征集資料 納米材料的特性及原因 納米材料的應(yīng)用潛景

【專家解說】：納 米 科 技 丁福全 前 言 一、納米與納米科技的基本概念 二、納米科技發(fā)展的十年 三、“納米熱” 四、納米技術(shù)的應(yīng)用 五、結(jié)束語 參考文獻(xiàn) 納 米 科 技——21世紀(jì)高科技三劍客之一 前 言 人類從工業(yè)經(jīng)濟向知識經(jīng)濟轉(zhuǎn)變的時代，正好是20世紀(jì)和21世紀(jì)交替的時候。所以說20世紀(jì)是工業(yè)經(jīng)濟高度發(fā)展的世紀(jì)，那么21世紀(jì)，則是知識經(jīng)濟如日東升的世紀(jì)。知識經(jīng)濟的基本特征預(yù)示著21世紀(jì)人類經(jīng)濟，乃至整個人類社會，將發(fā)生許多深刻的變化，經(jīng)濟發(fā)展的持續(xù)性，將把人類推向一個新的文明時代。人類的知識，不僅是“重新安排”物質(zhì)的知識，使之得到充分的發(fā)展。重新安排“人類精神”的知識，也將得到更大的發(fā)展。 今天，納米科技開發(fā)的大潮正在全球掀起。這是人類科學(xué)進(jìn)步的又一體現(xiàn)，是發(fā)展新經(jīng)濟的又一次機遇，是人類創(chuàng)造科技奇跡的又一次大好機會。因此，各國的科技力量云集于這個納米科技開發(fā)的大戰(zhàn)場。排好隊形，擺開陣勢，決戰(zhàn)這個戰(zhàn)場。有人說，這是一場無硝煙的激戰(zhàn)，是一場高科技領(lǐng)域的世界角逐。其科技含量和創(chuàng)造輝煌的程度將超過人類任何一次科技成就。 一、納米與納米科技的基本概念 “納米”是英文namometer的譯名。另一種說法“納米”一詞源自于拉丁文“NANO”，意思是“矮小”。納米是一個度量單位，是一個長度單位。納米材料構(gòu)筑的物質(zhì)，是看不到，摸不著的微細(xì)物質(zhì)。 1納米，即1nm=10-9m，也就是十億分之一米，約相當(dāng)45個原子串在一起的長度，或者說，1個納米大體上相當(dāng)于4個原子的直徑。如果將1m與1nm相比，就相當(dāng)于地球與一個玻璃彈球大小相比。人的一根頭發(fā)直徑約為80μm（微米），即80000nm，如果一個漢字寫入尺寸為10nm，那么在一根頭發(fā)絲的直徑上就可寫入8000字，相當(dāng)于一篇較長的科技論文容量。 所謂納米科技是以1~100nm尺度的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)為研究對象的一門新興學(xué)科，就是指通過一定的微細(xì)加工方式，按人的意志直接操縱原子、分子或原子團、分子團，使其重新排列組合，形成新的具有納米尺度的物質(zhì)或結(jié)構(gòu)，研究其特性，并由此制造新功能的器件、機器以及其它各方面應(yīng)用的科學(xué)與技術(shù)。 可見，納米科技的首要任務(wù)就是要通過各種手段，如微細(xì)加工技術(shù)和掃描探針技術(shù)等來制備納米材料或具有納米尺度的結(jié)構(gòu)；其次借助許多先進(jìn)的觀察測量技術(shù)與儀器來研究所制備納米材料或納米尺度結(jié)構(gòu)的各種特性，最后根據(jù)其特殊的性質(zhì)進(jìn)行有關(guān)的應(yīng)用。所以，從一定程度上講，納米材料、納米加工制造技術(shù)以及納米測量表征技術(shù)構(gòu)成為納米科技發(fā)展的三個非常重要的支撐技術(shù)。納米科技開發(fā)領(lǐng)域，主要有：納米體系物理學(xué)、納米體系化學(xué)、納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米光子學(xué)、納米機械學(xué)、納米加工制造學(xué)、納米表征測量學(xué)及納米醫(yī)學(xué)，等等。 二、納米科技發(fā)展的十年 追求新鮮和進(jìn)步是人類文明的動力。納米科技形成獨立學(xué)科領(lǐng)域是在20世紀(jì)90年代，1990年在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科技會議（Nano I），成立了常設(shè)機構(gòu)——顧問委員會，中國是成員之一。該委員會將納米科技的研究范圍分為6個部分。 納 米 學(xué) 科 分 類 納米電子學(xué) 納米物理 納米化學(xué) 納米生物學(xué) 納米機械 納米測量 1993年8月在莫斯科召開了第二屆國際納米科技會議(Nano Ⅱ)1996年在北京召開了第四屆國際納米科技會議(Nano Ⅳ)。2000年在德國舉行了第六屆國際納米科技會議（Nano Ⅵ）。 三、“納米熱” 納米科技中具有主導(dǎo)或牽頭作用的是納米電子學(xué)，因為它是微電子學(xué)發(fā)展的下一代?，F(xiàn)今發(fā)達(dá)國家的主導(dǎo)工業(yè)已是以微電子為基礎(chǔ)的電子工業(yè)，不再是鋼鐵、材料、能源、化工、交通。目前所有發(fā)達(dá)國家的政府和企業(yè)都在對納米科技的研究、開發(fā)進(jìn)行大量的投入，試圖搶占21世紀(jì)戰(zhàn)略技術(shù)的制高點。2000年1月，美國克林頓總統(tǒng)在加州理工學(xué)院演講時說：“我們將在原子和分子水平操縱物質(zhì)。想象一下這樣的可能性：材料具有10倍于鋼的強度，而重量只有鋼的六分之一；把國會圖書館的所有信息壓縮進(jìn)入一個只有一塊方糖大小的器件；在腫瘤只有幾個細(xì)胞大小時就能檢測出來” 。 2001年1月18日。中國成立了中國納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會，制訂發(fā)展中國納米科技的計劃。目前國家已初步規(guī)劃在北京、上海成立北、南兩個研發(fā)中心（納米科技創(chuàng)新基地）。 當(dāng)前我國納米科技發(fā)展的主要任務(wù)是：①加強納米科技前沿的基礎(chǔ)研究和基礎(chǔ)性工作；②突破一批納米科技發(fā)展共性關(guān)鍵技術(shù)；③開拓納米材料和器件的應(yīng)用，培育相關(guān)產(chǎn)業(yè)；④建設(shè)國家納米科技基礎(chǔ)設(shè)施和研究開發(fā)基地；⑤建設(shè)高素質(zhì)的納米科技骨干隊伍。 德國國家科學(xué)技術(shù)部于1996年對2010年納米技術(shù)的市場做了預(yù)測，估計能達(dá)到14400億美元。 四、納米技術(shù)的應(yīng)用 (一) 納米材料 1. 納米材料與納米結(jié)構(gòu)的定義 廣義地說，納米材料是指在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（1~100mm）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米結(jié)構(gòu)是指由納米尺度的基本單元按照一定的規(guī)律構(gòu)建或組裝成的一維、二維或三維體系。 納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力，對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。 2. 納米材料的特性 （1）表面與界面效應(yīng) 這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機納米粒子會吸附氣體等等。 （2）小尺寸效應(yīng) 當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時卻開始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能，此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。 （3）量子尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。 （4）宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。 3. 納米材料的應(yīng)用 納米材料的諸多優(yōu)異性，可能在光電器件、靈敏傳感器、隱身技術(shù)、催化、信息儲存等廣泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。包括在建筑、化工、紡織、汽車和環(huán)保等行業(yè)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。比如納米陶瓷具有超塑性、耐高溫、耐磨性好、硬度高、透光等特點，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滾動軸承、壓電地震儀、宇宙飛行器的“頭盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。納米塑料，是一種高強度、不老化的新穎塑料。它的硬度比碳鋼強4~6倍，比重僅為鋼鐵的1/4，良好透光，不發(fā)生變性情況。如用納米塑料制造一臺汽車，其重量僅為鋼鐵材料制成的汽車的1/4。還有所謂納米金屬、微孔玻璃、納米金鋼石、納米磁性材料、納米復(fù)合材料、納米超導(dǎo)材料等。 （二）納米電腦 電腦是20世紀(jì)人類的一大發(fā)明。由于納米材料和納米技術(shù)的出現(xiàn)，由納米結(jié)構(gòu)技術(shù)支持和納米材料組裝成的新一代電腦將是21世紀(jì)的最重大的科技發(fā)明之一。 納米電腦的核心元件就是納米芯片。有所謂蛋白質(zhì)芯片，DNA芯片。這種蛋白質(zhì)芯片體積小，元件密度高，據(jù)測每平方厘米達(dá)1015至1016個，比硅片集成電路高3~5個數(shù)量級，其存儲量可達(dá)到普通電腦的10億倍。DNA芯片又稱基因芯片，在1立體毫米晶片上可含100億比特，運算速度更達(dá)到10微微秒（一千億分之一秒），比現(xiàn)有的電腦快近100萬倍。電腦芯片的不斷更新將使電腦更加智能化，同時提高因特網(wǎng)的速度并大大促進(jìn)電子商務(wù)，高清晰電視和無線通信的發(fā)展。 在新型的納米芯片支持下，納米級電腦包括了所謂超導(dǎo)電腦、化學(xué)電腦、光電腦、生物電腦（其中DNA電腦運算速度快，它幾天的運算量就相當(dāng)于目前世界上所有計算機問世以來總運算量），量子電腦（其基本元件就是原子和分子），神經(jīng)電腦（用許多微處理機模仿人腦的神經(jīng)元結(jié)構(gòu)，采用大量的并行分布式網(wǎng)絡(luò)就構(gòu)成神經(jīng)電腦，又稱為人工大腦）。 （三）納米武器 納米技術(shù)的軍事應(yīng)用主要集中在納米信息系統(tǒng)和納米攻擊系統(tǒng)兩大類上。 納米信息系統(tǒng)是指以納米技術(shù)為核心的信息傳輸、存儲、處理和傳感系統(tǒng)。目前研制的主要有： 1.微型間諜飛行器。只有15厘米長，至少能持續(xù)飛行1小時以上，飛行距離可達(dá)十幾公里。進(jìn)行偵察、收集情報信息，起一種潛伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。 2.袖珍遙控飛機。是一種不足撲克牌大小的遙控飛行裝置。機上裝有超靈敏感應(yīng)器，這種傳感器不僅可以聞出柴油機排出的廢氣，而且可以在夜間拍攝清晰的紅外照片。它可將所獲取的最近情報信息傳輸?shù)?00公里以外的基地。 3.“間諜草”。實際上是一種分布式戰(zhàn)場微型傳感網(wǎng)絡(luò)，外形看似小草，裝有敏感的電子偵察儀、照相機和感應(yīng)器。 4.納米衛(wèi)星。利用微電子機械和納米電子技術(shù)制造的慣性檢測元件、換能器、射頻元件、光學(xué)元件、電源系統(tǒng)及各種傳感器核心片作為星載設(shè)置，可使衛(wèi)星的體積和重量大為減小。重量小于100克。納米衛(wèi)星其實質(zhì)是一種分布式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體系，或布設(shè)成局部星團，或布設(shè)成分布式星座，這種分布式體系可避免單個衛(wèi)星失靈后帶來的危害，提高航天系統(tǒng)的生存力和靈活性。這種衛(wèi)星用一枚小型運載火箭一次可以發(fā)射數(shù)百顆乃至上千顆。 5.高性能敵我識別器。 6.有毒化學(xué)戰(zhàn)劑報警傳感器。 納米攻擊系統(tǒng)。這是運用納米技術(shù)制造的微型智能攻擊武器。有所謂微機器人電子失能系統(tǒng)、昆蟲平臺、“螞蟻雄兵”、“機器蟲”，“蚊子”導(dǎo)彈、“針尖”炸彈（其大小只有針尖的1/5000）。 這些微型武器廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)斗中，將使那些稱雄一時令人生畏的重裝武器系統(tǒng)被取代，或使它們敗在手下。所謂小魚吃大魚。 這些微型戰(zhàn)士按軍兵種分類，有所謂微型陸軍、微型空軍、微型海軍（納米魚雷、納米水雷、納米導(dǎo)彈、納米炸彈、納米雷達(dá)、水下深潛探測器、無人水面?zhèn)刹炜焱А⑽⑿蛡刹鞚撏У龋?、微型天軍。納米武器由于具有超微型和智能化的明顯優(yōu)勢，打擊敵方的神經(jīng)系統(tǒng)必然是納米武器的首選目標(biāo)。通過納米武器所煥發(fā)出來的巨大戰(zhàn)爭威力而使敵方宏觀作戰(zhàn)體系“突然癱瘓”，以致不得不屈服于微型武器所造成的戰(zhàn)爭壓力。 21世紀(jì)的戰(zhàn)爭將是什么樣式？戰(zhàn)場將出現(xiàn)何種變化？怎樣為此進(jìn)行戰(zhàn)爭準(zhǔn)備？這是事關(guān)各國國家總體戰(zhàn)略和國防發(fā)展戰(zhàn)略的重大問題。因此，對21世紀(jì)可能發(fā)生的戰(zhàn)爭及戰(zhàn)場形態(tài)進(jìn)行科學(xué)預(yù)測，已成為當(dāng)今世界各國謀求國家安全的重要途徑。預(yù)學(xué)預(yù)測的主要依據(jù)是當(dāng)今迅猛發(fā)展的微電子技術(shù)。 未來的戰(zhàn)略競爭將是硬件技術(shù)和軟件技術(shù)的競爭。 (四)納米工業(yè)化 利用納米技術(shù)制造機器——微型機械。這種微機械雖然體積極其微小，但卻是“五臟俱全”。它既有大腦（電腦和控制器），又有手腳（傳感器和驅(qū)動器）和電源。它是機、電、磁、光、化學(xué)、電腦、自動控制、傳感技術(shù)與信息處理等多種技術(shù)的綜合或融合的產(chǎn)物。 如用成千上萬個非常低廉的細(xì)小而極簡單的機器人去收割莊稼，有如一大群蝗蟲去“收割”一片莊稼，要比使用一臺大型聯(lián)合收割機快。 當(dāng)?shù)叵码娎|斷了以后，讓成千上萬個微型機器人沿著電纜爬行，爬到斷頭時，便舉起前腳搭在前端斷頭上，于是微型機器人便成為連接線，永久留在電纜上。 （五）納米農(nóng)業(yè) （六）納米醫(yī)療和保健系統(tǒng) 納米技術(shù)的應(yīng)用，將使基因組、動物克隆、人造細(xì)胞、人造器官、創(chuàng)造生命和攻克癌癥頑疾等多個醫(yī)學(xué)領(lǐng)域上取得突破。 （七）一個全新的服務(wù)行業(yè) 21世紀(jì)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展和普及，一個全新的納米產(chǎn)品服務(wù)行業(yè)將會誕生。它將給人類帶來一個全新的生活和工作空間。 1. 更精彩的納米世界電影 納米世界也與宏觀及中觀世界一樣，都存在著各種微觀物質(zhì)的活動。而且，活動的種類和內(nèi)容更加豐富多彩?？梢韵胂螅绻藗円匆徊坎【蜌⒕肿訖C器人“決斗”的記錄片?？梢詫o數(shù)臺分子攝像機放入血管中，進(jìn)行現(xiàn)場轉(zhuǎn)播或拍攝成電影。其真實性則大過現(xiàn)實人們電腦合成的仿生動畫片。 利用這一納米電影形式，還可以幫助人們診斷疾病和觀察病人治療的情況。 2. 納米電視 21世紀(jì)10年代將出現(xiàn)像紙一樣薄的由納米材料構(gòu)成的大屏幕液晶顯示屏。這種電視高清晰度、無輻射、耗電低，它的顯示材料是由特種的納米級材料組成；而電視的全部電器是使用納米元件。 3. 納米新聞素材 4. 優(yōu)美的自然音樂 在大自然中存在著很多優(yōu)美的聲音旋律，如鳥鳴、雞啼；瀑布轟鳴，江河咆哮等。而在微小的納米世界中，也存在著各種物質(zhì)的分子和原子運動時所發(fā)出優(yōu)美動聽的音樂旋律。 5. 納米光盤出版物 一張3寸光盤，可以儲存上百萬億個字符。如果使用生物納米碳管，則儲存量更大，可以達(dá)到1T（萬億）個字符，相當(dāng)于1千萬本書的字?jǐn)?shù)。 6. 飲食業(yè)的納米科學(xué) 五、結(jié)束語 納米科技是一把雙刃劍。 有一類納米材料，因為其體積小，在常溫常壓下，由于布朗運動，它是懸浮在空間或液體中的，所謂具有飄浮的彌散行為。因此，在使用這類材料時，特別要注意這個飄浮特性，否則會造成對于人類環(huán)境和身體的污染、侵害。由于納米材料很小，小到可以容易地通過各種渠道，如呼吸系統(tǒng)、五官，甚至皮膚的毛囊毛孔進(jìn)入人體內(nèi)部，所以它是比空氣中粉塵危害更大的污染，不可以掉以輕心，否則也許會出現(xiàn)比癌癥、艾滋病、瘋牛病等更嚴(yán)重的傷害人類的自然災(zāi)害。當(dāng)然還有其它潛在的危險，如果納米機器人忘記停止復(fù)制怎么辦？如果沒有某種內(nèi)在的停止信號，那么災(zāi)難是極可能發(fā)生的?？焖購?fù)制的納米機器人在人體內(nèi)擴散的速度可以比癌細(xì)胞還要快，從而會排擠掉正常的組織，等等。 但是，我們也不能就因噎而廢食，雖然納米技術(shù)專家們并不排除這些危害，但是專家們都相信是可以應(yīng)付的。 納米科技將給人類帶來無限美好的未來。 參 考 文 獻(xiàn) 1.薛增泉著.納米科技探索.北京:清華大學(xué)出版社,2002 2.龔建華著.走進(jìn)納米世界.廣東:經(jīng)濟出版社,2001 3.顧寧,付德剛，張海黔等.納米技術(shù)與應(yīng)用.北京:人民郵電出版社,2002 4.趙冬等.納米技術(shù)與納米武器.軍事誼文出版社,2001 5.李鳳生等.納米/微米復(fù)合技術(shù)及應(yīng)用.北京:國防工業(yè)出版社,2002 6.張玉龍等.納米技術(shù)與納米塑料.北京:中國輕工業(yè)出版社,2001