纳米材料的特点及原因；纳米材料的应用潜力。

丁付全

序

一、纳米技术和纳米技术的基本概念

第二，纳米技术发展的十年

第三，“纳米热”

第四，纳米技术的应用

动词 （verb的缩写）结论

参考

纳米技术——21世纪三剑客之一

序

人类从工业经济向知识经济转变的时代，正是20世纪和21世纪交替的时候。因此，20世纪是工业经济高度发达的世纪，21世纪是知识经济兴起的世纪。知识经济的基本特征预示着人类经济乃至整个人类社会将在21世纪发生许多深刻的变化，经济发展的可持续性将推动人类进入一个新的文明时代。人类的知识不仅仅是“重新排列”材料，使其得到充分开发的知识。重新整理“人文精神”的知识也会得到更大的发展。

今天，纳米技术发展的浪潮正在全世界兴起。这是人类科学进步的又一体现，是发展新经济的又一机遇，是人类创造科技奇迹的又一重大机遇。因此，各国的科技力量聚集在这个纳米技术发展的大战场上。排好队，各就各位，打这场战场。有人说这是一场没有硝烟的激战，是一场高科技领域的世界竞争。它的科技含量和创造辉煌的程度将超过人类的任何科技成果。

一、纳米技术和纳米技术的基本概念

“纳米”是英文namometer的翻译。“纳米”的另一种说法来自拉丁语“纳米”，意思是“短”。纳米是测量单位，也是长度单位。纳米材料构建的物质是看不见摸不着的微观物质。

1 nm，即1nm=10-9m，即十亿分之一米，大约是45个原子串在一起的长度，或者说1nm大致相当于4个原子的直径。如果把1m和1nm相比，相当于地球和一个玻璃弹珠相比的大小。一根人类头发的直径大约是80μm(微米)，也就是80000nm。如果一个汉字的书写尺寸是10nm，那么在一根头发丝的直径上可以写8000个字，相当于一篇长篇科技论文的容量。

所谓纳米技术，是以1~100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新学科，是指按照人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子群，重新排列，形成纳米尺度的新物质或结构，研究其特性，从而制造出具有新功能的器件、机器等应用的科学技术。

可见，纳米技术的首要任务是通过各种手段，如微加工技术、扫描探针技术等，制备纳米材料或纳米尺度的结构。其次，借助多种先进的观察测量技术和仪器，研究纳米材料或纳米尺度结构的特性，最后根据其特殊性质开展相关应用。因此，在一定程度上，纳米材料、纳米制造技术和纳米测量表征技术构成了纳米技术发展的三个非常重要的支撑技术。纳米技术发展的领域主要包括:纳米系统物理、纳米系统化学、纳米材料、纳米电子学、纳米光子学、纳米力学、纳米加工制造、纳米表征测量和纳米医学等等。

第二，纳米技术发展的十年

追求新鲜感和进步是人类文明的动力。纳米技术在20世纪90年代成为一门独立的学科。第一届国际纳米技术大会(Nano I)于65438-0990年在美国巴尔的摩召开，并成立了常设机构——咨询委员会，中国是其成员之一。委员会将纳米技术的研究范围分为六个部分。

纳米科学分类

纳米电子学

纳米物理学

纳米化学

纳米生物学

纳米机器

纳米测量

65438+第二届国际纳米技术会议(Nanoⅱ)于1993年8月在莫斯科召开+第四届国际纳米技术会议(Nanoⅳ)于1996年在北京召开。2000年，第六届国际纳米技术会议(Nano ⅵ)在德国召开。

第三，“纳米热”

纳米电子学在纳米技术中起着主导作用，因为它是下一代微电子学的发展方向。现在发达国家的主导产业是以微电子为基础的电子产业，不再是钢铁、材料、能源、化工、交通。目前，所有发达国家的政府和企业都在大力投入纳米技术的研发，试图抢占21世纪的战略技术制高点。5438年6月+2000年10月，美国总统克林顿在加州理工学院的演讲中说:“我们将在原子和分子水平上操纵物质。想象一下这种可能性，材料有钢的10倍强度，但重量只有钢的六分之一；把国会图书馆的所有信息压缩到一个只有方糖大小的装置里；当肿瘤只有几个细胞大时，它就可以被检测出来。”

2001 1 18.中国成立了中国纳米技术指导和协调委员会，以制定发展中国纳米技术的计划。目前，国家已初步计划在北京和上海建立两个R&D中心(纳米技术创新基地)。

目前，我国纳米技术发展的主要任务是:①加强纳米技术前沿的基础研究和基础工作；(二)突破一批纳米技术发展的关键技术；③发展纳米材料和器件的应用，培育相关产业；④建设国家纳米技术基础设施和研发基地；⑤建立一支高素质的纳米技术骨干队伍。

德国科技部在1996年预测了2010年纳米技术的市场，预计达到1440亿美元。

第四，纳米技术的应用

纳米材料

1.纳米材料和纳米结构的定义

广义的纳米材料是指在纳米尺度范围内(1~100mm)的三维空间中至少有一个维度的材料或以它们为基本单元组成的材料。纳米结构是指由纳米级的基本单元按照一定规律构筑或组装而成的一维、二维或三维体系。

纳米材料和纳米结构是新材料领域最具活力的研究对象，对未来的经济和社会发展有着非常重要的影响，也是纳米技术应用最活跃、最接近的领域。

2.纳米材料的特性

(1)表面和界面效应

这是指纳米晶颗粒表面的原子数与总原子数之比随着颗粒尺寸的减小而急剧增加所引起的性质变化。比如粒径为10 nm时，颗粒含有4000个原子，表面原子占40%；当粒径为1 nm时，颗粒含有30个原子，表面原子占99%。主要原因是直径减小，表面原子数增加。再例如，当粒径为10 nm和5 nm时，比表面积分别为90 m2/g和180 m2/g。这么高的比表面积，会出现一些非常奇怪的现象，比如金属纳米颗粒在空气中燃烧，无机纳米颗粒吸附气体等等。

(2)小尺寸效应

当纳米粒子的尺寸等于或小于光波波长、导电电子的德布罗意波长、超导态的相干长度和传输深度时，其周期性边界被破坏，使其声、光、电、磁和热力学性质呈现出“新奇”现象。例如，当铜粒子达到纳米尺寸时，它们变得不导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时开始导电。再比如，高分子材料和纳米材料制成的刀具比金刚石制品更硬。利用这些特性，太阳能可以高效率地转化为热能和电能，有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

(3)量子尺寸效应

当粒子尺寸达到纳米级时，费米能级附近的电子能级被连续态分裂成三个能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，就会出现纳米材料的量子效应，使其磁、光、声、热、电、超导性质发生变化。比如有一种金属纳米颗粒，吸收光的能力非常强。如果你把这个粒子的千分之一放在1.1365公斤的水中，水就会变得完全不透明。

(4)宏观量子隧道效应

微观粒子穿透势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化也具有隧穿效应，它们可以通过宏观体系的势垒发生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧穿效应。

3.纳米材料的应用

纳米材料具有许多优异的性能，可广泛应用于光电器件、敏感传感器、隐身技术、催化、信息存储等领域。包括建筑、化工、纺织、汽车、环保。例如，纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光性好等特点，可用作制作人工骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞船等的“头盔”，可制成“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”。纳米塑料是一种高强度、不老化的新型塑料。其硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢的1/4，因此透光性好，不变性。如果一辆车是纳米塑料做的，那么它的重量只有钢铁做的车的1/4。还有所谓的纳米金属、微孔玻璃、纳米金刚石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等等。

(2)纳米计算机

计算机是20世纪人类的一项伟大发明。由于纳米材料和纳米技术的出现，以纳米结构技术为支撑，由纳米材料组装而成的新一代计算机将是21世纪最重要的科技发明之一。

纳米计算机的核心部件是纳米芯片。有所谓的蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高。实测每平方厘米有1015到1016个芯片，比硅集成电路高出3-5个数量级，存储容量可达普通计算机的100亿倍。DNA芯片又称基因芯片，在一个1立方毫米的芯片上可以容纳10亿比特，运算速度可以达到10皮秒(百分之一秒)，比现有的计算机快了近1万倍。计算机芯片的不断更新将使计算机更加智能，提高互联网的速度，并极大地促进电子商务、高清电视和无线通信的发展。

在新型纳米芯片的支持下，纳米计算机包括所谓的超导计算机、化学计算机、光学计算机、生物计算机(其中DNA计算机速度很快，几天内的计算量相当于世界上所有计算机问世以来的计算总量)、量子计算机(其基本组成部分是原子和分子)、神经计算机(用许多微处理器模仿人脑的神经元结构，用大量并行分布网络组成神经计算机，也称为人工大脑)。

(3)纳米武器

纳米技术的军事应用主要集中在两大类:纳米信息系统和纳米攻击系统。

纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前开发的主要产品有:

1.微型间谍飞机。它只有15 cm长，至少可以飞行1小时，飞行距离可以达到十几公里。侦察，收集情报信息，起到潜伏哨的作用，未来可以做得大如蜜蜂。

2.袖珍遥控飞机。这是一个比扑克牌还小的遥控飞行装置。飞机装有超灵敏传感器，不仅能闻到柴油机排出的废气，还能在夜间拍摄清晰的红外照片。它能把最新的情报信息传送到200公里外的基地。

3.《间谍草》。实际上，它是一个分布式战场微型传感器网络，看起来像草，配备了灵敏的电子侦察仪器、摄像头和传感器。

4.纳米卫星。采用微机电和纳米电子技术制造的惯性探测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统和各种传感器核心作为星上器件，可以大大减小卫星的体积和重量。重量小于100g。纳米卫星的本质是一个分布式卫星结构系统，它被排列成局部集群或分布式星座。这种分布式系统可以避免单颗卫星故障带来的危害，提高空间系统的生存能力和灵活性。这种卫星可以用小型运载火箭一次发射数百颗甚至数千颗。

5.高性能敌我识别。

6.有毒化学战剂报警传感器。

纳米攻击系统。这是用纳米技术制造的微型智能攻击武器。还有所谓的微型机器人电子失能系统、昆虫平台、“蚂蚁士兵”、“机器虫”、“蚊子”导弹、“针尖”炸弹(其大小仅为针尖的1/5000)。

这些微型武器在战斗中被广泛使用，将取代或击败曾经令人生畏的重型武器系统。所谓小鱼吃大鱼。

这些微型战士是按照兵种和军种分类的，包括所谓的微型陆军、微型空军、微型海军(纳米鱼雷、纳米水雷、纳米导弹、纳米炸弹、纳米雷达、水下深潜探测器、无人水面侦察快艇、微型侦察潜艇等。)和微天军。纳米武器具有超小型化和智能化的明显优势，因此攻击敌人的神经系统必然是纳米武器的首选。通过纳米武器辐射出的巨大战争威力，使敌方的宏观作战体系“骤然瘫痪”，以至于不得不屈服于微型武器带来的战争压力。

21世纪的战争会是什么样子？战场会发生什么变化？如何备战？这是关系到各国国家战略全局和国防发展战略的重大问题。因此，科学预测21世纪可能发生的战争和战场形态，已成为世界各国谋求国家安全的重要途径。学习前预测的主要依据是当今微电子技术的飞速发展。

未来的战略竞争将是硬件技术和软件技术的竞争。

纳米工业化

用纳米技术制造机器-微观力学。这种微观力学虽然极小，却是“完整”的。它既有大脑(计算机和控制器)，又有手脚(传感器和驱动器)，还有电源。它是机、电、磁、光学、化学、计算机、自动控制、传感技术、信息处理等多种技术集成或融合的产物。

例如，用成千上万个非常便宜的微小而简单的机器人收割作物，就像一群蝗虫收割一种作物，比使用大型联合收割机还要快。

地下电缆断了以后，让成千上万的微型机器人沿着电缆爬行，爬到断端的时候抬起前脚，放在前端的断端上，这样微型机器人就成了连接线，永远留在电缆上。

纳米农业

(六)纳米医疗保健系统

纳米技术的应用将在许多医学领域取得突破，如基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和战胜癌症。

(7)全新的服务业。

21世纪，随着纳米技术的发展和普及，一个全新的纳米产品服务业将会诞生。它将给人类带来一个全新的生活和工作空间。

1.更多精彩纳米世界电影

纳米世界和宏观世界、中观世界一样，有各种微观物质活动。而且活动的种类和内容更加丰富多彩。可想而知，如果人们想看一部关于病菌与杀菌分子机器人“决斗”的纪录片。无数的分子相机可以放入血管进行直播或拍摄。其真实性大于真人电脑生成的仿生漫画。

利用这种纳米薄膜形式，还可以帮助人们诊断疾病，观察病人的治疗情况。

2.纳米电视

265438+20世纪，10年，将会出现一种由薄如纸的纳米材料制成的大屏幕液晶显示屏。这种电视清晰度高，无辐射，耗电低。其显示材料由特殊的纳米级材料组成。而且电视所有的电器都用纳米元件。

3.纳米新闻材料

4.优美的自然音乐

自然界有许多优美的声音和旋律，如鸟鸣、鸡鸣；瀑布咆哮，河流咆哮，等等。在微小的纳米世界里，各种物质的分子和原子运动时，也有优美的音乐旋律。

5.纳米光盘出版物

一张3英寸的光盘可以存储几十万亿个字符。如果使用生物碳纳米管，存储容量会更大，达到1T(万亿)个字符，相当于65438+1亿本书。

6.餐饮业中的纳米科学

动词 （verb的缩写）结论

纳米技术是一把双刃剑。

有一种纳米材料，由于体积小，在常温常压下由于布朗运动而悬浮在空间或液体中，即所谓的浮散行为。因此，在使用这种材料时，要特别注意这种漂浮特性，否则会对人体环境和身体造成污染和侵害。由于纳米材料非常小，很容易通过各种渠道进入人体，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊和毛孔，是一种比空气中的灰尘危害更大的污染，不可掉以轻心，否则可能会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等危害人类更严重的自然灾害。当然，还有其他潜在的危险。纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有内部的停止信号，那么灾难极有可能发生。快速复制纳米机器人在人体内的扩散速度比癌细胞还快，会排挤正常组织，等等。

但是，我们不能因为噎废食。虽然纳米技术专家不排除这些危害，但他们都相信自己能够应对。

纳米技术将给人类带来无限光明的未来。

参加考试，贡献力量

1.薛增泉。纳米技术的探索。北京清华大学出版社2002。

2.龚建华。进入纳米世界。广东:经济出版社，2001。

3.顾宁、傅德刚、张等。纳米技术及其应用。北京:人民邮电出版社，2002。

4.赵东等。纳米技术与纳米武器。军事文怡出版社，2001

5.李丰生等。纳米/微米复合技术及应用。北京:国防工业出版社，2002。

6.张玉龙等人,《纳米技术和纳米塑料》。北京:中国轻工业出版社，2001。