納米材料有關的知識

有關于納米的知識                                                                                                     什么是納米？

    納米是尺寸或大小的度量單位,是一米的十億分之一（千米→米→厘米→毫米→微米→納米）, 4倍原子大小，萬分之一頭發(fā)粗細。納米技術是是指制造體積不超過數(shù)百個納米的物體，其寬度相當于幾十個原子聚集在一起。

  納米科技及其研究內(nèi)容

    納米科學技術是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的學問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術。 用掃描隧道顯微鏡的針尖將 原子一個個地排列成漢字， 漢字的大小只有幾個納米。納米科技的研究內(nèi)容包括： 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料，設計、制備各種納米器件和裝置，探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象 。

  納米科技研究目標和可能的應用

    材料和制備：更輕、更強和可設計；長壽命和低維修費；以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料；生物材料和仿生材料；材料破壞過程中納米級損傷的診斷和修復；

    微電子和計算機技術：2010年實現(xiàn)線條為100nm的芯片，納米技術的目標為：納米結(jié)構(gòu)的微處理器，效率提高一百萬倍；10倍帶寬的高頻網(wǎng)絡系統(tǒng)；兆兆比特的存儲器（提高1000倍）；集成納米傳感器系統(tǒng)；

    醫(yī)學與健康 快速、高效的基因團測序和基因診斷和基因治療技術；用藥的新方法和藥物“導彈”技術；耐用的人體友好的人工組織和器官；復明和復聰器件；疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)

    航天和航空 低能耗、抗輻照、高性能計算機；微型航天器用納米測試、控制和電子設備；抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料

    環(huán)境和能源 發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術，減少污染和恢復被破壞的環(huán)境； 孔徑為1nm的納孔材料作為催化劑的載體；MCM-41有序納孔材料（孔徑10-100nm）用來祛除污物；納米顆粒修飾的高分子材料

    生物技術和農(nóng)業(yè) 在納米尺度上，按照預定的大小、對稱性和排列來制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖、核酸等。在納米材料和器件中植入生物材料產(chǎn)生具有生物功能和其他功能的綜合性能。，生物仿生化學藥品和生物可降解材料，動植物的基因改善和治療，測定DNA的基因芯片等。

    納 米 技 術 簡 介

  納米(nanometer):長度單位的一種，1納米=10-9米，即十億分之一米。大約相當于頭發(fā)粗細的八萬分之一?！皀anometer“"源自拉丁文，意思是"矮小"。納米的確微乎其微，然而納米構(gòu)建的世界卻是神奇而宏大的。21世紀，信息科學技術、生命科學技術和納米科學技術是科學技術發(fā)展的主流。人們普遍認為，納米技術是信息和生命科學技術能夠進一步發(fā)展的共同基礎。納米技術所帶動的技術革命及其對人類的影響，遠遠超過電子技術。

    納米技術：于細微之處顯神奇

    納米技術是在納米尺度內(nèi)，通過對物質(zhì)反應、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來實現(xiàn)創(chuàng)造新的材料、器件和充分利用它們的特殊的性能，并且探索在納米尺度內(nèi)物質(zhì)運動的新現(xiàn)象和新規(guī)律。由于納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為納米世界，也是物理、化學、材料科學、生命科學以及信息科學發(fā)展的新領地。納米材料中包含了若干個原子、分子，使得人們可以在原子層面上進行材料和器件的設計和制備。幾十個原子、分子或成千個原子、分子"組合"在一起時，表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子的性質(zhì)，也不同于大塊物體的性質(zhì)，這種"組合"被稱為"超分子"或"人工分子"。"超分子"的性質(zhì)，如它的熔點、磁性、電容性、導電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化。當"超分子"繼續(xù)長大或以通常的方式聚集成大塊材料時，奇特的性質(zhì)又會失去。通俗來說，納米材料一方面可以被當作一種"超分子"，充分地展現(xiàn)出量子效應；而另一方面它也可以被當作一種非常小的"宏觀物質(zhì)"，以至于表現(xiàn)出前所未有的特性。同時， 許多化學和生物反應的過程也發(fā)生在納米尺度的層面上，因此探測納米尺度內(nèi)物理、化學和生物性質(zhì)的變化，將加深對生命科學的理解。對由數(shù)量不多的電子、原子或分子組成的體系中新規(guī)律的認識和如何操縱或組合他們，是當今納米科學技術的主要問題之一。當前納米技術的研究和應用主要在材料和制備、微電子和計算機技術、醫(yī)學與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術和農(nóng)業(yè)等方面。

    納米材料:材料科學領域的前沿

    納米科技發(fā)展中，納米材料是它的前導，因為納米材料集中體現(xiàn)了小尺寸、復雜結(jié)構(gòu)、高集成度和強相互作用以及高比表面積等現(xiàn)代科學技術發(fā)展的特點，其中最應該指出的是納米材料是將量子力學效應工程化或技術化的最好場合之一，可能會產(chǎn)生全新的物理、化學現(xiàn)象?，F(xiàn)在可以用物理、化學及生物學的方法制備出只包含幾百個或兒千個原子、分子的 "顆粒"。這些"顆粒"的尺寸只有幾個納米，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應，也就是說十分活潑。實驗上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學反應過程，大大地提高化工合成的產(chǎn)率。

    如果把金屬納米材料顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比普通金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想有一天會使用這樣的納米鋼材或納米鋁材制造出汽車、飛機或輪船，使它們的重量減少到原來的1/10。不僅如此，汽車或飛機的發(fā)動機由具有塑性的納米陶瓷材料制成，可在更高的溫度下運作，汽車跑得更快，飛機飛得更高。

    氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色鏡變色的速度較慢，用納米材料做成的變色鏡就不一樣了，變色速度很快，用它做士兵的防護激光鏡是再好不過了。用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下會變得更加絢麗多彩。

    半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型激光的光源。它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能，這種技術一旦實現(xiàn)，太陽能汽車、太陽能住宅就會成為現(xiàn)實。利用特種半導體納米材料使海水淡化已得到應用；半導體納米材料做成的各種傳感器，可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護士已得到應用。

    目前科學家正在致力于研究的碳納米管材料，是一種非常獨特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀"纖維"，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十個納米。這種材料的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的l00倍。用這樣輕而柔軟，又非常結(jié)實的材料做防彈背心是最好不過的。如果用碳納米管作繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索，如果用它做成地球月球乘人的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍，可以做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)新的方向。

    利用納米技術還可以以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破壞過程中進行納米級損傷的診斷和修復。

  納米器件：給信息技術帶來革命

    納米科技的另一主要研究領域是設計、制備新型納米結(jié)構(gòu)和納米器件。就像30年前，微電子器件取代真空電子管器件給信息技術帶來革命一樣，納米結(jié)構(gòu)將再次給信息技術帶來革命。

    把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個納米，會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續(xù)具有任意動量的電子狀態(tài)，變成只能具有某動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接的結(jié)果表現(xiàn)在：當在金屬顆粒的兩端加上合適電壓，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)就不再成立了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性。這使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控制的電子器件，即所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是人們想像的那么簡單。實際上，被囚禁的電子可不那么"老實"，按照量子力學的規(guī)律，有時它可以穿過"監(jiān)獄"的"墻壁"逃逸出來，這會使芯片的動作不可控制，同時還需要新的設計使單電子器件變成集成電路。所以盡管電子器件已經(jīng)在實驗室里得以實現(xiàn)，但是真要用在工業(yè)上還需要時間。

    被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻，是會使材料發(fā)出強的光。"量子點列激光器"或"級聯(lián)激光器"的尺寸極小，但發(fā)光的強度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動它們發(fā)生藍光或綠光，用來讀寫光盤可使光盤的存貯密度提高幾倍。如果用"囚禁"原子的小顆粒量子點來存貯數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存貯度可提高成千上萬倍，會給信息存貯的技術帶來一場革命。

    納米加工：有待人類顯身手

    為了研究納米科學和應用納米科學的研究成果，首先要能按照人們的意愿在納米尺度的世界中自由地剪裁、安排材料，這一技術被稱為納米加工技術。實際上，一方面納米加工技術是納米材料的重要基礎，另一方面納米加工技術中包含了許多人們尚未認識清楚的納米科學問題。比如說，在一個粗細為幾納米的孔或線里，原子的擴散就與宏觀世界里的擴散大不一樣。一般而言，原子運動的自由程為幾個微米，在此長度上，原子發(fā)生碰撞，進行熱擴散器壁的作用可忽略不計，可在納米孔或線內(nèi)，原子的擴散主要是靠與孔壁的碰撞來完成的。再舉一個例子，一般認為物體之間相互運動時的摩擦力主要來源于物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力越小。而納米材料表面越小，相互之間距離很近，以至于兩塊材料表面上的原子會發(fā)生化學鍵合而產(chǎn)生對相互運動的阻力。因此，在納米世界里，所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮。納米加工技術可以使不同材質(zhì)的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探測到電磁波、光波(包括可見光、紅外線、紫外線等)信號，同時還能完成電腦的命令。如果將這一集成器件安裝在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量大大地減小，更容易發(fā)射，成本也更低。當前人們已經(jīng)在考慮用"小鳥"衛(wèi)星部分地代替現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)。