纳米技术及应用

纳米:长度单位，1纳米=10-9米，或十亿分之一米。大约是头发厚度的八十分之一。“纳米”来自拉丁语，意思是“短”。纳米的确很小，但由纳米构建的世界是神奇而宏伟的。21世纪，信息科技、生命科技和纳米科技是科技发展的主流。人们普遍认为纳米技术是信息和生命科学技术进一步发展的共同基础。纳米技术推动的技术革命及其对人类的影响远远超过电子技术。纳米技术:以微妙的方式展现魔力纳米技术是通过控制纳米尺度物质的反应、传递和转化，创造新的材料、装置，并充分利用其特殊性质，探索纳米尺度物质运动的新现象和新规律。纳米正处于以原子和分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间，因此被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学和信息科学发展的新领域。纳米材料包含几个原子和分子，使人们能够在原子水平上设计和制备材料和器件。数十个原子和分子或数千个原子和分子“结合”在一起，显示出不同于单个原子和分子以及大物体的性质。这种“结合”被称为“超分子”或“人工分子”超分子的性质，如熔点、磁性、电容、导电性、发光性、颜色和水溶性都发生了显著的变化。当“超级分子”继续成长或以通常的方式聚集成大块材料时，它们的特殊性质将会丧失。一般来说，纳米材料一方面可以被视为“超分子”，并充分表现出量子效应；另一方面，它也可以被视为一个非常小的“宏观材料”，显示出前所未有的特点。与此同时，许多化学和生物反应也在纳米级水平上发生。因此，在纳米尺度上检测物理、化学和生物特性的变化将加深对生命科学的理解。理解由少量电子、原子或分子组成的系统中的新定律，以及如何操纵或组合它们是当今纳米科学技术的主要问题之一。目前，纳米技术的研究和应用主要集中在材料与制备、微电子与计算机技术、医学与健康、航空航天与航空、环境与能源、生物技术与农业等领域。纳米材料:在材料科学领域纳米技术发展的前沿，纳米材料处于领先地位，因为纳米材料体现了现代科学技术发展的特点，如尺寸小、结构复杂、高度集成和强相互作用、高比表面积。应该指出的是，纳米材料是设计或技术化量子力学效应的最佳场所之一，并且可能产生全新的物理和化学现象。现在，只有数百或数千个原子和分子的“粒子”可以通过物理、化学和生物方法来制备。这些“粒子”只有几纳米大小，它们很容易与外部气体、流体甚至固体原子反应，也就是说，它们非常活跃。实验发现，如果金属铜或铝被制成几个纳米粒子，当暴露在空气中时会燃烧并爆炸。有些人认为由纳米粒子粉末制成的固体燃料会有更大的推力。此外，使用纳米金属颗粒粉末作为催化剂可以加速化学反应过程，大大提高化学合成的产率。如果将金属纳米材料颗粒粉末制成块状金属材料，它将变得非常坚固，其强度比普通金属高十倍，同时它还可以像橡胶一样有弹性。人们想象有一天他们会用这种纳米钢或纳米铝来制造汽车、飞机或轮船，把它们的重量减少到原来的1/10。不仅如此，汽车或飞机的发动机是由塑料纳米陶瓷材料制成的，可以在更高的温度下工作。汽车跑得更快，飞机飞得更高。氧化物纳米粒子的最大能力是在电场或光的照射下快速变色。当人们戴上变色眼镜时，变色的速度很慢。由纳米材料制成的变色玻璃是不同的。变色速度非常快。用它作为士兵的激光防护镜是完美的。由纳米氧化物材料制成的广告板在电和光的作用下会变得更加丰富多彩。半导体纳米材料的最大用途是它们可以发出各种颜色的光，并可以用作超小型激光器的光源。它还能吸收来自太阳的光能，并将其直接转化为电能。一旦这项技术实现，太阳能汽车和太阳能房屋将成为现实。使用特殊半导体纳米材料的海水淡化已经得到应用。由半导体纳米材料制成的各种传感器可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，这些传感器已经应用于汽车尾气和大气环境保护中。科学家目前正在研究的碳纳米管材料是一种非常独特的材料。它是一种笼状的“纤维”，由石墨中的一层或多层碳原子卷曲而成，内部是空的，外径只有几到几十纳米。这种材料的密度是钢的1/6，但它的强度是钢的100倍。最好用这种轻质、柔软和非常坚固的材料制造防弹背心。如果碳纳米管被用作绳索，它们是唯一可以从月球悬挂到地球表面而不会被自身重量破坏的绳索。如果它们被用作人们在地球和月球上乘坐的电梯，人们将很容易在月球上定居。纳米管的尖端非常容易发射电子。它们可以用作电子枪，也可以制成几厘米厚的壁挂式电视屏幕。这是电视制造的一个新方向。利用纳米技术，还可以用新原理和新结构在纳米水平上构建具有特定性质的材料或自然界中不存在的材料，制造生物材料和仿生材料，并在材料破坏过程中诊断和修复纳米尺度的损伤。纳米器件:给信息技术带来革命的纳米技术的另一个主要研究领域是新纳米结构和纳米器件的设计和制备。正如30年前微电子技术取代真空管设备给信息技术带来革命一样，纳米结构将再次给信息技术带来革命。将*移动的电子捕获在一个小的纳米粒子中，或者在一根很细的金属线中是非常美妙的，金属线的宽度只有几纳米。因为电子在粒子中的运动是有限的，所以能有任何动量连续低于费米动量的电子态只变成一定的动量值，也就是说，电子动量或能量是量子化的。*电子能量量子化最直接的结果如下:当适当的电压加到金属粒子的两端时，金属粒子导电；当电压不合适时，金属颗粒不导电。因此，原本被视为宏观世界经典的欧姆定律在纳米世界不再成立。还有一个奇怪的现象，当金属粒子带负电时，它的库伦力足以排斥下一个电子从外部电路进入金属粒子，从而切断电流的连续性。这使人们思考是否有可能开发出由一个电子控制的电子设备，即所谓的单电子设备。单个电子设备的尺寸非常小。如果将它们集成到计算机芯片中，计算机的容量和计算速度将会提高许多倍。然而，事情并不像人们想象的那么简单。事实上，被*的电子并不那么“诚实”。根据量子力学的定律，有时它们可以穿过“*”的“墙”。这将使芯片的运动无法控制。与此同时，需要新的设计来将单个电子设备转变成集成电路。因此，虽然电子设备已经在实验室中实现，但是它们在工业中使用仍然需要时间。小尺寸电子的另一个贡献是使材料发出强光。“量子点阵列激光器”或“级联激光器”体积极小，但它们的发光强度非常高。它们可以被驱动产生极低电压的蓝光或绿光。当用于读取和写入光盘时，光盘的存储密度可以增加几倍。如果我们用小量子点“俘获”原子来存储数据和制作量子盘，存储程度可以增加几千倍，这将给信息存储技术带来一场革命。纳米加工:要研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，我们首先必须能够在纳米尺度的世界里根据人们的意愿*地切割和排列材料。这项技术被称为纳米加工技术。事实上，一方面，纳米加工技术是纳米材料的重要基础，另一方面，纳米加工技术包含了许多人们尚未清楚理解的纳米科学问题。例如，在几纳米厚的洞或线中，原子的扩散与宏观世界中的扩散非常不同。一般来说，原子运动的*程是几微米。在这个长度上，原子碰撞，热扩散器壁的影响可以忽略不计。在纳米孔或纳米线中，原子扩散主要是通过与孔壁碰撞来实现的。再举一个例子，一般认为物体一起运动时的摩擦力主要来自物体表面的不平整，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力越小。然而，纳米材料的表面越小，它们就越靠近对方，因此两种材料表面上的原子会发生化学键合，从而对彼此的运动产生阻力。因此，在纳米世界中，所有的加工都必须考虑到原子的大小。纳米加工技术可以整合不同材料的材料。它具有芯片的功能，可以检测电磁波和光波(包括可见光、红外线、紫外线等)。)信号，也可以完成计算机命令。如果将集成装置安装在卫星上，可以大大减轻卫星的重量，使卫星更容易发射，成本更低。目前，人们已经在考虑用“鸟”卫星部分取代现有的卫星系统。