納米時(shí)代離我們有多遠(yuǎn)

1、納米時(shí)代離我們有多遠(yuǎn)？第一部分 納米材料與納米科技基本知識(shí)一、引言 在自然科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)， 從空間尺度的大小， 來(lái)劃分問(wèn)題的“宏”和“微”， 在分界 線的選擇上，有一定的困難?？梢阅：卣J(rèn)為，空間尺度從大到小，有： 宇觀一一宏觀一一細(xì)觀一一微觀一一介觀各門學(xué)科都有它們自己的大致的 分界線。在材料科學(xué)領(lǐng)域中，傳統(tǒng)地認(rèn)為，較宏觀大得多的，叫做“宇觀”；人 類肉眼可見(jiàn)者，從約 102到 10-3 米，叫做“宏觀”；宏、微之間者，叫做細(xì)觀； 10-4米附近的，則借助于顯微鏡才能觀察到的，叫做“微觀”；較微觀小的，叫 做“介觀”。納米物質(zhì)就是處在這樣一個(gè)“介觀”世界。、未來(lái)的新材料納米材料1、什么是納米材料

2、和納米科技著名的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Feyneman在 20世紀(jì)60年代曾預(yù)言：如果我們對(duì)物 體微小規(guī)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(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。 他所說(shuō)的材料就是現(xiàn)在的納米材料。納米是一種度量單位，1納米（nn）等于10-9米（1毫米等于10-3米，1微米等于 10-6米），即百萬(wàn)分之一毫米、十億分之一米。1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的10萬(wàn) 分之一。廣義地說(shuō)， 所謂納米材料， 是指微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1n100nn）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料，它包括零維的原子團(tuán)簇（幾十個(gè)原子的聚集體）和納米微粒；一維調(diào)制的納米多層膜；二維調(diào)

3、制的納米微粒膜（涂 層）；以及三維調(diào)制的納米相材料。簡(jiǎn)單地說(shuō)，是指用晶粒尺寸為納米級(jí)的微小 顆粒制成的各種材料， 其納米顆粒的大小不應(yīng)超過(guò) 1 00納米，而通常情況下不應(yīng) 超過(guò)10納米。目前，國(guó)際上將處于1?0Onm納米尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密 的聚集體， 以及由納米微晶所構(gòu)成的材料， 統(tǒng)稱為納米材料， 包括金屬、非金屬、 有機(jī)、無(wú)機(jī)和生物等多種粉末材料。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用的基 礎(chǔ)，其相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的納米技術(shù)則被公認(rèn)為是 21 世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。 所謂納米科學(xué)，是指研究納米尺寸范圍在0.1 - 10Onm之內(nèi)的物質(zhì)所具有的物理、 化學(xué)性質(zhì)

4、和功能的科學(xué)。 而納米科技其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、 分子制造物質(zhì)的 科學(xué)技術(shù)，它以納米科學(xué)為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行制造新材料、新器件，研究新工藝的 方法。納米科技大致涉及以下七個(gè)分支： 納米材料學(xué)、 納米電子學(xué)、 納米生物學(xué)、 納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米機(jī)械學(xué) （ 制造工藝學(xué) ） 、納米加工及表征。其中每一 門類都是跨學(xué)科的邊緣科學(xué)， 不是某一學(xué)科的延伸或某一項(xiàng)工藝的革新， 而是許 多基礎(chǔ)理論、 專業(yè)工程理論與當(dāng)代尖端高新技術(shù)的結(jié)晶。 并且主要以物理、 化學(xué) 等的微觀研究理論為基礎(chǔ)， 以現(xiàn)代高精密檢測(cè)儀器和先進(jìn)的分析技術(shù)為手段， 是 一個(gè)原理深?yuàn)W、科技頂尖和內(nèi)容極廣的多學(xué)科群。2、納米材料的發(fā)展簡(jiǎn)史其

5、實(shí)，納米超微粒子早已廣泛存在于自然界中， 并且與人類的生命活動(dòng)密切相關(guān)， 如我們所熟悉的動(dòng)物的筋、皮、骨都是納米物質(zhì)。早在 1861 年，人們對(duì)化學(xué)中 所謂的膠體（即納米體系） 曾開(kāi)展研究，但人們有目的地制取并研究納米晶體卻 在 20 世紀(jì) 60 年代和 80 年代。利用現(xiàn)代技術(shù)完成的第一塊納米材料，是出自德國(guó)科學(xué)家格萊特（ H.Gleiter ） 之手。1984年，他將6nm大小的金屬粉末壓制成型，燒結(jié)得到納米微晶體塊， 成為納米材料的開(kāi)山之作。 他還探索了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 發(fā)現(xiàn)了其界面的奇異結(jié)構(gòu)和 特異而優(yōu)越的性能。 由于納米顆粒的尺寸已經(jīng)很接近原子、 電子的大小， 量子效 應(yīng)便開(kāi)始影響物質(zhì)的

6、結(jié)構(gòu)與物理、 化學(xué)性能。 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)表明， 納米材料在機(jī)械強(qiáng) 度、磁、聲、光、熱等方面，與普通材料都有較大的差異，由此可制成性能特別 優(yōu)良的各種特殊材料。納米科技的正式“出場(chǎng)”亮相， 頗有點(diǎn)戲劇性， 其實(shí)是一幕刻意導(dǎo)演出來(lái)的“小 品”。那是 1990 年的一天，在美國(guó)麻省理工學(xué)院舉辦的科技展覽會(huì)開(kāi)幕之前， 當(dāng)與會(huì)的科學(xué)家們進(jìn)入展覽大廳時(shí)， 忽然間被一個(gè)小東西所吸引只見(jiàn)這個(gè)僅 有跳蚤般大小的東西從眼前光滑的地板上一溜滑過(guò)去， 科學(xué)家們?cè)谡褂[會(huì)工作人 員的協(xié)助下，才“捉”住這片神秘的不速之客微型機(jī)器人。 奇妙而驚人的是， 就是這么個(gè)小不點(diǎn)兒， 竟然五臟俱全： 其“身體”是由許多齒輪等零件、 渦輪機(jī)

7、和微型電腦組成， 其齒輪或零件小得竟如空氣中飄浮的塵埃， 需要借助電子顯微 鏡方可看清其真面目 （ 外形、結(jié)構(gòu)等） 。而其“大腦”， 則能夠?qū)Ω鞣N外來(lái)信息和 刺激迅速做出反應(yīng)。這個(gè)納米機(jī)器人，就是享譽(yù)全球的貝爾實(shí)驗(yàn)室的驚世杰作。 同年 3 月，美國(guó)猶他大學(xué)和加州大學(xué)的科學(xué)家， 也先后研制完成幾種極其微小的 納米量級(jí)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和搖擺式電機(jī)， 其玄妙的機(jī)體，只有用顯微鏡才能窺探清楚。 也是這一年，美國(guó)成功地舉行了首屆納米科學(xué)技術(shù)大會(huì)，正式創(chuàng)辦納米技術(shù) 雜志。這一切向全世界宣告：納米科技、納米機(jī)械誕生了 !總結(jié)起來(lái)，納米材料的研究發(fā)展階段大致分為三個(gè)階段。第一階段（ 19771990年），以在美國(guó)巴

8、爾的摩召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技 術(shù)會(huì)議（ NTS 1 ）為標(biāo)志，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。第二階段（ 19901994年），以第二屆國(guó)際納米材料學(xué)術(shù)會(huì)議為標(biāo)志，會(huì)議認(rèn) 為對(duì)納米材料微結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)著眼于對(duì)不同類型材料的具體描述。第三階段（1994至今），納米材料的研究特點(diǎn)在于按人們的意愿設(shè)計(jì)、組裝和 創(chuàng)造新的體系，即以納米顆粒、納米絲和納米管為基本單元在一維、二維、三維 空間組裝納米結(jié)構(gòu)體系。3、納米材料的分類納米材料按其結(jié)構(gòu)可以分為四類：具有原子簇和原子束結(jié)構(gòu)的稱為零維納米材 料；具有纖維結(jié)構(gòu)的稱為一維納米材料； 具有層狀結(jié)構(gòu)的稱為二維納米材料； 晶 粒尺寸至少一個(gè)方向在幾

9、個(gè)納米范圍內(nèi)的稱為三維納米材料。還有就是以上各種形式的復(fù)合材料。按化學(xué)組份，可分為納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和 納米復(fù)合材料。按材料物性，可分為納米半導(dǎo)體、納米磁性材料、納米非線性光 學(xué)材料、納米鐵電體、納米超導(dǎo)材料、納米熱電材料等。按應(yīng)用，可分為納米電 子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲(chǔ)能材料等。4、特殊的結(jié)構(gòu)與性能納米固體中的原子排列既不同于長(zhǎng)程有序的晶體，也不同于長(zhǎng)程無(wú)序、長(zhǎng)程有序的“氣體狀”固體結(jié)構(gòu)，是一種介于固體和分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。 因此，一 些研究人員把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)晶體材料”。正是由 于納米材料這

10、種特殊的結(jié)構(gòu)，使之產(chǎn)生四大效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)（含 宏觀量子隧道效應(yīng)）、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、 化學(xué)性能，表現(xiàn)出獨(dú)特的光、電、磁和化學(xué)特性。當(dāng)金屬或非金屬被制備成小于100納米的粉末時(shí)，其物理性質(zhì)就發(fā)生了根本的變 化，具有高強(qiáng)度、高韌性、高比熱、高導(dǎo)電率、高擴(kuò)散率、磁化率及對(duì)電磁波具 有強(qiáng)吸收性等，據(jù)此可制造出具有特定功能的產(chǎn)品。 例如，納米鐵材料的斷裂應(yīng) 力比一般鐵材料高12倍，氣體在納米材料中的擴(kuò)散速度比在普通材料中快幾千 倍；納米磁性材料的磁記錄密度可比普通的磁性材料提高10倍，納米顆粒材料與生物細(xì)胞結(jié)合力很強(qiáng)，為人造骨質(zhì)的應(yīng)用拓寬了途徑等等。5、納米材料的制備方法目前，納米材料的制備方法很多，一些制取超細(xì)微粒的方法可以用來(lái)制納米微粒。 但是，高效率低成本獲取優(yōu)質(zhì)納米材料的技術(shù)， 仍是各國(guó)科學(xué)家研究的重點(diǎn)。近 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的制備方法主要可以分為物理法