究。调查结果之一是, 美国在这方面的投资落后于西欧和日本。 1997 年,在纳米技术研究方面的政府投 资,西欧为 1.28亿美元,日本为1.20亿美元,而美国为1.16亿

10、美元。在此基础上, 美国国家科技委员会设立了一个“纳米科学、工程和技术”机构间工作组,制订 了“国家纳米技术计划”,联邦政府投资五亿美元支持这一计划的实施。发达国家为什么如此重视纳米技术的发展和应用呢？这要从什么是纳米技术及其 作用和影响谈起。纳米是一个长度单位,一纳米为 10 亿分之一米,约为 10 个原子 的长度。纳米技术是研究电子、原子、分子在 0.1100 纳米尺度空间的内在运 动规律、内在运动特点,并利用这些特性制造具有特定功能设备的高技术。早在 一个世纪以前 ,人们已经清楚电子具有粒子性和波动性 ,并利用电子的粒子性在 微电子技术领域取得了辉煌的成就。从 1959 年世界第一块集成

11、电路问世至今, 已经经历了大规模、超大规模集成时代。就在 1959年,美国物理学家费曼提出了 纳米技术的基本概念。进入 20 世纪 90 年代,纳米技术已经成为一门新兴技术, 被世界很多国家列为 21 世纪的关键技术之一,并投入大量的人力物力进行研究 开发。目前,把电子作为波动处理的纳米器件已研制成功,这种器件具有超高速、 超容量、超微型、低功耗的特点。专家们预计,不久的将来,半导体器件将逐步消 失,纳米器件的时代逐步到来。利用纳米结构材料的新特性制成器件或制品将引 起工业、农业、医疗和社会的巨大变革。美国科学家已经研制出纳米光刻机,其 刻笔笔尖可以“浸”入有机分子池中,刻划出 15纳米线宽的

12、图形。美国西北大学 化学系教授英金认为,如果最终能将图形的线宽,刻绘到五至 10 纳米大小,即可 从遗传学角度精确地标出身体的异常部位,设计和实验合成抗体。利用纳米技术 还可以把现代作战飞机上的全部电子系统集成在一块芯片上,使需要车载、机载 的电子站系统缩小到可由单兵携带。如果纳米装配机器取得突破 ,那么到 2020 年将出现一个全新的领域“纳米医学”。另据科学家们预计,用不了多久, 个头只有分子大小的纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。总之,在 10 15 年内,纳米技术将成为划时代的高技术,并将引起一次新的产业革命。我国 开发出纳米服装免洗技术 中国开发出一种纳米材料技术，使油或水无

13、法与 材料的表面直接接触。用这种技术生产的布料加工成的服装因此不需要水洗，因 而可以大大节约用水、减轻对水环境的污染。 据中商世纪纳米技术有限公司 副董事长、中科院教授江雷今天介绍，经过这种技术处理过的纺织材料（棉、麻、 丝、毛、绒、混纺、化纤等）不仅具有防水、油的功能，也防墨水、菜果汁、酱 油等液体，而且还增加了意想不到的性能:纺织物具有了杀菌、防辐射、防霉等 特殊效果。 江雷说，纺织材料用这种技术处理后原有织物的各种性能保持不变， 其中包括纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、皮肤亲和性、免烫性等。 他说，上述技术将改变人们用洗涤剂洗衣的习惯，上述纺织面料做成的衣服基本 不需要水洗，即使

14、洗也只需要用水一冲即可，可以大量节水，大大减少洗涤废水 排放对环境的污染。北京中商世纪纳米技术有限公司以中科院化学研究所纳米材 料实验室为技术基础，开发出的上述超双疏技术，可以让纳米材料处理过的物体 表面形成一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，这样物体 表面不沾水和油。他说，这一技术在纺织、皮革、包装材料、输油管道、金属加 工、建材等领域均具有极广阔的应用价值。如各种金属表面经处理后，防腐性能 大大提高；输油管道的管道内壁采用的防静电功能材料经处理后，可以实现石油 与管道壁的无接触运输，这对于管道安全高效运行、减少渗漏损失有重要价值。 目前，中商世纪纳米技术有限公司在上述领域

15、的应用实验已经取得成功。作为一 种度量单位，一纳米为 1 毫米的 1%。物质加工到 100 纳米以下尺寸时，往往产 生既不同于微观原子、分子，也不同于宏观物质的超常规特性，具有这种特性的 材料称为纳米材料。（三）纳米“热”中冷思考近来，继网络热、基因热之后，一股前所未有的“纳米热”又在全社会兴起。纳米热究竟是好事还是坏事？纳米热中有无泡沫成分？“纳米时代”是否已经真 正来临了吗？人们不由感到迷惑不解。正如公众对纳米感到的困惑一样，纳米热 的兴起，也让从事纳米科学研究的科学家喜忧参半。喜的是，此举具有一定的科 普效应，全社会对“纳米”逐渐有了初步的认识，这将有助于纳米科研发展和最 终实现产业化；

16、忧的是，纳米热中难免鱼目混珠，某种程度上确实存在一些“纳 米泡沫”。勿庸置疑，纳米科技是一项革命性的技术，因为在纳米这样十亿分之 一米的微观尺度上，我们周围的物质确实产生了许多令人难以想象的效应，将给 我们生活的方方面面产生深刻的影响。现阶段，纳米技术的应用已在衣食住行各 个领域初露端倪，纳米材料更是“先行官”。目前这一领域的开发应用，主要是 利用纳米颗粒的特殊性能，像纳米微粒抗菌性能、防紫外线功能、防静电功能等 等，此外还有将材料表面纳米化，提高材料强度的功能。科学家们把纳米材料的 这些性能应用于日常用品中，从而改变和提高产品性能，给我们的生活带来一些 变化。而这些均属于纳米材料最表面化的一些特性，容易被人们所认识到，也容 易为人类所用。科学家告诉我们，纳米材料实际上古已有之。木柴、蜡烛等物质 燃烧时留下的碳黑，就是一种天然纳米材料，只是因为过去科学技术水平的限制， 人们不能有意识到从纳米水平来观察、研究这些材料。而现阶段的开发利用也只 是纳米技术露出的冰山一角。无论在国内还是国际，纳米都