什么是納米技術(shù)
作者:訪(fǎng)客發(fā)布時(shí)間:2021-08-18分類(lèi):石油化工瀏覽:99
納米技術(shù)(納米科技nanotechnology) 納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。 從迄今為止的研究狀況看,關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念。第一種,是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書(shū)中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念,可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化,從而可以任意組合所有種類(lèi)的分子,可以制造出任何種類(lèi)的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)未取得重大進(jìn)展。 第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過(guò)納米精度的“加工”來(lái)人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù),也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限。現(xiàn)有技術(shù)即便發(fā)展下去,從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度。這是因?yàn)椋绻央娐返木€(xiàn)幅變小,將使構(gòu)成電路的絕緣膜的為得極薄,這樣將破壞絕緣效果。此外,還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題,研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。 第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來(lái),生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。 所謂納米技術(shù),是指在0.1~100納米的尺度里,研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和特性的一項(xiàng)嶄新技術(shù)。科學(xué)家們?cè)谘芯课镔|(zhì)構(gòu)成的過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)在納米尺度下隔離出來(lái)的幾個(gè)、幾十個(gè)可數(shù)原子或分子,顯著地表現(xiàn)出許多新的特性,而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù),就稱(chēng)為納米技術(shù)。 納米技術(shù)是一門(mén)交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科,研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。 納米科技現(xiàn)在已經(jīng)包括納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米化學(xué)等學(xué)科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技,人類(lèi)正越來(lái)越向微觀世界深入,人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)學(xué)森也曾指出,納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn),會(huì)是一次技術(shù)革命,從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。 雖然距離應(yīng)用階段還有較長(zhǎng)的距離要走,但是由于納米科技所孕育的極為廣闊的應(yīng)用前景,美國(guó)、日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都對(duì)納米科技給予高度重視,紛紛制定研究計(jì)劃,進(jìn)行相關(guān)研究。
納米技術(shù)的應(yīng)用 納米技術(shù)目前已成功用于許多領(lǐng)域,包括醫(yī)學(xué)、藥學(xué)、化學(xué)及生物檢測(cè)、制造業(yè)、光學(xué)以及國(guó)防等等。本詞條為納米技術(shù)應(yīng)用的總綱,包括如下領(lǐng)域: 1、納米技術(shù)在新材料中的應(yīng)用 2、納米技術(shù)在微電子、電力等領(lǐng)域中的應(yīng)用 3、納米技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用 4、納米技術(shù)在生物、醫(yī)藥學(xué)中的應(yīng)用 5、納米技術(shù)在化學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用 6、納米技術(shù)在能源、交通等領(lǐng)域的應(yīng)用 7、納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用 8、 納米技術(shù)在日常生活中的應(yīng)用 衣 在紡織和化纖制品中添加納米微粒,可以除味殺菌。化纖布雖然結(jié)實(shí),但有煩人的靜電現(xiàn)象,加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)象。 食 利用納米材料,冰箱可以抗菌。納米材料做的無(wú)菌餐具、無(wú)菌食品包裝用品已經(jīng)面世。利用納米粉末,可以使廢水徹底變清水,完全達(dá)到飲用標(biāo)準(zhǔn)。納米食品色香味俱全,還有益健康。 住 納米技術(shù)的運(yùn)用,使墻面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層,可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚,根本不用擦洗。含有納米微粒的建筑材料,還可以吸收對(duì)人體有害的紫外線(xiàn)。 行 納米材料可以提高和改進(jìn)交通工具的性能指標(biāo)。納米陶瓷有望成為汽車(chē)、輪船、飛機(jī)等發(fā)動(dòng)機(jī)部件的理想材料,能大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率、工作壽命和可靠性。納米衛(wèi)星可以隨時(shí)向駕駛?cè)藛T提供交通信息,幫助其安全駕駛。 醫(yī) 利用納米技術(shù)制成的微型藥物輸送器,可攜帶一定劑量的藥物,在體外電磁信號(hào)的引導(dǎo)下準(zhǔn)確到達(dá)病灶部位,有效地起到治療作用,并減輕藥物的不良的反映。用納米制造成的微型機(jī)器人,其體積小于紅細(xì)胞,通過(guò)向病人血管中注射,能疏通腦血管的血栓。清除心臟動(dòng)脈的脂肪和沉淀物,還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結(jié)石等。納米技術(shù)將是健康生活的好幫手。 納米技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊,經(jīng)濟(jì)效益十分巨大,美國(guó)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),2010年納米技術(shù)市場(chǎng)估計(jì)達(dá)到14400億美元,納米技術(shù)未來(lái)的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)計(jì)算機(jī)工業(yè)。納米復(fù)合、塑膠、橡膠和纖維的改性,納米功能涂層材料的設(shè)計(jì)和應(yīng)用,將給傳統(tǒng)產(chǎn)生和產(chǎn)品注入新的高科技含量。專(zhuān)家指出,紡織、建材、化工、石油、汽車(chē)、軍事裝備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域,將免不了一場(chǎng)因納米而引發(fā)的“材料革命”現(xiàn)在我國(guó)以納米材料和納米技術(shù)注冊(cè)的公司有近100個(gè),建立了10多條納米材料和納米技術(shù)的生產(chǎn)線(xiàn)。納米布料、服裝已批量生產(chǎn),象電腦工作裝、無(wú)靜電服、防紫外線(xiàn)服等納米服裝都已問(wèn)世。加入納米技術(shù)的新型油漆,不僅耐洗刷的性能提高了十幾倍,而且無(wú)毒無(wú)害無(wú)異味。納米技術(shù)正在改善著、提高著人們的生活質(zhì)量。 納米技術(shù) - 基本概念納米技術(shù) 納米科學(xué)與技術(shù),有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)為納米技術(shù),是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。 1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后,誕生了一門(mén)以0.1到100納米長(zhǎng)度為研究分子世界,它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來(lái)構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此,納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。 納米技術(shù)是一門(mén)交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科,研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等 。納米材料的制備和研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。其中,納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ),而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。 從迄今為止的研究來(lái)看,關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念: 第一種,是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書(shū)中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念,可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化,從而可以任意組合所有種類(lèi)的分子,可以制造出任何種類(lèi)的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進(jìn)展。 第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過(guò)納米精度的“加工”來(lái)人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù),也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限。現(xiàn)有技術(shù)即使發(fā)展下去,從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度,這是因?yàn)椋绻央娐返木€(xiàn)幅逐漸變小,將使構(gòu)成電路的絕緣膜變得極薄,這樣將破壞絕緣效果。此外,還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題,研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。 第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來(lái),生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。DNA分子計(jì)算機(jī)、細(xì)胞生物計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā),成為納米生物技術(shù)的重要內(nèi)容。納米技術(shù) - 發(fā)展歷史納米技術(shù)的靈感,來(lái)自于已故物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當(dāng)時(shí)在加州理工大學(xué)任教的教授向同事們提出了一個(gè)新的想法。從石器時(shí)代開(kāi)始,人類(lèi)從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù),都與一次性地削去或者融合數(shù)以?xún)|計(jì)的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。費(fèi)曼質(zhì)認(rèn)為,物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。 著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德· 費(fèi)曼預(yù)言,人類(lèi)可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器,最后將變成根據(jù)人類(lèi)意愿,逐個(gè)地排列原子,制造產(chǎn)品,這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想; 20世紀(jì)70年代,科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想,1974年,科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工; 1982年,科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡,為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界,對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用; 1990年7月,第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦,標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生; 1990年,IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家成功地對(duì)單個(gè)的原子進(jìn)行了重排,納米技術(shù)取得一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們使用一種稱(chēng)為掃描探針的設(shè)備慢慢地把35個(gè)原子移動(dòng)到各自的位置,組成了IBM三個(gè)字母。這證明費(fèi)曼是正確的。使用分子束外延長(zhǎng)生長(zhǎng)技術(shù),科學(xué)家們學(xué)會(huì)了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法,每次可只造出一層分子。1991年,碳納米管被人類(lèi)發(fā)現(xiàn),它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一,強(qiáng)度卻是鋼的10倍,成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn),諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為,納米碳管將是未來(lái)最佳纖維的首選材料,也將被廣泛用于超微導(dǎo)線(xiàn)、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線(xiàn)路等; 1993年,繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文、1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后,中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“ 中國(guó)”二字,標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地; 1997年,美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子,利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī); 1999年,巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”,它能夠稱(chēng)量十億分之一克的物體,即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量;此后不久,德國(guó)科學(xué)家研制出能稱(chēng)量單個(gè)原子重量的秤,打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄; 到1999年,納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng),全年基于納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元; 2000年以來(lái),一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃,投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心,把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn);德國(guó)專(zhuān)門(mén)建立納米技術(shù)研究網(wǎng);美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心,美國(guó)政府部門(mén)將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。納米技術(shù) - 技術(shù)分支1993年,第一屆國(guó)際納米技術(shù)大會(huì)(INTC)在美國(guó)召開(kāi),將納米技術(shù)劃分為6大分支:納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計(jì)量學(xué)。 納米動(dòng)力學(xué) 納米動(dòng)力學(xué),主要是微機(jī)械和微電機(jī),或總稱(chēng)為微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(MEMS),用于有傳動(dòng)機(jī)械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)、特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等。采用的是一種類(lèi)似于集成電器設(shè)計(jì)和制造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小,刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)百微米,而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動(dòng)機(jī),用于超快速離心機(jī)或陀螺儀等。在研究方面還要相應(yīng)地檢測(cè)準(zhǔn)原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進(jìn)入納米尺度,但有很大的潛在科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 理論上講:可以使微電機(jī)和檢測(cè)技術(shù)達(dá)到納米數(shù)量級(jí)。 納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)納米生物學(xué)和納米藥物學(xué),如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定DNA的粒子,在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗(yàn),檢測(cè)磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜、DNA的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù),還可用自組裝方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或組件使構(gòu)成新的材料。新的藥物,即使是微米粒子的細(xì)粉,也大約有半數(shù)不溶于水;但如粒子為納米尺度(即超微粒子),則可溶于水。 納米生物學(xué)發(fā)展到一定技術(shù)時(shí),可以用納米材料制成具有識(shí)別能力的納米生物細(xì)胞,并可以吸收癌細(xì)胞的生物醫(yī)藥,注入人體內(nèi),可以用于定向殺癌細(xì)胞。 納米電子學(xué)納米電子學(xué),包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征,以及原子操縱和原子組裝等。當(dāng)前電子技術(shù)的趨勢(shì)要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷。更小,是指響應(yīng)速度要快。更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。但是更小并非沒(méi)有限度。 納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界,它的影響將是巨大的。納米技術(shù) - 研究應(yīng)用原子力顯微鏡——納米測(cè)量技術(shù)主要包括:納米級(jí)測(cè)量技術(shù);納米級(jí)表層物理力學(xué)性能的檢測(cè)技術(shù);納米級(jí)加工技術(shù);納米粒子的制備技術(shù);納米材料;納米生物學(xué)技術(shù);納米組裝技術(shù)等。 1、納米是一種幾何尺寸的度量單位,1納米=百萬(wàn)分之一毫米。 2、納米技術(shù)帶動(dòng)了技術(shù)革命。 3、利用納米技術(shù)制作的藥物可以阻斷毛細(xì)血管,“餓死”癌細(xì)胞。 4、如果在衛(wèi)星上用納米集成器件,衛(wèi)星將更小,更容易發(fā)射。 5、納米技術(shù)是多科學(xué)綜合,有些目標(biāo)需要長(zhǎng)時(shí)間的努力才會(huì)實(shí)現(xiàn)。 6、納米技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前的科學(xué)發(fā)展主流,它們的發(fā)展將使人類(lèi)社會(huì)、生存環(huán)境和科學(xué)技術(shù)本身變得更美好。污水處理與傳統(tǒng)的水處理方法相比,納米凈水處理占地小,人力和能源消耗少,這使它有可能成為幫助發(fā)展中國(guó)家乃至全球緩解已經(jīng)來(lái)臨的水危機(jī)的一個(gè)重要途徑。[1] 2012年4月,英國(guó)曼切斯特大學(xué)納米技術(shù)專(zhuān)家稱(chēng),他們將通過(guò)新型納米材料從廁所廢水中提取生物燃料,并將其凈化成飲用水。這項(xiàng)新發(fā)明得到比爾-蓋茨與梅琳達(dá)-蓋茨基金會(huì)贊助,預(yù)計(jì)可以解決發(fā)展中國(guó)家數(shù)百萬(wàn)人用水難的問(wèn)題[2]。測(cè)量技術(shù)納米級(jí)測(cè)量技術(shù)包括:納米級(jí)精度的尺寸和位移的測(cè)量,納米級(jí)表面形貌的測(cè)量。納米級(jí)測(cè)量技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向。一是光干涉測(cè)量技術(shù),它是利用光的干涉條紋來(lái)提高測(cè)量的分辨率,其測(cè)量方法有:雙頻激光干涉測(cè)量法、光外差干涉測(cè)量法、X射線(xiàn)干涉測(cè)量法、F一P標(biāo)準(zhǔn)工具測(cè)量法等,可用于長(zhǎng)度和位移的精確測(cè)量,也可用于表面顯微形貌的測(cè)量。二是掃描探針顯微測(cè)量技術(shù)(STM),其基本原理是基于量子力學(xué)的隧道效應(yīng),它的原理是用極尖的探針(或類(lèi)似的方法)對(duì)被測(cè)表面進(jìn)行掃描(探針和被測(cè)表面實(shí)際并不接觸),借助納米級(jí)的三維位移定位控制系統(tǒng)測(cè)出該表面的三維微觀立體形貌。主要用于測(cè)量表面的微觀形貌和尺寸。用這原理的測(cè)量方法有:掃描隧道顯微鏡(STM)、原子顯微鏡(AFM)等。 衰層物理力學(xué)性能的檢測(cè)各種材料的極薄表層的物理、化學(xué)、力學(xué)性能和材料內(nèi)部的性能常有很大差異。而正是這極薄的表面材料在摩擦磨損、物理、化學(xué)、機(jī)械行為中起著主導(dǎo)作用。反映在現(xiàn)在“信息時(shí)代”的新型“智能型”材料的出現(xiàn),如計(jì)算機(jī)磁盤(pán)、光盤(pán)等,要求表層小但有優(yōu)良的電、磁、光性能,而且要求有良好的潤(rùn)滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學(xué)腐蝕、組織穩(wěn)定和優(yōu)良的力學(xué)性能。因此,世界各國(guó)都非常重視材料的納米級(jí)表層的物理、化學(xué)、機(jī)械性能及其檢測(cè)方法的研究。納米級(jí)表層物理力學(xué)性能的檢測(cè)方法主要是表層微力學(xué)探針檢側(cè)法,它是用納米壓痕的原理檢測(cè)其力學(xué)性能的。其基本原理是利用金剛石針尖用極小的力在試件表面壓出納米級(jí)或微米級(jí)壓痕,根據(jù)壓痕的大小測(cè)出試件表層的顯徽力學(xué)性能,即連續(xù)記錄探針針尖加載逐步壓入和卸載逐步退出試件表層的全過(guò)程的壓痕深度變化。因其中包含試件表層的彈形,塑性變形、姍變、變形速率等多種信息,通過(guò)這些信息測(cè)出表層材料的多項(xiàng)力學(xué)性能。材料技術(shù)一、納米結(jié)晶材料(nanocrystalline materials) 當(dāng)物質(zhì)的微結(jié)構(gòu)微小化時(shí),表面原子與內(nèi)部材料原子的個(gè)數(shù)比例顯著上升,界面之原子行為對(duì)物質(zhì)性質(zhì)便有決定性影響。例如納米金屬結(jié)晶顆粒,展現(xiàn)出較佳之強(qiáng)度、硬度、磁特性、表面催化性等;而具納米結(jié)晶之陶瓷材料相較于一般陶瓷材料,則具較高之延展性、較不易脆裂之特性。 二、納米粉體(nanoparticles)納米粉體是納米材料中種類(lèi)最繁多且應(yīng)用最廣泛之一類(lèi)。最常見(jiàn)的陶瓷納米粉體(ceramic nanoparticles)可再分為兩類(lèi): 金屬氧化物如TiO2、ZnO等;硅酸鹽類(lèi),通常為納米尺度的黏土薄片。它們的應(yīng)用包括:(一)復(fù)合材料:納米粉體最大之應(yīng)用之一,在于納米高分子復(fù)合材料之開(kāi)發(fā)。由于無(wú)機(jī)分散相表面積與高分子間之作用力,使復(fù)合材料的剛性大幅提升,透氣性、熱膨脹性下降,耐化學(xué)腐蝕,及保有透明性等的優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于一般民生工業(yè),如家電器材、汽車(chē)零組件、輸送導(dǎo)管等耐磨結(jié)構(gòu)材料上;在包裝材料上的應(yīng)用,如保鮮膜、飲料瓶,則可利用其耐熱性、高阻氣性及透明等優(yōu)點(diǎn)。Caly/Nylon復(fù)合材料,由于分散均勻,只要添加3%~4%,即可將Nylon的熔點(diǎn)從70℃提升至150℃,且加工性非常良好。 (二)涂布:納米粉體涂布具增強(qiáng)表面硬度、抗磨、透明等特性,已應(yīng)用于建材及太陽(yáng)眼鏡鏡片上,Kodak正發(fā)展以納米粉體涂布制造防刮之X射線(xiàn)底片。此外,亦有利用納米粉體涂布光學(xué)、耐腐蝕、絕熱特性的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。磁性納米粉體涂布則可應(yīng)用于資料儲(chǔ)存方面。 (三)醫(yī)學(xué)與藥物:經(jīng)表面修飾之納米粉體可應(yīng)用于藥物輸送、納米銀微粒具有抗菌功效、氧化鋅則具殺霉作用。TiO2與ZnO對(duì)UV吸收有相當(dāng)好之功效,可應(yīng)用于防曬油等美容產(chǎn)品。 (四)其他:納米粉體的高表面積,可利用工業(yè)上的催化反應(yīng);用于燃料電池上,可增加其反應(yīng)速率,提高效能。此外,納米顏料的開(kāi)發(fā)、使用金屬納米粉體印制電子電路、及磁性納米粉體于半導(dǎo)體與醫(yī)學(xué)核磁共振影像上的使用,均為納米粉體的應(yīng)用范圍。 三、納米孔隙材料(nanoporous materials) 此類(lèi)材料指孔隙尺寸小于100納米的孔隙材料,包括自然界中早已存在的生物膜與沸石,其高表面積(通常高達(dá)約102 m2 /g),使之具高催化及吸附效應(yīng)。納米孔隙材料可由溶膠-凝膠法、微影蝕刻、離子束等方法制得;納米孔隙薄膜經(jīng)鍍膜處理,可得納米細(xì)管結(jié)構(gòu)。 納米孔隙材料可用開(kāi)發(fā)改良催化劑,應(yīng)用于石化工業(yè)等。利用孔隙結(jié)構(gòu),在薄膜過(guò)濾系統(tǒng)純化/分離、藥物輸送植入裝置、基因定序、醫(yī)學(xué)檢測(cè)等,納米孔隙材料均有相當(dāng)大的應(yīng)用潛能。氣膠為質(zhì)輕的良好絕熱材料;納米孔隙薄膜可作為半導(dǎo)體業(yè)中低介電材料;納米多孔硅特殊的發(fā)光性質(zhì),可作為固態(tài)鐳射的材料;納米多孔碳則具高電容特性,可應(yīng)用于如手提電腦、移動(dòng)電話(huà),乃至電動(dòng)車(chē)等電池的開(kāi)發(fā)。 四、納米纖維與納米纜線(xiàn)(nanofibers, nanowires) 納米纖維在此指相對(duì)較短的纖維,包括碳纖絲(carbon fibrils)、人造高分子纖維、及氧化鋁纖維等;電紡(electrospinning)是制造人造高分子納米纖維之方法,可結(jié)合納米微粒或納米管等材料于纖維中。工研院化學(xué)工業(yè)研究所正開(kāi)發(fā)之電紡納米纖維,其尺度約為人發(fā)的1/100。 納米纜線(xiàn)則傾向?yàn)闊o(wú)機(jī)材質(zhì),包括金屬、半導(dǎo)體(如硅、鍺),及一些有機(jī)高分子,主要應(yīng)用于電子工程。其制造主要有三個(gè)方式: (一)微影蝕刻或拓印。 (二)化學(xué)成長(zhǎng)。 (三)自組裝成長(zhǎng)。 納米纜線(xiàn)的電子傳遞行為并不遵循古典電學(xué),例如其電阻為一定值并不隨長(zhǎng)度改變;應(yīng)用于建構(gòu)復(fù)雜之電路系統(tǒng)時(shí),須挑戰(zhàn)的困難點(diǎn)在于纜線(xiàn)間的連接性。 納米纖維可用于復(fù)合材料與表面涂布,達(dá)補(bǔ)強(qiáng)作用。Hyperion Catalysis International正開(kāi)發(fā)利用納米碳纖絲,制造導(dǎo)電塑膠及薄膜,可應(yīng)用在汽車(chē)的靜電涂料或電器設(shè)備的靜電消除;與傳統(tǒng)導(dǎo)電塑膠材料比較,達(dá)同樣導(dǎo)電效果所需添加之碳纖絲量較低,且材料表面亦較平滑。 電紡納米纖維具強(qiáng)度提升與高表面積等特性,適合作為納米粉體于催化應(yīng)用上之反應(yīng)床。納米纖維可制成抗化學(xué)品、防水透氣、防污等特殊性能布料,在紡織服裝業(yè)上有廣大的市場(chǎng);Nano-Tex公司已有開(kāi)發(fā)之商業(yè)化產(chǎn)品問(wèn)世。納米纖維可用為過(guò)濾材料及醫(yī)學(xué)組織工程之支架材料;在藥物輸送的媒介、傳感器、納米電機(jī)等領(lǐng)域,亦具應(yīng)用潛力。 五、納米碳管 納米碳管(carbon nanotube,CNT)是在1991年由日本NEC公司Sumio Iijima,在以穿透式電子顯微鏡觀察碳的團(tuán)簇(cluster)時(shí)意外發(fā)現(xiàn),為石墨平面卷曲而成之管狀材料,有單層(single-walled)與多重層(multi-walled)兩種結(jié)構(gòu)。納米碳管的制程方式包括電弧放電、鐳射蒸發(fā)/剝離、化學(xué)氣相沉積法、氣相成長(zhǎng)、電解及火焰生成法等。納米碳管具許多特殊性質(zhì),如高張力強(qiáng)度(tensile strength ,閱100Gpa)、優(yōu)良的熱導(dǎo)性、及室溫超導(dǎo)性,其導(dǎo)電性則隨不同的卷曲方式而變,可為納米導(dǎo)線(xiàn)或是納米半導(dǎo)體;研究并顯示納米碳管可吸附氫氣,唯其機(jī)制與吸附效能目前仍無(wú)定論。 納米生物學(xué) 鞭毛馬達(dá)納米生物學(xué)是以納米尺度研究細(xì)胞內(nèi)部各種細(xì)胞器的結(jié)構(gòu)和功能。研究細(xì)胞內(nèi)部,細(xì)胞內(nèi)外之間以及整個(gè)生物體的物質(zhì)、能量和信息交換。納米生物學(xué)的研究集中在下列方面。 一、遺傳物質(zhì)DNA的研究 這方面的研究在形貌觀察、特性研究和基因改造三個(gè)方面有不少進(jìn)展。二、腦功能的研究 工作目標(biāo)是弄清人類(lèi)的記憶、思維,語(yǔ)言和學(xué)習(xí)這些高級(jí)神經(jīng)功能和人腦的信息處理功能。三、仿生學(xué)的研究 這是納米生物學(xué)的熱門(mén)研究?jī)?nèi)容。是納米技術(shù)中有希望獲得突破性巨大成果的部分。世界上最小的馬達(dá)是一種生物馬達(dá)——鞭毛馬達(dá)。能像螺旋槳那樣旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)鞭毛旋轉(zhuǎn)。該馬達(dá)通常由10種以上的蛋白質(zhì)群體組成,其構(gòu)造如同人工馬達(dá)。由相當(dāng)?shù)亩ㄗ印⑥D(zhuǎn)子、軸承、萬(wàn)向接頭等組成。它的直徑只有30nm,轉(zhuǎn)速可以高達(dá)15r/min,可在1μs內(nèi)進(jìn)行右轉(zhuǎn)或左轉(zhuǎn)的相互切換。利用外部電場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)加速或減速。轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力源,是細(xì)菌內(nèi)支撐馬達(dá)的薄膜內(nèi)外的氮氧離子濃度差。實(shí)驗(yàn)證明。細(xì)菌體內(nèi)外的電位差也可驅(qū)動(dòng)鞭毛馬達(dá)。現(xiàn)在人們正在探索設(shè)計(jì)一種能用電位差馭動(dòng)的人工鞭毛馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器。 納米技術(shù) - 潛在危害納米技術(shù)的潛在危害可以廣義地劃分為下面幾個(gè)方面:健康問(wèn)題納米顆粒進(jìn)入人體有四種途徑:吸入,吞咽,從皮膚吸收或在醫(yī)療過(guò)程中被有意地注入(或由植入體釋放)。一旦進(jìn)入人體,它們具有高度的可移動(dòng)性。在一些個(gè)例中,它們甚至能穿越血腦屏障。 納米粒子在器官中的行為仍然是需要研究的一個(gè)大課題。基本上,納米顆粒的行為取決于它們的大小,形狀和同周?chē)M織的相互作用活動(dòng)性。它們可能引起噬菌細(xì)胞(吞咽并消滅外來(lái)物質(zhì)的細(xì)胞)的“過(guò)載”,從而引發(fā)防御性的發(fā)燒和降低機(jī)體免疫力。它們可能因?yàn)闊o(wú)法降解或降解緩慢,而在器官里集聚。還有一個(gè)顧慮是它們同人體中一些生物過(guò)程發(fā)生反應(yīng)的潛在危險(xiǎn)。由于極大的表面積,暴露在組織和液體中的納米粒子會(huì)立即吸附它們遇到的大分子。這樣會(huì)影響到例如酶和其他蛋白的調(diào)整機(jī)制。 環(huán)境問(wèn)題主要的擔(dān)心在納米顆粒可造成的危害上。 社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)納米技術(shù)的使用也存在社會(huì)學(xué)風(fēng)險(xiǎn)。在儀器的層面,也包括在軍事領(lǐng)域使用納米技術(shù)的可能性。
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