纳米技术--２１世纪工业革命的火种
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发布时间：2008-07-31
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在２０世纪的最后１０年，一门崭新的学科--纳米科学技术以其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界和军界引起巨大反响，受到广泛关注。美国ＩＢＭ公司首席科学家Ａｍｏｔｒｏｎｇ说：“正如７０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一世纪信息时代的核心。”↑诺贝尔物理学奖获得者ＨｏｒｓｔＳｔｏｒｍｅｒ宣称：“纳米技术赋予了我们一种工具，可用它来玩弄自然界的极端--原子和分子。创造新事物的可能性变得无穷无尽”；另一位诺贝尔物理学奖获得者ＲｉｃｈａｒｄＳｍａｌｌｅｙ说：“纳米技术是建设者最后的边疆”。↑
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↑１９８４年，具有自洁功能的纳米粉在德国制备成功，纳米技术可能引发一场环保革命；↑１９８８年，纳米材料的巨磁电阻效应在法国被发现，纳米技术可能引发一场微电子革命；↑１９９０年，美国贝尔实验室推出惊世杰作--一个跳蚤般大小但“五脏俱全”的纳米机器人，纳米技术可能引发一场工业革命；↑１９９１年，日本科学家发现碳纳米管；１９９２年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；↑１９９２年，日本开始着手研制能进入人体血管进行手术的微型机械人，纳米技术可能引发一场医学革命；↑１９９４年，美国开始着手研制“麻雀”卫星、“蚊子”导弹、“苍蝇”飞机、“蚂蚁”士兵，纳米技术可能引发一场军事革命；↑１９９５年，科学家研究并证实了碳纳米管优良的场发射性能；１９９６年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；↑１９９６年，具有高可见光透射率和强红外线反射性质的纳米膜在美国研制成功，纳米技术可能引发一场能源革命；↑１９９７年，法国全国科学研究中心和美国ＩＢＭ公司共同研制成功了第一个分子级放大器，其活性部分是一个直径只有０７ｎｍ的碳分子，因而把电子元件微型化的系数扩大了１万倍，标志着纳米技术开始进入实用阶段↑１９９８年，被誉为“稻草变黄金”的金刚石纳米粉在中国制备成功--通过改变碳原子的排列结构，廉价的石墨顿时变成了价值连城的钻石……↑１９９９年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；↑２０００年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。↑ 面对“纳米”，自然的物质状态、社会的组织结构，乃至人类的生活方式，都将发生变革.↑↑纳米材料的特性↑↑ 纳米材料可划分为３大类：一是一维的纳米粒子；二是二维的纳米固体(包括薄膜和涂层、管、线)；三是三维的纳米体材(包括介孔材料)。↑纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高。同时，不牺牲塑性和韧性。↑纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。如，它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。↑ 纳米材料的颗粒尺寸越小，电子平均自由程缩短，偏离理想周期场愈加严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级，金属会显示非金属特征。↑纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异，必然在磁学性能表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时，常规的铁磁性材料会转变为顺磁性，甚至处于超顺磁状态。↑ 纳米材料的比表面积／体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化等，敏感和响应等性能方面显得尤为突出。↑纳米材料的应用↑ 实验表明，纳米材料具有许多鲜为人知的奇异性。纳米铜的自扩散系数比晶格扩散系数增大１０１９倍，膨胀系数比普通铜成倍增大。纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍。在通常情况下陶瓷是脆性材料，因而限制了其应用范围，纳米ＴｉＯ２陶瓷却变成韧性材料，在室温下可以弯曲，塑性形变高达１００％。纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面，可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料。超细颗粒铁表面覆盖一层５ｎｍ到２０ｎｍ厚的聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，在控制生物反应和酶工程中将起重要作用。据英刊报道，已经制备成功一种尺寸只有４ｎｍ的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可以由激光驱动，开关时间很快，这将为激光计算机的研制提供技术基础。↑常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米大到几毫米，包含几十亿个原子。而纳米相材料中的基本颗粒直径不到１００ｎｍ，包含的原子不到几万个。一个直径３ｎｍ的原子团包含大约９００个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条３０ｍ长的帆船跟整个地球的比例。由于它们微小的结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，纳米相材料从宏观上显示出许多奇妙的特性，例如纳米相铜强度比普通铜高５倍；纳米相陶瓷是摔不碎的。↑ 只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米相材料。这也许具有最大的商业价值。科学家在了解这些无与伦比的材料及其有用的特性方面已经取得了很大的进展，已经用纳米相材料做出了各种产品--从陶瓷到电子产品。它们肯定还会在无数其他领域找到更为广泛的应用。↑↑在材料学领域↑ 碳纳米管可能成为理想的超级纤维和最佳超微导线，其强度比钢高１００倍，比重却只有钢的１／６。它的体积很小，５万个并排起来才有一根头发丝那么粗。碳纳米管的用途非常广泛：既可用作生物系统的电子探头，也可用作纳米级的电子枪。它甚至还可能用来研制超微开关和纳米级电子线路。↑ 只要控制结构粒子的大小，就能制造用于吸收或散射有害紫外线的纳米相陶瓷、在整容业得到迅速应用的纳米相硒化镉和用于制造理想压敏电阻和变阻器的纳米相氧化锌等。美国成功地研制出网状结构的纳米相陶瓷。这种高强度的材料具有良好的化学、光学和电子特性。纳米Ｃｏ－ＷＣ的硬度提高１倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。根据纳米材料的光学特征，可以进行光学设计、制备各种光学功能材料，用于制造红外探测装置、非线性光学器件以及抗紫外照射的设备。纳米材料达到单畴临界尺寸，产生很高的矫顽力，可用于制成各种磁卡，用于信息存储系统；制成磁性液体，广泛地应用于阻尼器件，旋转密封等；作为新型制冷材料，提高制冷效率。↑
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