納米技術(shù)的研究與應(yīng)用

0納米技術(shù)的概念、應(yīng)用及前景納米是一個(gè)微帶。1納米是10億米（10-9米），大約是單原子直徑的四倍。通過觀察和觀察納米現(xiàn)象和過程，納米技術(shù)為人們提供了許多性能獨(dú)特的工具、材料、設(shè)備和系統(tǒng)。目前，納米技術(shù)的研究正在從觀察和發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)計(jì)和制造復(fù)雜的納米規(guī)模。納米技術(shù)的研究是基于系統(tǒng)和多學(xué)科的。納米技術(shù)具有巨大的潛能,可望取代現(xiàn)有大多數(shù)技術(shù),創(chuàng)造新的工業(yè),并在能源、環(huán)境、通信、計(jì)算、醫(yī)藥、空間探索、國(guó)家安全和基于材料的任何領(lǐng)域中改變基礎(chǔ)的科學(xué)模型.本文各節(jié)分別就納米技術(shù)的概念,典型的納米技術(shù),納米技術(shù)中需要研究的基礎(chǔ)科學(xué)問題,納米技術(shù)的研究手段,納米技術(shù)的應(yīng)用,以及納米技術(shù)的前景作了介紹.1納米結(jié)構(gòu)的精細(xì)化當(dāng)結(jié)構(gòu)的特征尺寸介于孤立原子和塊材之間,即10-9~10-7m(1~100nm)的范圍,物體經(jīng)常顯示出與原子和塊材都不同的特性.利用尺寸的特點(diǎn),可以理性地設(shè)計(jì)材料和系統(tǒng)使其展現(xiàn)在物理、化學(xué)和生物上新穎而明顯改善的特性和現(xiàn)象.納米技術(shù)是至少在一個(gè)納米尺度上構(gòu)造和利用功能結(jié)構(gòu)的通俗定義.物質(zhì)在納米尺度上性能的重大改變主要是由于全新現(xiàn)象的出現(xiàn),如量子幽禁、波動(dòng)傳輸和界面效應(yīng).物質(zhì)中的電子和原子交互作用的波動(dòng)(量子力學(xué))特性受到材料在納米尺度上變化的影響.通過創(chuàng)造納米尺度的結(jié)構(gòu)能控制材料的基本特性,如:熔點(diǎn)、磁特性、充電容量,甚至顏色,而不需改變材料的化學(xué)成分.由此將出現(xiàn)以前被認(rèn)為不可能的高性能產(chǎn)品和技術(shù).生物系統(tǒng)的一個(gè)重要特性是物質(zhì)在納米尺度上有系統(tǒng)的組織.納米技術(shù)將允許元件和集成物利用自然界自組裝的方法制造新材料.裝配所必需的信息在被存儲(chǔ)在納米元件表面.不需要機(jī)器人和其它儀器將元件放在一起.材料科學(xué)和生物技術(shù)的結(jié)合將導(dǎo)致全新的加工方法和工業(yè).納米尺度的材料如納米顆粒和納米薄膜有非常高的表面積體積比,使其適于合成材料、化學(xué)反應(yīng)、藥物傳輸和能量存儲(chǔ).與微米尺度的同種材料相比,納米結(jié)構(gòu)的陶瓷既堅(jiān)硬又富有韌性.納米尺度的催化劑將提高化學(xué)反應(yīng)和燃燒的效率,同時(shí)顯著地減少?gòu)U物和污染.由于納米結(jié)構(gòu)非常小,由它們構(gòu)建的系統(tǒng)的元件密度遠(yuǎn)高于微米尺度的物體.另外,電子在元件之間運(yùn)動(dòng)所需的時(shí)間也少得多.因此,通過控制納米結(jié)構(gòu)的相互作用可獲得全新的電子元件,更小和更快的電路,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能,并大幅度地降低能耗.2典型的納米俄羅斯技術(shù)2.1碳質(zhì)碳酸鈣葉綠體是進(jìn)行“自然界最重要的化學(xué)反應(yīng)”——光合作用的核心,其內(nèi)部包括納米級(jí)的分子結(jié)構(gòu)(色素分子,如葉綠素).它們的表面積體積比高,具有轉(zhuǎn)化光能和二氧化碳為生物化學(xué)能的高活性.人類和動(dòng)物牙齒表面的納米級(jí)微晶,光滑并具有很高的硬度.鮑魚的外殼堅(jiān)硬,是在納米尺度上將蛋白質(zhì)與碳酸鈣調(diào)和,重新構(gòu)建碳酸鈣結(jié)構(gòu)而形成的.2.2對(duì)于納米尺度的影響攝影和催化是早期依靠經(jīng)驗(yàn)發(fā)展起來(lái)的納米技術(shù)的兩個(gè)例子.這兩項(xiàng)技術(shù)等待著通過納米技術(shù)的發(fā)展而大幅提高.大部分現(xiàn)有的利用納米尺度物體的納米技術(shù)是意外地被發(fā)現(xiàn)的,對(duì)于其中的許多技術(shù),納米尺度的影響直到近期才被認(rèn)識(shí)到.例如,現(xiàn)在我們知道在橡膠中加入某種無(wú)機(jī)粘土可極大地提高輪胎的壽命和耐磨性,是因?yàn)榧{米尺度的粘土顆粒可以將聚合體的端部聯(lián)接起來(lái)并防止它們拆開.2.3鐵磁流體的密封鐵磁流體是由磁性納米顆粒(直徑10nm)組成的膠體,納米顆粒是獨(dú)立的永磁體,當(dāng)它們處于懸浮狀態(tài)時(shí),鐵磁流體的凈磁場(chǎng)為零,直至有外加磁場(chǎng)出現(xiàn)才發(fā)生改變.鐵磁流體與其它流體不同,在外加磁場(chǎng)時(shí),力和力矩產(chǎn)生于鐵磁流體內(nèi)部,由此導(dǎo)致特殊的流體力學(xué)現(xiàn)象.鐵磁流體當(dāng)前已用于儀器的密封,如PC機(jī)軟盤驅(qū)動(dòng)器,硅晶生長(zhǎng)的爐子,MRI(核磁共振成像)和CAT掃描設(shè)備.2.4雙連續(xù)納米顆粒和納米顆粒在一般絡(luò)合料中的應(yīng)用納米結(jié)構(gòu)的硬材料正在進(jìn)入商業(yè)領(lǐng)域.20世紀(jì)90年代,已能生產(chǎn)固化的碳納米合成物,如WC/Co和TiC/Fe.WC和Co組成的納米材料在三維尺度上互相連接,形成雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu),可獲得優(yōu)異的材料性能.與傳統(tǒng)顆粒尺度的參照物相比,硬度、斷裂韌性和耐磨性都有顯著提高.幾家硬金屬公司正在利用這種粉末生產(chǎn)高性能部件.2.5納米顆粒尺寸的涂料、復(fù)合材料的厚度和殘余應(yīng)力的厚度是熱性能和保水性的高納米涂料的熱噴技術(shù)提供了一種將納米結(jié)構(gòu)材料卓越的機(jī)械和物理特性應(yīng)用于商業(yè)的途徑.當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到納米尺度時(shí),晶界和晶內(nèi)的原子數(shù)目是可比的.由于特殊晶粒邊界面積的增加,每單位晶界的雜質(zhì)數(shù)量要比大晶粒材料少.晶粒邊界的純凈導(dǎo)致與大晶粒材料相比更為統(tǒng)一的腐蝕形態(tài)和更高的晶粒間抗腐蝕能力.納米晶粒不僅具有天然的熱穩(wěn)定性,而且還能有效地抵抗位錯(cuò)的發(fā)生,由此得到超高的硬度,在某些情況下還能得到超高的韌性.納米顆粒尺寸的涂料還能減小涂料的殘余應(yīng)力狀態(tài),加大涂層厚度.該技術(shù)的應(yīng)用包括渦輪葉片的阻熱和旋轉(zhuǎn)部件的耐磨.每年有幾十億美元的潛在市場(chǎng).2.6碳納米管2.6.1碳納米管的概念1924年J.D.Bernal認(rèn)識(shí)了石墨晶體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致碳合金和碳纖維的發(fā)展.20世紀(jì)80年代中期,Kroto,Curl和Smalley發(fā)現(xiàn)了繼金剛石和石墨后,碳的第三種同素異形體C60,使人們進(jìn)入碳納米世界.90年代早期,碳納米管被人們所認(rèn)識(shí).當(dāng)前納米管在新型電子和材料技術(shù)等方面的研究已被證明有很高的生產(chǎn)價(jià)值.2.6.2碳納米管界面特點(diǎn)碳納米管是由碳原子構(gòu)成的空心圓柱狀結(jié)構(gòu),碳原子在管壁上呈六邊形排列,兩端由五邊形或七邊形碳環(huán)組成的端冒封口,形成凹或凸的結(jié)構(gòu).碳納米管具有直徑小(0.7~30nm)、中空形狀和高長(zhǎng)徑比(>>100)的特點(diǎn),是一種特殊界面、準(zhǔn)一維的納米功能材料.碳納米管是最強(qiáng)和最柔韌的分子材料.2.6.3試驗(yàn)材料及性能(1)楊氏模量大于1TPa(鋁:70GPa;碳纖維:700GPa);(2)拉伸強(qiáng)度200GPa;(3)強(qiáng)度重量比超過鋁500倍;(4)最大應(yīng)變?yōu)?0%~300%,高于任何材料;(5)軸向?qū)嵝詞3000W/(m·k),徑向值小;(6)導(dǎo)電性比銅高6個(gè)數(shù)量級(jí);(7)金屬性或半導(dǎo)體性可控;(8)可通過非常大的電流;(9)優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能.2.6.4ths公司的材料碳納米管有著廣泛的應(yīng)用,如:高強(qiáng)復(fù)合物,索、鏈、梁,多功能材料,增強(qiáng)塑料,熱交換、阻熱,輻射罩,濾膜,防彈服、太空衣,互連量子線,二極管,晶體管,電容,數(shù)據(jù)儲(chǔ)存,場(chǎng)發(fā)射器,平面顯示,THz諧振器,AFM、STM…顯微鏡,力、壓力、化學(xué)…傳感器,生物傳感器,分子齒輪、分子馬達(dá)、分子驅(qū)動(dòng)器…,儲(chǔ)氫、儲(chǔ)鋰電池,納米尺度反應(yīng)堆、離子通道,體內(nèi)實(shí)時(shí)健康檢查,芯片實(shí)驗(yàn)室,藥物傳送,DNA排序,人造肌肉、骨、眼、耳….2.7“量子幻像”效應(yīng)利用電子的波動(dòng)性替代傳統(tǒng)的導(dǎo)線可在原子尺度上傳遞信息.這一新現(xiàn)象被稱作“量子幻像”效應(yīng),未來(lái)的納米尺度電路由于尺寸太小而無(wú)法使用導(dǎo)線,有望利用該效應(yīng)來(lái)傳遞數(shù)據(jù).2.8納晶鎳的晶粒尺寸對(duì)晶粒尺寸分別為10和100nm的納晶鎳以及傳統(tǒng)的復(fù)晶材料進(jìn)行機(jī)械性能的比較.隨著晶粒尺寸的減小,硬度、屈服強(qiáng)度和極限拉伸強(qiáng)度都有顯著提高,但冷作硬化系數(shù)卻下降了,并且在晶粒尺寸為10nm時(shí)完全降至零.材料的延展性也隨著晶粒尺寸的下降而下降,傳統(tǒng)材料在拉伸失效時(shí)有50%的延伸率,而納晶鎳的晶粒尺寸為100nm時(shí)為15%,晶粒尺寸為10nm時(shí)接近1%.在干燥空氣中進(jìn)行針與盤的摩擦實(shí)驗(yàn),納晶鎳與常規(guī)復(fù)晶鎳相比,磨損率急劇減小,摩擦系數(shù)也降低了.納晶結(jié)構(gòu)超強(qiáng)的機(jī)械特性已廣泛用于工業(yè).在核能氣體發(fā)生器套管內(nèi)壁電鑄上納晶鎳(100nm),可對(duì)結(jié)構(gòu)開裂的地方實(shí)現(xiàn)徹底修復(fù).納晶材料對(duì)于顆粒間的破裂過程(包括爬行破裂)有很強(qiáng)的抑制作用.可用于高循環(huán)壽命的鉛酸電池鉛板和鋒利的彈頭.2.9生物媒體dna在納米尺度上匯合生物學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)可使生化傳感器的性能顯著提高.有兩項(xiàng)技術(shù)已趨于成熟,并有望應(yīng)用于醫(yī)學(xué).一個(gè)是色度傳感器,它能選擇性地檢測(cè)生物媒體DNA;由于對(duì)炭疽病和肺結(jié)核的成功檢測(cè),它正處于商業(yè)開發(fā)中.當(dāng)炭疽病目標(biāo)存在時(shí),成對(duì)的納米顆粒通過DNA的細(xì)絲聚集在一起,并改變顏色.另一項(xiàng)成果是基于原子力顯微鏡的分析器,覆蓋抗體的磁珠被吸附到對(duì)微小位移敏感的懸臂梁以進(jìn)行測(cè)定.該項(xiàng)技術(shù)比傳統(tǒng)測(cè)定方法靈敏100~1000倍.色度傳感器和磁珠技術(shù)都有望做成檢測(cè)陣列,以對(duì)多種病原體進(jìn)行同步識(shí)別.2.10模擬生物體體顆粒如細(xì)菌體超細(xì)的粉末能用于生物武器的凈化.空中的耐熱孢子(炭疽病的模仿物)在室溫下,被空中的氧化鎂和其它活性元素形成的納米顆粒殺死.已發(fā)現(xiàn)有幾種納米顆粒具有同樣的效果,而同種材料的粉末卻無(wú)效.3基礎(chǔ)納米科學(xué)的研究與開發(fā)現(xiàn)在的研究工具和對(duì)基本納米尺度現(xiàn)象的理解水平還很原始.為了使納米技術(shù)能帶來(lái)更大的效益,需要更多的基礎(chǔ)科學(xué)知識(shí),包括理解分子的自組織,如何構(gòu)造量子器件,以及復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如何運(yùn)作.目前很難明確區(qū)分納米技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué).在一個(gè)具體的納米技術(shù)出現(xiàn)以前,物理、化學(xué)、材料科學(xué)、電機(jī)工程和其它學(xué)科領(lǐng)域的基礎(chǔ)科學(xué)必須得到徹底發(fā)展.目前基礎(chǔ)納米科學(xué)的研究和開發(fā)中較廣泛、跨學(xué)科的問題有:(1)納米結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)哪些新的量子特性?(2)鄰近納米結(jié)構(gòu)間的界面特性與塊材相比有多大的差異?新技術(shù)如何才能開發(fā)這些特性?(3)納晶和納米桿中原子的表面重構(gòu)和重組指什么?(4)能否合成具有統(tǒng)一長(zhǎng)度和螺旋性的碳納米管?是否能重復(fù)置備和連接一維納米結(jié)構(gòu)?(5)探測(cè)單分子特性的能力將使我們對(duì)復(fù)雜的聚合體、超分子和生物系統(tǒng)有什么新的理解?(6)能否使用平行自組裝技術(shù)控制納米尺度元件的相對(duì)排列?(7)是否可經(jīng)濟(jì)地控制尺寸、形狀、成分和表面狀態(tài)制備納米結(jié)構(gòu)?4亞財(cái)產(chǎn)尺度的亞米技術(shù)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者物理學(xué)家理查德·費(fèi)恩曼在1959年作了現(xiàn)今十分有名的演講,“在底層大有作為(ThereisPlentyofRoomattheBottom)”.他向聽眾展示了在原子和分子尺度上制作材料和器件將帶來(lái)的激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn).并且指出,要實(shí)現(xiàn)這些新發(fā)現(xiàn),需要新型的小型儀器對(duì)小(納)結(jié)構(gòu)進(jìn)行操縱和特性測(cè)量.具有費(fèi)恩曼所預(yù)想功能的儀器直到20世紀(jì)80年代才被發(fā)明.這些儀器(包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和近場(chǎng)顯微鏡)為納米結(jié)構(gòu)的測(cè)量和操縱提供了“眼”和“手”.由此,為材料加工提供了一種新的模式,通過亞微米尺度的組裝(理想情況利用自組織和自裝配)以“由下往上(bottom-up)”的方式創(chuàng)造實(shí)體,而不是從大結(jié)構(gòu)上砍鑿去小結(jié)構(gòu),“從上向下(top-down)”方法的極小化.IBM研究中心用低溫掃描隧道顯微鏡首次安放單原子,并用35個(gè)氙原子拼寫出IBM3個(gè)字母.“Bottom-up”是利用分子、原子進(jìn)行組裝,組成分子線、膜和其它結(jié)構(gòu),再由納米結(jié)構(gòu)與功能單元集成系統(tǒng).它反映了納米技術(shù)的目標(biāo),即理性地設(shè)計(jì)和制作材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng).然而,目前分子自組裝等基礎(chǔ)理論和重復(fù)性的研究有待深入,“Bottom-up”還無(wú)法用于大批量納米結(jié)構(gòu)和器件的制作,仍處于化學(xué)家和材料學(xué)家的實(shí)驗(yàn)室研究階段.“Top-down”用光刻等微加工方法,將大的材料分割,形成結(jié)構(gòu)或器件,并與電路集成,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)微型化.近年來(lái),微電子和微機(jī)械技術(shù)中高分辨率光刻技術(shù)快速發(fā)展,其最小尺度目前已達(dá)到10nm.高分辨率光刻具有可重復(fù)性、可靠性和可批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn).因此,“Top-down”是目前制作實(shí)用的納米器件和系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)途徑.5納米技術(shù)的應(yīng)用納米技術(shù)將在諸多領(lǐng)域有廣泛而深入的應(yīng)用.5.1納米材料的應(yīng)用納米技術(shù)正在從根本上改變未來(lái)生產(chǎn)材料的方法.在納米尺度上精確地控制物質(zhì)的尺寸和成分并使其組成具有特殊性能和功能的材料,將導(dǎo)致材料制造工業(yè)的革命.納米技術(shù)在材料和制造中的應(yīng)用包括:(1)在不使用機(jī)械加工的情況下形成納米結(jié)構(gòu)金屬和陶瓷的精確形狀;(2)使用染色特性最佳的納米尺度顆粒以提高彩色印刷的質(zhì)量;(3)納米尺度碳化物粘接和鍍層材料以及納米涂料;(4)在芯片上進(jìn)行高度復(fù)雜性和功能性的納米加工.5.2計(jì)算機(jī)熱容量的應(yīng)用科學(xué)成熟為技術(shù)大約需要10~15年的周期.現(xiàn)在是投資納米科學(xué)和技術(shù),及時(shí)影響信息技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)刻.以磁信息存儲(chǔ)領(lǐng)域?yàn)槔?巨磁阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的10年內(nèi),在計(jì)算機(jī)磁盤讀寫頭方面很快取代了原有技術(shù).納米電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)可能的應(yīng)用包括:(1)納結(jié)構(gòu)微處理器可能使計(jì)算機(jī)的效率提高幾百萬(wàn)倍;(2)更高的傳送頻率和更有效地利用光譜可使帶寬拓展10倍以上;(3)具有兆兆位級(jí)存儲(chǔ)能力的輕型存儲(chǔ)器件;(4)具有最小尺寸、重量和能耗,可搜集、處理和傳送大量數(shù)據(jù)的集成納米傳感器系統(tǒng).5.3體外保健設(shè)備納米科學(xué)在生物學(xué)上有許多潛在應(yīng)用:(1)快速高效的基因測(cè)序;(2)使用有效而廉價(jià)的遠(yuǎn)程和體內(nèi)保健設(shè)備;(3)將新型藥物有效地運(yùn)輸?shù)较惹安荒艿竭_(dá)的身體部位以拓寬它們的治療能力;(4)更耐用、無(wú)排斥性的人造組織和器官;(5)探測(cè)體內(nèi)正在出現(xiàn)的疾病的傳感系統(tǒng),將照顧病人的焦點(diǎn)由疾病治療轉(zhuǎn)向早期診斷和預(yù)防.5.4.納米器件和納米材料將有效負(fù)載提升并脫離地球軌道對(duì)燃料有嚴(yán)格的限制;為執(zhí)行長(zhǎng)期使命而將太空船送出太陽(yáng)系,要求減小有效負(fù)載的尺寸、重量和能源消耗.納米材料和器件為這些挑戰(zhàn)提供了答案.納米技術(shù)在該領(lǐng)域的應(yīng)用有:(1)為航空器、火箭和空間站設(shè)計(jì)制造輕質(zhì)、高強(qiáng)和熱穩(wěn)定材料;(2)低耗能、耐輻射和高性能的計(jì)算機(jī);(3)微型太空船的納米儀器;(4)基于納米結(jié)構(gòu)傳感器和納米電子學(xué)的航空電子設(shè)備;(5)阻熱和耐磨的納米涂料.此外,低重力和高真空的太空環(huán)境將有助于開發(fā)在地球上無(wú)法創(chuàng)造的納米結(jié)構(gòu)和納米系統(tǒng).5.5催化劑的尺寸納米技術(shù)能顯著地提高能源的利用效率和存儲(chǔ)能力.它還被用于監(jiān)視和改善環(huán)境問題,改變工業(yè)的控制和生產(chǎn)以節(jié)約能源.有