纳米科技

微观世界里的奇迹—— 纳米科技的发展与应用 摘要:纳米科技是21 世纪的主导产业,世界各国把纳米科技的研究和应用作为战略重点。在第五次科学技术革命中,新材料家族被推上新一轮科技革命的顶峰。在新材料和新技术中,纳米材料和纳米技术无疑将成为核心材料和核心技术。纳米技术的最终目标是直接操纵单个原子和分子,制造新功能器件,从而开拓人类崭新的生活模式。文章概述了纳米科技的发展过程及纳米材料的性质与制备,介绍了纳米技术在部分领域的应用,并简述了纳米技术对未来社会的巨大影响及潜在的、令人鼓舞的发展前景。 关　键　词: 纳米；纳米技术；纳米材料；表面能。 Abstract: Nanometer technology is the leading industry in the 21st century. Study and application of nanometer technology has been regarded as the most important strategic point by every country. In the 5th science and technical revolution, new material has been put on the top of the new revolutionary. Nano-material and nanotechnology will be the core material and core technology in new material and new technology. The final target of nanometer technology is to manufacture new function devices that can control atom or molecule directly. This article introduces the developments of nanometer, as well as the properties and preparation of nano-materials. The extensive applications and great influences of nanotechnology to society in the next century together with their potential and prosperity prospects are discussed. Key words: nanometer; nanotechnology; nano-materials; surface-energy。 引言 纳米是毫米的1/1000000。原子的直径在0.1-0.3个纳米之间。研究小于10-10米以下的原子内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。 纳米科技是指在纳米尺度（1纳米到100纳米之间）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。 纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固体超细材料。简单地说,是指用晶粒尺寸为纳米级的小颗粒制成的各种材料,其纳米颗粒的大小不应超过100 nm ,而通常情况下不应超过10 nm。目前,国际上将处于011 ～100 nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体,以及由纳米微晶所构成的材料,统称为纳米材料,包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中,在结构上有序度的变化,在状态上的非平衡性质,使体系的性质产生很大的差别,纳米材料的研究将使人们对从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米科技的发展历程 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼教授。1959 年他在《低部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说,人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态,最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。这正是关于纳米技术最早的构想。 20 世纪70 年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒,提出了纳米晶体材料的概念,成为纳米材料的创始者。之后,麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。 纳米科技的迅速发展是在20 世纪80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM) 、原子力显微镜(AFM) ,为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块,经研究其内部结构,指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年,美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔的摩举办,同时《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。 自1991 年,中国开始热衷于纳米技术的研究,到“十五”之后,纳米科技呈现出快速发展的势头。1999 年上半年,北京大学纳米技术研究取得重大突破,电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。近年来,一些国家也纷纷投入巨资抢占纳米技术战略高地。 纳米材料的性质与制备 纳米材料的小尺寸,使得纳米材料具有许多不同于其他材料的特殊性质。纳米材料是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小,界面占用相当大的成分。因此,由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的宏观材料体系的许多特殊性质。纳米材料的性质具体表现在以下几个方面: 1、表面效应 粒子直径减少到纳米级,不仅引起表面原子数的迅速增加而且纳米粒子的比表面积、表面能都会迅速增加。这主要是因为处于表面的原子数较多,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同引起的。众所周知,固体材料的表面原子与内部原子所处的环境是不同的。当材料粒径远大于原子直径时,表面原子可忽略;但当粒径逐渐接近于原子直径时,表面原子的数目及其作用就不能忽略,而且这时晶粒的表面积、表面能和表面结合能等都发生了很大的变化,人们把由此而引起的种种特异效应统称为表面效应。随着纳米晶粒的减小,表面原子百分数就会迅速增加,易与其他原子相结合而稳定下来,所以纳米晶粒减小的结果,导致其表面积、表面能及表面结合能都迅速增大,致使它表现出很高的化学活性,因此可以作为催化剂,用于催化分解有毒的无机物和有机物来处理废水和改善环境。 2、体积效应 当物质体积减小时,将会出现两种情况：一种是物质本身的性质不发生变化,只有那些与体积密切相关的性质发生变化,如半导体电子自由程变小,磁体的磁区变小等;另一种是物质本身的性质发生变化。当纳米晶粒的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、热阻、化学活性及熔点等与普通粒子相比都有很大变化,这就是纳米粒子的体积效应。该效应为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领域。例如,纳米晶粒小的结果导致纳米晶粒的熔点远低于块状本体,因而为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可通过改变颗粒尺寸来控制吸收波的位移, 从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料,用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。除此之外,纳米材料还有量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等性质。 3、制备方法 纳米材料的制备方法主要分为物理法和化学法两大类。其中,物理法包括:电爆炸法、机械合金化辅助气- 固反应法、惰性气体蒸发法、等离子蒸发法、电子束法、激光法等。化学法包括气相法、液相法、固相法、剧烈塑性变形法等。另外还有超临界流体法、单分子膜法等制备方法。 纳米技术的应用现状与展望 由于纳米材料颗粒尺寸的细微化,产生了块材所不具备的体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等,使得它们在磁、光、电和生物医学等方面呈现一系列常规材料所不具备的特性。因此纳米材料在电子、光学、传感、生物、医学等领域中都有着广阔的应用前景。 1、工业领域 纳米材料的表面效应和体积效应使其具备了作为优良催化剂的必要条件,是目前国内外研究的热点。最近,美国杜邦公司[12 ]的科学家尝试将一种对环境无害的绿色固体酸催化剂Nafion分散装到多孔性氧化硅中,催化剂的表面积可从不足0102 m2/ g 增加到50～150 m2/ g ,这种纳米固体酸催化剂由于具有大的比表面积,使得其活性中心很容易被反应物分子接近。实验表明,对于丁烯异构化、芳烃的烷基化、二一甲基苯乙烯的双聚反应及酞化和硝化等酸催化反应,这种纳米固体酸催化剂的催化活性比普通致密无孔的催化剂高出数千倍。可以预料,随着研究和开发的不断深入纳米固体酸催化剂将很有希望代替传统液体强酸催化剂,成为环境友好绿色低温固体强酸催化剂的重要成员。 2、电子技术领域 由于晶界上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属向绝缘体转变。利用纳米粒子的隧道量子效应制得的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特点,可望全面取代常规半导体器件。1911 年人类发现了碳纳米管。碳纳米管,是一种长度和直径之比很高的纤维。一个碳纳米管的直径只有114 nm ,它韧性极高,兼具金属性和半导体性,强度是钢的100倍,密度只有钢的1/ 6 。研究发现, 金属性碳纳米管可用作电路中的连接件,而半导体碳纳米管可用作电路开关,因此碳纳米管很有可能取代硅等,成为电子产品的主要材料。据预测,以硅为材料的微米级集成电路技术将在2010 年左右走到尽头,纳米材料将成为替代硅和其他半导体材料的最佳候选者。另外纳米微粒材料由于表面比大、活性高,对周围环境如温度、光、湿度等十分敏感,外界环境的改变能迅速引起表面离子价态和电子输运显著变化,且响应速度快、灵敏度高、选择性能优良。因此,纳米材料将被广泛应用于光敏、气敏和湿敏等传感器领域。 3、纳米技术在其他发面的应用 纳米技术在能源、环保以及军事国防等领域都发挥了不可替代的作用。在能源方面,利用纳米合成和组装方法可开发更节能的照明技术,制造更强更轻的材料以提高运输效率。科学家应用纳米技术还研制了能100 %降解的农膜、一次性餐具和各种包装等产品,从而使白色垃圾问题迎刃而解。在军事领域采用纳米技术制造轻质弹药,方便携带和运输。美国国防部研究人员已研制出微型发动机,以此提高战斗力。 结语 虽然中国的纳米技术已经取得了许多出色的成果但是在纳米电子、纳米生物医药领域的技术力量薄弱,应用不足。因此还需加大、加强在纳米技术领域的投入,争取到2011 年“十二五”启动的时候,中国的纳米电子技术、纳米生物技术在国际上占有一席之地。 参考文献: [1] 张立德，奇妙的纳米世界，北京化学出版社, 2004年3月。 [2] 张立德,牟秀美，纳米材料和纳米结构，北京化学工业出版社, 2004年3月。 [3] 栾野梅,安茂忠，纳米材料的性质与化学法制备，自然科学,2003年2月。 [4] 刘吉平,郝向阳，纳米科学与技术，北京科学出版社, 2002年6月。 [5] 王章豹,孟新丽，纳米技术应用动态与纳米经济前景展望，2006年10月。 [6] 许定波,张春生，纳米技术及其在军事领域中的应用，国防技术基础, 2002年9月。