納米科技的未來

納米科技的未來

0納米微膠囊的材料研究進展一般來說，所謂的納米，是指至少在一維方向上由納米規(guī)?？刂频母鞣N固體材料，包括零維原子（幾十個原子的集合）和納米顆粒。1納米多層膜；由二維制備的納米微芯片膜（涂層）；以及由三維組成的納米相材料。簡單地說,是指用晶粒尺寸為納米級的小顆粒制成的各種材料,其納米顆粒的大小不應超過100nm,而通常情況下不應超過10nm。目前,國際上將處于0.1~100nm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、無機和生物等多種粉末材料。由納米粒子組成的材料向宏觀體系演變過程中,在結(jié)構(gòu)上有序度的變化,在狀態(tài)上的非平衡性質(zhì),使體系的性質(zhì)產(chǎn)生很大的差別,納米材料的研究將使人們對從微觀到宏觀的過渡有更深入的認識。1納米科技的起源最早提出納米尺度上科學和技術(shù)問題的是著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費恩曼教授。1959年他在《低部還有很大空間》的演講中提出:物理學的規(guī)律不排除用單個原子制造物品的可能。也就是說,人類能夠用最小的機器制造更小的機器。直至達到分子或原子狀態(tài),最后可以直接按意愿操縱原子并制造產(chǎn)品。這正是關(guān)于納米技術(shù)最早的構(gòu)想。20世紀70年代,科學家開始從不同角度提出有關(guān)納米技術(shù)的構(gòu)想。美國康奈爾大學Granqvist和Buhrman利用氣相凝集的手段制備出納米顆粒,提出了納米晶體材料的概念,成為納米材料的創(chuàng)始者。之后,麻省理工學院教授德雷克斯勒積極提倡納米科技的研究并成立了納米科技研究小組。納米科技的迅速發(fā)展是在20世紀80年代末、90年代初。1981年發(fā)明了可以直接觀察和操縱微觀粒子的重要儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM),為納米科技的發(fā)展起到了積極的促進作用。1984年德國學者格萊特把粒徑6nm的金屬粉末壓成納米塊,經(jīng)研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu),指出了它界面奇異結(jié)構(gòu)和特異功能。1987年,美國實驗室用同樣的方法制備了納米TiO2多晶體。1990年7月第一屆國際納米科學技術(shù)會議與第五屆國際掃描隧道顯微學會議在美國巴爾的摩舉辦,同時《納米技術(shù)》與《納米生物學》這兩種國際性專業(yè)期刊也相繼問世。自1991年,中國開始熱衷于納米技術(shù)的研究,到“十五”計劃之后,納米科技呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。1999年上半年,北京大學納米技術(shù)研究取得重大突破,電子學系教授薛增泉領(lǐng)導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面,并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。近年來,一些國家也紛紛投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。2納米粒子的制備方法納米材料的小尺寸,使得納米材料具有許多不同于其他材料的特殊性質(zhì)。納米材料是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子所組成的新一代材料。由于其組成單元的尺度小,界面占用相當大的成分。因此,由納米微粒構(gòu)成的體系出現(xiàn)了不同于通常的宏觀材料體系的許多特殊性質(zhì)。納米材料的性質(zhì)具體表現(xiàn)在以下幾個方面:2.1表面效應粒子直徑減少到納米級,不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加而且納米粒子的比表面積、表面能都會迅速增加。這主要是因為處于表面的原子數(shù)較多,表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同引起的。眾所周知,固體材料的表面原子與內(nèi)部原子所處的環(huán)境是不同的。當材料粒徑遠大于原子直徑時,表面原子可忽略;但當粒徑逐漸接近于原子直徑時,表面原子的數(shù)目及其作用就不能忽略,而且這時晶粒的表面積、表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化,人們把由此而引起的種種特異效應統(tǒng)稱為表面效應。隨著納米晶粒的減小,表面原子百分數(shù)就會迅速增加,易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來,所以納米晶粒減小的結(jié)果,導致其表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大,致使它表現(xiàn)出很高的化學活性,因此可以作為催化劑,用于催化分解有毒的無機物和有機物來處理廢水和改善環(huán)境。2.2體積效應當物質(zhì)體積減小時,將會出現(xiàn)兩種情況:一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化,只有那些與體積密切相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生變化,如半導體電子自由程變小,磁體的磁區(qū)變小等;另一種是物質(zhì)本身的性質(zhì)發(fā)生變化。當納米晶粒的尺寸與傳導電子的德布羅意波長相當或更小時,周期性的邊界條件將被破壞,磁性、內(nèi)壓、熱阻、化學活性及熔點等與普通粒子相比都有很大變化,這就是納米粒子的體積效應。該效應為納米粒子的應用開拓了廣闊的新領(lǐng)域。例如,納米晶粒小的結(jié)果導致納米晶粒的熔點遠低于塊狀本體,因而為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝;利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì),可通過改變顆粒尺寸來控制吸收波的位移,從而制造出具有一定頻寬的微波吸收納米材料,用于電磁波屏蔽、隱形飛機等。除此之外,納米材料還有量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和介電限域效應等性質(zhì)。2.3制備方法納米材料的制備方法主要分為物理法和化學法兩大類。其中,物理法包括:電爆炸法、機械合金化輔助氣-固反應法、惰性氣體蒸發(fā)法、等離子蒸發(fā)法、電子束法、激光法等?；瘜W法包括氣相法、液相法、固相法、劇烈塑性變形法等。另外還有超臨界流體法、單分子膜法等制備方法。3常規(guī)材料特性由于納米材料顆粒尺寸的細微化,產(chǎn)生了塊材所不具備的體積效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應等,使得它們在磁、光、電和生物醫(yī)學等方面呈現(xiàn)一系列常規(guī)材料所不具備的特性。因此納米材料在電子、光學、傳感、生物、醫(yī)學等領(lǐng)域中都有著廣闊的應用前景。3.1納米固體酸催化劑納米材料的表面效應和體積效應使其具備了作為優(yōu)良催化劑的必要條件,是目前國內(nèi)外研究的熱點。最近,美國杜邦公司的科學家嘗試將一種對環(huán)境無害的綠色固體酸催化劑Nafion分散裝到多孔性氧化硅中,催化劑的表面積可從不足0.02m2/g增加到50~150m2/g,這種納米固體酸催化劑由于具有大的比表面積,使得其活性中心很容易被反應物分子接近。實驗表明,對于丁烯異構(gòu)化、芳烴的烷基化、二一甲基苯乙烯的雙聚反應及酞化和硝化等酸催化反應,這種納米固體酸催化劑的催化活性比普通致密無孔的催化劑高出數(shù)千倍?？梢灶A料,隨著研究和開發(fā)的不斷深入納米固體酸催化劑將很有希望代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體強酸催化劑,成為環(huán)境友好綠色低溫固體強酸催化劑的重要成員。3.2碳納米管及其應用由于晶界上原子體積分數(shù)增大,納米材料的電阻高于同類粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變。利用納米粒子的隧道量子效應制得的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特點,可望全面取代常規(guī)半導體器件。1911年人類發(fā)現(xiàn)了碳納米管。碳納米管,是一種長度和直徑之比很高的纖維。一個碳納米管的直徑只有1.4nm,它韌性極高,兼具金屬性和半導體性,強度是鋼的100倍,密度只有鋼的1/6。研究發(fā)現(xiàn),金屬性碳納米管可用作電路中的連接件,而半導體碳納米管可用作電路開關(guān),因此碳納米管很有可能取代硅等,成為電子產(chǎn)品的主要材料。據(jù)預測,以硅為材料的微米級集成電路技術(shù)將在2010年左右走到盡頭,納米材料將成為替代硅和其他半導體材料的最佳候選者。另外納米微粒材料由于表面比大、活性高,對周圍環(huán)境如溫度、光、濕度等十分敏感,外界環(huán)境的改變能迅速引起表面離子價態(tài)和電子輸運顯著變化,且響應速度快、靈敏度高、選擇性能優(yōu)良。因此,納米材料將被廣泛應用于光敏、氣敏和濕敏等傳感器領(lǐng)域。3.3納米技術(shù):制造更節(jié)能的照明和運輸技術(shù)納米技術(shù)在能源、環(huán)保以及軍事國防等領(lǐng)域都發(fā)揮了不可替代的作用。在能源方面,利用納米合成和組裝方法可開發(fā)更節(jié)能的照明技術(shù),制造更強更輕的材料以提高運輸效率?？茖W家應用納米技術(shù)還研制了能100%降解的農(nóng)膜、一次性餐具和各種包裝等產(chǎn)品,從而使白色垃圾問題迎刃而解。在軍事領(lǐng)域采用納米技術(shù)制造輕質(zhì)