材料与力学论文.doc

材料与力学 在没上前沿讲座前，对材料其实一直没有多少认识，反正材料就是拿来做成各种东西的原料，在上完前沿讲座后，自己又查了一些资料，才知道材料其实是一门很深的科学，是新世纪的主导学科，与力学的结合更是应用广泛。21世纪是高新技术蓬勃发展的新世纪，各种产业都在向信息化、技术化发展，其中信息、生物和新材料代表了高新技术发展的方向，众所周知，纳米是一个很神奇的东西，与纳米有关的东西无不是很先进，有一项技术在信息产业如火如荼的今天引起了世界的高度重视，它就是纳米科技.。纳米科技是指在原子、分子及超分子水平下工作，在约1mm 100mm的尺度范围，旨在了解与创造材料、装置以及系统的科学技术。处于新材料科技前沿的纳米科技，它的应用领域非常广泛。应用于机械，可以做成非常微小实用的纳米机器人、只有米粒大小的可以开动的汽车，甚至是只有一节手指大小的直升飞机;应用于医药方面，可以做出人体器官给人类替换，例如可以做出很小很小的人造手，还可以做出纳米药物直接注射，方便吸收和治疗。曾有人预言，处于2l世纪高新技术前沿和核心地位的纳米科技所引起的世界性技术革命和产业革命对社会经济、政治、国防等所产生的冲击，将比以往的技术革命时代带来的影响更为巨大。纳米科技因其无与伦比的优越性将会在未来掀起新一轮的技术浪潮，领导新一轮的工业大革命，而人类，也将进入新的时代纳米时代。1959年，著名的理论物理学家、诺贝尔奖金获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对细微尺度的事物加以操纵的话。将大大扩充我们可能获得物性的范围。”早在之前，费曼就设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么!”到了今天，这个说法已经逐步变为事实。纳米科技主要包括：(1)纳米体系物理学； (2)纳米化学；(3)纳米材料学； (4)纳米生物学；(5)纳米电子学； (6)纳米加工学；(7)纳米力学。纳米新科技诞生才几十年，就在几个重要的方面有了如下的重要进展：(1)美国商用机器公司两名科学家利用扫描隧道电子显微镜直接操作原子，成功地在镍基板上，按自己的意志安排原子组合成“IBM”字样，日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”，首次实现了原子三维空间立体搬迁1991年IBM的科学家还制造了超快的氙原子开关专家们预计，这一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径仅为0.3cm的硅片上据英国科学与共同政策杂志报道，科学家们最近制造出一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可由激光计算机提供可能的技术保证。(2)作为纳米科学技术的另一个重要分支，即纳米生物学，在90年代初露头角，面向21世纪，它的发展方兴末艾纳米生物学在纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系，并在此基础上按自己的意愿进行裁剪和嫁接，制造具有特殊功能的生物大分子，这使生命科学的研究上了一个新的台阶。(3)纳米微机械和机器人是十分引人注目的研究方向。纳米生物机器和纳米生物部件零件的研制，用原子和分子直接组装成纳米机器不但其速度、效率比现有机器大大提高，而且应用范围之广，功能之特殊、污染程度之低是现有机器人无法比拟的。纳米生物“部件”与纳米无机化合物及晶体结构“部件”相组合，用纳米微电子学控制形成纳米机器人，尺寸比人体红血球小，这种纳米机器人的问世将使未来高新技术出现新的飞跃，人类的医疗也因之发生深刻的革命，许多疑难病症将得到解决。(4)近年来刚刚发展起来的纳米材料出现了许多传统材料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴趣德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室温下显示良好的韧性，在180经受弯曲并不产生裂纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到希望英国著名材料科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”纳米材料在光吸收、催化、敏感特性和磁性方面都表现出明显不同于同类传统材料的特性，在高新技术应用上显示出广阔的应用前景。（5）医生可能应用纳米机器人直接打通脑血栓，清出心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能纳米微型机器注入血管内，进行人体全身检查和治疗。药物也可以制成纳米尺寸，直接注射到病灶部位，大大提高医疗效果，减少副作用。目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它取得的成绩已经使人们为之震动，并引起关心未来发展的科学家们的思考。纳米材料是纳米科技领域最富有活力、研究内涵十分丰富的学科分支。“纳米”是一个尺度的度量，最早把这个术语用到技术上的是日本，在1974年底，但是以“纳米”来命名的材料是在20世纪80年代，它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到1100nm范围，实际上，对这一范围的材料的研究还更早一些。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在，广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：(1)零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；(2)一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；(3)二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜；超晶格等。 纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米团体。例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。此外，浩瀚的海洋就是一个庞大超微粒的聚集场所，原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子(0.41m)具有很丰富的浓度，约为106107个/ml最近，威尔斯等人在南太平洋发现小于120nm的海洋胶体粒子的浓度至少是亚微米粒子的3倍，而且深度分布奇特，通过对这些纳米粒子的研究，可以了解海洋、生命的起源以及获取开发海洋资源的信息。纳米材料发展到今天，大致可以分为3个阶段：第一阶段(1990年以前)主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在20世纪80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。 第二阶段(1994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计出纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合(00复合)，纳米微粒与常规块体复合(03复合)及发展复合纳米薄膜(02复合)，国际上通常把这类材料称为纳米复合材料这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材科研究的主导方向。 第三阶段(从1994年到现在) 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系纳米颗粒、丝、管可以是有序地排列。如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么这一阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。 纳米科技的另一重要方面是纳米力学，纳米力学的兴起是近来很伟大的成功。纳米科技促使不断有新的纳米材料产生。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元的材料，而由于纳米材料的尺寸达到了纳米级，常常会表现出原来大尺寸材料所不具有的性能。纳米尺度的材料形态和结构也各不相同。以碳为例，就有富勒烯，碳纳米管以及纳米片，碳纳米管是对富勒烯深入研究的产物。碳纳米管的刚度达到钢的6倍以上，抗拉强度是钢的100倍，而密度仅是钢的1/6，有人在理论上预测出多壁碳纳米管的内管可以在外管中以高达十亿赫兹的频率作机械往返运动。利用碳纳米管的优异的力学性能，可以将其应用于扫描探针显微镜的探针，碳纳米管作为探针又可以推进纳米加工技术的发展，理论计算和实验都验证改变碳纳米管的手性就可形成半导体或金属。 碳纳米管所表现出来的这些特性以及在应用上的所表现出来的前景正吸引更多的研究投入到这一领域。碳纳米管具有优越的力学特性，但由于其处于的纳米尺度，直接测量其力学性能非常困难，因此对碳纳米管力学性能的研究工作首先是从预测开始的，从能量和体积的关系，采用各种模型计算碳纳米管的模量，碳纳米管的分子动力学模拟研究已做了一些工作，但分子动力学模拟在时间和空间尺度上都有一定的局限性，用世界上最快的超级计算机，分子动力学方法每天（24小时）仅可以计算实际过程一纳秒；用其他方法替换计算，虽然是加快了计算速度，但依旧没那么理想，这也是限制纳米力学发展的一个限制因素。 纳米技术对电子工业、机械电子系统、材料工业及社会多方面都会有巨大的影响，碳纳米管具有极其优秀的性质，为发展纳米技术提供了基本元件，现有的分析方法能帮助纳米科学的发展，但离纳米技术还相去甚远，新的方法，将在纳米技术发展中起重大的作用，纳米技术和纳米材料的进步必将推动纳米力学的发展。 纳米材料在化学中也有重要作用。纳米材料在分析化学中的应用研究很早就已经开展，最典型的例子就是2002年获诺贝尔化学奖的成果几MALDI源的研究。日本学者田中耕一发现钴的纳米粒子吸收激光辐射后，能将热量有效地转移给周围的大分子，使其快速无分解的蒸发和离子化，为生物大分子的质谱分析提供了一种有效的样品引入手段。但是，纳米材料真正受到分析化学工作者的关注，并将其广泛应用于分析化学研究，则主要出现在最近几年。 (一)纳米材料在分离、富集科学中的应用纳米材料具有小的粒径和巨大的表面积，恰好满足了分离富集过程中对固定相的基本要求，因此最近受到了重视。其中最引人注目的工作是利用纳米材料作为色谱和毛细管电泳的固定相。纳米材料在富集痕量物质方面的能力也正受到分析化学研究者的重视。从生物样品中分离和富集痕量DNA具有重要的意义。在磁性纳米颗粒表面修饰单链寡聚核苷酸探针后，可与互补寡聚核苷酸发生特异性结台，在外磁场的引导下可以成功地实现对目标核苷酸片断的高效快速分离，结果表面经过这样分离步骤以后，样品95的目标DNA都可以从溶液中分离出来7。由于氨基化二氧化硅纳米颗粒表面带正电与DNA带负电的磷酸基团能以离子对形式形成纳米颗粒-DNA复合物，因此不经生物修饰的表面氨基化纳米颗粒可实现对DNA的非特异性广谱富集和分离，因而可以发展一种DNA快速抽提、纯化方法。应用这种方法，可以实现对DNA的高效、快速富集。上述利用纳米材料进行分离富集的研究虽然才刚刚起步，但是却显示了这一领域的潜在研究价值。 (二)基于纳米材料的生物大分子探针生物大分子的探针技术已经研究了多年，成熟的方法包括放射性同位素标记法、荧光分子标记法、化学发光标记法以及酶标记法等。但是，由于现代生物技术的发展对探针的灵敏度提出了很高的要求，希望能够达到单分子检测的水平，传统的标记方法已经难以满足要求；另一方面，由于生物系统的复杂性，也迫切需要发展能同时对多组分进行测定的探针。纳米材料可以很好的做到这一点。纳米技术对化学有很大作用，在现在、将来必将占据一个很重要的位置。结语：纳米科学在其优秀的性质下，正在蓬勃发展，在多方面开始发挥重要作用，在社会进步和各国研究下，纳米科学将会发挥更加重大的作用，为我们的生产生活提供巨大的便利。参考文献和网址;1：