納米的用處是什么?

【專家解說(shuō)】：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(wàn)分之一頭發(fā)粗細(xì)。納米技術(shù)是是指制造體積不超過(guò)數(shù)百個(gè)納米的物體，其寬度相當(dāng)于幾十個(gè)原子聚集在一起。 納米科技及其研究?jī)?nèi)容 納米科學(xué)技術(shù)是研究在千萬(wàn)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(yùn)動(dòng)和變化的學(xué)問(wèn)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子進(jìn)行操縱和加工又被稱為納米技術(shù)。 用掃描隧道顯微鏡的針尖將 原子一個(gè)個(gè)地排列成漢字， 漢字的大小只有幾個(gè)納米。納米科技的研究?jī)?nèi)容包括： 創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料，設(shè)計(jì)、制備各種納米器件和裝置，探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象 。 納米科技研究目標(biāo)和可能的應(yīng)用 材料和制備：更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)；長(zhǎng)壽命和低維修費(fèi)；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(guò)程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)； 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)：2010年實(shí)現(xiàn)線條為100nm的芯片，納米技術(shù)的目標(biāo)為：納米結(jié)構(gòu)的微處理器，效率提高一百萬(wàn)倍；10倍帶寬的高頻網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；兆兆比特的存儲(chǔ)器（提高1000倍）；集成納米傳感器系統(tǒng)； 醫(yī)學(xué)與健康 快速、高效的基因團(tuán)測(cè)序和基因診斷和基因治療技術(shù)；用藥的新方法和藥物“導(dǎo)彈”技術(shù)；耐用的人體友好的人工組織和器官；復(fù)明和復(fù)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(jì)算機(jī)；微型航天器用納米測(cè)試、控制和電子設(shè)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(shù)，減少污染和恢復(fù)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(lái)祛除污物；納米顆粒修飾的高分子材料 生物技術(shù)和農(nóng)業(yè) 在納米尺度上，按照預(yù)定的大小、對(duì)稱性和排列來(lái)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(xué)藥品和生物可降解材料，動(dòng)植物的基因改善和治療，測(cè)定DNA的基因芯片等。 納 米 技 術(shù) 簡(jiǎn) 介 納米(nanometer):長(zhǎng)度單位的一種，1納米=10-9米，即十億分之一米。大約相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的八萬(wàn)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(jì)，信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。人們普遍認(rèn)為，納米技術(shù)是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ)。納米技術(shù)所帶動(dòng)的技術(shù)革命及其對(duì)人類的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電子技術(shù)。 納米技術(shù)：于細(xì)微之處顯神奇 納米技術(shù)是在納米尺度內(nèi)，通過(guò)對(duì)物質(zhì)反應(yīng)、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來(lái)實(shí)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(yùn)動(dòng)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(dòng)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(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及信息科學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)地。納米材料中包含了若干個(gè)原子、分子，使得人們可以在原子層面上進(jìn)行材料和器件的設(shè)計(jì)和制備。幾十個(gè)原子、分子或成千個(gè)原子、分子"組合"在一起時(shí)，表現(xiàn)出既不同于單個(gè)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(diǎn)、磁性、電容性、導(dǎo)電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化。當(dāng)"超分子"繼續(xù)長(zhǎng)大或以通常的方式聚集成大塊材料時(shí)，奇特的性質(zhì)又會(huì)失去。通俗來(lái)說(shuō)，納米材料一方面可以被當(dāng)作一種"超分子"，充分地展現(xiàn)出量子效應(yīng)；而另一方面它也可以被當(dāng)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(shí)， 許多化學(xué)和生物反應(yīng)的過(guò)程也發(fā)生在納米尺度的層面上，因此探測(cè)納米尺度內(nèi)物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化，將加深對(duì)生命科學(xué)的理解。對(duì)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(rèn)識(shí)和如何操縱或組合他們，是當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)的主要問(wèn)題之一。當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用主要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)等方面。 納米材料:材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿 納米科技發(fā)展中，納米材料是它的前導(dǎo)，因?yàn)榧{米材料集中體現(xiàn)了小尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高集成度和強(qiáng)相互作用以及高比表面積等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)，其中最應(yīng)該指出的是納米材料是將量子力學(xué)效應(yīng)工程化或技術(shù)化的最好場(chǎng)合之一，可能會(huì)產(chǎn)生全新的物理、化學(xué)現(xiàn)象。現(xiàn)在可以用物理、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只包含幾百個(gè)或兒千個(gè)原子、分子的 "顆粒"。這些"顆粒"的尺寸只有幾個(gè)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(yīng)，也就是說(shuō)十分活潑。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會(huì)燃燒，發(fā)生爆炸。有人認(rèn)為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會(huì)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(xué)反應(yīng)過(guò)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(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比普通金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想有一天會(huì)使用這樣的納米鋼材或納米鋁材制造出汽車、飛機(jī)或輪船，使它們的重量減少到原來(lái)的1/10。不僅如此，汽車或飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)由具有塑性的納米陶瓷材料制成，可在更高的溫度下運(yùn)作，汽車跑得更快，飛機(jī)飛得更高。 氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場(chǎng)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(hù)激光鏡是再好不過(guò)了。用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下會(huì)變得更加絢麗多彩。 半導(dǎo)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(yáng)光中的光能，把它們直接變成電能，這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)，太陽(yáng)能汽車、太陽(yáng)能住宅就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。利用特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化已得到應(yīng)用；半導(dǎo)體納米材料做成的各種傳感器，可靈敏地檢測(cè)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(hù)士已得到應(yīng)用。 目前科學(xué)家正在致力于研究的碳納米管材料，是一種非常獨(dú)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(gè)納米。這種材料的密度是鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的l00倍。用這樣輕而柔軟，又非常結(jié)實(shí)的材料做防彈背心是最好不過(guò)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(xì)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(shù)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(guò)程中進(jìn)行納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)。 納米器件：給信息技術(shù)帶來(lái)革命 納米科技的另一主要研究領(lǐng)域是設(shè)計(jì)、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(shù)帶來(lái)革命一樣，納米結(jié)構(gòu)將再次給信息技術(shù)帶來(lái)革命。 把自由運(yùn)動(dòng)的電子囚禁在一個(gè)小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個(gè)納米，會(huì)發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，原來(lái)可以在費(fèi)米動(dòng)量以下連續(xù)具有任意動(dòng)量的電子狀態(tài)，變成只能具有某動(dòng)量值，也就是電子動(dòng)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(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電壓，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)，金屬顆粒不導(dǎo)電。這樣一來(lái)，原來(lái)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(dāng)金屬顆粒具有了負(fù)電性，它的庫(kù)侖力足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)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(gè)電子來(lái)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(lái)做成電腦芯片，電腦的容量和計(jì)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(jiǎn)單。實(shí)際上，被囚禁的電子可不那么"老實(shí)"，按照量子力學(xué)的規(guī)律，有時(shí)它可以穿過(guò)"監(jiān)獄"的"墻壁"逃逸出來(lái)，這會(huì)使芯片的動(dòng)作不可控制，同時(shí)還需要新的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)室里得以實(shí)現(xiàn)，但是真要用在工業(yè)上還需要時(shí)間。 被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻(xiàn)，是會(huì)使材料發(fā)出強(qiáng)的光。"量子點(diǎn)列激光器"或"級(jí)聯(lián)激光器"的尺寸極小，但發(fā)光的強(qiáng)度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動(dòng)它們發(fā)生藍(lán)光或綠光，用來(lái)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(diǎn)來(lái)存貯數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存貯度可提高成千上萬(wàn)倍，會(huì)給信息存貯的技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)革命。 納米加工：有待人類顯身手 為了研究納米科學(xué)和應(yīng)用納米科學(xué)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(shù)被稱為納米加工技術(shù)。實(shí)際上，一方面納米加工技術(shù)是納米材料的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中包含了許多人們尚未認(rèn)識(shí)清楚的納米科學(xué)問(wèn)題。比如說(shuō)，在一個(gè)粗細(xì)為幾納米的孔或線里，原子的擴(kuò)散就與宏觀世界里的擴(kuò)散大不一樣。一般而言，原子運(yùn)動(dòng)的自由程為幾個(gè)微米，在此長(zhǎng)度上，原子發(fā)生碰撞，進(jìn)行熱擴(kuò)散器壁的作用可忽略不計(jì)，可在納米孔或線內(nèi)，原子的擴(kuò)散主要是靠與孔壁的碰撞來(lái)完成的。再舉一個(gè)例子，一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力主要來(lái)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(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對(duì)相互運(yùn)動(dòng)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(shù)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(cè)到電磁波、光波(包括可見(jiàn)光、紅外線、紫外線等)信號(hào)，同時(shí)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(dāng)前人們已經(jīng)在考慮用"小鳥(niǎo)"衛(wèi)星部分地代替現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)。