纳米技术及应用
纳米技术及应用
材料科学与工程(MSE)是一门交叉科学，涵盖了新型结构材料、信息功能材料、复合材料、能源材料和纳米材料等等。这里仅扼要介绍一下纳米材料。
1．纳米和纳米技术
纳米（Nano meter）又称毫微米，是一种长度单位。把1米分成10亿份，一份就是1纳米（1nm=10-9m）。
1982年,一种奇特的显微镜(扫描隧道显微镜)发明后，便诞生了一门以0.1至100纳米尺度空间为研究对象的前沿学科，就是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新学科，米科技。
2．纳米材料的特性
A．特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑。事实上，所
有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑。尺寸越小，颜愈黑，银白的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。199151放假 2022年春的海湾战争，美国F－117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
B．特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。例如, 在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l％重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加l倍。
C．特殊的磁学性质
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 2*10台风走向-2微米的磁性氧化物颗粒。
当颗粒尺寸减小到 2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6*10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘及磁卡中。利用超顺磁性，已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
D．特殊的力学性质
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应，1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就像一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。
研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。
E． 特殊的电学性质
由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。
还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。
这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓的单电子器件。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成计算机芯片其容量和计算速度不知要提高多少倍。
3．纳米技术的应用
纳米这项新技术的诞生，其用途之广，涉及领域之多，前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科，学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等，着十分宽广的学科领域。二十一世纪，纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。
在未来的20至30年内,纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻影响:监理中标通知书
    一、社会生产途径；
    二、人类生活方式；
    三、人们思维模式。
所以，纳米技术的出现,标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶。
a． 纳米电子学
电子器件的集成度已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。
纳米电子器件中最有应用前景的是量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件。开发单电子晶体管, 只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的1000—10000分之一。
基于利用 STM 对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面有原子的位置为开封府演员表“1”，没原子为“0”，这不就可以表示二进
制吗？这不就是存储器吗？一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！
b．纳米材料学
科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。
纳米陶瓷材料能够弯曲180度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。
具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。碳纳米管可能做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。
太空升降机
由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从同步轨道卫星下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到太空旅行将是一件轻而易举的事情。
纳米壁挂电视
用纳米有机发光材料制作的电视屏幕可以像一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料既具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜的光。用碳纳米管制成电子,可点亮新一代平面显示屏。
纳米固体燃料
实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力。
纳米隐身飞机
在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸收雷达波，这就是隐身飞机。纳米卫星、微型飞船和原子精密度计算机，将一一成为现实。
c．纳米机械学
车、钳、刨、铣等机械加工过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是以相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。科学家们已经用原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技制造了纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关和分子马达等。
纳米机械产品
用极微小部件组装一辆比米粒还小中国婚纱品牌,能够运转的汽车、微型车床,可望钻进核电站管道系统检查裂缝;只有蜜蜂大小且能升空的直升机;眼睛几乎看不见的发动机;提供化工使用的火柴盒大小的反应器。
纳米机器人
机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。 纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。
d．纳米生物学
生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。
生物学家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念，如生物器件。它的特点是像遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，利用生物零件可以组装具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。
中秋法定假日
纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子的能力高数百倍，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将二氧化碳带走。
科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。
由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。
e．纳米添加改性技术
在陶瓷、釉料、油漆、水泥、涂料和纤维等常规材料中添加极少量的纳米粉末，则韧性强度耐磨性均有明显提高。
例如在常规橡胶中添加极少量的Al2O3纳米粉末可制成彩橡胶。
又如在玻璃钢里添加极少量的SiO2纳米粉末，其硬度接近金刚石，光洁度也明显提高。SiO2纳米粉末市场价约为10万元/吨。
f．团簇物理学
纳米技术的基础理论是团簇物理学，如C60，俗称足球苯，由60个C原子构成足球结构。

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