1、.納米科學(xué)技術(shù)概述一、歷史背景在20世紀90年代的科技報刊上，經(jīng)常出現(xiàn)“納米材料和“納米技術(shù)這種名詞。什么是“納米材料呢？通俗一點說，就是用尺寸只有幾個納米的極微小的顆粒組成的材料。1納米為10億分之一米，用肉眼根本看不見。但用納米顆粒組成的材料卻具有許多特異性能。因此，科學(xué)家又把它們稱為“超微粒材料和“21世紀新材料。而納米材料并非完全是最近才出現(xiàn)的。最原始的納米材料在我國公元前12世紀就出現(xiàn)了，那就是中國的文房四寶之墨，墨中的重要成分是煙。實際上，煙是由許多超微粒炭黑形成的，而制造煙和墨的過程中就包含了所謂的納米技術(shù)。1984年，一位德國科學(xué)家格萊特Gleiter把一些極其細微的肉眼看不見

2、的金屬粉末用一種特殊的方法壓制成一個小金屬塊，并對這個小金屬塊的內(nèi)部構(gòu)造和性能做了詳細的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種金屬竟然呈現(xiàn)出許多不可思議的特異的金屬性能和內(nèi)部構(gòu)造。他制出的這種材料的特殊性在于，一般的物理概念認為晶體的有序排列為物質(zhì)的主體，而其中的缺陷、雜質(zhì)是次要的，要盡力除去。格萊特把物質(zhì)碾成極小微粒再組合起來，實際上是把界面上的缺陷作為物質(zhì)的主體，由微小顆粒壓制成的金屬塊是一種雙組元材料，有晶態(tài)組元和界面組元，界面組元占50，在晶態(tài)組元中原子仍為原來的有序排列，而在界面組元中，界面存在大量缺陷，原子的排列順序發(fā)生變化，當把雙組元材料制到納米級時，這種特殊構(gòu)造的物質(zhì)就構(gòu)成了納米材料，由此開場了對

3、納米材料及納米科學(xué)技術(shù)的研究。1987年，德國和美國同時報道制備成功二氧化鈦納米陶瓷顆粒大小為12納米，這種陶瓷比單晶體和粗晶體的二氧化鈦陶瓷的變形性能和韌性好得多。例如，納米陶瓷在180下能經(jīng)受彎曲變形而不產(chǎn)生裂紋，納米陶瓷零件即使開場時帶有裂紋，在經(jīng)受一定程度的彎曲變形后，裂紋也不會擴大。1989年，美國商用機器公司IBM的科學(xué)家用80年代才創(chuàng)造的掃描隧道顯微鏡STM挪動氙原子，用它們拼成IBM三個字母，接著又用48個鐵原子排列組成了漢字“原子“兩字。1990年，首屆納米科學(xué)技術(shù)大會在美國成功舉行，標志著一個把微觀根底理論與當代高科技嚴密結(jié)合的新型學(xué)科納米科學(xué)技術(shù)正式誕生了。1991年，I

4、BM的科學(xué)家制成了速度達每秒200億次的氙原子開關(guān)。2019年，IBM設(shè)在蘇黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盤，這種“算盤的算珠只有納米級大小，由著名的“碳巴基球C60制成。二、開展現(xiàn)狀納米技術(shù)的開展現(xiàn)狀非常樂觀，世界各國紛紛制定開展納米科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略，納米科技成為世界科技競爭的一個熱點領(lǐng)域。1981年日本就啟動了第一個關(guān)于超細粒子的5年方案，1992年，開場啟動微型機械技術(shù)方案，研制能進入人體血管的微型機器人，還啟動了“原子與分子終極利用技術(shù)方案，上世紀末又設(shè)立了納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技開發(fā)重點；美國也不甘落后，2019年在納米科學(xué)技術(shù)研究上投入50億美元，其中5億美元

5、優(yōu)先施行新的“全國納米科技方案；德國建立了納米技術(shù)研究網(wǎng)，方案投資5000萬美元建立一個科學(xué)中心，重點為納米技術(shù)研究；1994年，英國啟動了第一個納米材料研究的5年方案。中國對納米科學(xué)技術(shù)也非常重視，中國科學(xué)院在2019年成立了由其所屬的20個研究所組成的中國科學(xué)院納米科技中心，開通了納米科技網(wǎng)站 ：/ casnanonetcn、 ：/ casnanoorgcn、 ：/ casnano on，并在化學(xué)研究所建成納米科技樓。納米科技中心圍繞納米科技領(lǐng)域的重點問題和國家、院重大科技方案，組織分布在不同領(lǐng)域不同單位的科技工作者，利用納米科技網(wǎng)站納米科技中心研究實體，實現(xiàn)有關(guān)科技信息、技術(shù)軟件和儀器設(shè)

6、備的共享，在中科院知識創(chuàng)新工程中，將納米材料列入首批20個重大工程之一，支持力度為2019萬元人民幣。據(jù)不完全統(tǒng)計，在納米科學(xué)研究方面，中國論文總數(shù)以2019年科學(xué)引文索引SCI為準繼美、日、德之后位于世界第4位，在碳納米管方面論文居世界第三。隨著納米科技的開展，人們越來越認識到，只要控制構(gòu)造顆粒的大小，就能制造出強度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米材料。納米材料無與倫比的特性，使它在無數(shù)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。三、應(yīng)用前景由于納米材料的外表效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得納米材料在許多領(lǐng)域呈現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的特性，“納米材料“納米技術(shù)不再是科學(xué)家或?qū)嶒炇业膶Ｓ性~匯，它已經(jīng)

7、悄然進入尋常百姓生活，浸透到衣、食、住、行等領(lǐng)域。因此，納米材料具有非常廣泛的應(yīng)用前景。作為磁性材料的應(yīng)用 磁性超微粒由于尺寸小、具有單磁疇構(gòu)造、矯頑力很高等特性，已被用做高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。用這樣的材料制作的磁記錄材料可以進步信噪比，改善圖像質(zhì)量。此外，磁性納米材料還可用做光快門，火光調(diào)節(jié)器、病毒檢測儀等儀器儀表，復(fù)印機墨粉材料以及磁墨水和磁印刷材料等。作為傳感器材料及微電子器件材料的應(yīng)用 傳感器是超微粒的最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一，例如，用納米二氧化錫膜制成的傳感器，可用于可燃性氣體泄露報警器和濕度報警器。用金超微粒沉積在基板上形成的膜可用做紅外線傳感器，金超

8、微粒膜的特點是可見至紅外整個范圍的光吸收率都很高。大量紅外線被金屬膜吸收后轉(zhuǎn)變成熱，由膜和冷接點之間的溫差可測出溫差電動勢，因此可制成輻射熱測量器。作為跨世紀的新材料，納米材料將用于下一步的微電子器件，使將來的電腦、電視、衛(wèi)星、機器人等的體積變得越來越小。例如，北京大學(xué)用單壁碳納米管做成了世界上最細、性能最好的掃描探針，獲得了精巧的熱解石墨的原子形貌像；利用單壁短管作為場電子顯微鏡PEM的電子發(fā)射源，拍攝到過去認為不可能獲得的原子像；復(fù)旦大學(xué)已經(jīng)研制出50納米的新材料，居國際領(lǐng)先地位，這些材料將用于制造電子器件中的極板、存儲器和導(dǎo)線。電子通訊方面，納米技術(shù)將使電子元件體積更小、速度更快、能耗更

9、低，可以制造出存儲密度和運算速度比如今大3至6個數(shù)量級的全頻道通訊工程和計算機用器件。2019年，美國喬治亞理工學(xué)院電子顯微鏡實驗室主任王中林教授與其他科學(xué)家創(chuàng)造了電子秤，電子秤的創(chuàng)造翻開了納米科學(xué)與技術(shù)的新研究領(lǐng)域，對生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究來說，它可以測量單個病毒或生物大分子的質(zhì)量，從而提供一種用質(zhì)量來判別病毒種類的新方法，開拓了在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上有應(yīng)用前景的納米測量技術(shù)的新天地。納米材料在催化方面的應(yīng)用 超微粒的外表有效活性中心多，這就為做催化劑提供了根本條件。在高分子聚合物的氫化和脫氧反響中，納米銅粉催化劑有很高的活性和選擇性；在汽車尾氣凈化處理的過程中，納米銅粉作為催化劑可以用來部分代替貴金屬

10、鉑和銠。作為光學(xué)材料的應(yīng)用 納米微粒具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，使得用納米材料制備的光學(xué)材料在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊和光傳輸方面占有極其重要的地位。用納米微粒做光纖材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗。納米微粒在紅外反射材料上的應(yīng)用主要是制成薄膜和多層膜來使用，有納米微粒制成的紅外膜有透明導(dǎo)電膜、多層干預(yù)膜。例如，用納米二氧化硅和納米二氧化鈦微粒制成的多層干預(yù)膜，總厚度為微米級，社在燈泡罩的內(nèi)壁，不但透光率好，而且有很強的紅外反射才能。在醫(yī)學(xué)、生物工程方面的應(yīng)用 納米技術(shù)引入現(xiàn)代醫(yī)學(xué)即形成了載藥納米微粒，納米微、粒

11、的尺寸一般比生物體內(nèi)的細胞小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個新的研究途徑，即利用納米微粒進展細胞別離及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進展部分定向治療等。日本大版科學(xué)家使用激光技術(shù)，用合成樹脂制成了迄今為止世界上最小的牛、他們這樣做是為今啟使用納米技術(shù)制造能在血管中挪動的“納米機器做準備，這是因為牛有很尖的尖角，周身既有平滑部分，又有彎度很大的部分，對制作技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，能完美選出“納米牛，也就能造出各種各樣的納米機器。與此同時，大阪的科學(xué)家用同樣的方法造出了一個“納米彈簧，科學(xué)家希望，這樣的彈簧能成為將來納米機器的部件。復(fù)合材料的應(yīng)用 納米材料在復(fù)合材料的制各方面也有廣泛的應(yīng)用。例如把金屬

12、的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中可大大改善材料的力學(xué)性能，將金屬超微粒摻入合成纖維中可防止帶靜電，在塑料中摻入金屬超微?？刹桓淖兤鋸姸榷刂破潆姶判再|(zhì)等。超微粒也有可能作為梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高溫外表為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷和金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達1000的航天飛機隔熱材料，核聚變反響堆的構(gòu)造材料等。據(jù)?科技日報?報道，日本大阪大學(xué)研究人員最近把有機化合物“環(huán)糊精與無機硅化合物結(jié)合在一起，加以燒結(jié)，制作出了具有新物質(zhì)特性的納米材料。假如再對這種有機無機復(fù)合物質(zhì)進展燒制，其中的碳和氫被燃燒掉后，就會在納米級別上合成氧化物陶瓷；而在氬等非活性氣體中，再進步溫度進展燒結(jié)，這種復(fù)合物質(zhì)還可以被制成碳納米管。人們對納米材料的物理、化學(xué)性質(zhì)進展了大量的研究，目前納米材料的某些應(yīng)用已進入了工業(yè)化的消費階段，但一些新的應(yīng)用領(lǐng)域還需要進一步開拓。從國內(nèi)外納米材料的研制、消費和應(yīng)用的形勢來看，納米材料的工業(yè)消費和廣泛的應(yīng)用正處在重大打破的前夕。在中國，尤其是以碳納米管為代表的準一維納米材料及其陣列方面做了有影響的成果。納米技術(shù)的開展對人類的生活產(chǎn)生了宏大影響，我們