纳米技术是用单个原 子、分子制造物质的科学技术,纳米材料从根本上改变了材料的结构,纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,其相应发展起来的纳米技术被会认为是世纪最具有前途的科研领域。
目前其主要运用在:陶瓷领域、微电子学上、生物工程上、在光电领域、在化工领域、在医学上。
详细介绍如下：
1、纳米技术在陶瓷领域方面的应用
陶瓷材料作为材料 的三大支柱 之一,在日常生活及工业生产 中起着举 足轻重 的作用。但是,由于传统陶瓷材料质地较脆,韧性、强度较差,因而使其应用受到 了较大 的限制。随着纳米技术的广泛 应用,纳米陶瓷随之产生,希望 以此来克服陶瓷材料 的脆性,使陶瓷具有象金属一样 的柔韧性和 可加工性。英国材料学家指 出纳米 陶瓷是解决 陶瓷脆性 的战略途径。所谓纳米 陶瓷,是指显微结构 中的物相具有纳米级 尺度 的陶瓷材料、也就是说晶粒尺 寸、晶界宽度、
第二相分布、缺陷尺 寸等都是在 纳米 量级 的水平上。要制备纳米 陶瓷,这就需要解决粉体尺寸形貌和粒径分布的控制,团聚体的控制和分散。块体形态、缺陷、粗糙度 以及成分的控制。
2、纳米技术在微 电子学上 的应用
纳米电子学是纳米技术 的重要组成 部分,其主要思想是基于纳米粒子 的量子效应来设计并制备纳 米
量子器件,它包括纳米有 序无 序阵列体 系、纳米微粒 与微孔 固体组 装体 系、纳米超结构组装体 系。纳米 电子学 的最终 目标 是将集成 电路进一步减小,研制出由单原 子或单分 子构成 的在室 温能使用 的各种器件。目前,利用 纳米 电子学已经研制成功各种纳米器件。单 电子 晶体管,红、绿、蓝三基色可调谐 的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成 的超微磁场探测器 已经问世。并且,具有奇特性能的碳纳米管的研制成功,为纳米 电子学 的发展起到了关键的作用。碳纳米管是 由石墨碳原 子层卷 曲而成,径 向尺层控制在以下。电子在碳纳米管的运 动在径 向上受 到限制,
表现 出典型 的量子 限制效应,而在轴 向上 则不受任何 限制。以碳 纳米管为模 子来制备一维
半导体量子材料,并不是凭空设想,清华大学 的范守善教授利用碳纳米管,将气相反应 限制在纳米管内进行,从 而生 长 出半导体纳米线。他们将一混合粉体置于石英 管 中的钳 祸底 部,加热并通人气体与在碳纳米管 中反应生 长 出封 纳米线,其径 向尺寸为一。另外,在年,他们还制备 出了纳米线。年该科研组与美 国斯坦福大学合作,在 国际上首次实现硅衬底上碳 纳米管阵列 的 自组织生长,它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面 的应用。其独特 的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成 电路,超导线材等领域。
3、纳米技术在生物工程上的应用
众所周知,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好 的信息处理材料、每一个生
物大分子本身就是一个微型处理器,分子在运动过程 中以可预测方式进行状 态变化,其原理类 似于计算机的逻辑开关,利用该特性并结合纳米技术,可 以此来设计量子计算机。美 国南加州大学 的博士等应用基于分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了 目前计算机无法解决的问题一“哈密顿路径问题”,使人们对生物材料 的信息处理功能和生物分子的计算技术有 了进一步的认识虽然分子计算机目前只是处 于理想阶段,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机 的组件,其 中细菌视紫红 质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性 和很好的稳定性,并且,其奇特 的光学循环特性 可用于储存信息,从而起 到代替 当今计算机信息处理 和信息存储 的作用。在整个光循环过程 中,
细菌视紫红质经历几种不 同的中间体过程,伴随相应 的物质结构变化。等研究 了细菌视紫红质分潜在的并行处 理机制和用作三维存储器 的潜能。通过调谐激光束,将信息并行地写人细菌视紫红质立体,
并从立方体中读取信息,并且细菌视紫红质的三维存储器可提供 比二维光学存储器大得多的存储空间。纳米计算机 的问世,将会使当今 的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极 限,
使单位体积物质的储存和信息处理 的能力提高上百万倍,从而实现电子学上 的又一次革命。
4、纳米技术在光 电领域的应用
纳米技术 的发展,使微 电子 和光 电子 的结合更加紧密,在光 电信息传输、存贮、处理、运算和示
等方面,使光 电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提高倍至 几百倍,甚至 可 以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度 的对地侦察。但是要获取高分辨图年第期广 东 有云 职 业 技 术 学 吮广 州 合 云 工 商 高 级 技 工 学 校学报像,就必需先进 的数字信息 处理技术。科 学家们发现,将光调 制器 和光探测器结合在 一 起 的量子 阱 自电光效应器件,将 为实现光学高速数学运算提供可能。美国桑迪亚 国家实验室 的等发现纳米激光器 的微小尺寸可 以使光子被限制在少数几个状态上,而低音廊效应则使光 子受 到约束,直 到所 产生 的光波 累积起足够多 的能量后 透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作 效 率,而能量 阑则很低。纳米激光器实际上 是一根弯 曲成极 薄 面包 圈的形状 的光子导线,实验发现,纳米激光器 的大小 和形状能够有效控制它发射 出的光子 的量子行 为,从 而影 响激光器 的工作。研究还发现,纳米激光器工作时只需约微安的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有五 分之一立方微米体积 内。在这一尺度上,此结构 的光子状态数少于个,接近 了无能量运行所要求的条件,但是光子 的数 目还 没有减 少 到这样 的极 限上。最 近,麻省理工学院的研究人员 把被激发 的钡原子一个一个地送人激光器 中,每个原子发射一个有用 的光子,其效率之高,令人惊讶。除了能提高效率以外,无能量 阂纳米激光器 的运行还可 以得 出速度极快 的激光器。由于 只需要极少的能量就可 以发射激光,这类装置可以实现瞬开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟亿次的速度开关,适合用 于光纤通信。由于纳米技术 的迅速发展,这种无能量 阂纳米激光器 的实现将指 日可待。
5、纳米技术在化工领域 的应用
纳米粒子作为光催化剂,有着 许多优 点。首先是粒径小,比表 面积大,光催化效率高。另外,纳米粒
子生成 的电子、空穴在 到达表 面之前,大部分不会重新结合。因此,电子、空穴能够到达表面 的数量 多,则化学反应活性 高。其 次,纳米粒子分散在介质 中往往具有透 明性,容易运用光学手段 和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表 面态密度的影响。目前,工业上利用米二氧化钦一三氧化二铁作光催化‘剂,用于废水 处理含了一或尹一体系,已经取得 了很好 的效果,用淀溶 出法制备 出的粒径 约一的 白色球状钦 酸锌粉体,表 面积大,化学活性 高,用它作 吸 附脱硫剂,
较 固相烧结法制备的钦 酸锌粉体效果 明显提高。
6、纳米技术在 医学上 的应用
随着纳米技术的发展,在 医学上该技术也开始崭露 头脚。研究人员发现,生物体内的蛋 白质复
合体,其线度在一之间,并且生物体内的多种病毒,也是纳米粒子。以下 的粒子 比血液 中的红 血球还要小,因 而可 以在血 管 中 自由流动。如果将超微粒子 注人 到血 液 中,输送 到人体 的各个部位,
作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米微粒进行 了细胞分离,用金 的纳米粒子进行定位病变治疗,以减 少 副作用等。另外,利用纳米颗粒作为载体 的病毒诱导物已 经取得 了突破性进展,现在已用 于临床动物实验,估计不久 的将来 即可服务 于人类。研究 纳米技术 在生命医学上应用
,可 以在纳米尺度上 了解生物大分子 的精细结构及其与功能的关系,获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造 出分子机器人,在血液 中循环,对身体各部位进行检测、诊断,并实 施特殊治疗,疏通脑 血管 中的血栓,清除心脏动 脉脂肪沉 积物,甚 至 可以用其吞 噬病毒,杀死癌细胞。区样,在不久 的将来,被视为当今疑难病症 的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃 而解,从而将使医学研究发生一 次革命。总之,纳米技术正成为各 国科技界所关 注的焦点,正如钱学森院士所 预言 的那样“纳米左右和纳米以下 的结构将是下一 阶段科技发展 的特点,会是一次技术革命,从而将是世纪 的又一次产业革命
。 ”