作者: awendy (JS:遇見未來) 看板: P_a_wendy
標題: 奈米科技續談-
時間: Sat Oct 30 20:03:12 2004
奈米科技續談-神奇的奈米科技
奈米生技的發展,則是另一項市場新機會。奈米微小的特性創造出奈米醫用機器
一、什麼是奈米科技?
奈米科學技術是研究在千萬分之一米(10-8)到億分之一米(10-9米)內,原子
、分子和其他類型物質的運動和變化的學問;同時在這一尺度範圍內對原子、分
子進行操縱和加工又被稱?奈米技術。
二、奈米科技的主要研究內容
1.創造和製作具備優異性能的奈米材料。
2.設計和製作各種可供應用的奈米器件和裝置。
3.探測和分析奈米區域的奇異性質和現象。
物質世界的尺度從大到小可分?宇觀、宏觀、介觀和微觀。奈米是尺寸或大小的
度 量單位:從京米(109)→兆米(106)→千米(103)→米(100)
→ 毫米(10-3)→微米(10-6)→奈米(10-9)→皮米(10-12)→
費米(10-15)。一奈米大約是4倍原子大小、萬分之一頭髮粗細。
當今,生物科學技術、資訊科學技術、奈米科學技術是科學技術發展的主流。生物
科學技術中對基因的認識,產生了轉基因生物技術,可以治療頑症,也可以創造出
自然界不存在的生物;資訊科學技術使人們可以坐在家中便知天下大事,因此網路
幾乎可以改變人們的生活方式。而奈米科技學的研究即將為人類打開物質世界的奇
妙領域。
宇觀世界的廣義相對論和量子力學的建立使人類認識了宇宙起源和宇宙運動。巨集
觀世界上經典物理、化學、力學的巨大成就:電腦和網路、太空船、飛機、汽車、
機器人等改變了人們的生活方式。微觀世界的原子論和量子力學取得了巨大的成功
,從有機合成;分子生物學;轉基因食品、克隆羊;原子光譜和鐳射;固體電子論
和IC;到光纖通訊等。然而,在以原子、分子為主體的微觀世界和以人類活動為主
題的宏觀世界之間還存在一個科學技術認識上的盲區。這兩個世界之間不是直接而
簡單的聯結,而存在一個過渡區-介觀-奈米世界。
幾十個原子、分子或成千個原子、分子「組合」在一起時,表現出既不同於單個原
子、分子的性質,也不同於大塊物體的性質。這種「組合」被稱為「超分子」或
「人工分子」。「超分子」性質,如熔點、磁性、電容性、導電性、發光性和染顏
色及水溶性有重大變化。當「超分子」繼續長大或以通常的方式聚集成大塊材料時
,奇特的性質又會失去,像真是一些長不大的孩子。在10nm尺度內,由數量不多的
電子、原子或分子組成的體系中,科學面臨著新的挑戰和機遇。
三、神通廣大的奈米科技
諾貝爾物理獎獲得者Feyneman在六十年代曾經預言:如果我們對物體微小規模上的
排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材
料的性能產生豐富的變化。他當時問道,為什麼我們不可以從另一個角度出發,從
單個分子甚至單個原子開始組裝,以達到我們的要求呢?「至少依我看來,物理學
的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性」。費曼假定,一旦原子的語
言被簡潔地編碼後,就可以對分子進行精確的工程加工,把一個原子放到另一個原
子上,製造出最小的人工機器來。他所說的材料就是現在的奈米材料。我們不妨來
注意以下幾種奈米材料的應用前景。
1. 奇妙的碳奈米管
碳奈米管是由石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀「纖維」,內部是空的,
外部直徑只有幾到幾十奈米。比重只有鋼的六分之一,而強度卻是鋼的100倍。輕
而柔軟又非常結實的材料最好是作防彈背心。如果用碳奈米管作繩索,是港口碼頭
的大吊車上最好的繩索,是從月球上掛到地球表面,而唯一不被自身重量所拉斷的
繩索,用它可作?地球到月球乘人的電梯。另外,由於電子在碳奈米管的運動在徑
向上受到限制,表現出典型的量子限制效應,而在軸向上則不受任何限制,因此,
可以碳奈米管?模子來製備一維半導體量子材料。其實,這並不是憑空設想,清華
大學的范守善教授利用碳奈米管,將氣相反應限制在奈米管內進行,從而生長出半
導體奈米線。他們將Si-SiO2混合粉體置於石英管中的坩堝底部,加熱並通
入N2。SiO2氣體與N2在碳奈米管中反應生長出Si3N4奈米線,其徑向尺寸
為4~40nm。1998年他們與美國斯坦福大學合作,在國際上首次實現矽襯底上碳奈
米管陣列的自組織生長,它將大大推進碳奈米管在場發射平面顯示方面的應用。
其獨特的電學性能使碳奈米管可用於大型積體電路,超導線材等領域。
2. 剛柔並濟的奈米陶瓷
陶瓷材料作為材料的三大支柱之一,在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。
但是,由於傳統陶瓷材料質地較脆,韌性、強度較差,因而使其應用受到了較大的
限制。隨著奈米技術的廣泛應用,奈米陶瓷隨之產生,希望以此來克服陶瓷材料的
脆性,使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性,而奈米技術是解決陶瓷脆性的
戰略途徑。奈米陶瓷粉製成的陶瓷有一定的塑性,高硬度和耐高溫,使發動機工作
在更高的溫度下,汽車會跑得更快,飛機會飛得更高。奈米TiO2陶瓷材料在室
溫下具有優良的韌性,在180℃經受彎曲而不產生裂紋。上海矽酸鹽研究所在奈米
陶瓷的製備方面較早發現,奈米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經室溫迴圈拉伸試驗後
,在奈米3Y-TZP樣品的斷口區域發生了局部超塑性形變,形變量高達380%,並從斷
口側面觀察到了大量通常出現在金屬斷口的滑移線。雖然奈米陶瓷還有許多關鍵技
術需要解決,但其優良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性,使其在切削
刀具、軸承、汽車發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用,並在許多超高溫、強腐
蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用,具有廣闊的應用前景。
3. 愛清潔的奈米材料
把透明疏油、疏水的奈米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上,大樓不會被空氣中
的油污弄髒,玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透明。將這種奈米顆粒放到織物纖維中
,做成的衣服不沾塵,省去不少洗衣的麻煩。不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做
防水地圖的仿真絲面料,這些高科技的服裝面料將令人耳目一新。今天,一批高科
技服裝面料將從實驗室走上T型台,讓公眾「貼身」感受到科學的實惠。最近,據
北京首科集團負責人介紹,首屆「首科杯」新女裝設計大賽不同於常見的時裝,其
亮點為高科技面料。其中相當一部分為首次從實驗室拿出來的科研成果。新的奈米
面料則具有自清潔功能,沾上油污用水沖洗即可,這種奈米面料還有抗菌性能。專
業人士研製的超細纖維材料也有神奇的功能:其材料精細,甚至可代替紙張,製成
軍用防水地圖。另外,一件看似普通的衣服,一杯水倒上去卻能形成水銀滾動般的
效果,水珠落地衣服仍是乾的。這種用奈米技術處理過的面料,目前正考慮用在警
服、軍裝上,用不了多久警察、軍人們就能穿上防油、防水又耐髒的奈米制服了。
這種處理過的面料除了有超疏水、疏油的奇異性外,同時,處理後的面料還保持原
有織物的任何特性與特徵,不含對人體有害的化學成分。
4. 功能強大的半導體奈米材料
半導體奈米材料的最大用處是可以發出各種顏色的光,可以做成超小型的鐳射光源
。它還可以吸收太陽光中的光能;把它們直接變成電能。目前,單電子電晶體,紅
、綠、藍三基色可調諧的奈米發光二極體以及利用奈米絲、巨磁阻效應製成的超微
磁場探測器已經問世。同樣,具有奇特性能的碳奈米管的研製成功,為奈米電子學
的發展起到了關鍵的作用。美國已研製成功尺寸只有4nm具有開關特性的奈米器件,
由鐳射驅動,並且開、關速度很快。此外,若能將幾十億個量子點連結起來,每個
量子點的功能相當於大腦中的神經細胞,再結合MEMS(微電子機械系統)方法,它
將為研製智慧型微型電腦帶來希望。奈米電子學是立足於最新的物理理論和最先進
的工藝手段,按照全新的理念來構造電子系統,並開發物質潛在的儲存和處理資訊
的能力,實現資訊採集和處理能力的革命性突破,奈米電子學將成為對世紀資訊時
代的核心。
5. 巧妙的生物加工廠
眾所周知,分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的資訊處理
材料,每一個生物大分子本身就是一個微型處理器,分子在運動過程中以可預測方
式進行狀態變化,其原理類似於電腦的邏輯開關,利用該特性並結合奈米技術,可
以此來設計量子電腦。到目前為止,雖然還沒有出現商品化的分子電腦元件,但科
學家們認為:要想提高集成度,製造微型電腦,關鍵在於尋找具有開關功能的微型
器件。奈米電腦的問世,將會使當今的資訊時代發生質的飛躍。它將突破傳統極限
,使單位體積物質的儲存和資訊處理的能力提高上百萬倍,從而實現電子學上的又
一次革命。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小,因而可以在血管中自由流動
。如果將超微粒子注入到血液中,輸送到人體的各個部位,可作為監測和診斷疾病
的手段。另外,利用奈米顆粒作為載體的病毒誘導物已經取得了突破性進展,現在
已用於臨床動物實驗,估計不久的將來即可服務於人類。把藥物製成奈米顆粒或者
把藥物放入磁性奈米顆粒的內部,使這些顆粒可以自由地在血管和人體組織內運動
,如果在人體外部加以導向,使藥物集中到患病的組織中,那麼藥物治療的效果會
大大地提高。如果設想利用奈米技術製造出分子機器人,在血液中迴圈,對身體各
部位進行檢測、診斷,並實施特殊治療,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動脈脂肪
沈積物,甚至可以用其吞噬病毒,殺死癌細胞。
6. 善變的奈米氧化物材料
目前,工業上利用奈米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑,用於廢水處理
(含SO32-或 Cr2O72-體系),已經取得了很好的效果。利用具有半導體特
性的奈米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZNO等做成塗料,由於具有較高的
導電特性,因而能起到靜電屏蔽作用。另外,氧化物奈米微粒的顏色各種各樣,因
而可以通過複合控制靜電屏蔽塗料的顏色,這種奈米靜電屏蔽塗料不但有很好的靜
電屏蔽特性,而且也克服了碳黑靜電屏蔽塗料只有單一顏色的單調性。另外,如將
奈米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中,則可以有效地遮蔽紫外線。用添加
0.1~0.5%的奈米二氧化鈦製成的透明塑膠包裝材料包裝食品,既可以防止紫外線對
食品的破壞作用,還可以使食品保持新鮮。將金屬奈米粒子摻雜到化纖制或紙張中
,可以大大降低靜電作用。氧化物奈米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照
射下迅速改變顏色。做成士兵防護鐳射槍的眼鏡和廣告板,在電、光的作用下,會
變得更加絢麗多彩。
四、奈米科技-21世紀國家科技競爭力的重要標誌
奈米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術,其潛在的重要性毋庸置疑
,一些發達國家都投入大量的資金進行研究工作。如美國最早成立了奈米研究中心
,日本文教科部把奈米技術,列?材料科學的四大重點研究開發專案之一。在德國
,以漢堡大學和美因茨大學?奈米技術研究中心,政府每年出資6500萬美元支援微
系統的研究。
中國大陸的許多科研院所和高等院校也組織科研力量,開展奈米技術的研究工作,
並取得了一定的研究成果,主要如下:由中國科學院物理研究所解思深研究員等領
導的研究小組完成了面積達3毫米*3毫米,碳奈米管之間間距為100微米的定向奈
米碳管陣列的合成。由清華大學范守善教授等研製完成了氮化鎵奈米棒,首次利用
碳奈米管製備出直徑3~40奈米、長度達微米量級的半導體氮化鎵一維奈米棒。由中
國科學院固體物理研究所張立德研究員等完成了准一維奈米絲和奈米電纜的研製,
他們利用碳熱還原、溶膠-凝膠軟化學法並結合奈米液滴外延等新技術,首次合成
了碳化鉭奈米絲外包絕緣體SiO2奈米電纜。中國科學技術大學的錢逸泰等用催
化熱解法制成了奈米金剛石。中國科技大學的侯建國教授等在納米材料和納米結構
的高分辨表徵、控制等研究領域取得多項國際性顯著性成果。但是,上述這些成功
同國外發達國家的先進技術相比還有很大的差距。早前,德國科學技術部曾經對奈
米技術未來市場潛力作過預測:他們認為未來幾年,奈米結構器件市場容量將達到
6375億美元,奈米粉體、奈米複合陶瓷以及其他奈米複合材料市場容量將達到
5457億美元,奈米加工技術市場容量將達到442億美元,奈米材料的評價技術市場
容量將達到27.2億美元。並預測市場的突破口可能在資訊、通訊、環境和醫藥等領
域。
中國大陸現在已有100家奈米技術企業,十幾條奈米生產線。目前這100多家企業都
有自己的產品,但絕大部分是以生產奈米的粉體材料為主,就是把材料做成奈米級
的非常小的顆粒,再把粉體做成材料供大家使用。比如:奈米洗衣機是在洗衣機內
膽塗上一種奈米材料以抑制黴菌的生長;奈米冰箱也是同理;還有奈米領帶,普通
領帶的表面經物理、化學兩種奈米方法處理後,便有了很強的自潔能力,不沾水、
不沾油;此外,布料、瓷磚等材料經處理後也可具有自潔功能。
科學界預計奈米技術是21世紀可能會取得重要突破的三個領域之一,美國人甚至認
為奈米科技會成為21世紀經濟發展的發動機。而根據德國科技部的預期,到2010年
奈米技術的市場會達到1.4萬億美元這麼大的一個潛在市場使得很多企業願意進行
先期投入,比如風險投資,鼓勵成果的轉化。所以,不僅美國搞了一個國家奈米科
技計劃,從歐洲到日本,一些發達國家紛紛制定自己國家的發展戰略,投入很多的
人力和物力,再加上企業的投入,就形成了今天的奈米熱。
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http://www.cathay21.com/big5/nanometer3.htm
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之令而自均始制有名名亦既有夫亦將知止知止可以不殆譬道 Dorm45.NHCTC.edu.tw海
- Oct 16 Mon 2006 08:47
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