(完整版)纳米技术资料

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纳米材料是指尺寸介于1纳米至100纳米之间的材料，其结构单元的尺寸已经接近电子的相干长度，因此其性质会因为强相干所带来的自组织而发生很大变化。纳米材料的尺度已经接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料包括纳米金属材料、纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳米颗粒材料是由纳米粒子组成的超微颗粒材料。纳米粒子是指尺寸在1至100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当宏观物体细分成超微颗粒后，其光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米测量技术和纳米应用技术等方面。纳米材料技术主要着重于纳米功能性材料的生产和性能检测技术。纳米加工技术包含精密加工技术和扫描探针技术。纳米材料具有独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为。当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。纳米粒子表面布满了阶梯状结构，代表具有高表面能的不安定原子，这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。纳米材料的特性纳米粉末因其表面原子处于不稳定状态，具有较高的表面能量，导致其熔点下降，并易于在低温下烧结，成为优秀的烧结促进材料。此外，当材料的粒子尺寸小到无法区分出其磁区时，就会形成单磁区的磁性材料，因此超微粒子或薄膜制成的磁性材料具有优异的性能。纳米材料的粒径小于光波的长度，因此与入射光产生复杂的交互作用，这使得纳米材料具有高光吸收率的特点，可用于红外线感测器材料。纳米材料的发现1980年，德国物理学家格莱特在驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，思维变得特别活跃和敏锐。他长期从事晶体材料的研究，了解晶体的晶粒大小对材料的性能有很大的影响。他开始思考，当晶粒细到只有几个纳米大小时，材料会发生什么变化。回国后，他开始试验，经过将近4年的努力，制得了各种金属、无机化合物和有机化合物的超细粉末。在研究这些超细粉末时，他发现金属和其他材料的颜色也随之改变。纳米技术的发展尽管纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，但美国、日本和德国等少数国家已经初具基础，并在进行研究。新的理论和技术不断涌现，纳米技术的未来充满着无限的可能性。我国在纳米技术方面也在不断努力，研究队伍也在日渐壮大。当材料被制成超细粉末时，无论是瓷器上的釉、染料，还是各种金属，它们的颜色都会变成黑色。这是因为当材料的颗粒尺寸小于光波的波长时，它对光的反射能力变得非常低，大约低到小于1%。因此，超细粉末对光的反射能力很小，我们见到的纳米材料都是黑色的。纳米材料的性质变化令人难以置信。例如，美国阿贡国家实验室制备出一种纳米金属，使金属从导电体变成了绝缘体；用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品不再容易破碎。这些发现正在改变科学技术中的一些传统概念，因此，纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。纳米氧化铝是一种外观为白色粉末的材料，晶相为γ相，平均粒度为20±5nm，含量大于99.9%。它的熔点在2010℃-2050℃之间，沸点为2980℃，相对密度为3.97-4.0。纳米氧化铝的应用范围很广，包括天然纳米材料。海龟在佛罗里达州的海滩上产卵，但幼小的海龟需要游到英国附近的海域才能找到食物并生长成熟。最终，成年海龟会返回佛罗里达州的海滩产卵。这种长途跋涉能够成功进行，是因为海龟内部存在纳米磁性材料，可以精确地导航。生物学家研究了鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物，发现它们内部也存在纳米材料，可以帮助它们不迷失方向。纳米磁性材料是一种人工制造的纳米材料，具有特殊的磁学性质。由于纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和高矫顽力，制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可以制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑和选矿等领域。传统的陶瓷材料晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性。这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料。这种材料的含量变化像一个倾斜的梯子，使得金属和陶瓷能够相互结合。当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。纳米半导体材料也是一种重要的纳米材料，可以用于制造高效的光电器件和电子器件。纳米碳管是一种纳米级别的碳材料，具有极高的强度和导电性能。由于其独特的结构和性质，纳米碳管在材料科学、电子学、生物医学等领域具有广泛的应用前景。纳米碳管可以用于制备超强材料，如纳米复合材料、高强度纤维等。此外，纳米碳管还可以用于制备高性能电子器件，如场效应晶体管、光电探测器等。在生物医学领域，纳米碳管可以用于制备靶向药物输送系统，具有更好的药效和更少的副作用。然而，纳米碳管的制备和应用还存在着一些挑战和问题，如制备成本高、环境风险等。因此，未来需要进一步加强研究，探索更好的制备和应用方法，以实现纳米碳管的可持续发展和应用。1991年，日本电气公司的专家制备出了一种名为“纳米碳管”的材料。它由许多六边形的环状碳原子组合而成，可以是单层或多层管状物。这些管状物的直径和管长的尺寸都是纳米级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。如果将纳米碳管加热到700℃左右，管子顶部封口处的碳原子会因氧化而破坏，成为开口的纳米碳管。然后，用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上。由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家已经初具基础，但仍在研究之中。新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。纳米材料可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体四类。纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末也可用于多种应用，如高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维是指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。它可用于微导线、微光纤、新型激光或发光二极管等材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。它们可用于气体催化、过滤器、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米材料的应用非常广泛，主要用途包括：医药行业利用纳米技术制造药品，可以使生产过程更加精细化，并直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子可以使药物在人体内的传输更为方便，智能药物可以通过纳米粒子包裹进入人体后主动搜索并攻击癌细胞或修复损伤组织。同时，使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。家电行业使用纳米材料制成多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用于制造电冰箱、空调等电器外壳的抗菌除味塑料。电子计算机和电子工业已经开始投入生产纳米材料级存储器芯片，这些芯片的存储容量是目前芯片的千倍以上。随着计算机普遍采用纳米材料，它们可以缩小成为“掌上电脑”。环境科学领域将出现功能独特的纳米膜，这种膜能够探测由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。纺织工业可以在合成纤维