纳米材料的特性和发展

第� 卷 第� 期 !∀# ∃ 年 % 月 无 锡 南 洋 学 院 学 报 &∋( )∗ +, ∋ − . 双右 /∋ ( 01 ∋ 23+ ∗ 45, ,3 63 7 ∋, 8 � 9 ∋ 8 � : 3 3 8 !∀# ∃ 纳米材料的特性和发展 代淑芬 !无锡南洋职业技术学院 电子工程系 , 江苏 无锡 % �;∃ %# <摘 要 = 本文介绍了纳米材料的特性 、发展现状以及未来的发展情况 。 〔关键词〕纳米技术 >纳米材料 >起源 >特性 >发展 【中图分类号』?≅ Α∃Α 【文献标识码」Β 【文章编号』Χ ∀ ∀ ∀ 一联ΧΧ ! ;; ∃ #以Δ !只又Ε一;Φ 一 、纳米科技的提出与发展 %ΕΦ Ε 年在美国加利福尼亚理工学院召开的美国物理学会上 , 物理学家、诺贝尔物理学奖获得者理查德 · 费曼!Γ8 Η3Ι ∗ ϑ +∗ #发 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 演说 , 指出 Κ “如果有一天可以按人的意志安排一个个原子 ,那将会产生怎样的奇迹Λ ” “毫无疑问 , 当我们得以对细微尺度的事物加以操纵时 , 将大大扩充我们可能获得物性的范围。 ”今天 , 纳米 技术已经有了巨大的发展 , 当我们追溯 �Μ 年前那次重要的演说时 , 确实感悟到科学预言的极大震撼力 。 纳米技术!9+∗∋ 03 21∗∋ −∋ 6Ι #是一门在 ; 8 Ν∗ Ο ,以玩ϑ 尺度空间 , 研究电子 、原子和分子运动规律和特性 的崭新高技术学科 ,纳米电子学也在其学科领域。 纳米技术的本质在于以逐个原子的形式 , 在分子层次上运作 , 产生具有特定功能的宏观结构。 它的最终 目标是 , 人类按照自己的意志直接操纵单个原子 , 制造具有特定功能的产品。 这一 目标的实现将意味着纳米 技术改变人类生活模式和生产方式的时代的来临 <,,∋ 从九十年代初起 , 纳米技术得到迅速发展 , 显示出勃勃生机 。 它是微电子技术 、信息技术 、生命科学技术 等能够进一步发展的基础 ,将对人类未来产生深远的影响 , 并且孕育着巨大的商机 。 到 %Ε ΕΕ 年 ,全球纳米产品的年营业额达到 Φ ;; 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子 、光电子的继续发展和提高 >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 % 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。Ν≅ Π 的前首席科学家约翰 ·阿姆斯特朗在 %Ε Ε% 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叽 二 、纳米材料的特性 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径 , 导致了高扩散率 , 它对蠕变 、超塑性 有显著影响 ,并使有限固溶体的固溶性增强 、烧结温度降低 、化学活性增大、耐腐蚀性增强 。 因此纳米材料所 表现的力 、热、声、光 、电磁等性质 , 往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。 与传统晶体材料相比 , 纳 米材料具有高强度一Δ 硬度、高扩散性、高塑性一一韧性、低密度 、低弹性模量、高电阻 、高比热 、高热膨胀系 收稿日期 Κ ;!= � 一 % 一% 作者简介 Κ代淑芬!%Ε ��ΔΔ # ,女 , 内蒙赤峰人 , 学士 ,电子工程系教师 。 无 锡 南 洋 学 院 学 报 第� 卷 数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收 、非线性光学 、 磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂 、热交换材料、敏感元件 、烧结助剂、润滑剂等领域。 具体表 现如下 Κ % 8 尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长等物理特征尺寸相当或更小时, 晶体周期性的边界条件将 被破坏 >非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小 , 导致声 、光电、磁学 、热学、力学等特性呈现出新的小 尺寸效应。 纳米微粒的小尺寸效应使其具有独特的物理化学性能 ,从而拓宽了材料的应用范围。 如当颗粒的 粒径降到纳米级时 , 材料的磁性就会发生很大变化 , 如一般铁的矫顽力约为 ∃;ΒΘ ϑ , 而直径小于 ;∗ ϑ 的铁 , 其矫顽力却增加了 %;! Χ〕倍 , 可用于制造磁卡 >利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质 , 可以改变颗粒尺 寸 ,控制吸收边的位移 ,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料 , 可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 若将纳米 粒子添加到聚合物中 , 不但可以全面改善聚合物的力学性能 , 甚至还可以赋予材料新性能。 8 表面效应 一般而言 , 随着微粒尺寸的减小 , 微粒中表面原子与原子总数之比将会增加 , 表面积也将会增大 ,从而引 起材料性能的变化 , 这就是纳米粒子的表面效应。 表 %列出了纳米微粒尺寸与表面原子数的关系。 表 % 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系 纳纳米微粒尺寸 Ρ! Ν(∗ ### 包含总原子子 包含总原子子 ,,,;;; Α Χ ,以以 ;;; ����� � ∀ %; ΑΑΑ �;;; 8 Φ Χ %; ∃ ;;; ,,,,, Α;;; ΕΕΕΕ 从表 % 中可以看出 , 随着纳米粒子粒径的减小 , 表面原子所占比例急剧增加 。 当粒径为 %∗ ϑ 时 , 纳米材 料几乎全部由单层表面原子组成。 由于表面原子数增多 , 原子配位不足及高的表面能 , 使这些表面原子具有 高的活性 , 极不稳定 , 很容易与其它原子结合。 若将纳米粒子添加到高聚物中 , 这些具有不饱和性质的表面 原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。这样两者之间不但可以通过范德华作用力结合在一起 , 而且那些具有较高化学反应活性的纳米粒子述可以同聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而结合在一 起 。 Α 8 % 子隧道效应 微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应 。 纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应 , 它们可以穿越宏观 系统的势垒而产生变化 , 这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 它的研究对基础研究及实际应用 , 如导电、 导磁高聚物 、微波吸收高聚物等 , 都具有重要意义 ,∗∋ 三 、国内外纳米材料的发展现状 %8 国际发展现状 第 Α 期 代淑芬Κ 纳米材料的特性和发展 % 世纪前 ; 年 , 是发展纳米技术的关键时期 。 由于纳米材料特殊的性能 ,将纳米科技和纳米材料应用 到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变 , 或在性能上有较大程度的提高。 利用纳米科技对传统 工业 , 特别是重工业进行改造 , 将会带来新的机遇 , 其中存在很大的拓展空间 , 这已是国外大企业的技术秘 密。 英特尔、 Ν≅ Π 、 /59Σ 、夏普、东芝、丰田 、三菱 、 日立 、富士 、9Τ4等具有国际影响的大型企业集团纷纷投人 巨资开发自己的纳米技术 ,并得到了令世人瞩目的研究成果 。 纳米技术在经历了从无到有的发展之后 , 已经 初步形成了规模化的产业 。 世界各国对纳米技术的发展都非常重视。 ;; � 年度纳米科技研发预算近 ∃8 Φ亿美元 , ;; Φ年预算已达 到 )∋ 亿美元 , 而且在美国该年度预算的优先选择领域中 , 纳米技术名列第二位。 现在美国对纳米技术的投 资约占世界水平的二分之一 。 在纳米技术领域投资较大的国家还有 Κ欧盟!约巧Υ#、 日本!约 ; Υ #、俄罗斯 、澳大利亚 、加拿大 、中国、韩 国、以色列、新加坡等国。 日本国会提出要把发展纳米技术作为今后 ; 年日本的立国之本 , 政府机构和大公 司是其研究资金的主要来源 , 中小企业的作用很小 。 日本研究的目的是在产品中注人纳米技术 , 增强国际竞 争力。 日本在超细微加工 、纳米设备、强化纳米结构及检测相关领域拥有全球优势 。 欧盟 ;!# 一佗加Μ 年的第 六个框架研究 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 关于纳米技术的总投资将达到 %Α 亿欧元 ,项目分散在各个不同的领域 , 但是专门的纳米 科技领域 , 它明确的优先发展方向是多功能材料、新的生产工艺和设备。 韩国政府把全国各大学研究纳米技 术的优秀人才都集中到汉城大学 , 成立了一个纳米技术学院 , 由国家调配人才 , 各大公司也都以市场为目标 部署了专业研究领域。 目前纳米材料及技术的应用也越来越广泛 , 在专业电子信息产业 , 纳米技术的应用将为电子信息产业的 发展克服以强场效应 、量子隧道效应等为代表的物理限制 , 以功耗 、互联延迟 、光刻等为代表的技术限制和制 造成本昂贵、用户难以承受的经济限制 , 制造出新型纳米器件。 具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于 传统器件的全新功能 , 从而产生出新的经济增长点。 这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命 , 它所带来的经济价值是难以估量的。 正如美国《新技术周刊》指出 , 纳米技术在电子信息产业中的应用 , 将成 为 % 世纪经济增长的一个主要发动机 , 其作用可使微电子学在 ; 世纪后半叶对世界的影响相形见细。 8 国内发展状况 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 我国纳米材料研究始于 ; 世纪 ∃; 年代末 , “八五 ”期间 , “纳米材料科学”列人国家攀登项目。 此后 , 国 家自然科学基金委员会 、中国科学院、国家教委分别组织了 ∃项重大 、重点项目 , 国家 ∃ΜΑ 计划 、Ε�Α 计划新 材料领域也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究 。其中 , ∃ΜΑ 计划纳米材料与微机电系统重大专 项于 ;; 年正式启动 。 ;; 年重大专项以市场、应用和国家重大战略需求为导向 , 面向和促进产业化为重 点 , 针对国际纳米材料技术发展趋势 , 并结合我国国情 , 在有相对优势和战略必争的关键领域 , 如纳米信息材 料及器件的集成技术、纳米生物医用材料 、纳米环境材料、纳米能源材料、纳米结构材料、纳米特种功能材料 等进行了布局 , 批准实施课题 ΜΑ 项 > ;; Α 年则在纳米光电子和电子材料体系、器件构造及集成技术 , 生物医 用器件、系统的纳米材料及相关技术 , 原创性的并具有产业化前景的特种纳米材料及技术 , 纳米电子 、纳米生 物医学器件研发及规模化应用所必需的加工 、检测设备进行了布局 , 批准实施课题 ΑΕ 项 > ;; � 年在纳米信 息、生物医学材料及相关应用技术等几个方面重点支持 , 力争实现技术的跨越发展 , 使我国在纳米技术领域 的国际竞争中占据有利的战略地位 。 通过国家攻关计划 、 ∃ΜΑ 计划、Ε �Α 计划的实施 , 我国在纳米技术研究方面己投人了大量的人力和物力。 白 !∀# % 年到 ;; 年间 , 共资助项目 Φ�Φ 项 , 其中 Φ; 万以上的项目 %; 项 。 在基础研究和应用研究方面 , Φ;; 万以上的项目 Μ 项 , 资助的总经费大约 Α 8 Μ 亿元 , 加上社会资金对纳米材料产业化的投人 , 总投人约 % 亿元 。 在国家各项科技计划的支持下 , 我国纳米材料及纳米科学技术已经取得了比较突出的成果 , 例如 , 在纳 无 锡 南 洋 学 院 学 报 第� 卷 米电子方面 ,成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计 >实现 Μ 纳米宽的半导体量子 线台面和 Μ 纳米宽的线条金属栅 , 制备出间隔仅为 )∋ 纳米的多种 “纳米电极对,’> 用 4Π ≅ 效应进行高灵敏度 传感器和硬盘磁头原理的研制工作。 ;; %年我国开始了第一个“纳米标准”的制定工作 , 这是纳米产业发展加速的一个显著标志 , 而支撑纳 米标准建立的是我国已经具备的纳米基础科学基础研究 、应用研究和产业化的实力 。 !∀# � 年 Φ 月 ; 日 , 中 国实验室国家认可委员会纳米技术委员成立 , 又使我国纳米科技发展走上规范化管理的道路。 目前 , 中国的纳米材料专利 !包括三资企业在中国的纳米专利中请# 占全世界该领域专利申请总数的 ; Υ 以上 , 但我国专利质量和国外相比有一定的差距 , 尤其是纳米技术在电子信息与生物这些技术含量高的 领域严重不足。 )∋ 年来 , 我国研究人员在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文 � ;; 篇 , 其中发表 在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上的论文共 Μ 篇 , 影响因在 Μ 以上的学术论文近 ; 篇 , 影响因子在 Α 以上的 Α% 篇 , 被 /4Ν 和 ΤΝ 收录的文章占整个发表论文的 ΦΕ Υ 。 根据 ;; Α 年 ΒςΤ4统计 , 我国近几年在 Ν4 Β 上发表的论文仅次于美国和日本 ,超过德国 ,位于第三位。如果把 ;; %年和 ;! 抖年初的论文包括在内 , 中国超过口水刹浓第二位 , 占全世界发表论文总数的巧 8 Υ 。 经过几年来国家的政策引导 、各部门的配合 、科学界和企业界的努力 , 我国不但发展了纳米的基础研究 , 部分纳米技术已开始迈人产业化的阶段 。 据统计 , 我国有 Α;; 多家公司在从事纳米材料和技术的研究及产 业化 , 在纳米复合材料改造传统材料和产品方面 , 部分成果已经实现产业化 , 国家纳米技术产业化基地于 !∀∀#年 % 月在天津经济技术开发区落成 ,促进了我国纳米产业化的迅速发展 >上海在涂料、光催化材料、生 物材料 、电子材料和测试仪器 、传统工业领域纳米应用等方面的产业化也取得突破 , 累计新增产值 Φ 亿元 > “十五 ”期间北京对纳米产业化专项将投人 亿元 <’=∋ 四 、纳米技术的未来发展 纳米技术的发展会创造出常人难以想象出的结果 ,但科学家们已经根据目前的成果对未来的发展进行 了描绘。 通过网络下载硬件成为可能。 我们将不仅能够利用因特网下载软件 , 还能下载硬件 , 也就是“物质将成 为软件” 。 研究人员已经忙于研制体积只有针头大小的计算机 , 这种纳米计算机的各个部件比现今用于在磁 盘驱动器上装载信息的物理结构小得多。 从物理意义上再生产一些硬件下载产品所需要新的磁盘驱动器 。 一种设想是用尖细的点束制造一种读写磁头 , 以某种方式刺激原子和分子。 这种物质变软件的关键是纳米 盒。这是一种把纳米制造技术与现今所谓的台式制造方法相结合的未来复印机。如果你需要一部新的蜂窝电 话 , 你可以通过网络购买一种制作蜂窝电话的方法。它将告诉你插人一个塑料片 ,把导电分子注人“ 色粉”盒 中。 纳米盒将把塑料片来回移动 , 记下分子的型式 , 然后通过电子指引分子自行组装成电路和天线。 下一步 是 , 纳米盒利用不同的“色粉”加上号码键、扬声器和麦克风 , 最后制造外壳。 超微型计算机普及 。 一旦掌握了制造体积不超过盐粒大小的计算机的技术 , 就会从根本上处于一种新 的形势。 体积那么微小的计算机将非常便宜 , 因而随处都可使用计算机 。 嵌在内衣里的计算机将告诉洗衣 机应当用什么水温洗涤内衣 > 圆珠笔笔芯中的墨水即将用完的时候 , 嵌在笔中的计算机将提醒你更换笔 芯 > 嵌在鞋里的计算机将向汽车发出信号 , 把主人走过来的信息通知汽车 , 让汽车调整好座位和反光镜并 打开车门。 微型机器人的使用 。 体积微小的机器人能够操纵单个原子 , 成群的肉眼看不见的微型机器人在地毯上 第 Α 期 代淑芬 Κ纳米材料的特性和发展 或书架上爬行 ,把灰尘分解成原子 , 使原子复原成餐巾、肥皂或纳米计算机等诸如此类的东西 。 迈特公司埃 伦博根领导的研究人员取得的最新成果是设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人 。 在 ; ; 年以 前不会出现这种精巧的小装置 。 目前设计出的这种机器人的长度约为 Φ 毫米。 但是 , 假设能利用纳米制造技 术使这种机器人的体积不断缩小 , 它最终的体积可能不会超过灰尘的微粒。 :9Β 造出纳米镊子 。如果有一种超微型镊子 , 能够钳起分子或原子并对它们随意组合, 制造纳米机械就 容易多了。有科学家在《自然》杂志上 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 说 , 他们用 :9Β !脱氧核糖核酸#制造出了一种纳米级的镊子 。美国 朗讯科技公司和英国牛津大学的科学家说 , 利用 : 9Β 基本元件碱基的配对机制 , 可以用 : 9Β 为燃料控制这 种镊子反复开合。研究人员设计出三条 :9Β 链 Β 、≅ 和 4 , 利用碱基配对机制 ,使 Β 的一半与 ≅ 的一半结合 , Β 的一半与 4 的一半结合。在 Β 连接 ≅ 与 4 的地方有一个活动枢钮 , 这样就构成了一个可以开合的镊子 , 而 其每条臂只有 � 纳米长。 一般情况下 , 镊子保持开的状态 。 由于这个镊子的开合需要在 : 9Β 链 : 和链 Τ 的 作用下才能进行 , 所以科学家将 :9Β 称为这种镊子的燃料 。 这种镊子尚不能真正用于制造纳米机械 , 因为 目前还有许多问题需要研究 , 例如怎样用它钳住所需的分子或原子。 皮米卫星 。 美国最近正在用小卫星开展太空方面的科学实验。 前不久 , 他们发射了一对被称为迄今飞人 太空的最小的实用卫星 , 其每颗重量仅为 � 克。 美国科学家已将这种小卫星称之为皮米卫星。 他们介绍 说 , 虽然这种人造成地球卫星非常微小 , 其面板只有卡片大小 , 然而当它们以精确的排列方式飞入太空时 , 最 终却可以完成各种各样的任务 。 如不久前发射的这对皮米 %号卫星 , 巳成功完成了对空间飞行器微型机电 开关的测试 。 据悉 , 皮米 号卫星将在今年晚些时候发射上天。 此卫星将用来测试空间飞行器的微型陀螺仪 和微型推力器,∗∋ <参考文献〕 %%% 《纳米科学技术的提出、界定与发展》<; Ω= 8 100∗ 淤3 2 18Ξ2 Χ∋ 82 ∋ ϑ 击恤面3 .以 晰%; Α% %布,∋%∃ Φ� ΔΔ; 810ϑ < % 《关于纳米技术的由来以及发展预测》%; Ω= 8 100ς &,03 21 8Ξ2Χ ∋8 2 ∋ ϑ 击恤面3 .边;;� %;Α ,, Α% %;% �Φ ∃�ΔΔ; 81 0ϑ <Α= 《纳米复合材料技术进展及发展前景》<5 Ω, 8 100ς 刃032 Ψ8Ξ 2 Χ∋ 82 ∋ ϑ 爪恤山,3 .目 叨� %; ΑΘ%Α 八;% � Μ; 妙8Ψ0Ζ∗ <�% 《国内外纳米材料的发展现状及竞争力》<∋ Ω= 8 100ς &,0 32 18Ξ 2Χ ∋8 2∋ ϑ 瓜恤面3 .目, 加�%; Α%%刃%;% ∃�� ;ΔΔ; 8Ψ 0ϑ 4 1+段2 03 )Ξ[ 0Ξ 4/ +∗ Ρ Τ ∴ ∋ ,( 0Ξ∋ ∗ ∋ − 9 + ∗ ∋ ϑ 303) Π [03)Ξ + , : ΒΝ /1 ( 一−3 ∗ !: 3 ς+ )0 ϑ 3 ∗ 0 5− Τ,32 加 ∗ Τ ∗ 6 Ξ∗ 3 3)Ξ ∗ 6 , ] 往石/∋ (01 ∋ 3 3+∗ 45,, 363 , ] ( Χ Ξ, &Ξ +∗ 6[ ( , 4肠+, %�; ∃ %# Β Ψ [0 ) + 2 0Κ ?1 3 +)0 Ξ3,3 Ξ∗ 0)∋ Ρ ( 3 3[ 01 3 ∋ )Ξ 6Ξ ∗ , 1Ξ[ 0∋叮 5− ∗ +∗ ∋ ϑ 303 ) 03 31∗ ∋,∋盯 +[ . 3 ,, + [ 01 3 21+)+2 03)Ξ [0Ξ 3[ , 3())3∗ 0Ρ 3∴ 3 ,∋ςϑ 3 ∗ 0 + ∗ Ρ Ξ∗ 03 ∗ ΡΞ∗ 6 Ρ3 ∴3, ∋ ςϑ 3 ∗ 0 5− ∗ +∗ ∋ ϑ 3 03 ) ϑ + 03 )Ξ +, 8 ⊥ 3Ι .∋ )Ρ[ Κ ∗ +∗ ∋ ϑ 3 03) 03 31 ∗ ∋ ,∋6Ι > ∗+∗ ∋ ϑ 30 3) ϑ+ 03 )Ξ +, > ∋)Ξ 6Ξ ∗ Κ 1Ξ[0∋ )Ι > 3 1+)+2 03)Ξ [0Ξ 3 Κ 3 ∴∋ ,(0 Ξ∋ ∗ 8