纳米科学技术.doc

纳米科学技术纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10-9米（10亿分之一米），即10-6毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。举个例子来说，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是一纳米。也就是说，一纳米大约就是0.000001毫米.纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米技术的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科。有纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等。全世界的科学家都知道纳米技术对科技发展的重要性，所以世界各国都不惜重金发展纳米技术，力图抢占纳米科技领域的战略高地。我国于1991年召开纳米科技发展战略研讨会，制定了发展战略对策。十多年来，我国纳米材料和纳米结构研究取得了引人注目的成就。目前，我国在纳米材料学领域取得的成就高过世界上任何一个国家，充分证明了我国在纳米技术领域占有举足轻重的地位。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，以及其特有的三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。 对于固体粉末或纤维，当其有一维尺寸小于100nm，即达到纳米尺寸，即可称为所谓纳米材料，对于理想球状颗粒，当比表面积大于60m2/g时，其直径将小于100nm，达到纳米尺寸。 在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是“纳米材料”呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。而纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之墨，墨中的重要成分是烟。实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。由于纳米材料的表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等，使得纳米材料在许多领域呈现出常规材料所不具备的特性，“纳米材料”“纳米技术”不再是科学家或实验室的专有词汇，它已经悄然进入寻常百姓生活，渗透到衣、食、住、行等领域。因此，纳米材料具有十分广泛的应用前景。米科学技术是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和染、颜色及水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子在10nm尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合及探测、应用它们-纳米科学技术的主要问题纳米技术： 在纳米尺寸上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术本质上是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米技术就是操纵和排布原子、分子的技术。纳米技术飞速发展得益于研究手段与工具的不断改进随着实现纳米技术目标所需要的工具正在补断加速改进，使得科学家们拥有了各种先进的手段。譬如“扫描测量显微镜”（SPM）于1981年有IBM公司发明，它限制所提供的手段可以更加容易和准确的移动显微镜下的物质。SPM使技术人员能够通过一个超级尖端来施加电压，从而移动原子。“原子力显微镜”也由IBM公司开发，它可以探测表面，能够生成单个原子的表面状态图像。科学家们因而可以获得有关物质如何运动和在原子及分子水平上相互作用的新知识。这意味着，他们现在能够把不同的分子彼此连接起来。这些分子在自然状态下本来可能永远也不能相结合。其结构将是创造全新的物质，譬如一种比钢坚硬100倍而质量却只有其1/6的物质。“光线镊子”用来研究单个分子的运动，运用“纳米镊子”可以抓住和拉动分子。生物结构破天荒的在人类细胞水平上被修改。这对于人类健康和保健产业所具有的意义是惊人的。“纳米操纵器”是由美国北卡罗来纳大学的科学家们开发的，它使研究人员不仅能在三维上看到原子的分子，而且可以通过电脑来移动、推进和探测原子与分子。这一进展能使人们进一步认识新物质的强度、塑料如何熔化、DNA如何产生作用及血球在一个白血病患者和一个健康人之间有何种不同。在这一知识武装下，科学家们有朝一日将能够制造质量为目前1/5的波音747大小的喷气式飞机，或者设计在你感到燥热是冷却和感到冷的时候供暖的纤维，或者开发出在癌细胞造成伤害之前察觉并杀死它们的药物。“物理蒸汽合成”以及必要的反应室，是帮助推进纳米技术的又一工具。PVS过程将物质加热到很高的温度，使其蒸发。这些粒子随后被冷却到不同的温度并利用各种气体达到不同压力，以创造独特的纳米粒子。虽然从煤炭到钻石的转变还有一段路要走，但是进展几乎每天都在发生，从而使这种发展更接近现实。关于纳米科技的运用，其实关乎到我们生活中的方方面面。（1）军事国防领域：纳米卫星以及相关的纳米传感器可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的环境变化, 并及时反馈给中央控制系统, 最低限度地降低噪声、节约能源，其高科技成分的体现还在于它能根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷, 使潜艇及时做规避机动。这其中有些优势恐怕是当今世界其他的侦查设备所望尘莫及的。（2）环境保护领域：在燃煤中加入纳米级助燃催化剂, 可帮助煤充分燃烧, 提高能源利用率, 防止有害气体产生。同时，纳米的净水装置也将为我们的生活提供非常大的便利，新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力, 是普通净水剂的10 20 倍。（3）医学生物领域：遗传学领域中，通过纳米技术先将DNA 染色体全部分解为单个基因,然后根据需要进行组装, 转基因整合成功率几乎可达100%。种种事实表明，纳米技术运用于医学遗传领域将有助于化解许多目前的问题，从而为人类做出巨大的贡献。（4）纳米技术的运用纳米材料。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持，可以肯定纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。在纳米材料与加工方面，科学家将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米管等创造新的功能结构材料，开发超轻、超强结构材料，开发长寿命材料、支撑能量转换的材料和具有新功能的电子材料。（5）其他方面：包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米磁学，纳米科技都具有很大的应用价值。由于纳米科技能够运用的方面非常广泛，关于纳米科技未来的发展方向要全面地概括确实是非常有难度的。但我认为主要有以下方向：（1）从实验室走向现实生活：人们已经发现并展望了纳米科技的美好未来，当然下一个问题就是如何让这些未来和梦想一一转化为现实。目前已经有不少技术被运用在现实生活中，例如纳米服装、各类纳米传感器等等。（2）减小风险：鉴于纳米科技是一门新兴的技术，短时间内人们并不能完全掌握其特别的属性，因此如何减低纳米技术在使用过程中的风险将是一个伴随着各国加大对纳米科技研发的永远的课题，显而易见，如何让这把锋利的双刃剑乖乖地为我们所用将是全球科学家需要“攻克的壁垒”。（3）“细微化”：纳米相比于我们当下所处的“微米时代”，一个最显著的，也是最根本的区别就在于纳米比微米小了一千倍，因此纳米科技的发展，未必只能遵循“从宏观的角度渐渐细微化”的过程，完全可以走一条“从微观世界发展到宏观世界”的全新的道路。（4）“绿色化