浅谈纳米技术的研究与应用.docVIP

浅谈纳米技术的研究与应用 ??? 1.引言 ??? 当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”这在当时只是一个美好的梦想。 ??? 如今，这个预言和梦想终于实现了。费曼所预言的材料就是现在的纳米。 ??? 今天，不少科学家又在预言，纳米科技将在新世纪里得到惊人的发展，纳米科技将给人类的科学技术和生活带来革命性的变化。科学家认为，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机，并成为未来信息时代的核心。 ??? 我国著名科学家钱学森早在1991年就指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。” ??? 英国理论物理学家斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的物理学家。他预测：“未来一千年人类有可能对DNA基因重新设计。而生化纳米材料则是设计DNA基因所必须具备的医药材料基础。” ??? 近年来，科学家勾画了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子备件，巨型计算机可装入口袋；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的；世界还将出现1μm以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。 ??? 海内外科技界广泛认为，纳米材料和技术的大规模应用可望在10年内实现。现阶段纳米材料和技术正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。 ??? 1998年8月20日，《美国商业周刊》发表文章指出，21世纪有三个领域可能取得重大突破：生命科学和生物技术；纳米材料和纳米技术；从外星球获得能源。并指出这是人类跨入21世纪所面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：“70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪先进国家。” ??? 1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院的德雷克斯勒也提倡纳米科技的研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。1982年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率揭示了一个“可见的”原子、分子世界。到80年代末，STM已不仅是一个可观察的手段，而且已成为可以排布原子的工具。STM与AFM(原子力显微镜)借助于隧道电流效应，用扫描探针实现直接观测原子、分子以及生物蛋白(DNA)结构。1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议。《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。一门崭新的科学技术--纳米科技从此得到科技界的广泛关注。 ??? 2.纳米及纳米技术 ??? 什么是纳米?纳米(nanometer，nm)是一种几何尺寸的量度单位，其长度仅为1m的10亿分之一，即千分之一微米。原子的直径在0.1-0.3nm之间。 ??? 纳米科学技术(Nanotechmlogy)是指在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它又将引发一系列新的科学技术。例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等。 ??? 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平，并且具有特殊性能的材料。 ??? 纳米材料具有极佳的力学性能。如高强度、高硬度和良好的塑性。纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性具有很大的影响。如它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。 ??? 纳米材料的颗粒尺寸愈小，电子平均自由程缩短，偏离理想周期场愈严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级时金属会显示非金属特性。 ??? 纳米材料的比表面积/体积很大，因而它具有相当高的化学活性。在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。 ??? 按照材料的形态，可将纳米材料分为四类： ??? (1)纳米颗粒材料； ??? (2)纳米固体材料； ??? (3)纳米膜材料； ??? (4)纳米磁性液体材料。 ??? 纳米颗粒材料又称为超微颗粒催化剂。利用其较高的比表面积和活性可以显著地提高催化效率。例如超细的铁微粒作为催化剂可以在低温状态下将二氧化碳分解为碳和水。纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，从而使得纳米材料具有高韧性