关于纳米技术(急需)

好那就来个简短的。概念：纳米科技为纳米尺寸下的科学技术。纳米英文是nanometer，是长度的单位，数学符号为nm。一纳米为十亿分之一米(1nm=1×10-9m)，相当于十个原子串联起来的长度，若以一米比为地球直径，一纳米大约为一个玻璃珠的直径。一般的来说，只要尺寸在 0.1 到 100 纳米之间的材料结构的物理化学性质研究，和这种材料结构的制造、操纵和测量等技术和仪器的研发，都可以称作为纳米科学和技术。应用：总结下就行了。缺陷：我看了一些文章都没提到缺陷，就是说技术还不够成熟。我只能回答这些了，剩下的还需要你去找。一、纳米技术的由来和发展 纳米技术，首先要了解纳米这一长度单位。一纳米是十亿分之一米，或千分之一微米。直观上讲，人的头发直径一般为20-50微米，单个细菌用显微镜测出直径为5微米，而1纳米大体上相当于4个原子的直径。传统的特性理论和设备操作的模型和材料是基于临界范围普遍大于100纳米的假设，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，材料的性质发生了意想不到的变化。由于组成纳米材料的超微粒尺度，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的40%-50%左右，使材料本身具有宏观量子隧道、表面和界面等效应，从而具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这些性质不能被传统的模式和理论所解释。 纳米技术就是研究结构尺寸在0.1至100纳米（有些资料为1至100纳米）范围内材料的性质和应用。它的本质是一种可以在分子水平上，一个原子、一个原子地来创造具有全新分子形态的结构的手段，使人类能在原子和分子水平上操纵物质；它的目标是通过在原子、分子水平上控制结构来发现这些特性，学会有效的生产和运用相应的工具，合成这些纳米结构，最终直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。 因而，各个不同学科的科学家潜心研制和分析纳米结构，试图发现单个分子、原子在纳米级范围内不能被传统的模式和理论所解释的现象以及众多分子下这些现象的发展，他们的工作奠定了纳米技术的基础，推动了纳米技术的发展。 让我们简单回顾一下它的历史： 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学会年会上预言：如果人们可以在更小尺度上制备并控制材料的性质，将会打开一个崭新的世界。这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志。 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。70年代美国康奈尔大学格兰维斯特和**曼利用气相凝集的手段制备纳米颗粒，开始了人工合成纳米材料。 1982年，研究纳米的重要工具-扫描隧道显微镜被发明。 1989年德国教授格雷特利用惰性气体凝集的方法制备出纳米颗粒，从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶体材料的概念，成为纳米材料的创始人。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举行。 1991年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍。 1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国夏威夷、瑞典举行。 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“ibm”之后，中科院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“**”二字。 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可称量十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。 到1999年，全球纳米产品的年营业额达到500亿美元。 由于纳米技术不可估量的经济效益和社会效益，包括为信息产业的电子、光电子的继续发展和提高；为制造业、国防、航空和环境应用提供更物美价廉的材料；为医疗、医药和农业上加速生物进步将起的作用，人类可以预计到21世纪，纳米科学和技术将会改变人造物体的特性，产生工业**。ibm的前首席科学家约翰·阿姆斯特朗在1991年写道"我相信纳米科学和技术将会是下一个信息时代中心，就像在七十年代的微米引起的**一样"。二、纳米技术的学科领域 纳米技术的发展使新名词、新概念不断涌现，象纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学、纳米化学等等，而且仍在不断扩大。现将几个主要的学科领域介绍如下。 纳米材料学 观测和研究纳米材料所具有的特殊结构，包括表面粗糙度、表面结构、颗粒大小、缺陷和材料制备。在纳米尺度下，物质中电子的量子力学性质和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，从而使其具有许多与传统材料不同的物理、化学性质。科学实验证明一克具有纳米尺寸的微粒，其表面积可达几万平方米，由于表面积增大，活性就增强；五颜六色的金属，由于吸光能力增加而一律变成黑体，熔点也随之降低。而且纳米铁材料的断裂应力比常规材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比一般材料快几千倍；纳米铜材料比常规铜材料的热扩散增强了近一倍。铜到纳米级就不再导电，纳米铜的膨胀系数比普通铜成倍增加。绝缘的二氧化硅、晶体等，在20纳米就开始导电成为导体。人们还发现，纳米颗粒的外形会逐渐变化，粒度越小，变化越强；纳米材料中有大颗粒“并吞”小颗粒的现象，纳米颗粒与生物细胞膜的物化作用很强，因而能被细菌吞噬而产生特殊的生化效应。正由于纳米材料这些奇特的力、电、光、磁、吸收、催化、敏感等性能而使之具有广泛而诱人的应用前景。如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色，而不改变物质的化学成份，最终实现根据材料的性能要求，设计、合成纳米复合材料。 纳米动力学 主要是微机械和微电机，或称为微型电动机械系统（mems），是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。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。微电子技术在许多领域引发了一场微小型化**，以加工微米、纳米结构和系统为目的的微米、纳米技术在此背景下应运而生，人们利用精细加工手段加工出微米、纳米级结构，组成mems，将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作。mems技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的任务。例如尖端直径为5微米的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3毫米大小的能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。mems技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。 纳米生物学和纳米药物学 首先要介绍一下dna芯片。dna芯片或称作基因芯片实质上是一种高密度的寡核苷酸（dna探针）阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术或其它方法将大量特定序列的dn**段（探针）有序地固化在玻璃或硅衬底上，构成储存有大量生命信息的dna芯片。dna芯片有可能首次将人类的全部基因（约10万个）集约化地固化在1平方厘米的芯片上，目前已达到的密度是40万种探针/芯片，每种探针间的空间尺度是12~20微米。在与待测样品dna作用后，即可检测到大量相应的生命信息，包括：基因识别、鉴定、基因突变和基因表达等等。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构成新的材料。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。目前，dna芯片不作为分子的电子器件，也不作为dna计算机用，主要起生命信息的储存和处理的功能。但正是基于它的对生命信息进行平行处理的原理，利用dna芯片可快速、高效、同时地获取空前规模的生命信息，dna芯片很有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中**性的新方法。它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高我们的人口素质和健康水平。总之，纳米技术在生物学和药物学的深入发展和广泛应用，将开辟一个生命信息研究和应用的新纪元。 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，也就是说空间体积要小，响应速度要快，单个器件的功耗要少。扫描探针显微镜就是为实现这一目标而诞生的，作为一种简单、直接而强有力的观察工具，一经问世立即被用于微电子器件的制造过程中。尤其是扫描探针显微镜中的激光力显微镜，它能在不接触表面的情况下绘制出电子元件表面图象。基于扫描探针显微镜的纳米刻蚀技术，可以实现在纳米尺度上制备产品，应用于微电子的工作介质上就有可能制造出高密度的存储器，其记录密度为目前磁盘的数千倍至上亿倍。通过极小的晶体管和记忆芯片几百万倍的提高电脑速度和效率，使今天的奔腾ⅲ处理器显得十分慢了。 纳米化学 纳米化学是研究物质在在原子级水平上的化学问题，是对此范围内的物质合成、纳米物质的表征方法、物质所表现的异常行为及其应用等方面的研究。它包括纳米材料合成方法的研究、纳米复合材料的制备、纳米材料特异性质的尺寸效应及其机理的研究、纳米材料的表征与检测、纳米仿生材料的研究、纳米催化的研究、纳米材料的工业化前途等等。其中我们着重介绍纳米催化。催化剂的性能很大程度上取决于它的表面效应，表面不饱和的性质对它的选择性能有很大的影响。有资料介绍，负载型纳米非晶态合金是较理想的催化加氢材料。用ni-b/sio2非晶态催化剂，催化**选择性加氢制备**反应，其转换率可达100%，而选择性为96%以上。以溶胶-凝胶法制备的γ-al2o3陶瓷膜，可用于超滤，或经过修饰成为催化膜用于膜反应器，实现分离反应一体化。由于膜表面的酸性，它还可直接作为催化剂用于酸性催化反应。 利用波美石（γ-alooh）溶胶胶粒，以过渡金属（包括贵金属）、**金属和碱土金属修饰，即可制成多种催化膜。ni/γ-al2o3催化剂具有高稳定性，在应用于850c下进行的甲烷部分氧化制造合成气反应中，具有大于95%的转化率，以及98%的co选择性。 气凝胶氧化物担载的co基催化剂，具有很高的f-t合成活性和烃产物选择性。zro2涂层sio2载体担载的co基催化剂，有利于重质产物的生成；而溶胶-凝胶法制得的zro2、sio2混合气凝胶担载的co基催化剂，则有利于液态烃的生成。 使用氩电弧等离子体制备的过渡金属、贵金属和**金属等的纳米金属催化剂，以及用合金制成的纳米**薄壳或储氩催化剂等，有望为规模生产提供基础。金属簇及金属离子对上述催化剂的修饰，在催化和合成领域的应用也是研究热点之一。纳米化学也可为纳米分子筛的合成提供途径。它除了有巨大的内、外表面积之比，高的晶内扩散性能外，更有利于提高负载性催化剂中金属组份的负载量及分散性能。三、纳米技术的产品领域 因纳米技术而得到发展和创新的领域和产品有： 1、电子和通讯：用纳米薄层和纳米记录点的全媒体存贮器；平板显示器；全频道通讯工程和计算机用的器件，信息存贮密度和运算速度都要比现在大3-6个数量级，且廉价而节能。 2、计算机：通过极小的晶体管和记忆芯片提高电脑速度和效率几百万倍，体积只有针头大小的计算机。 3、纳米医疗：新的纳米结构药物；可到达身体的指定部位的基因和药物传送系统；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自诊系统；生物传感器；骨头和组织的自生长材料。 4、化学和材料：能提高化工厂燃烧效率，减少汽车污染的各种催化剂；超硬但不脆裂的钻研头及切削工具；用于真空封接和润滑的智能磁性液体；化学、生物载体的探测器和解毒剂。 5、能源：高电能存储量、体积和重量小且成本低的新型电池；使用人工光合作用的清洁能源；量子阱式太阳能电池。 6、制造工业；基于扫描隧道显微镜原理的一系列扫描探针显微镜和测量仪器的微细加工；新的操纵原子的工具和方法；渗有纳米粒子的块状材料；使用纳米粒子的化学/机械磨削。 7、飞机和汽车：由纳米粒子加强的轻质材料；由纳米粒子加强的轮胎，耐磨，可直接再生；不需要洗涤的外壳油漆；廉价的不燃塑料；有自修补功能的涂层和纤维；生产出比钢强度大10倍，而重量只有其几分之一的材料来制造各种更轻便，更省燃料的交通工具。 8、航天：轻型航天器；经济的能量发生器和**；微型机器人。 9、环境保护：工业废污处理；廉价的海水除盐膜；确定环境中纳米粒子的效应；从原子或分子做起的制造工艺，无切削、无化学处理，材料消耗最少。四、纳米技术的国际竞争 纳米技术的发展有十分重要的意义，它将改观人类传统的生产模式，提高社会生产力，并有可能从根本上解决目前人类所面临的环境污染、生态平衡破坏、原材料与能源消耗等诸多严重问题；同时，纳米科技能够开发物质潜在的信息和结构潜力，使单位体积物质储存和处理信息的能力提高百万倍以上，因而它产生的经济效益和社会效益不可估量，必然会成为下一个信息时代的核心。 美国作为一个**和经济大国，最早成立了纳米科技研究中心，开展了预研究，ibm和德克萨斯仪器公司都是积极参与者。在加州大学伯克利分校、圣巴巴拉分校、斯坦福大学、加州理工学院等十多所著名大学、研究机构都在重点发展纳米科技研究。1988年美国能源部召集专题研讨会“团簇及团簇组装材料相关的研究战略”，表现出对这一前沿领域的高度重视；1989年美国nmar-nrc又召集专题研讨会“具有亚微米尺度材料的研究战略”；1991年以后，美国正式把纳米技术列入"**关键技术"的第8项和"2005年的战略技术"，报告提出："微米级和米级制造涉及显微量级（微米）和原子量级（纳米）的材料及器件的制造和使用，对先进的纳米级技术的研究可能导致纳米机械装置和传感器的产生。……纳米技术的发展，可能使许多领域产生突破性进展"；1992年美国启动“**倡导的材料r&d项目”，旨在促进超细及纳米材料的商业化；1993年美国再次启动联邦先进材料及过程项目推动该领域技术的商业化；1999年美国对各国纳米技术的现况进行调查后认为，当前美国在合成、化学品和生物方面占优，而在纳米器件、纳米仪器的生产，超精密工程、陶瓷和其他结构材料方面落后于其他**。日本则在纳米器件和汇合的纳米结构方面占优。欧洲在纳米分散剂、涂层和新型仪器方面占优。美国还发现日本、德国、英国、瑞典、瑞士等都已经建立了优良的研究纳米技术中某些专门领域的中心。 日本也早在80年代初就以巨资投入纳米技术研究，制定了庞大的**计划，从1991年起实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制订的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术。德国在1993年提出今后10年重点发展的9个关键技术领域，纳米技术就涉及其中4个领域，德国**每年投入约5000万美元，用于基础及应用开发。英国也制订了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域遴选了8个项目进行研究。 今年新年伊始，美国**克林顿在加州理工学院宣布了美国的**纳米技术倡议（nni），并在2001年财政年度给nni研究经费5亿元。并成立一个组织叫iwgn，成员包括商业部、**、能源部、技术部、**航空航天部、**卫生组织、**科学基金会7个单位，可接受有关的科研项目申请。克林顿说：“我的预算支持一个比较重要的、新的**纳米技术倡议（nni），即在原子和分子水平上操纵物质的能力，价值为5亿美元。试想一下这些可能性：材料将10倍于钢的强度而重量只有其数分之一；国会图书馆内所有的信息可以压缩在一块方糖那样尺寸的器件中；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可探测到。我们的某些目标可能需要20年或更长的时间才能达到，但这恰恰是为什么**要在此起重要作用”。美国**的结论是：集成电路的发现创造了“硅时代"和“信息时代”，而纳米技术对社会的冲击将远比硅集成电路大得多，因为它不仅在电子学方面，还可以用到其他很多方面。有效的生产性能改进和制造业方面的进展，将在二十一世纪推动产业**。 我国在纳米技术领域的研究也已起步。**科学院、**真空学会分别召开研讨会讨论我国纳米科技的发展战略，纳米材料的研制已被**列入攀登计划、“863”计划、攻关计划、火炬计划等，纳米加工和dna结构的stm研究也已被列为中科院八五重大基础研究项目。去年，科技部又启动了有关纳米材料的**重点基础研究项目，投入数千万资金支持基础研究。我国已有了自己的纳米技术产品，建立了十多条纳米材料和技术的生产线。深圳中星汽车制造公司最近研制成功的纳米超级电池开始小批量生产，其产品在导电性能、储电能力、连续放电时间、体积和重量、成本等方面都远远超过了镍镉、镍氢、锂锰电池。由江苏五菱柴油股份公司、江苏常泰化工集团公司、西北大学、化工科技总院共同组建的江苏常州市五菱常泰纳米材料有限公司，是我国第一家用均匀沉淀法生产纳米氧化锌的高科技企业，实现了工业化生产。我国在纳米材料的性能研究上也有新突破，中科院沈阳金属研究所卢柯研究员领导的小组利用新的制备工艺，制造出大量高密度、高纯度的纳米铜，其晶粒尺寸仅有30纳米，在世界上首次直接观察到纳米金属材料在室温下的超塑延展性。中科院化学所将纳米技术的研究成果应用于纺织行业，经过处理的衣料，改变了以往对油、水“一亲一憎（或亲水或亲油）”的性质 ，实现“双亲”、“双憎”。西安交大用纳米材料制造显示器，比普通液晶显示器节能、清晰度高、重量轻，可用于生产挂壁式电视机。 20210311