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纳米材料的发展简史
www.ssfcn 2007-7-10 5:19:00
其实，纳米超微粒子早已广泛存在于自然界中，并且与人类的生命活动密切相关，如我们所熟悉的动物的筋、皮、骨都是纳米物质。早在1861年，人们对化学中所谓的胶体（即纳米体系）曾开展研究，但人们有目的地制取并研究纳米晶体却在20世纪60年代和80年代。
利用现代技术完成的第一块纳米材料，是出自德国科学家格莱特（H.Gleiter）之手。1984年，他将6nm大小的金属粉末压制成型，烧结得到纳米微晶体块，成为纳米材料的开山之作。他还探索了其内部结构，发现了其界面的奇异结构和特异而优越的性能。由于纳米颗粒的尺寸已经很接近原子、电子的大小，量子效应便开始影响物质的结构与物理、化学性能。实验检测表明，纳米材料在机械强度、磁、声、光、热等方面，与普通材料都有较大的差异，由此可制成性能特别优良的各种特殊材料。
纳米科技的正式"出场"亮相，颇有点戏剧性，其实是一幕刻意导演出来的"小品"。那是1990年的一天，在美国麻省理工学院举办的科技展览会开幕之前，当与会的科学家们进入
展览大厅时，忽然间被一个小东西所吸引--只见这个仅有跳蚤般大小的东西从眼前光滑的地板上一溜滑过去，科学家们在展览会工作人员的协助下，才"捉"住这片神秘的不速之客--微型机器人。奇妙而惊人的是，就是这么个小不点儿，竟然五脏俱全：其"身体"是由许多齿轮等零件、涡轮机和微型电脑组成，其齿轮或零件小得竟如空气中飘浮的尘埃，需要借助电子显微镜方可看清其真面目(外形、结构等)。而其"大脑"，则能够对各种外来 信息和刺激迅速做出反应。这个纳米机器人，就是享誉全球的贝尔实验室的惊世杰作。同年3月，美国犹他大学和加州大学的科学家，也先后研制完成几种极其微小的纳米量级的旋转电机和摇摆式电机，其玄妙的机体，只有用显微镜才能窥探清楚。也是这一年，美国成功地举行了首届纳米科学技术大会，正式创办《纳米技术》杂志。这一切向全世界宣告：纳米科技、纳米机械诞生了!
总结起来，纳米材料的研究发展阶段大致分为三个阶段。
第一阶段（1977-1990年），以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议（NTS-1）为标志，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。
第二阶段（1990-1994年），以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材
料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。
第三阶段（1994-至今），纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维、三维空间组装纳米结构体系。
纳米技术的发展和应用 **************** 林培栋 **************** |
【摘 要】简要介绍了纳米技术的概念以及国内外纳米技术的发展和应用的现状，预测纳米技术发展的巨大潜力。 【关键词】纳米技术；纳米材料；碳纳米管；巴基球；发展应用 |
美国纳米技术理论研究家德埃里克.雷克斯勒认为：纳米技术将可能迅速改变物质产品生产方式，从而导致社会发生巨大变革。
纳米是一个长度单位，一纳米即为10亿分之一米，氢原子是最小的原子，它的直径约为0 .1纳米。一纳米相当于10个氢原子一个接一个排起来的长度。早在150年前，微米成为新的精度标准后，微米技术给我们带来了巨大的发展，它奠定了世界工业化的基础。1991年，美国IBM公司的物理学家们利用扫描隧道显微镜和类似小镊子的工具移动氙原子，并把它们拼写成该公司的三个商标字母，这一自由移动和操纵单个原子的能力--纳米技术，使人们看到了能够设计和制造分子大小的器件的希望，这意味着人们可以在原子尺寸的基础上控制纳米级尺寸机器结构的制造，从而产生极纯的材料，丰富多样的新产品。从此纳米技术变得灸手可热了，在短短的10年里，纳米技术取得了飞速的进展。
纳米技术是指研究电子、原子、分子在0.1～100纳米尺度空间内的运动规律、内在运动特点，并利用这些特性制造具有特定功能设备的高技术。纳米技术要追求的目标是能够操纵原子水平上的研究和制造体积不超过数百纳米的物体或机械，纳米技术正在微电子机械技术、微机电技术、雷达信息技术及医学、材料科学、计算机等领域引发一场技术革命。纳米技术已成为由化学、物理学、生物学、电子学等多种相互交叉而形成的一门新学科。它是物理、化学等基础理论学科的微观研究与当代精密仪器和先进分析、测试技术等高新技术手段相结合的结晶。
纳米材料及其制备和应用
纳米材料又称纳米相材料，其基本颗粒直径不到100纳米，由于尺寸小，纳米粒子具有小尺寸效应，大的比表面和宏观量子隧道效应，许多物质一旦被制成纳米材料后，它们在磁、光、热、电、催化、生物、机械等理化性质就会发生巨大的变化，具有常规材料所不具备的奇异或反常的理化性质。近几年来的研究已经证实，纳米陶瓷在常温下韧性大大提高；纳米金属的熔点比普通金属低几百摄氏度，气体在其中的扩散速度比一般材料快几千倍；纳米复合材料对光反射率极低，有很高的吸收电磁波的作用；纳米材料颗粒与生物细胞的物化作用很强等等。因此纳米材料在许多领域中有广泛的应用前景，有人预言：“21世纪将是纳米材料在许多新现象、新性能、新应用方面开花结果的时代”。
我国在纳米材料的制备和应用方面达到了国际领先水平。山东青岛化工学院纳米材料研究所在国家计委的支持下，研制和发明了“金属和氧化物纳米材料”和“高熔点纳米金属负载催化剂制备”新工艺，并正在研制开发多功能纳米塑料和纳米无机抗菌纺织品；合肥中科院固体物理所与地方企业合作，建成50吨和500吨二氧化硅纳米材料生产线，开发了防眩光、辐射、静电的三防纳米电子材料--三防涂料；中科院化工冶金所采用NPP生产纳米级活性
氧化锌的新技术和新工艺，与地方合作，在陕西、江苏生产纳米氧化锌。纳米氧化锌具有抗菌防辐射等多种功能，在电子、纺织、建材、生物医药及航空航天等领域有着广泛用途；华东理工大学技术化学物理研究所引进国外等离子体纳米颗粒制备装置，制备出Mo、Tin、TiO2、ZrO2等多种金属氮化物和氧化物纳米粒子，被成功地应用于环保行业；北京有金属研究总院研制出的纳米铜粉在汽车尾气净化处理过程中，可以用来部分代替贵金属铂和钌催化剂，使汽车尾气中有毒性的一氧化碳转变为二氧化碳，一氧化氮转变为二氧化氮。由于纳米铜粉颗粒极细而且软，是一种很好的润滑剂，用于汽车引擎的润滑油中，可以提高引擎汽缸和活塞的耐磨性能，用于引擎镀铜液，在引擎运转过程中，可以修复汽缸中的缺陷，对减少汽缸的摩擦磨损和延长发动机使用寿命是十分有益的。用纳米铜粉制备的超细厚膜浆料，可用于大规模集成电路中。在粘结剂中加入适量的纳米铜粉，可以提高粘结强度，避免在粘结区发生脆断。在生物工程中，纳米铜粉可以用来作细菌的过滤器。用于工程结构材料中，可以提高材料的抗张强度和导热性能；清华大学成功地制备出直径为3～40纳米、长度达微米量级的一维氮化镓半导体纳米晶体。
碳纳米管
取保候审的期限 碳纳米管是纳米材料中的一种，它是于1991年由日本科学家首次发现的。碳纳米管可以看成是由层状结构的石墨卷曲而成的纳米尺寸的空心管，由于卷的角度和直径不同，有不同结构的碳纳米管，即有左螺旋的和右螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁碳纳米管，多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管，这些由石墨片卷起来构成的稳定结构，统称为“富勒烯”或“富勒体”。由于碳纳米管具有很多惊人的特性，如它的强度比钢大100倍，密度只有钢的1/6，而且有很好的韧性；它有奇异的导电性质，在室温下，可以无电阻地输运电流等，因此碳纳米管已成为目前国际上最热门的研究课题之一。我国北京大学、中科院物理所、中科院金属研究所对碳纳米管的研究也达到了国际领先水平。如北京大学纳米技术研究人员大量合成了单壁碳纳米管，经纯化含量大于90%，并在世界上首次将单壁碳纳米管组装牢固竖立在黄金薄膜表面上，做出了世界上最细、性能最好的扫描探针；中科院物理所利用有机气体热解法合成出大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管列阵，经工艺改革，实现了催化剂颗粒集中在碳纳米管顶部的顶端生长方式，成功地控制了碳纳米管的生长模式；中科院金属研究所采用有机催化热解的方法，制备出优质的纳米管带和绳。
碳纳米管是最具有特征的人造纳米材料，可以广泛应用在新一代电子器件及电子、通信、传感、生物和国防等领域中，目前碳纳米管已被用于扫描探针显微镜、扫描隧道显微镜、
原子力显微镜的针尖，阵列场发射电子源、阵列场发射显示器。日本科学家已成功地采用了碳纳米管作为像素，制成4英寸大小的新式壁挂电视；巴西和美国科学家利用碳纳米管发明了纳米秤，可以称量十亿分之一克的物体。
纳米技术方兴未艾
房门效果图目前纳米技术刚刚诞生十几年，离真正的大规模实际应用还有相当的距离。尽管如此，这种新技术和新学科已显示出惊人的发展速度和巨大的开发应用前景，人们都在致力于研究在原子水平上进行设计和制造想要得到的材料和物质。美国洛杉矶加利福尼亚大学和惠普实验室已到了一种由分子自行组装的所谓“逻辑门”，旨在缩小芯片上的线路，生产单面体积仅为100纳米的芯片，以便制造只有针头大小的计算机；美国迈特公司已设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，目前这种机器人的长度约为5毫米，进一步的目标是利用纳米制造技术制造出体积不超过灰尘微粒的机器人；美国波士顿大学的化学家已制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成；日本东京的工程师创造出了硅微型昆虫能飞行几厘米；德国的科学家制造了一架只有黄蜂大小的直升飞机，重量不到0.5克，能升空130毫米；美国纽约大学的科学家在研究脱氧核糖核酸的同时，正在致力于使用基因
分子制造出机械位移精确到纳米的生物机械装置；以列和美国的材料学家正在利用碳纳米管具有的神奇性能研制高强度的轻便的刀不入的防弹背心和服装。纳米技术已成为划时代的高新技术，它已成为各国科技界研究开发和关注的焦点，纳米技术的迅速发展，可能引起21世纪又一次产业革命，也将使未来的战争面貌和形态发生根本的变化。□
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