纳米技术的应用与前景.doc

纳米技术的应用与前景纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域：1、纳米技术在新材料中的应用2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用3、纳米技术在制造业中的应用4、纳米技术在生物、医药学中的应用5、纳米技术在化学、环境监测中的应用6、纳米技术在能源、交通等领域的应用尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为21世纪信息时代的核心。 纳米电子学发展的目标是：使集成电路进一步缩小，超越目前发展中遇到的极限，使功能密度和数据通过率达到难以想象的水平。为了实现这个目标，需要对电子器件的概念进行革新，克服相互连接的限制，需要发展全新的集成电路块制作方法。在纳米尺度的电子学中，传统晶体管工作所遵循的物理规律不再适用了，将会出现新的物理效应。目前，人们采用纳米技术研究如何制造容量为64兆的存储器芯片。如何利用纳米电子学发展新颖的量子器件，如共振隧道二极管、量子激光器和量子干涉器件，等等。到那时，人类或许会进入到量子王国。 纳米电子学的另一个研究方向是；发展分子电子器件和生物分子器件，这是完全抛弃以硅半导体等为基础，以分子组合为基础的电子元件。如果这秤电子元件研制成功，将会使电子元件发生质的飞跃，带动社会生产力飞速发展。 纳米材料是指晶粒和晶界等显微构造能达到纳米尺度水平的材料，所用的原料-粉料首先必须是纳米级的。从微米级到纳米级的进步，不仅是制备工艺上的跃进，而且能推动材料科学的理论发展。 纳米材料由于其结构的特殊性，以及小尺寸效应、界面效应和量子隧道效应等一系列新的效应，使纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能。其电、磁、热、光等性能得到进一步优化。将在未来新材料上充当重要角色。例如，宽频带强吸收隐身材料，高灵敏度、高响应的传格材料，高活性催化剂材料，高矫顽力磁性记录材料，高性能驻极体换能材料以及多功能复相陶瓷材料等。 中国已经研制成功了多种纳米半复合材料和纳米碳管。中科院固体所是中国最早开展纳米材料研究的单位之一，拥有国内制备纳米材料能力强、制备品种较多的实验室，能够制备10多种纳米三氧化二铝粉体，已进入规模生产阶段，粉体综合指标达到国际先进水平。目前国际上将纳米材料应用在隐形飞机、光的转换等方面。据预测，纳米塑料将是明天纳米住宅的主要材料，有反应能力的智能纳米塑料会显著提高家用品的功能和柔韧性。现今国际上纳米材料发展的趋势是基础研究与开发应用相互促进，并驾齐驱。企业界、商业界紧密配合科技界，力图把实验室成果转化为商品，纳米材料已在部分行业推广应用。随着等纳米材料的不断研究，将会发现更多更新性能的新材料。 科学技术进步使器件和装置的尺寸越来越小，进入了纳米的范围。与之相适应的加工和制造技术，已成为国际上的研究热点，发展很快。纳米加工技术可以分为刻蚀和组装两类。由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到人们很大的重视。 组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术、扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。近年来，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求高密度定取向，这对于制备高性能生物敏感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进入一个更加微细的深度。 纳米机械是指实现纳米尺度上某个功能的机械，它包括的领域很广。目前已制造出来了纳米马达、纳米齿轮。纳米马达能实现纳米尺度移动和定位，已有两种构造可实现这个要求：一是线性马达；二是电压陶瓷管的蠕动爬行装置。在高精度机车方面，将开发用于制作X射线反射聚焦的、分差小于1纳米的超平镜面磨床、具有纳米精度的光盘储存器技术和全息摄影技术所需的纳米设备。美国已研制成一种微型电动机，小到用显微镜才能看见。日本三菱电机公司已研制出一种可以在显微镜下取出生物细胞的微型机械手。 纳米化学指的是用纳米技术进行分子的识别，高分子组装等。在化学家看来，纳米尺度是非常大的。纳米结构是原子数目在103到109之间的聚集体，其分子量为104到1010。目前，合成比该分子量范围小，而且有明确结构的技术正在发展中。生物学是发明用于合成纳米结构的新方法的主要动力，当今纳米化学的热点是试图理解和运用在生命体系中发生的各种惊人的复杂过程。 纳米化学包含许多领域：界面和胶体科学、分子识别、微电子加工、聚合物科学、电化学、佛石与粘土化学、扫描探针显微学等。分子自我组装特别适合制备纳米结构。 纳米化学在化工领域应用十分广泛，如纳米粉按一定比例加入化妆品中，可以有效地遮蔽紫外线；将金属纳米粉掺杂到化纤制品或纸张中可以大大降低静电作用；利用纳米微粒构成的海绵体烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米颗粒不仅可以用作导致电涂料，还可以用作印刷油墨和制作固体润滑剂等。 纳米这个名词，对生物学家来说并不陌生。因为大量的生物结构，从核酸、蛋白质、病毒到细胞器，其线度在1纳米到100纳米。当然，生物结构虽然很小，但异常复杂，又格外活跃，表现出很多特定的生物学功能。如酶就是一种分子机器，它能打断化学键而使分子重新结合。再如脱氧核糖核酸可以作为储存系统，能把命令转移到核糖体中，而核糖体这种分子机器可以制造蛋白质分子。纳米生物学的目的就是开辟类似的方法，利用由程序化的分子机器组成的装配机器去构建物质。装配机器将像微小的工业机器人那样工作，通过排布分子附件、引导和利用化学反应，把原子逐个地构建成复杂的结构。纳米生物学的另一个重要方面是利用生物分子的特定功能去构建具有某种功能的产品。目前，已经成功利用纳米微粒进行细胞分离。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，估计不久将服务于人类。人们设想利用纳米技术制造出分子机器人在血液中循环，对身体的各部位进行检测、诊断，并实施治疗的梦想也将成为现实。纳米生物学是一个非常有意义但又神秘莫测的领域，它究竟给人类带来多大变化，还很难预测。生物传感器和新的成像技术的发展，将使医生能对癌症和其他疾病进行早期检测和预警；新型纳米分析工具的发展，将会促进细胞生物学和病理学的基础研究；通过控制材料的纳米结构，可以得到新型高性能的生物相容材料，从而延长人造器官的使用寿命。 它将使科学家和工程师设计并制造出用于飞机、火箭、空间站等的轻质、高强度、热稳定的材料，美国国家航空航天局希望航天器采用纳米材料后，到2020年时发射费用可以从目前的每磅万美元降低到200美元，并可制造出成本只有6万美元、大小如一辆小汽车的航天器。纳米卫星是一种几乎全部由批量生产的专用集成微型仪器构成、重量不足0.1千克、尺寸减到最低限度的微卫星。由于其部件和仪器都安装在集成电路芯片上，因而被誉为“芯片级卫星”的雅号。 监视系统将受益于新的传感器，如差不多可以像现在拦截声频信号那样识别生物系统的探测器，这就使得读取分子特征标记和进行DNA分析成为可能。人们还有可能用纳米技术制造出带有陈年佳酿味道的新酒，或者带有开关的忠诚的生物机器狗。此外，还会出现模拟生物系统的各种各样的