納米科技的應用及其發(fā)展論文

PAGEPAGE22 本科畢業(yè)論文納米科技的應用及其發(fā)展學院專業(yè)化學工程與工藝年級班別學號學生姓名指導教師2012年6月12日目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 2Abstract 31納米科技的內(nèi)涵及其發(fā)展原因 41.1納米技術的涵義 41.1.1納米(Nanometer) 41.1.2納米體系(Nanosystem) 51.1.3納米材料(Nano-materials) 51.1.4納米技術(Nanotechnology) 71.2納米技術發(fā)展的原因 82納米技術的應用 92.1納米技術在新材料開發(fā)方面的應用 92.2納米技術在生物學領域的應用 102.3納米技術在微電子方面的應用 112.4納米技術在生物醫(yī)學領域的應用 122.5納米技術在化工領域的應用 132.5.1納米催化劑的性質(zhì) 132.5.2常見的納米催化劑（nanocatalysts—NCs） 142.5.3納米催化劑的制備方法 152.5.4納米催化劑的應用 162.6納米技術在光電領域的應用 173納米技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 183.1納米技術的國際研究現(xiàn)狀 183.2我國納米科技的發(fā)展現(xiàn)狀 193.3納米技術的發(fā)展趨勢 194結論 20致謝語 22參考文獻 23摘要納米技術是21世紀的高新科技前沿之一，在國民經(jīng)濟及科學技術等方面都具有廣闊的應用前景。誰掌握了納米技術，誰就會在經(jīng)濟發(fā)展中取得主動，不斷提高其國際地位。怎樣更好地發(fā)展納米科學技術，將是21世紀人們關心的熱門話題，也是科學技術發(fā)展研究的前沿課題之一。論文介紹了納米科技的含義，對納米科技發(fā)展的原因進行了簡單的分析。接著著重論述了納米技術在各個領域的應用并介紹了納米技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢。從研究的進展來看，納米技術深入到了各個領域，具有廣闊的應用前景。關鍵詞：納米科技；發(fā)展趨勢；應用AbstractNanotechnologyisthe21stcenturycutting-edgehigh-techone,inthenationaleconomyandthetechnologyhasbroadapplicationprospects.Whomasteredthenano-technology,whowillbemadeineconomicdevelopmentinitiatives,andcontinuouslyimproveitsinternationalstatus.Howtobetterdevelopmentofnano-scienceandtechnology,the21stcenturywillbethehottopicofconcernaswellasscientificandtechnologicaldevelopmentamongtheforefrontofresearch.Thispaperintroducesthemeaningofnano-scienceandtechnology,andhaveasimpleanalysisaboutthereasonofdevelopmentofnanometertechnology.Thepaperalsodiscussesthenano-technologyapplicationinallfieldsandintroducesthepresentsituationanddevelopmentofnanometertechnologytrends.Fromtheresearchprogressofperspective,nano-technologygoestoallfields,ithaswideapplicationprospects.Keywords:nano-technology；developmenttrends；application1納米科技的內(nèi)涵及其發(fā)展原因納米技術是近幾十年來在微電子技術基礎上發(fā)展起來的一門新的學科。自1959年費曼預言后的一、二十年，納米技術一直處于探索階段，當時科技界通常將如今的納米技術稱為“中尺度技術”。1981年，掃描隧道顯微鏡微觀測試技術獲得突破之后，尤其是1990年的第一屆納米科技學術會議之后，全世界掀起研究納米技術的高潮。許多國家投入大量資金進行納米技術研究，從而使得納米技術得以加速發(fā)展。盡管目前離真正的納米時代還有一段距離，但納米技術在某些方面已經(jīng)成熟(如:STM技術)或比較成熟（如:分子電路)，這使得收集和整理納米技術的相關進展成為可能并且必要。然而，我國納米技術相對滯后，許多人對納米技術了解并不系統(tǒng)，對納米技術的相關概念甚至有不少誤解。筆者認為，只有從科學的角度去系統(tǒng)了解納米技術，我們才能真正在開發(fā)納米技術的征途中有所為，也只有這樣，才不至于在追求納米的潮流當中迷失方向。1.1納米技術的涵義納米技術(Nanotechnology)是一門應用科學，其目的在于研究于納米尺寸時，物質(zhì)和設備的設計方法、組成、特性以及應用。納米技術是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術的次級分類，美國的國家納米技術啟動計劃(NationalNanotechnologyInitiative)將其定義為“1～100”納米尺寸間的物體，其中能有重大應用的獨特現(xiàn)象的了解與操縱?！币到y(tǒng)地了解納米技術的內(nèi)涵，必須將其分為四個基本的層次：1.1.1納米(Nanometer)納米（符號為nm）是長度單位，原稱毫微米，就是10-9米（10億分之一米），即10-6毫米（100萬分之一毫米）。如同厘米、分米和米一樣，是長度的度量單位，相當于4倍原子大小，比單個細菌的長度還要小。單個細菌用肉眼是根本看不到的，用顯微鏡測直徑大約是五微米。舉個例子來說，假設一根頭發(fā)的直徑是0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度大約就是一納米。1.1.2納米體系(Nanosystem)在宏觀領域和單個原子、分子的微觀領域之間的神秘結合部——介觀領域(前者是無數(shù)原子的集體行為形成了物質(zhì)的整體性質(zhì)，后者是量子力學占支配地位)，這個領域包括了從微米、亞微米、納米到團簇尺寸(從幾個到幾百個原子以上尺寸)的范圍。以量子相干輸運現(xiàn)象為主的介觀物理狀態(tài)在該領域應運而生，成為當今凝集態(tài)物理學研究的熱點。“從廣義上來說，凡是出現(xiàn)量子相干輸運的體系都稱為介觀體系，包括團簇(＜1nm)、納米體系(1nm～100nm)和亞微米體系(0.1mm～1mm)。由于目前通常把亞微米級(0.lmm～1mm)體系有關現(xiàn)象的研究，特別是電輸運現(xiàn)象的研究稱為介觀領域，這樣納米體系和團簇就從這種“狹義”的介觀范圍內(nèi)獨立出來，專門稱為納米體系”[1]。納米體系與物質(zhì)的基本結構單元相鄰接，確定了最小的天然結構，從而成為微型化過程的最終極限：不可能造出比它更小的結構了。1.1.3納米材料(Nano-materials)廣義地講，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1nm～100nm)或由它們作為基本單元構成的宏觀材料。納米材料是納米科技的主要基礎，它和納米電子學、納米生物學、納米檢測與表征等組成納米科技最基本的內(nèi)容，顯示出豐富的層次與學科交叉特征。納米材料可從維數(shù)、組成相數(shù)、導電性能等不同角度進行分類，在納米科學研究中通常按維數(shù)分類。納米材料的基本單元按維數(shù)劃分可以分為三類：①零維，指在空間中三維尺度均在納米尺度，如納米尺度顆粒、原子團簇等；②一維，指在空間中有二維處在納米尺度，如納米絲(Nanosilk)、納米棒(Nanorods)、納米管(Nanotubes)等；③二維，指在空間中有一維在納米尺度，如超薄膜(UltrathinMembrane)、多層膜(MultilayerMembrane)、超晶格(SuperLattices)等。因為這些基本單元往往具有量子性質(zhì)，所以對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點(QuantumDots)、量子線(QuantumWires)和量子阱(QuantumWell)之稱[2]。圖1.1納米絲、納米棒圖1.2納米管從幾何角度來分，納米材料的研究對象還包括：橫向結構尺寸小于100nm的物體，納米微粒與常規(guī)材料的復合體，粗糙度小于100nm的表面，納米微粒與多孔介質(zhì)的組裝體系等由零維、一維、二維中一種或多種納米材料組成的三維材料。我國著名的旅美納米科學家王中林教授認為“納米材料為穎粒或尺寸至少在一維尺度上小于100nm，并且必須具有截然不同于塊狀材料的電學、磁學、光學、熱學、化學或力學性能的一類材料體系。它包含所有的材料種類，例如金屬、陶瓷、半導體等”。美國國家科學基金會主管納米計劃事務的官員Mihai1C.Roco認為納米材料和系統(tǒng)必須具備幾個關鍵特征：“第一，它們必須至少有一個維具有l(wèi)nm～100nm的尺度；第二，它們的設計過程必須體現(xiàn)微觀操控的能力，即能夠從根本上左右分子尺度的結構的物理和化學性質(zhì)；第三，它們能夠組合起來形成更大的結構”[3]。1.1.4納米技術(Nanotechnology)納米技術(Nanotechnology)的基本概念是1974年在東京由日本精密工程學會(JSPE)和國際生產(chǎn)工程研究學會(CIRP)聯(lián)合主持的會議上由日本東京科學大學機械工程教授谷口紀男提出的。納米技術是指在納米尺度（一般為1nm～100nm，但對于很小的原子和很大的分子的物質(zhì)往往會突破這個下限和上限）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，同時利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工的多學科交叉的科學和技術。納米技術的研究內(nèi)容主要包括以下四個方面：(1)創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料；(2)設計和制備各種納米器件和裝置；(3)探測與分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象；(4)以原子、分子為起點，去設計制造具有特殊功能的產(chǎn)品。納米技術與以往的技術領域不同，它涉及物理學、化學、材料學、生物學和電子學等幾乎所有的科學技術領域，并引發(fā)和派生了納米物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學和納米醫(yī)學等新的前沿科學，以及納米材料、納米器件、納米測量與納米加工等密切相關而又自成體系的納米技術領域。綜合以上概念，筆者認為，所謂納米技術就是在納米體系(1nm～l00nm)內(nèi)研究電子、原子和分子的運動規(guī)律，以便組建納米材料并利用其實現(xiàn)特有功能和智能作用的先進技術。這是一種從原子著手由小到大的材料合成和控制途徑。但是，2000年，美國國會研究局發(fā)布的一份報告指出：“雖然納米技術有極其巨大的發(fā)展?jié)摿?，但部分科學家認為，這個領域的定義過于模糊，而且關于納米技術的許多宣傳可能是言過其實的炒作，并不符合當今科學預測的實際情況”[4]。1.2納米技術發(fā)展的原因納米技術現(xiàn)今己經(jīng)成為科學技術中最受追捧的熱門學科之一。在美國，對它的研究僅次于生物醫(yī)學研究和防務研究，其洶涌的發(fā)展勢頭，可能有如下幾個主要原因：第一，微電子技術的發(fā)展己到了納米級的尺寸。到目前，電子器件的尺寸已到了100nm的范圍，預計到2014年，計算機芯片上的晶體管的最小線寬將降低到20nm，經(jīng)典物理學的極限己經(jīng)來臨，量子器件的發(fā)展勢在必行?？梢哉f微電子和信息技術驅動了納米技術。第二，先進的顯微技術和微觀操縱技術使得人們可以將原子級的微觀過程展現(xiàn)出來。近十年來，透射電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡、納米鑷子的急速發(fā)展給人們帶來探索世界的“眼睛”和操縱原子的“工具”，利用這些眼睛我們可以觀測以前看不見的納米世界，操縱以前只可以想象而不能設計建造的原子分子結構。1990年，美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子“排出”了“IBM”。第三，新的納米結構的發(fā)現(xiàn)極大地激發(fā)了人們研究熱情。例如Kroto與Smalley在1985年發(fā)現(xiàn)的布基球(獲1996年Nobel化學獎)、飯島澄男(SumioLijima)在1991年發(fā)現(xiàn)的碳納米管。半導體量子點和量子線、半導體氧化物帶等納米結構的發(fā)現(xiàn)，為人們展現(xiàn)了納米世界的多變性、多樣性。第四，新的量子現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為人們設計未來世界提供了新的手段、新的工具和迥然不同的工作原理，這給未來發(fā)展留下了廣闊空間。如電導率的量子化、熱導率的量子化等。第五，超快計算機和先進軟件的問世。可以用模擬來展現(xiàn)在超短時間，超小空間范圍內(nèi)的動態(tài)過程，這為人們設計新的納米材料和器件節(jié)約了人力、物力、財力。第六，一伙不那么出名的未來學家的想象力也對納米熱起了推波助瀾的作用，這伙未來學家異想天開地沉浸在諸如長生不老，財富無窮之類的好夢中。這里最典型的要數(shù)1986年K.EricDrexler所著的《創(chuàng)世引擎》(EnginesofCreation)，該書描述了如何實現(xiàn)對物質(zhì)神力般的操控，這雖不是對未來實事求是的預測，但這種納米熱有時會引導更多的人投身于納米事業(yè)?？傊?，在理論上，所有科學家不得不承認納米結構會具有優(yōu)異的電氣、化學、機械與光學性能，故雖不是有絕對把握賭贏，但納米技術值得一賭。這怕是納米技術勢頭急劇增升的根本原因了。2納米技術的應用納米技術作為一門新興科技，表現(xiàn)出強大的生命力，較其他科技，它涉及到的領域更加寬廣。近些年來，納米材料涉足到了材料學、生物學、生物醫(yī)學、化工、航天航空、通信、環(huán)保、電子學、能源、國防等領域，并且碩果累累。納米材料正日益成為分門別類的舊科技的匯合點和新科技的孵化器。2.1納米技術在新材料開發(fā)方面的應用陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產(chǎn)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。英國材料學家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑[5]。所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散，塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制等問題。納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結。目前世界上對納米陶瓷粉體的制備方法多種多樣，但應用較廣且方法較成熟的主要有氣相合成和凝聚相合成2種，再加上一些其它方法。氣相合成法：主要有氣相高溫裂解法、噴霧轉化法和化學氣相合成法，這些方法較具實用性。化學氣相合成法可以認為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強了低溫下的可燒結性，并且有相對高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料在坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團。原子團的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強來控制，粒徑可小至3～4nm，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。凝聚相合成法（溶膠——凝膠法）：是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制PH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經(jīng)溶膠凝膠而形成一種空間骨架結構，再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團。從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有：沉降法，如在固體襯底上沉降；原位凝固法，在反應室內(nèi)設置一個充液氮的冷卻管，納米團冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經(jīng)漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結或熱壓法，燒結溫度提高，增加了物質(zhì)擴散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結溫度下，納米顆粒以較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能在低溫下有可延性的，能夠發(fā)生100%的彈性形變[6]。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無法比擬的優(yōu)點。上海硅酸鹽研究所在納米陶瓷的制備方面起步較早，他們研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗后，在納米3Y-TZP樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達380%，并從斷口側面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線[7]。Tatsuki等人對制得的Al2O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗，結果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移，Al2O3晶界處的納米SiC粒子發(fā)生旋轉并嵌入Al2O3晶粒之中，從而增強了晶界滑動的阻力，也即提高了Al2O3-SiC納米復相陶瓷的蠕變能力。雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優(yōu)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(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。2.2納米技術在生物學領域的應用分子是保持物質(zhì)化學性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，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(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機[8]。納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍，它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的又一次革命。生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快幾十倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機能，自動修復芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機制等[9]。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的?？茖W家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產(chǎn)生重大影響。生物納米計算機和納米機器人的結合體則是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。2.3納米技術在微電子方面的應用納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。目前，利用納米電子學已經(jīng)研制成功各種納米器件，單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲，巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學的發(fā)展起到了關鍵的作用。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應，而在軸向上則不受任何限制。以碳納米管為模子來制備一維半導體量子材料，并不是憑空設想，清華大學的范守善教授利用碳納米管，將氣相反應限制在納米管內(nèi)進行，從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4-40nm。另外，在1997年，他們還制備出了GaN納米線[10]。1998年該科研組與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領域。早在1989年，IBM公司的科學家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細量子線結構技術，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，由激光驅動，并且開、關速度很快。美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點達到幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。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于大腦中的神經(jīng)細胞，再結合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。

納米電子學立足于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(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。2.4納米技術在生物醫(yī)學領域的應用從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞就像一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現(xiàn)技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可以享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療[11]。各式納米機械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造[12]。2.5納米技術在化工領域的應用在高新技術中，納米技術、生物技術和信息技術對化學工業(yè)發(fā)展有著深遠的影響，對于材料科學而言，當首推納米技術。近年來,納米技術的發(fā)展已廣泛地滲透到催化研究領域,其中最典型的實例就是納米催化劑(nanocatalysts—NCs)的出現(xiàn)及與其相關研究的蓬勃發(fā)展。NCs具有比表面積大、表面活性高等特點,顯示出許多傳統(tǒng)催化劑無法比擬的優(yōu)異特性；此外,NCs還表現(xiàn)出優(yōu)良的電催化、磁催化等性能,已被廣泛地應用于石油、化工、能源、涂料、生物以及環(huán)境保護等許多領域。下面主要介紹納米技術在催化劑方面的一些進展。2.5.1納米催化劑的性質(zhì)=1\*GB2⑴表面效應描述催化劑表面特性的參數(shù)通常包括顆粒尺寸、比表面積、孔徑尺寸及其分布等。有研究表明，當微粒粒徑由10nm減小到1nm時,表面原子數(shù)將從20%增加到90%。這不僅使表面原子的配位數(shù)嚴重不足、出現(xiàn)不飽和鍵以及表面缺陷增加,同時還會引起表面張力增大，使表面原子穩(wěn)定性降低，極易結合其它原子來降低表面張力。此外,Perez等[13]認為NCs的表面效應取決于其特殊的16種表面位置,這些位置對外來吸附質(zhì)的作用不同,從而產(chǎn)生不同的吸附態(tài),顯示出不同的催化活性。=2\*GB2⑵體積效應體積效應是指當納米顆粒的尺寸與傳導電子的德布羅意波長相當或比其更小時,晶態(tài)材料周期性的邊界條件被破壞,非晶態(tài)納米顆粒的表面附近原子密度減小,使得其在光、電、聲、力、熱、磁、內(nèi)壓、化學活性和催化活性等方面都較普通顆粒相發(fā)生很大變化,如納米級膠態(tài)金屬的催化速率就比常規(guī)金屬的催化速率提高了100倍。=3\*GB2⑶量子尺寸效應當納米顆粒尺寸下降到一定值時,費米能級附近的電子能級將由準連續(xù)態(tài)分裂為分立能級,此時處于分立能級中的電子的波動性可使納米顆粒具有較突出的光學非線性、特異催化活性等性質(zhì)。量子尺寸效應可直接影響到納米材料吸收光譜的邊界藍移,同時有明顯的禁帶變寬現(xiàn)象；這些都使得電子/空穴對具有更高的氧化電位,從而可以有效地增強納米半導體催化劑的光催化效率。2.5.2常見的納米催化劑（nanocatalysts—NCs）NCs大致可以分為負載型和非負載型兩大類。下面僅就其中幾種常見NCs進行介紹：=1\*GB2⑴貴金屬納米催化劑Au是貴金屬中最具代表性的一種元素,其外層d軌道具有半充滿的電子結構,一般不易化學吸附小分子,且很難制得高分散的Au納米顆粒。但是利用碳納米管(CNTs)與負載的金屬之間特殊的相互作用,Ma等[14]成功地利用化學鍍層技術將Au負載到CNTs上,制備了高分散的Au/CNTsNCs。=2\*GB2⑵過渡金屬納米催化劑過渡金屬元素大多都含有未成對電子,因而表現(xiàn)出一定的鐵磁性或順磁性,且極易化學吸附小分子,如Fe、Co、Ni就是制備CNTs陣列的高效NCs。Yabe等[15]使用由納米Fe膜轉化得到的納米Fe顆粒,催化乙炔裂解制得CNTs陣列。Zhang等[16]使用由納米Ni膜經(jīng)過原位預處理得到的納米Ni顆粒,催化裂解乙二胺制得CNTs陣列。崔屾等[17]使用經(jīng)過預處理和還原的Ni膜,以低碳烷烴為碳源,可在不同反應條件下制得形態(tài)各異的CNTs薄膜。=3\*GB2⑶多組分合金型納米催化劑多組分合金型NCs是由兩種以上金屬原子組成,且大多呈無定型態(tài)。合金型NCs的比表面積和配位不飽和度都很高,屬極富潛能的催化劑。Bock等[18]以比表面積較大的C為載體,將Pt、Ru沉積在其表面制得的合金NCs在甲醇電氧化反應中表現(xiàn)出較高的催化活性。=4\*GB2⑷過渡金屬氧化物納米催化劑過渡金屬氧化物NCs主要用于工業(yè)氧化還原催化反應中,與金屬單質(zhì)催化劑相比,其耐熱性和抗毒化性能顯著提高,同時還具有一定的光敏和熱敏性能。采用So-lgel方法可以分別制得MnOx/ZrO2NCs和磁性納米固體酸催化劑SO42-/TiO2-Fe3O4；前者在催化還原NO反應中表現(xiàn)出較高的活性,后者則可廣泛應用烯烴雙鍵異構化、烷烴骨架異構化、烯烴烷基化、煤液化及酯化等反應。=5\*GB2⑸生物納米催化劑與傳統(tǒng)的化學催化劑相比,生物催化劑最顯著的優(yōu)勢就是反應條件比較溫和,能夠使用再生原料。生物催化劑多指酶催化劑,實質(zhì)上是一類具有特殊結構的蛋白質(zhì)分子,其尺度通常在納米范圍。酶催化劑主要包括水解酶、裂解酶、異構酶、還原酶和合成酶等,對作用底物具有高度的專一性。文獻[19]報道,甲烷單加氧酶(MMO)能在相當溫和的條件下將甲烷選擇性氧化為甲醇,實現(xiàn)了化學催化幾乎不可能實現(xiàn)的轉化。2.5.3納米催化劑的制備方法NCs的制備方法直接影響到其結構、粒徑分布和形態(tài),從而影響其催化性能。文獻中報道的制備方法多達數(shù)10種,本文主要介紹其中常用的幾種。=1\*GB2⑴溶膠-凝膠法So-lgel法主要是以金屬無機鹽或醇鹽為前驅體,利用其水解或聚合反應制備金屬氧化物或金屬非氧化物的均勻溶膠,再將溶膠濃縮成透明凝膠；凝膠再經(jīng)干燥、熱處理即可得到納米顆粒。該方法具有操作簡單、顆粒尺寸集中、化學均勻性好、燒結溫度低等優(yōu)點。So-lgel法還可用于合成納米尺寸的介孔硅鋁分子篩,通過對體系形成So-lgel過程的控制,合成了具有雙孔分布特征的納米分子篩。=2\*GB2⑵沉淀法沉淀法是在液相中將化學成分不同的物質(zhì)混合,再加入沉淀劑使溶液中的金屬離子生成沉淀,對沉淀物進行過濾、洗滌、干燥或煅燒制得NCs。沉淀法包括直接沉淀法、共沉淀法、均勻沉淀法、配位沉淀法等,其共同特點是操作簡單、方便。紀紅兵等[20]采用共沉淀法,通過Ru對MnFe2O4的同晶取代制得了NCsMnFe1.95Ru0.05O4,經(jīng)改性后,可有效地將烯丙醇類化合物氧化成醛酮類化合物。=3\*GB2⑶微乳液法微乳液法首先需要配制熱力學穩(wěn)定的微乳液體系,然后將反應物溶于微乳液中,使其在水核內(nèi)進行化學反應,反應產(chǎn)物在水核中成核、生長,去除表面活性劑,將得到的固體粗產(chǎn)物在一定溫度下干燥、焙燒,即可得到粉體NCs。通過調(diào)節(jié)表面活性劑與水的比例即可達到控制產(chǎn)物顆粒尺寸的目的,可用于制備金屬NCs、金屬氧化物NCs和復合氧化物NCs等。該方法所采用實驗裝置簡單、操作方便,制備的納米顆粒的粒徑小、單分散性好,具有很好的發(fā)展前景。郭林等[21]采用微乳液法制得的納米鈷氧化物催化劑在催化分解N2O反應中表現(xiàn)出較高的活性。=4\*GB2⑷離子交換法首先對沸石、SiO2等載體表面進行處理,使H+、Na+等活性較強的陽離子附著在載體表面上；然后將此載體放入含Pt(NH3)5Cl2+等貴金屬陽離子基團的溶液中,通過置換反應使貴金屬離子占據(jù)活性陽離子原來的位置,在載體表面形成貴金屬納米微粒。蔣劼等[22]利用該技術制備的Co/HZSM-5分子篩在參與醛氨縮合制備烷基吡啶反應中,不僅比用浸漬法、機械混合法制備的分子篩表現(xiàn)出更好的固相性質(zhì)和更高的產(chǎn)物收率,而且積碳量很低。=5\*GB2⑸水解法首先在高溫下將金屬鹽溶液水解,生成水合氧化物或氫氧化物沉淀,再將沉淀產(chǎn)物加熱分解得到納米顆粒。該方法可分為無機水解法、金屬醇鹽水解法和噴霧水解法等。其中金屬醇鹽水解法是最常用的一種制備NCs的方法,可以從水解溶液中直接分離得到粒徑小、粒度分布窄的超微粉末。水解法具有制備工藝簡單、化學組成可精確控制、粉體性能重復性好、收率高等優(yōu)點,缺點是成本較高。周幸福等[23]采用恒電位電解技術對陽極鈦片進行表面活化處理,然后電解Et4NBr醇溶液,再滴加乙醇澄清溶液,最后直接水解即可制得納米TiO2光催化劑。2.5.4納米催化劑的應用=1\*GB2⑴光催化降解NCs可將水或空氣中的有機污染物完全降解為二氧化碳、水和無機酸,已廣泛地應用于廢水、廢氣處理,并且在難降解的有毒有機物的礦化分解等方面，也比電催化、濕法催化氧化技術有著顯著優(yōu)勢。文獻[24]中報道以Fe3O4為載體,在Fe3O4與TiO2之間包裹SiO2,制備了磁性納米復合催化劑,既維持了光催化劑懸浮體系的光催化效率,又可利用磁性處理技術回收光催化劑。納米ZrO2也是一種很好的光催化劑,在紫外光照射下,既能殺死微生物,又能分解微生物賴以生存、繁衍的有機營養(yǎng)物,從而達到殺/抗菌的目的。=2\*GB2⑵尾氣處理COX和NO是汽車尾氣排放物中的主要污染成分。負載型NCsPt-C-Al2O3-CeO2有效地解決了催化劑使用溫度范圍與汽車尾氣溫度范圍不匹配的問題,催化CO轉化率可高達83%。Sarkar等[25]運用模擬實驗證實,在存在氧氣條件下,Pd-RhNCs在CO氧化過程中表現(xiàn)出很高的活性,而在無氧狀態(tài)下,Pt-RhNCs活性更高；對于NO還原反應,無論氧氣存在與否,Pt-RhNCs都表現(xiàn)出較高的催化活性。此外,Khoudiakov等[26]的研究結果表明,沉積在過渡金屬氧化物Fe2O3上的納米Au微粒對于室溫下CO的氧化也具有很高的催化活性。=3\*GB2⑶在電池工業(yè)中的應用在燃料電池的開發(fā)研究中,催化劑是關鍵材料之一,要求其必須具有比表面積大、穩(wěn)定性和活性高、不易中毒等優(yōu)點。以聚合物電解質(zhì)燃料電池為例,其發(fā)展一直受到一些因素的束縛,如催化劑比表面積較小以及穿過Nafion膜的甲醇電催化反應緩慢等。通過增加碳基底上的Pt及其合金的比表面積，可以有效地提高催化劑表面的電化學反應速率。Prabhurum等[24]制備了以VulcanXC-72碳為基底的納米Pt催化劑,可用作燃料電池的催化劑,效果比較理想。納米Ag粉、Ni粉的輕燒結體也可作為化學電池、燃料電池和光化學電池的電極,可以有效地增大與液相或氣體之間的接觸面積,增加電池效率,有利于電池小型化。2.6納米技術在光電領域的應用納米技術的發(fā)展，使微電子和光電子的結合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高十倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進的數(shù)字信息處理技術?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，將光調(diào)制器和光探測器結合在一起的量子阱自電光效應器件，將為實現(xiàn)光學高速數(shù)學運算提供可能。美國桑迪亞國家實驗室的Paul等[27]發(fā)現(xiàn)，納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，而低音廊效應則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。其結果是激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器實際上是一根彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導線，實驗發(fā)現(xiàn)，納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器的工作。研究還發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時只需約100微安的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結構的光子狀態(tài)數(shù)少于10個，接近了無能量運行所要求的條件，但是光子的數(shù)目還沒有減少到這樣的極限上。最近，麻省理工學院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。除了能提高效率以外，無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實現(xiàn)瞬時開關。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關，適合用于光纖通信。由于納米技術的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實現(xiàn)將指日可待。3納米技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3.1納米技術的國際研究現(xiàn)狀1999年7月8日《自然》（400卷）發(fā)布題為《美國政府計劃加大投資支持納米技術的興起》重要消息。在這篇文章里，報道了美國政府在3年內(nèi)對納米技術研究經(jīng)費投入加倍，從2.5億美元增加到5億美元。克林頓總統(tǒng)于1999年2月向國會提交支持納米技術研究的議案請國會批準。為了加速美國納米材料和技術的研究，白宮采取了臨時緊急措施，把原1.97億美元的資助強度提高到2.5億美元?！睹绹虡I(yè)周刊》8月19日報道，美國政府決定把納米技術研究列入21世紀前10年前十一個關鍵領域之一。還提到，掌握21世紀可能取得重要突破的3個領域中就包括了納米技術領域（其它兩個為生命科學和生物技術，從外星球獲得能源）[28]。美國白宮之所以在20世紀即將結束的關鍵時刻突然對納米材料和技術如此重視，其原因有兩個方面：一是德科學技術部1996年對2010年納米技術的市場做了預測，估計能達到14400億美元，美國試圖在這樣一個誘人的市場中占有相當大的份額。原因之二是納米材料和技術領域是知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的源泉，新規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎科學提供了新的機遇，美國計劃在這個領域的基礎研究獨占“老大”的地位[27]。3.2我國納米科技的發(fā)展現(xiàn)狀2000年12月14日，朱镕基等國務院領導人和國家科技領導小組成員在中南海聽取了白春禮院士作的“納米科技及其發(fā)展前景”的講座。白春禮院士在講座中就納米科技的意義與發(fā)展過程、納米科技研究領域、納米科技的前景，以及我國納米科技的發(fā)展狀況和對策、建議等問題做了具體介紹。朱镕基總理在講座后表示，中國政府將積極支持納米科技的發(fā)展，并盡快制定納米技術近期和中長期發(fā)展計劃。中國政府已經(jīng)在不斷加大納米技術研究的資金投人，例如，已將納米技術研究列入國家的“攀登計劃”、“863計劃”和“火炬計劃”。同時，我國科學技術部、教育部、中國科學院以及國家自然科學基金都已將納米技術基礎研究納入為重點研究和發(fā)展方向之一?？萍疾康膰抑攸c基礎研究“973計劃”中“納米材料與納米結構”重大基礎研究項目已經(jīng)啟動，科技部將為此項目投入數(shù)千萬元人民幣研究經(jīng)費。我國納米材科學科著名專家張立德研究員被任命為該“973項目”的首席科學家。據(jù)科技部有關官員介紹，在“十五”期間，國家資助高技術發(fā)展計劃用于現(xiàn)代生物技術領域的研究經(jīng)費是以往15年經(jīng)費總和的4～5倍，總額將超過50億元人民幣。納米生物學技術是現(xiàn)代生物技術研究的重點內(nèi)容[29]，國家科技部在“十五”期間對現(xiàn)代生物技術研究的巨大投入，必將促進我國納米生物學技術研究和產(chǎn)業(yè)化的進程。中國科學院也已經(jīng)將“納米科學技術”納入該院正在實施的“中科院知識創(chuàng)新工程”，3年內(nèi)將投入研究經(jīng)費2500萬元人民幣。從2001年國家自然科學基金申請指南中也可以發(fā)現(xiàn)，國家自然科學基金也加大了納米技術重大研究的立項，特別是在納米材料學的立項，以支持全國研究機構和高校的納米技術創(chuàng)新研究。為了加速我國納米技術的基礎研究水平，近幾年來，我國重點高等學校如清華大學、北京大學、南京大學、復旦大學、上海交通大學等先后成立了納米技術研究中心或研究院，并已經(jīng)取得了一系列在國際上有一定影響的創(chuàng)新性成果。3.3納米技術的發(fā)展趨勢納米材料制備和應用研究中所產(chǎn)生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術，帶動納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀之交世界先進國家都從未來發(fā)展戰(zhàn)略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關鍵時刻，迎接新的挑戰(zhàn)，抓緊納米材料和納米結構的立項，迅速組織科技人員圍繞國家制定的目標進行研究是十分重要的。納米材料誕生多年來所取得的成就及對各個領域的影響和滲透一直引人注目。進入90年代，納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴大，領域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密，實驗室成果的轉化速度之快出乎人們預料，基礎研究和應用研究都取得了重要的進展[30]。美國已成功地制備了晶粒為50urn的納米Cu材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒為7urn的Pd，屈服應力比粗晶Pd高5倍；具有高強度的金屬間化合物的增塑問題一直備受人們的關注，晶粒的納米化為解決這一問題帶來了希望。根據(jù)納米材料發(fā)展趨勢以及它在對世紀高技術發(fā)展所占有的重要地位，世界發(fā)達國家的政府都在部署未來10～15年有關納米科技研究的規(guī)劃。美國國家基金委員會（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應用作為重要基礎研究項目向全國科技界招標；美國國家先進技術研究部（DARPA）的幾個計劃里也把納米科技作為重要研究對象；日本近年來制定了各種計劃用于納米科技的研究，例如OGALA計劃、ERATO計劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計劃，1997年，納米科技投資1.28億美元[31]；德國科研技術部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15年發(fā)展納米科技的計劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1.2億美元。據(jù)1999年7月8日《自然》最新報道，納米材料應用潛力引起美國白宮的注意，美國總統(tǒng)克林頓親自過問納米材料和納米技術的研究，決定加大投資，今后3年經(jīng)費資助從2.5億美元增加至5億美元。這說明納米材料和納米結構的研究熱潮在二十一世紀相當長的一段時間內(nèi)保持繼續(xù)發(fā)展的勢頭。4結論納米科學是一門將基礎科學和應用科學集于一體的新興科學，主要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀將是納米技術的時代，為此，國家科委、中科院將納米技術定位為“21世紀最重要、最前沿的科學”。納米科學技術的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護等重大問題。21世紀初的主要任務是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學特性，設計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學技術對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結構的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀經(jīng)濟新增長點的基礎。納米材料將成為材料科學領域一個大放異彩的明星，展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個領域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術的不斷發(fā)展，納米材料在精細化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領域會得到日益廣泛的應用。納米技術正向所有人走來，裝在口袋里的計算機，進入人體內(nèi)治病的機器人，戴在手腕上的電視機，掛在扣子上的移動電話等在不久的將來，勢必成為現(xiàn)實。正如美國IBM公司總裁Amotong所言：納米技術將成為21世紀信息時代的核心，人類的發(fā)展已進入納米時代。人類以駕馭原子能進入現(xiàn)代社會，以制造和利用單晶基礎半導體進入電腦與網(wǎng)絡通信時代。進入90年代，全球以IT為核心的高新技術產(chǎn)業(yè)，得到了迅猛的發(fā)展，它將由新興產(chǎn)業(yè)逐步成為主導產(chǎn)業(yè)。但是，真正實現(xiàn)使用電腦基礎上的信息高速公路，離不開納米技術。它將使人類真正進入信息時代，它將領導下一場工業(yè)革命，推動社會的發(fā)展！致謝語光陰荏苒、歲月如梭，剛剛邁進校園時的情景恍如隔日，轉瞬間卻是到了畢業(yè)的時節(jié)。四年的大學生活不僅讓我學到了比較系統(tǒng)全面的專業(yè)知識，更是讓我明白了許多為人處事的道理。感謝化工與藥學院各位老師的教導和幫助，是你們不辭辛勞、兢兢業(yè)業(yè)的工作讓我獲得了知識，得到了成長。本文的完成得得到xxx老師的大力幫助，他不辭勞苦的幫我修改，給予指導，使我受益良多。同時，汪老師在我遇到困難時對我的理解和支持更是使我深受感動，在此，我想向汪老師表達最真誠的謝意，衷心地說句，謝謝您，老師！也xx等同窗好友對我學習和工作上的關心和幫助。由于本人能力有限，論文中難免會出現(xiàn)漏洞與差錯，懇