纳米技术及其应用
作者:  来源:   2014-11-03 00:00:00


一、什么是纳米技术
纳米技术的灵感,来自于已故物理学家理查德•费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术,都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?他说:“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
二、主要内容
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米技术包含下列四个主要方面:
1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在0.1—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。
如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。
过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,像铁钴合金,把它做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
为什么磁畴变成单磁畴,磁性要比原来提高1000倍呢?这是因为,磁畴中的单个原子排列的并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外则是电子绕其旋转的电子,这是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列的很规则,对外显示了强大磁性。
这一特性,主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候,用于制造磁悬浮,可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。
2、纳米动力学:主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小,刻蚀的深度往往要求数十至数百微米,而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机,用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度,但有很大的潜在科学价值和经济价值。理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。
3、纳米生物学和纳米药物学:如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,dna的精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。
纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。(上面是老钱加注)
4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。
三、纳米技术应用领域
纳米材料以它奇异的特性为传统产业的升级换代提供了新的机遇。我国国情决定了发展纳米产业首先应切入传统产业,特别是一些具有资源优势和市场优势的产业,通过纳米技术调整产品结构,增加科技含量,为实现传统支柱产业的升级换代,促进GDP的增长发挥重要作用。
1)汽车行业
纳米技术在汽车产业的应用十分广泛,应用纳米技术可以提高汽车的安全、轻质、环保等性能。
由于纳米材料比表面积大、催化效率高等特点,在汽车尾气及车内空气净化方面应用纳米技术,将使排放的气体更清洁、更环保。
发动机应用纳米陶瓷复合材料,将使发动机更坚固,使用寿命更长。
在安全防护方面应用纳米力敏传感材料、汽车防腐底漆、自清洁功能面漆、保险杠及车内装饰用纳米改性高分子材料,可以显著地提高汽车寿命,改善汽车的安全和防腐耐磨性能。
各类电机中应用的新型纳米稀土永磁材料以及汽车动力应用的纳米太阳能电池,将进一步降低能耗,使能源更清洁,动力更强劲。
这些方面已经引起了一些国际大公司的关注,预计在近期内可形成大约10亿美元的市场。由此可见,纳米技术在汽车产业中存在着巨大的商机。
2)建筑行业
纳米材料以其特有的光、电、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命,在建材中具有十分广阔的应用前景和巨大的社会、经济效益。
未来可移动的整体房屋可以用纳米复合材料建造,包括轻质高强度的墙体、门窗、管材,环保涂料、屋面材料、太阳能电池、通风及给排水净化系统等。
具有自清洁功能的纳米抗菌防腐涂料,对墙体有更牢固的附着力,并且易于清洁,能有效地抑制细菌、霉菌的生长,分解空气中的有机物和臭味,净化空气中的有害气体,增加空气中的负离子浓度,从而达到清新空气等功效。具有自清洁功能的玻璃可实现免擦洗,减少“蜘蛛人”危险而繁重的日常劳动。具有自清洁功能的瓷砖将使家居生活更温馨,将使繁重的家务劳动变得很轻松。具有自洁、抗菌功能的无规共聚聚丙烯(PPR)供水管,将使生活更轻松,管道使用寿命更长,水质污染更小。
利用纳米技术开发的纳米导电涂料,可用于储油罐、机房等设施的防静电处理。利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高聚氯乙烯(PVC)塑钢门窗的抗老化性能,增加使用寿命。
利用纳米技术还可大大提高塑料等材料的强度,某些纳米复合塑料的强度可以达到钢材的要求。根据美国2010年纳米复合材料总需求预测,今后纳米复合材料将有较大发展,到2010年聚合物系纳米复合材料产业规模将达到40.07亿美元。
3)纺织行业
我国是世界纺织大国,2008年棉花年产量已超过650万吨,化纤产量已达2405万吨。将功能纳米氧化物填充到纤维中可制得各种差别化、功能化纤维,从而赋予普通纤维特殊功能(如高感、高吸湿透湿、防污、抗静电及导电、抗菌及消毒、离子交换、生物降解与相容、隐身、发光灯)而成为新一代化学纤维。还可采用化学、物理方法,将功能性纳米组分与高聚物复合成纤维,达到集多种功能于一体的效果。这一切将为纺织材料的发展带来一场革命,这些特种功能纤维将满足人们日益追求的舒适、保健、环保、智能型服装的要求。这一领域的市场容量很大,据国际权威RNCOS调查公司预测,2012年应用纳米技术的纺织品市场将达到1152亿美元。
高阻燃、高强防弹、隐身性纤维也将为军队服装和国防建设做出重要贡献。纳米技术可以应用于纺织机械、面料后整理等方面。随着纳米技术的深入开发,方便快捷的后整理技术也将引发纳米材料在纤维应用上的又一次革命,将为社会带来十分可观的经济效益,可大大提高我国纤维产业在国际市场的竞争力。
4)机械行业
据统计,世界上1/3以上的一次性能源消耗于摩擦,磨损是材料与设备破坏和失效的三种最主要形式之一,每年所造成的损失约占GDP的1%。纳米科技的发展为解决该领域的润滑材料与技术难题提供了可能。金属材料的晶粒细化和纳米化,尤其是强机械力作用下的材料表层晶粒的纳米化,并配合碳氮物理化学渗透,形成了高强度或者搞耐磨损性的金属纳米材料,可用于阀门轴承及高强度耐磨损部件。
金属材料的表面纳米化能够明显地提高金属材料(如铜、铁、低碳钢和不锈钢等)的力学和化学性能,而又不损害材料的韧性。硬质合金作为一种重要的工具材料和结构材料,其用途极其广泛。最新研制的纳米硬质合金,不但强度和硬度均高于相同成分的粗晶合金,还展示出一些其他的新奇特性。
5)电子信息行业
在电子信息行业,应用纳米技术制造出的基于量子效应的新型纳米器件将克服电子信息产业发展中的局限,这包括以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制和以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制以及制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能,从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。
这些技术上的突破将全面地改变人类的生存方式,它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出的,纳米技术在电子信息产业中的应用将成为21世纪经济增长的一个主要发动机,其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。
据国际半导体设备暨材料协会(SEMI)2006年发表的一份市场调研报告《全球纳米电子市场与机遇》,2005年面向纳米电子应用的纳米材料、工具和设备市场总计为18亿美元,预计2010年将增长到42亿美元。其中碳纳米管(CNT)、纳米压印和远紫外光刻的增长最为迅速。未来5年内,CNT背光和CNT场致发光显示器(FED),以及许多采用纳米材料的聚合物和透射膜将实现商业化。采用纳米技术,将使显示器产业能够采用喷墨打印和丝网印刷等新型制造工艺。另外,采用纳米线的MEMS存储器件以及采用纳米材料的新型半导体存储也将实现商业化。报告还显示,关注技术挑战的产业,包括半导体产业,在采用新技术方面通常比较保守;而那些关注成本挑战的产品,如显示和硬盘存储,更愿意尝试新技术。
6)生物医药行业
纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。随着纳米技术在生物医学领域的发展,它对疾病特别是重大疾病的早期诊断和治疗将产生深远的影响,例如采用可植入性和弥补性生物相容材料、诊断器件以及治疗技术等。纳米材料将有更多的机会应用于药物输运、诊断和治疗系统。因此纳米生物技术具有重要的社会与经济前景。根据产业咨询公司纳米市场(NanoMarkets)发布的报告,2009年全球药物输运和服务市场的收入有望超过67亿美元,其中纳米技术药物输运系统将创造超过17亿美元的经济效益,2012年将超过48亿美元。
7)环保行业
纳米技术在环保行业上的应用,能够极大地促进环保行业的发展。将使处理“三废”的手段更有效率,使人类居住的环境得到很大程度的改善。我国为实现可持续发展战略,对新型纳米环境材料及技术也提出了新的迫切需求。随着纳米技术的发展,纳米光催化、净化材料,脱硫脱硝用纳米复合材料和可再生环境净化用纳米吸附材料等的批量制备技术将获得突破,这对环境保护极具经济价值。
8)能源行业
纳米能源技术的开发,将在一定程度上缓解世界能源短缺的现状,提高现有能源的使用效率,为世界的可持续发展提供新的动力。纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和高效的催化剂,纳米材料和技术将在低成本固态太阳能电池、高性能可充电电池(含超级电容器)和温差电池、燃料电池等方面取得实质性进展。这不仅对能源生产非常重要,而且对能源转换极具经济价值。其中,纳米太阳能电池材料、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向,将在解决21世纪日益突出的能源危机问题上发挥重要作用,形成一个新的经济增长点,并具有巨大的市场容量。
9)装备行业
微纳米加工与检测仪器装备是人类对纳米世界的信息进行测量、控制及有效利用的基本手段和设备,其发展水平是国家纳米科技水平和综合实力的重要标志之一。纳米科技的竞争,越来越明显地表现为制造与检测技术的竞争。因此,纳米加工与检测仪器设备的研发与产业化逐渐成为纳米科技的竞争核心。
据Lux Research公司发布的题为“纳米技术工具的真相”(The Truth about Nanotech Tools)的报告称,预计纳米技术工具市场将从2004年的5.8亿美元增加到2010年的11亿美元。纳米技术工具包括:纳米结构的观测工具,纳米结构的制备工具以及用于预测纳米结构性质的模拟工具。纳米技术工具市场整体以11%的年均增长率稳步增长,上述三个方面的工具市场有不同的发展趋势:检测工具市场(如扫描隧道显微镜STM和电子显微镜EM等)会在科研范围内以个位数的增长率增长;制备工具市场(以纳米压印、光刻等为主导),将以两位数的增长率增长;模拟工具市场在今后五年内的增长率将使纳米工具市场中增长最快的。(来源于网络)


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