什么是納米技術(shù)?

【專(zhuān)家解說(shuō)】：“納米”是英文namometer的譯名，是一種度量單位，1納米為百萬(wàn)分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當(dāng)于45個(gè)原子串起來(lái)那么長(zhǎng)。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。1982年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，便誕生了一門(mén)以0?1至100納米長(zhǎng)度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來(lái)構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。 從迄今為止的研究狀況看，關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念。第一種，是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書(shū)中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化，從而可以任意組合所有種類(lèi)的分子，可以制造出任何種類(lèi)的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)未取得重大進(jìn)展。?第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過(guò)納米精度的“加工”來(lái)人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù)，也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即便發(fā)展下去，從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度。這是因?yàn)?，如果把電路的線(xiàn)幅變小，將使構(gòu)成電路的絕緣膜的為得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。?第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來(lái)，生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。 1980年的一天，在澳大利亞的茫茫沙漠中有一輛汽車(chē)在高速奔馳，駕車(chē)人是一位德國(guó)物理學(xué)家H?格蘭特(Gleiter)教授。他正駕駛租用的汽車(chē)獨(dú)自橫穿澳大利亞大沙漠?？諘?、寂寞、孤獨(dú)，使他的思維特別活躍。他是一位長(zhǎng)期從事晶體物理研究的科學(xué)家。此時(shí)此刻，一個(gè)長(zhǎng)期思考的問(wèn)題在他的腦海中跳動(dòng):如何研制具有異乎尋常特性的新型材料? 在長(zhǎng)期的晶體材料研究中，人們視具有完整空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)體為晶體，是晶體材料的主體;而把空間點(diǎn)陣中的空位、替位原子、間隙原子、相界、位錯(cuò)和晶界看作晶體材料中的缺陷。此時(shí)，他想到，如果從逆方向思考問(wèn)題，把“缺陷”作為主體，研制出一種晶界占有相當(dāng)大體積比的材料，那么世界將會(huì)是怎樣??格蘭特教授在沙漠中的構(gòu)想很快變成了現(xiàn)實(shí)，經(jīng)過(guò)4年的不懈努力，他領(lǐng)導(dǎo)的研究組終于在1984年研制成功了黑色金屬粉末。實(shí)驗(yàn)表明，任何金屬顆粒，當(dāng)其尺寸在納米量級(jí)時(shí)都呈黑色。納米固體材料(nanometer sized materials)就這樣誕生了。 納米材料一誕生，即以其異乎尋常的特性引起了材料界的廣泛關(guān)注。這是因?yàn)榧{米材料具有與傳統(tǒng)材料明顯不同的一些特征。例如，納米鐵材料的斷裂應(yīng)力比一般鐵材料高12倍;氣體通過(guò)納米材料的擴(kuò)散速度比通過(guò)一般材料的擴(kuò)散速度快幾千倍等;納米相的銅比普通的銅堅(jiān)固5倍，而且硬度隨顆粒尺寸的減小而增大;納米陶瓷材料具有塑性或稱(chēng)為超塑性等。 效應(yīng)顏料 這是納米材料最重要最有前途的用途之一，特別是在汽車(chē)的涂裝業(yè)中，因?yàn)榧{米材料具有隨角變統(tǒng)汽車(chē)面漆大增光輝，深受配受專(zhuān)家的喜愛(ài)。 防護(hù)材料 由于某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線(xiàn)屏蔽作用。在產(chǎn)品和材料中添加少量(一般不超過(guò)含量的2%)的納米材料，就會(huì)大大減弱紫外線(xiàn)對(duì)這些產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。因而被廣泛用于護(hù)膚產(chǎn)品、所裝材料、外用面漆、木器保護(hù)、天然和人造纖維以及農(nóng)用塑料薄膜等方面。 精細(xì)陶瓷材料 使用納米材料可以在低溫、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密且性能優(yōu)異的陶瓷。因?yàn)檫@些納米粒子非常小，很容易壓實(shí)在一起。此外，這些粒子陶瓷組成的新材料是一種極薄的透明涂料，噴涂在諸如玻璃、塑料、金屬、漆器甚至磨光的大理石上，具有防污、防塵、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有這種陶瓷的塑料眼鏡片既輕又耐磨，還不易破碎。 催化劑 納米粒子表面積大、表面活性中心多，為做催化劑提供了必要的條件。目前用納米粉材如鉑黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等直接用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)的催化劑，可大大提高反應(yīng)效率。利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍，如用硅載體鎳催化劑對(duì)丙醛的氧化反應(yīng)表明，鎳粒徑在5nm以下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應(yīng)得到有效控制，生成酒精的轉(zhuǎn)化率急劇增大。 磁性材料 納米粒子屬單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子，它的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行，即使不磁化也是永久性磁體，因此用它可作永久性磁性材料。磁性納料粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征，用它來(lái)做磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖象質(zhì)量。當(dāng)磁性材料的粒徑小于臨界半徑時(shí)，粒子就變得有順磁性，稱(chēng)之為超順磁性，這時(shí)磁相互作用弱。利用這種超強(qiáng)磁性可作磁流體，磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性，它在工業(yè)廢液處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景。 傳感材料 納米粒子具有高比表面積、高活性、特殊的物理性質(zhì)及超微小性等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變會(huì)迅速引起納料粒子表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?，利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性?xún)?yōu)良。 材料的燒結(jié) 由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)及活性大，不論高熔點(diǎn)材料還是復(fù)合材料的燒結(jié)，都比較容易。具有燒結(jié)溫度低、燒結(jié)時(shí)間短，而且可得到燒結(jié)性能良好的燒結(jié)體。例如普通鎢粉耐在3000℃的高溫下燒結(jié)，而當(dāng)摻入0?1%~0?5%的納米鎳粉時(shí)，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃到1311℃。 醫(yī)學(xué)與生物工程 納米粒子與生物體有著密切的關(guān)系。如構(gòu)成生命要素之一的核糖核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體。其粒度在15~20nm之間，生物體內(nèi)的多種病毒也是納米粒子。此外用納米Si02微?？蛇M(jìn)行細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。研究納米生物學(xué)可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息，特別是細(xì)胞內(nèi)的各種信息，中利用納米粒子研制成機(jī)器人，注入人體血管內(nèi)，對(duì)人體進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物。甚至還能吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞等。?印刷油墨 根據(jù)納米材料粒子大小不同，具有不同的顏色這一特點(diǎn)，可不依靠化學(xué)顏料而選擇顆粒均勻、體積適當(dāng)?shù)牧Ｗ硬牧蟻?lái)制得各種顏色的油墨。 能源與環(huán)保 德國(guó)科學(xué)家正在設(shè)計(jì)用納料材料制作一個(gè)高溫燃燒器，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不經(jīng)燃燒就把天然氣轉(zhuǎn)化為電能。燃料的利用率要比一般電廠(chǎng)的效率提高20%至30%，而且大大減少了二氧化碳的排氣量。 微器件 納米材料，特別是納米線(xiàn)，可以使芯片集成度提高，電子元件體積縮小，使半導(dǎo)體技術(shù)取得突破性進(jìn)展，大大提高了計(jì)算機(jī)的容量和進(jìn)行速度，對(duì)微器件制作起決定性的推動(dòng)作用。納米材料在使機(jī)器微型化及提高機(jī)器容量方面的應(yīng)用前景被很多發(fā)達(dá)國(guó)家看好，有人認(rèn)為它可能引發(fā)新一輪工業(yè)革命。 光電材料與光學(xué)材料 納米材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能作為非線(xiàn)性光學(xué)材料、特異吸光材料、軍事航空中用的吸波隱身材料，以及包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換材料等具有很高的應(yīng)用價(jià)值。 增強(qiáng)材料 納米結(jié)構(gòu)的合金具有很高的延展性等，在航空航天工業(yè)與汽車(chē)工業(yè)中是一類(lèi)很有應(yīng)用前景的材料;納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強(qiáng)度;納米纖維作硫化橡膠的添加劑可增強(qiáng)橡膠并提高其回彈性，納米管在作纖維增強(qiáng)材料方面也有潛在的應(yīng)用前景。 納米濾膜 采用納米材料發(fā)展出分離僅在分子結(jié)構(gòu)上有微小差別的多組分混合物，實(shí)現(xiàn)高能分離操全的納米濾膜。其它還有將納米材料用作火箭燃料推進(jìn)劑、H2分離膜、顏料穩(wěn)定劑及智能涂料、復(fù)合磁性材料等。納料材料由于具有特異的光、電、磁、熱、聲、力、化學(xué)和生物學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于宇航、國(guó)防工業(yè)、磁記錄設(shè)備、計(jì)算機(jī)工程、環(huán)境保護(hù)、化工、醫(yī)藥、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域。不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用，也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)生機(jī)和活力。可以預(yù)言，納米材料制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展，必將對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)重大影響。