學士學位論文 論文題目：納米技術的發(fā)展 摘要：納米技術是21世紀科技發(fā)展的制高點，是新工業(yè)革命的主導技術，它將引起一場各個領域生產方式的變革，也將改變未來人們的生活方式和工作方式，使得我們有必要認識一下納米技術的發(fā)展史。納米技術的發(fā)展史是一個很長的過程，同時也是一個廣泛應用的過程。關鍵詞：發(fā)展納米技術納米材料1.1什么是納米技術納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子制造物質的科學技術。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發(fā)一系列新的科學技術，例如納電子學、納米材科學、納機械學等。所謂納米技術中的納米（nm）是長度單位，1納米是10-9米（十億分之一米），對宏觀物質來說，納米是一個很小的單位，不如，人的頭發(fā)絲的直徑一般為7000-8000nm，人體紅細胞的直徑一般為3000-5000nm，一般病毒的直徑也在幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級；對于微觀物質如原子、分子等以前用埃來表示，1埃相當于1個氫原子的直徑，1納米是10埃。1.2納米技術發(fā)展小史關于納米技術的起源，最早提出納米尺度上科學和技術問題的是著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德?費恩曼。1959年他在一次著名的講演中提出：如果人類可以用小的機器制造更好的機器，最后實現人類意愿在原子和分子的尺度上來加工材料、制備裝置，我們將有許多激動人心的新發(fā)現。他指出，我們需要新型的微型化儀器來操縱納米結構并測定其性質。那時，化學將變成根據人們的意愿逐個地準確放置原子的問題。1974年，Taniguchi最早使用納米技術一詞描述精細機械加工。20世紀70年代后期，麻省理工學院德雷克斯勒教授提倡納米科技的研究，但當時多數主流科學家對此持懷疑態(tài)度。②雖然當時的主流科學家對納米技術不是很看好，總是懷疑的態(tài)度，但是隨著科學技術的發(fā)展，納米技術就像出水芙蓉一樣漸漸的展現在科學家們的眼前。20世紀70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，科學家們想通過納米技術來實現當時不能完成化學材料和生物材料，但是仍有很多科學家持反面意見，他們認為納米技術只是一個只能幻想而不可能完成的技術。直到1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。從此，納米技術慢慢地被人們認可1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，這個重要的工具使得人類世界中誕生了一門以0.1到100納米長度為研究的分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。這個重要的工具對納米科技發(fā)展產生了積極的促進作用。1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。1991年，碳納米管被人類發(fā)現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍，這項技術的發(fā)現使得納米技術成為科學家們研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量;此后不久，德國科學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家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。③到1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業(yè)額達到500億美元。近年來，一些國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰(zhàn)略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點;德國專門建立納米技術研究網;美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元，近些年的投入也在保持大幅增加?？偠灾{米科技的迅速發(fā)展是在80年代末、90年代初。80年代初發(fā)明了費恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征和操縱技術，它們對納米科技的發(fā)展起到了相當大的積極促進作用。目前，納米技術已經成為人類科學中相對普遍的一項科學，但是納米技術的發(fā)展卻剛剛開納米技術將在未來為人類帶來很多意想不到的利益。2．1納米技術研究的現狀納米科技發(fā)展的歷史不長,但它的發(fā)展卻十分迅速并已受到國內外普遍的重視。我國政府十分重視納米科技的發(fā)展,部署了五到十年納米科技領域的發(fā)展戰(zhàn)略和重點任務。全國現有納米企業(yè)323家,社會投入資金約30億元,并已形成了以北京、上海、深圳為中心的三大納米材料及納米技術產業(yè)帶,已建立了納米材料生產線30多條。國家計委決定今年繼續(xù)組織實施新材料專項工作,使納米成為重中之重,國家也加大了資金投入。據統(tǒng)計,中國納米基金項目保持平穩(wěn)增長,年均增長率達20%～30%。僅最近兩年,中國科學基金新批準和資助在研納米基金項目,總經費就達8000萬元人民幣。上海市在納米材料制備技術上取得了特的工藝技術,實現了大規(guī)模產業(yè)化。據最近對22家單位統(tǒng)計,2000年～2001年期間,申請或授權專利85項,獲獎11項,獲國家級資助項目60項,完成產品開發(fā)項目23項,實22913萬元。復旦大學、上海交通大學、華東師范大學、上海大學等高校相繼成立納米技術研究中心,推動納米科技的發(fā)展。武漢地區(qū)高校、科研院所在納米金屬材料、納米復合材料、碳納米管等方面取得許多研究成果,部分成果在國內處于領先地位,在國際上也有較大學術影響。武漢科技實力雄厚,納米材料與技術研究如火如荼。武漢在制備金屬、化合物、碳族納米材料以及納米中藥的制備技術方面獲得突破性進展,制備出納米復合材料、碳納米管,發(fā)現了非晶完全晶化制備納米合金的新方法,重點發(fā)展納米材料和納米技術在光電領域的應用。廣州將以“發(fā)展民生納米工程,建立南方納米中心”爭取到2010年納米技術研發(fā)及產業(yè)化水平達到國內先進水平,某些方面達到國際先進水平,成為南方最具影響的納米技術研究中心,將建立研發(fā)基地?，F有14所高校和科研院所從事納米研究,近10家企業(yè)也正在進行納米技術相關產品研制,形成了300多人的研究隊伍。在近10年內,廣州還將重點發(fā)展納米技術在塑料和橡膠、建材、紡織等廣州具有優(yōu)勢的傳統(tǒng)產業(yè)中的應用,發(fā)展納米電子、光電信息材料與器件,發(fā)展納米技術在太陽能轉化、熱能轉化、新型綠色電池中的應用,以及在水和空氣治理中的應用,發(fā)展納米技術制藥尤其是在中藥制備中的應用,醫(yī)用納米材料、納米診斷器件于技術中的應用。2.2納米技術的應用納米技術在軍事電子領域中的應用納米偵察衛(wèi)星是使用納米元器件、按納米加工方法組裝而成的、質量小于10kg的衛(wèi)星。納米衛(wèi)星一般比麻雀略大,擁有十分強大的運算能力,數十顆甚至數百顆納米衛(wèi)星相連接可以織成“天網”,即納米衛(wèi)星偵察系統(tǒng),從而實現全球地毯式覆蓋偵察,在軍事上則能實現高空偵察無“死區(qū)”。納米飛行偵察系統(tǒng)是一種微型化的飛行器,它可攜帶各種探測設備,具有信息處理、導航(帶有小型GPS接收機)和通信能力。其主要功能是秘密部署,到敵方信息和武器系統(tǒng)的內部或附近監(jiān)視敵方情況,同時也可對敵方雷達、通信等電子設備實施有效干擾。它可以附著在建筑物或設備上起監(jiān)聽作用,也可以直接將敵方目標的位置坐標傳送到我方的導彈或炮兵發(fā)射基地,并引導精確制導武器實施攻擊。除了可以飛行的納米飛行偵察器外,還有其它種類的納米偵察與傳感器。其特點是體積小,裝有敏銳的傳感器和電子設備。納米環(huán)境傳感器散布于武器裝備的蒙皮上或外表面,能察覺細微的外界“刺激”,以便對武器系統(tǒng)適時調整。用納米材料制造潛艇的蒙皮,可以靈敏地“感覺”水流、水溫、水壓等極細微的環(huán)境變化,并及時反饋給中央控制系統(tǒng),最低限度地降低噪聲、節(jié)約能源;能根據水波的變化提前“察覺”來襲的敵方魚雷,使?jié)撏Ъ皶r做規(guī)避機動;能用較低的輻射功率完成“智能武器”的敵我識別,以免誤傷自己。(二)納米技術在遺傳育種中的應用納米技術結合轉基因技術在培育新品種方面取得了突破性的進展。通過納米技術先將DNA染色體全部分解為單個基因,然后根據需要進行組裝,轉基因整合成功率幾乎可達100%。研究成果表明,科研人員可以讓單個DNA分子鏈展現出其內部的精細結構,并可以操縱它實現分子結構性能改進,進而形成納米結構或圖形,使人類得以在更小的世界范圍內、更深的層次上探索生命的奧秘。(三)納米技術在發(fā)動機尾氣排放環(huán)保方面的應用新型的納米級凈水劑具有很強的吸附能力,是普通凈水劑的10～20倍。通過納米孔徑的過濾裝置,還能除去水中的細菌,使水分子、礦物質以及微量元素被保留下來,處理后即可以飲用。用光催化劑處理有機污染物的廢水是最有前途的、最有效的處理手段,也是國內外研究的熱點。納米技術的出現為大氣凈化提供了新的途徑。其中,納米技術對空氣中20nm和水中20nm的污染物的清除能力是其它技術不可替代的。在燃煤中加入納米級助燃催化劑,可幫助煤充分燃燒,提高能源利用率,防止有害氣體產生。研究表明,納米鈦酸鈷還可在發(fā)動機汽缸內發(fā)揮催化作用,使汽油燃燒時不再產生及排放一氧化硫和氮氧化物,使汽車尾氣無需處理。此技術對我國船舶發(fā)動機有很好的應用前景3納米技術發(fā)展前景納米科技是21世紀科技產業(yè)革命的重要內容之一,納米技術會將人類帶入一個奇跡層出不窮的時代?？茖W家認為如果能在原子尺寸基準上控制納米機器的結構造型,那么納米技術就將給我們帶來數不盡的新產品、新工藝、新技術和潛在的利益。納米技術能夠改變材料制造業(yè)的現狀,制造出純度更高的材料;可以制造超級嗅覺器,用來檢驗毒品、炸藥、工廠泄漏物質等。納米機器可以奇跡般地回收并提取微量元素(如果使用其它方法來回收,這些微量元素會散失到環(huán)境中去),還能清除廢水中的有毒化學物質。納米機器每秒能完成數十億次操作,目前需幾天或幾個月完成的事情,有可能在幾分乃至幾秒鐘內完成,因此,可以奇跡般地縮短產品從設計到批量生產所需要的時間。使用納米機器,還可以使傳統(tǒng)的裝配工藝變成一次成型工藝。它可以做修理工作,其工作范圍從消除發(fā)動機的腐蝕損壞與細小裂紋到醫(yī)治患者的病變、修復損壞的器官、進行人體肢體再生、人體整容等。近幾年來,人們在制造分子機器方面已取得許多突破性進展。能攻擊病菌的抗生素,就是一個杰出的例子。人類一旦制造出了新型納米機器,就可以使它像脫氧核糖核酸DNA以及它的伴生酶那樣,根據所儲存的指令或控制輸入來完成各種通常方法不能完成的任務。納米邏輯器件具有先進水平,億倍于目前微處理器和隨機存取存儲器芯片的容量。納米機器不僅可以控制單個電子,而且可以控制單個光子,實現通訊瞬息化。近年來剛剛發(fā)展的納米材料出現許多傳統(tǒng)材料不具備的奇異特性,已引起科學家極大興趣的納米陶瓷的研究成功,使那些為陶瓷增韌奮斗將近一個世紀的材料科學家們看到了希望4納米科技的應用前景4.1納米電子和計算機技術微電子的飛速發(fā)展改變了現代人的生活。計算機的運算速度幾乎是每兩年翻一翻。納米結構下微處理器的效率將提高一百萬倍，并實現兆兆比特的存儲器（提高1000倍）。新的物理現象例如量子導電效應，量子干涉效應等的相繼出現，以致研究量子器件的性能，大規(guī)模制造以及它們的集成是納米電子學的中心任務。未來的方向是把微電子技術和納米技術有機結合起來。4.2納米結構材料在納米尺度上控制構成材料的基本單元的結構和成份，再組裝成具有獨特性質與功能的大結構，這將從根本上改變了材料和器件的制造方法；以新原理和新結構在納米層次上制備特定性質的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料，實現材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修復4.3磁學功能與智能材料新型的具有磁光、磁電效應的納米材料是目前磁性材料研究的活動領域，例如巨磁阻薄膜材料，超巨磁阻功能氧化物材料，以及近來的自旋電子學等，都具有不可估量的應用前景。新型功能材料是未來科學技術發(fā)展的根本，把納米科技應用到功能和智能材料的制造上是實現多功能化的關鍵。4.4生物工程技術生物合成和生物過程是啟發(fā)和制造新的納米結構的靈感，納米級敏感器可以監(jiān)視生命器官的運轉情況。納米科技在生物工程方面的發(fā)展前景大致為：快速有效決定基因序列，使整個診斷和治療過程效率革命化；新型藥物運輸方式，突破當前一些藥物不可進入生物體內的禁區(qū)；初期探測疾病，變治療疾病為早期測試與預防；發(fā)展血液循環(huán)系統(tǒng)的微機清掃和修護科技。4.5航天航空技術由于航天燃料的自身重力影響，使得探索太空奧秘的空間技術受到了極大的限制，因此，如何減少材料的尺寸、重量以及能源的損耗是航天事業(yè)研究中心。納米結構的材料可以提供質量輕、強度高而且熱穩(wěn)性高的優(yōu)質材料。這方面的研究內容還包括：研制低能耗、抗輻照及高性能計算機；微型航天用納米集成的測試；控制儀器和電子設備；抗熱膨脹、耐磨損的納米結構涂層材料。4.6環(huán)境與能源的納米材料由于納米材料有著獨特的物理化學性能——高比表面積，所以納米技術在提高能源效率、能量儲存、能源再生、能量轉換及能量產生等方面有極大優(yōu)勢。納米技術在環(huán)境與能源領域方面的主要發(fā)展方向有：發(fā)展清理污染水體與大氣的多孔材料；發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術，消除污染，建綠色環(huán)境；發(fā)展高維度多孔有序的儲氫材料；發(fā)展新型高效電池材料。5納米技術的發(fā)展態(tài)勢5．1國際納米技術發(fā)展態(tài)勢納米時代的到來比預計時間提前5—6年去年美國納米科技最高獎授予美國哈佛大學化學研究院LiBer教授。當記者問他納米時代何時到來時，他說如果在去年，我還不能做出一個確切的回答，但是現在我非常有理由地說，納米技術制高點，納米電子元器件、分子線路、邏輯線路、AND轉換，這些制作方法已經接近或基本達到工業(yè)界的要求，芯片市場就是一個例子。所以，國際納米技術發(fā)展態(tài)勢挑戰(zhàn)嚴峻，競爭激烈，也向我們提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。2、以市場和需求為導向，帶動納米技術成熟，已成為納米技術新的發(fā)展趨勢即使是基礎研究，也要以應用目標做牽引，它的自由度也是受到應用目標的限制。當然，也有一部分純基礎研究，主要是探索納米科學普適的規(guī)律，有少數人做這類的工作，也應當支持，但是，納米科技研究的主旋律應該以市場為導向(包括現實市場和未來市場)，以創(chuàng)造財富為宗旨，推動經濟的發(fā)展。納米技術不是一個繡花的技術，也不是觀賞的技術，它是為國家創(chuàng)造財富的技術，因為今天沒有任何一個技術像納米技術那樣與市場結合如此之緊密，無論從創(chuàng)造財富的動力，還是從創(chuàng)造財富的潛力來分析，納米技術都為創(chuàng)造社會財富提供了廣闊的空間。我們分析納米技術的市場，“現實市場”是8個月，大的公司全部以這個目標制定，用納米技術和現在的技術相結合，來進行創(chuàng)新，使現在的產品升級?！奥额^市場”在未來三年，主要在能源、環(huán)保、新材料等領域。納米技術的制高點——納米加工技術、納米電子技術、納米生物技術、納米醫(yī)療等重大生產方式變革，包括進入血管納米機器人都在內，屬于未來市場，大致定為10年左右。2008年奧運會以后，就是2010年。面對這樣挑戰(zhàn)的形勢，中國怎么辦．92010年全世界納米技術市場估計在2萬億美元左右，美國已經夸下?？冢家话?。在這樣的生產方式、工作方式變革的時代，中國有快速發(fā)展的機會，能夠跨過去，中國就可能在這場競爭的角逐中占有自己的位置。面對嚴峻的挑戰(zhàn)，我們必須重新思考、重新布局我們發(fā)展納米技術的計劃，特別要注重發(fā)展納米實用化技術。5.2我國納米技術的形勢中國的納米技術研究在國際上是有地位的，任何一個國家在部署新的計劃時，都把中國作一個目標進行分析，中國關于納米科技的研究在國際上起步比較早，在基礎研究上狀態(tài)不錯，如果真正以論文來衡量(并不能代表中國的絕對水平)，截止到2001年底，中國在前十年發(fā)表論文的數量僅次于美國、Et本，占第三位，超過德國。中國納米材料的專利在世界也占有百分之十幾的份額。我們納米技術的產業(yè)逐年增加，截止到去年有300多家，而納米粉體材料的生產線就有31條，這是難能可貴的。而且中國應用納米材料、納米技術對傳統(tǒng)產業(yè)的改造升級，在輕工、電子、紡織、建筑材料、精細化工、電力工業(yè)、環(huán)境、能源和醫(yī)藥等領域都已全面展開。特別是在有些傳統(tǒng)產業(yè)的改造包括油漆、涂料、抗菌、衛(wèi)生、加工等等都引起了國外的普遍關注，它們非常注意中國的發(fā)展動向。我們的問題是發(fā)展實用化技術動力不足，缺乏有顯示度的實用化技術，缺乏市場目標的牽引，技術集成不夠，把科學技術變成財富的動力不足，措施不夠有力，納米科技成果轉化不夠。結論納米科學是一門將基礎科學和應用科學集于一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀將是納米技術的時代，為此，國家科委、中科院將納米技術定位為“21世紀最重要、最前沿的科學”。納米材料的應用涉及到各個領域，在機械、電子、光學、磁學、化學和生物學領域有著廣泛的應用前景。納米科學技術的誕生，將對人類社會產生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。21世紀初的主要任務是依據納米材料各種新穎的物理和化學特性，設計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學技術對傳統(tǒng)產品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結構的新型產品，目前已出現可喜的苗頭，具備了形成21世紀經濟新增長點的基礎。納米材料將成為材料科學領域一個大放異彩的明星展現在新材料、能源、信息等各個領域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術的不斷發(fā)展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產等諸多領域會得到日益廣泛的應用。我國科學家自80年代中期開始對納米技術進行跟蹤研究和開發(fā)，國家科技部把納米材料列入了863攻關計劃,經過近15年的努力、已經取得了可喜的成果，特別值得一提的是，山東小鴨電器股份有限公司在國內首家采用納米復合抗菌除味材料制作洗衣機的外筒，具有耐高溫，耐摩擦，韌性好，硬度高等優(yōu)點、既保持了洗衣機的清潔、又防止細菌滋生，開辟了健康洗衣機的新紀元、在納米科技革命企業(yè)生產中一馬當先。納米技術正向所有人走來，裝在口袋里的計算機、進入人體內治病的機器人、戴在手腕上的電視機、掛在扣子上的移動電話在不久的將來，勢必成為現實。正如美國IBM公司總裁Amotong所言:納米技術將成為21世紀信息時代的核心、人類的發(fā)展已進入納米時代。從實用化角度來看，今后一段時間內，絕大多數納米晶樣品的制備仍將以非晶晶化法和機械合金化法為主，它們發(fā)展的關鍵是壓制過程的突破。此外在機械合金化技術中，尚需進一步克服機械合金化過程中所帶來的雜質和應力的影響。對于能采用塑性變形等技術可