纳米科学和技术

《纳米科学和技术》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、纳米科学和技术纳米技术，首先要了解纳米这一长度单位。一•纳米是十亿分Z—米，或千分Z—微米。直观上讲，人的头发直径一燉为20-50微米，单个细菌用显微镜测出直径为5微米，而1纳米人体上相当于4个原了的肓径。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冇几纳米到几I•纳米时，材料的性质发牛了意想不到的变化。山于组成纳米材料的超微粒尺度，其界血原子数量比例极大，一般占总原子数的40%-50%左右，使材料本身貝•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

2、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、一个原子地來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；它的口标是通过在原子、分子水平上控制结构来发现这些特性，学会冇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了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彖以及众多分了下这些现彖的发展，他们的工作奠定了纳米技术的基础，推动了纳米技

3、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、诺贝尔奖获得者理杏徳•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丁。70年代美国康奈尔大学格兰维斯特和布赫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-担描隧道显微镜被发明。1989年德国教授格雷特利用悄性气体凝集的方法制备出纳米颗粒，从理论及性能上全而研究了相关材料的

4、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，笫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，它的质虽只冇同体积钢的六分Z—,强度却是钢的I•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”卜-斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在傑表面用36个孫原子排岀“IBM”之后，中科院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”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

5、年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上力倍的量子计算机。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Z—克的物体,相当于一个病毒的重量；此后不久，徳国科学家研制出能称最单个原子重最的“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了、光电了的继续发展和提高；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，产生工业革命。IBM的前首席科学家约

6、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革命一样纳米技术的学科领域：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、表而结构、颗粒人小、缺陷和材料制备。在纳米尺度下，物质屮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，从而使其貝-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nJ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，山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

7、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Z具冇广泛而诱人的应川前景。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、电容英至颜色,而不改变物质的化学成

8、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