纳米材料的应用前景

纳米材料的应用前景 袁美斌 08级信计四班 纳米材料的概念 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材 料。它的微粒尺寸大于 原子簇，小于通常 的微粒，一般为100~102nm。 纳米材料的特性 面效应 尺寸效应 体积效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时， 纳米材料的表面效应是指 纳米材料的表面效应是指 金属粒子费米面附近电子能级由准连 纳米粒子的表面原子数与 纳米粒子的表面原子数与 续变为离散能级;并且纳米半导体微 总原子数之比随粒径的变 总原子数之比随粒径的变 粒存在不连续的最高被占据的分子轨 小而急剧增大后所引起的 道能级和最低未被占据的分子轨道能 小而急剧增大后所引起的 性质上的变化。 级，使得能隙变宽的现象，被称为纳 性质上的变化。 米材料的量子尺寸效应。 纳米材料的应用 纳米材料为一种新型的材 料，其应用十分广泛，比如 说陶瓷领 域、微电子学领域 、 生物领域 等等，下面我 们来看一下纳米材料在各个 领 域都有哪些应用。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 陶瓷领域 陶瓷材料是材料三大支柱之一，在日常生 活及工业生产中起着举足轻重的作用。但 是由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强 度较差，因而使其应用受到了较大的限制。 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之 产生，所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的 物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是 说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺 陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 陶瓷领域 纳米陶瓷优良的室温和高温力学性能、抗 弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴 承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛 的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻 的环境下起着其他材料不可替代的作用， 具有广阔的应用前景。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 微电子学领域 纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主 要思想是基于纳米粒子的量子效应来并制备 纳米量子器件，它包括纳米有序(无序)阵列体 系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构 组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路 进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在 室温能使用的各种器件。 目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米 器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐 的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应 制成的超微磁场探测器已经问世。并且，具有奇 特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的 发展起到了关键的作用。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 微电子学领域 1989年，IBM公司的 科学 家就已经利用隧道扫描显 微镜上的探针，成功地移 动了氙原子，并利用它拼 成了IBM三个字母。 中国科学院操纵原 子成功写出“中国” 二字 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 生物工程领域 众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小 单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个 生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运 动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类 似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米 技术，可以此来设计量子计算机。 纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生 质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质 的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实 现电子学上的又一次革命。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 光电领域 纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更 加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和 显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳 米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提 高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米 孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但 是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息 处理技术。科学家们发现，将光调制器和光探测 器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实 现光学高速数学运算提供可能。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 化工领域 纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。首先是 粒径小，比表面积大,光催化效率高。另外，纳 米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部 分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达表 面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒 子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学 手段和来观察界面间的电荷转移、质子转移、 半导体能级结构与表面态密度的影响。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 化工领域 纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重 要应用。纳米静电屏蔽涂料不但有很好的 静电屏蔽特性，而且也克服了碳黑静电屏 蔽涂料只有单一颜色的单调性。 将某些纳米粉体按一定比例加入到化妆品 中，则可以有效地遮蔽紫外线。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 医药领域 研究纳米技术在生命医学上的应用，可以 在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构 及其与功能的关系，获取生命信息。科学 家们设想利用纳米技术制造出分子机器人， 在血液中循环，对身体各部位进行检测、 诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的 血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可 以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在 不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋 病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而 将使医学研究发生一次革命。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 医药领域 纳米机器人 可以在 毛细血管中工 作的纳米机器人 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 航天和航空领域 纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是 增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成 指数倍的降低。这方面的研究还包括: 研制低能耗、抗辐照、高性能计算机;微 型航天器用纳米集成的测试、控制电子设 备;抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。 纳 米 材 料 在 各 个 领 域 中 的 应 用 其它方面的应用 利用先进的纳米技术，在不久的将来， 可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具有 自我复制能力的纳米装置，它能在几秒钟 内完成数十亿个操作动作。在军事方面， 利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫 的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报， 使目标丧失功能。 发展纳米材料的意义 纳米材料是近几年来最受关注的新材料之 一，其重要的意义 被越来越多的人所认识。 有的说:“正像七下年代微电子技术引发 了信息革命一样， 纳米科学技术将成为下 世纪的核心。”发展纳米材料有极其深远 的意义。