材料科學(xué)與工程前沿論文

納米科學(xué)技術(shù)課程名稱：材料科學(xué)與工程前沿學(xué)生姓名：學(xué)號(hào):班級(jí)：日期：2023/12/26納米"納米"是英文nano的譯名，是一種長度單位，原稱毫微米，就是10的-9次方米（10億分之一米），約相稱于45個(gè)原子串起來那么長。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。從具體的物質(zhì)說來，人們往往用細(xì)如發(fā)絲來形容纖細(xì)的東西，其實(shí)人的頭發(fā)一般直徑為20-50微米，并不細(xì)。單個(gè)細(xì)菌用肉眼看不出來，用顯微鏡測出直徑為5微米，也不算細(xì)。極而言之，1納米大體上相稱于4個(gè)原子的直徑。假設(shè)一根頭發(fā)的直徑為0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度即約為1納米。納米科技(英文：Nanotechnology)是一門應(yīng)用科學(xué)，其目的在于研究于納米尺寸時(shí)，物質(zhì)和設(shè)備的設(shè)計(jì)方法、組成、特性以及應(yīng)用。納米科技是許多如生物、物理、化學(xué)等科學(xué)領(lǐng)域在技術(shù)上的次級(jí)分類，美國的國家納米科技啟動(dòng)計(jì)劃(NationalNanotechnologyInitiative)將其定義為“1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大應(yīng)用的獨(dú)特現(xiàn)象的了解與操縱?！奔{米科技是尖端科技，卻早就存在身旁。舉例來說，就是蓮花表面的出污泥而不染的特性。蓮花表面的細(xì)致結(jié)構(gòu)和粗糙度大小都在納米尺度的范圍內(nèi)，所以不易吸附污泥灰塵。蓮花的出污泥而不染是自然天成，這比人類的任何清潔技術(shù)還高明。這種蓮花表面納米化結(jié)構(gòu)，自我清潔的物理現(xiàn)象，就被稱作蓮花效應(yīng)(lotuseffect)。納米科技是學(xué)習(xí)納米尺度下的現(xiàn)象以及物質(zhì)的掌控，特別是現(xiàn)存科技在納米時(shí)的延伸。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點(diǎn)和高分子集合，并且被表面效應(yīng)所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價(jià)鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應(yīng)等，而慣性和湍流等巨觀效應(yīng)則小得可以被忽略掉。舉個(gè)例子，當(dāng)表面積對(duì)體積的比例劇烈地增大時(shí)，開起了如催化學(xué)等以表面為主的科學(xué)新的也許性。微小性的連續(xù)探究以使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結(jié)合如電子束微影之類的精確程序，這些設(shè)備將使我們可以精密地運(yùn)作并生成納米結(jié)構(gòu)。納米材質(zhì)，不管是由上至下制成(將塊材縮至納米尺度，重要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到盡也許小的形狀（比如超精度加工，難度在于得到的微小結(jié)構(gòu)必須精確）。或由下至上制成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結(jié)構(gòu)，重要辦法有化學(xué)合成，自組裝(selfassembly)和定點(diǎn)組裝(positionalassembly)。難度在于宏觀上要達(dá)成高效穩(wěn)定的質(zhì)量，都不只是進(jìn)一步的微小化而已。物體內(nèi)電子的能量量子化也開始對(duì)材質(zhì)的性質(zhì)有影響，稱為量子尺度效應(yīng)，描述物質(zhì)內(nèi)電子在尺度劇減后的物理性質(zhì)。這一效應(yīng)不是由于尺度由巨觀變成微觀而產(chǎn)生的，但它的確在納米尺度時(shí)占了很重要的地位。物質(zhì)在納米尺度時(shí)，會(huì)和它們在巨觀時(shí)有很大的不同，例如：不透明的物質(zhì)會(huì)變成透明的(銅)、惰性的物質(zhì)變成可以當(dāng)催化劑(鉑)、穩(wěn)定的物質(zhì)變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液體(金)、絕緣體變成了導(dǎo)體(硅)。納米科技的神奇來自于其在納米尺度下所擁有的量子和表面現(xiàn)象，并因此也許可以有許多重要的應(yīng)用和制造許多有趣的材質(zhì)。納米科技與其他學(xué)科的聯(lián)姻納米科技領(lǐng)域還面臨著多種問題。一些研究本來就是一個(gè)很好的課題，不一定冠名“納米”的頭銜，與“納米”揉合在一起，也許對(duì)研究提供了一個(gè)有益的思維空間，例如仍M公司建造巨磁阻磁頭的研究工作。納米科技要發(fā)展成為一門把各種科技完美結(jié)合、融為一體的統(tǒng)一的大科技，就必須證明實(shí)現(xiàn)各種截然不同的研究領(lǐng)域的聯(lián)姻大有用處。從事防曬劑納米粉末研究的科學(xué)家與從事DNA計(jì)算研究的科學(xué)家是否可以有相同的愛好呢?這種互相結(jié)合、取長補(bǔ)短是有其道理的。半導(dǎo)體量子點(diǎn)就是這類跨學(xué)科綜合性研究方針的一個(gè)有說服力的證據(jù)：量子點(diǎn)最初是為電子器件開發(fā)的，但現(xiàn)在它也用來檢測細(xì)胞的生物活性。假如納米觀念可以凝聚為一個(gè)統(tǒng)一的整體，它其實(shí)就有也許為一場新的工業(yè)革命奠定基礎(chǔ)。要想取得成功，必須拋棄那些偽科學(xué)和狂熱的炒作。最重要的是，必須加強(qiáng)基礎(chǔ)納米科技的研究，以擬定哪些納米科技值得去攻關(guān)。在這一段漫長的探索期中，區(qū)分哪些是切實(shí)可行的科學(xué)和技術(shù)，哪些是異想天開的幻夢，始終是一項(xiàng)要引起足夠重視的任務(wù)納米科技發(fā)展1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議；1996年，在中國召開了第四屆納米科技學(xué)術(shù)會(huì)議。首屆（1992年）納米材料會(huì)議在墨西哥召開；1994年在德國斯圖加特召開了第二屆國際納米材料學(xué)術(shù)會(huì)議；1996年在美國夏威夷召開第三屆國際會(huì)議；1998年在瑞典斯德哥爾摩召開了第四屆納米材料會(huì)議；2023年在日本仙臺(tái)舉行第五屆國際納米材料會(huì)議。當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用重要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品等方面。用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強(qiáng)、壽命更長、維修費(fèi)更低、設(shè)計(jì)更方便。運(yùn)用納米材料還可以制作出特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。@納米是一種幾何尺寸的度量單位，1納米=百萬分之一毫米。@納米技術(shù)帶動(dòng)了技術(shù)革命。@運(yùn)用納米技術(shù)制作的藥物可以阻斷毛細(xì)血管，“餓死”癌細(xì)胞。@假如在衛(wèi)星上用納米集成器件，衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射。人們把1～10kg的衛(wèi)星稱作“納米衛(wèi)星”（相應(yīng)的，10～100kg的衛(wèi)星被稱作微米衛(wèi)星，而更小的衛(wèi)星，如0.1～1kg的被稱作“皮米衛(wèi)星”，甚至有10～100g的衛(wèi)星被稱作“法米衛(wèi)星”）。@納米技術(shù)是多科學(xué)綜合，有些目的需要長時(shí)間的努力才會(huì)實(shí)現(xiàn)。21世紀(jì)前2023，是發(fā)展納米技術(shù)的關(guān)鍵時(shí)期。由于納米材料特殊的性能，將納米科技和納米材料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都能帶來產(chǎn)品性能上的改變，或在性能上有較大限度的提高。運(yùn)用納米科技對(duì)傳統(tǒng)工業(yè)，特別是重工業(yè)進(jìn)行改造，將會(huì)帶來新的機(jī)遇，存在很大的拓展空間。納米技術(shù)在經(jīng)歷了從無到有的發(fā)展之后，已經(jīng)初步形成了規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)。受國際金融危機(jī)影響，目前納米材料技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品銷售速度有所減緩。同時(shí)由于也許對(duì)人類健康和環(huán)境存在潛在的負(fù)面影響，這一產(chǎn)業(yè)或許將放慢發(fā)展速度，但未來納米材料市場規(guī)模將十分可觀。全球納米技術(shù)與產(chǎn)品的銷售額到2023年將達(dá)成2.5萬億美元。經(jīng)濟(jì)衰退對(duì)汽車、建筑和部分電子行業(yè)影響最大，但預(yù)計(jì)對(duì)健康護(hù)理和生命科學(xué)不會(huì)導(dǎo)致太大影響。在納米材料中，由于碳納米管和陶瓷納米顆粒較多地應(yīng)用于汽車和建筑行業(yè)，因此受經(jīng)濟(jì)衰退的影響較大。在納米中間體中受經(jīng)濟(jì)下行影響最大的，則是納米復(fù)合材料和涂料領(lǐng)域。與美國和歐洲相比，組合納米技術(shù)的產(chǎn)品銷售額在亞太地區(qū)增長較快。美國和歐洲占所有納米材料銷售額的2/3以上，但到2023年這兩個(gè)地區(qū)所占的市場份額均將下降2-3%。納米技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前的科學(xué)發(fā)展主流，它們的發(fā)展將使人類社會(huì)、生存環(huán)境和科學(xué)技術(shù)自身變得更美好納米科技里程碑1)35億年前，首批活細(xì)胞出現(xiàn)。細(xì)胞內(nèi)，容納了眾多的納米生物機(jī)器，它們執(zhí)行各種各樣的功能，例如操作遺傳物質(zhì)、提供能量等。2)公元前42023，Democ小Ms發(fā)明了“atom”(原子)這個(gè)詞，在古希臘語中就是“不可分割”之意。3)192023，愛因斯坦發(fā)表了一篇論文，估計(jì)一個(gè)糖分子的直徑約為1nm。4)1931年，E．Ruska與M．KnoH研制出電子顯微鏡，它可以實(shí)現(xiàn)亞納米級(jí)成像。現(xiàn)代電子顯微鏡可觀測幾百個(gè)納米的結(jié)構(gòu)像、原子像。5)1959年，R．Feynman在他的著名發(fā)言《最底下一層大有發(fā)展?jié)摿Α分刑接懥宋⑿突那熬啊?)1968年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的A．Y．Cho和J．Arthur及其同事發(fā)明了分子束外延生長術(shù)，這種技術(shù)可以在表面上沉積出單層原子。7)1974年，N．TanigMchi發(fā)明了“納米技術(shù)”這個(gè)詞，表達(dá)公差小于1μm的機(jī)械加工。8)1981年，G．BinM5g和H．Rohrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。9)1985年，R．f．Curl和H．W．Kroto發(fā)現(xiàn)了富勒烯，直徑約為1nm。10)1986年，K．E．0rexler發(fā)表《創(chuàng)世機(jī)器》一書，是一本宣傳納米技術(shù)的未來主義著作。11)1989年，陽M公司的D．M．E穢er用單個(gè)氰原子寫下了代表該公司名字的3個(gè)字母。12)1991年，日本NEC公司的SMmioL和rma發(fā)現(xiàn)了碳納米管o13)1993年，美國北卡羅萊納大學(xué)的W．Robtnett與洛杉礬加利福尼亞大學(xué)的R．S．wmiams設(shè)計(jì)出一種與掃描隧道顯微鏡相連的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，使用者通過它可以看到并觸摸原子。14)1998年，荷蘭Deth理工大學(xué)的C．Dekker小組用碳納米管制造出一只晶體管。15)1999年，萊斯大學(xué)的J．M．Tour和耶魯大學(xué)的M．A．Reed證明單個(gè)分子可以起分子開關(guān)的作用納米科技的應(yīng)用與舉列著名的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在60年代就預(yù)言：假如對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，物體就能得到大量的異乎尋常的特性。納米材料可以做到這一點(diǎn)。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前程的科研領(lǐng)域。納米材料從主線上改變了材料的結(jié)構(gòu)，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長期未能解決的問題開辟了新途徑。其應(yīng)用重要體現(xiàn)在以下幾方面：在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬同樣的柔韌性和可加工性。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中克制晶粒長大的技術(shù)問題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和解決信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和解決能力的革命性突破，可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為"掌上電腦"。納米電子學(xué)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。在生物工程上的應(yīng)用雖然分子計(jì)算機(jī)目前只是處在抱負(fù)階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息解決和信息存儲(chǔ)的作用，它將使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息解決能力提高上百萬倍。 在光電領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、解決、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息解決上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。在化工領(lǐng)域的應(yīng)用將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大減少靜電作用。運(yùn)用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀的輕燒結(jié)體，可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機(jī)化合物等的分離和濃縮。納米微粒還可用作導(dǎo)電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤滑劑等。研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以運(yùn)用納米碳管其獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面（每克納米碳管的表面積高達(dá)幾百平方米）、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反映器，該反映器可以使化學(xué)反映局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接運(yùn)用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可積極搜索并襲擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息。科學(xué)家們設(shè)想運(yùn)用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)行特殊治療。在分子組裝方面的應(yīng)用如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團(tuán)聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術(shù)進(jìn)一步到了對(duì)單原子的操縱，通過運(yùn)用軟化學(xué)與主客體模板化學(xué)，超分子化學(xué)相結(jié)合的技術(shù)，正在成為組裝與剪裁，實(shí)現(xiàn)分子手術(shù)的重要手段。在傳感器方面的應(yīng)用傳感器是納米技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域。隨著納米技術(shù)的進(jìn)步，造價(jià)更低、功能更強(qiáng)的微型傳感器將廣泛應(yīng)用在社會(huì)生活的各個(gè)方面。比如，將微型傳感器裝在包裝箱內(nèi)，可通過全球定位系統(tǒng)，可對(duì)貴重物品的運(yùn)送過程實(shí)行跟蹤監(jiān)督；將微型傳感器裝在汽車輪胎中，可制造出智能輪胎，這種輪胎會(huì)告訴司機(jī)輪胎何時(shí)需要更換或充氣；尚有些可承受惡劣環(huán)境的微型傳感器可放在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能進(jìn)行監(jiān)視。在食品工業(yè)領(lǐng)域，這種微型傳感器可用來監(jiān)測食物是否變質(zhì)，比如把它安裝在酒瓶蓋上就可判斷酒的狀況等。納米抗血栓中藥用親脂型二元納米協(xié)同界面包覆的中藥成分將使人類健康的頭號(hào)威脅——心腦血管疾病得到更加有效的治療，并將使中國文明的重要組成部分——中藥走向世界。由于這樣的納米中藥將具有普通中藥數(shù)百萬倍的物理活性（治療效果），可以暢通無阻地到達(dá)因脂肪堆積而導(dǎo)致的血管栓塞和組織病變部位，并因親和而與脂肪溶合，同時(shí)釋放出治療的有效成分，從而使藥物的靶向性提高數(shù)百萬倍。納米機(jī)器人B．Joy在《Wired》雜志上發(fā)表文章，談到納米機(jī)器人的繁殖失控也許給人類社會(huì)導(dǎo)致非常大的威脅，提出應(yīng)當(dāng)停止發(fā)展納米科技。真正的納米科技專家們是比較清醒的，要想制造出可以使冷凍的大腦從定格狀態(tài)下重新復(fù)活的納米機(jī)器人，現(xiàn)今的科學(xué)技術(shù)離這一目的還很遙遠(yuǎn)。科學(xué)家們更加關(guān)注的是，制造納米尺度的微機(jī)械元件，打造較為也許的微米機(jī)器人納米孔膜運(yùn)用二元協(xié)同納米界面技術(shù)平臺(tái)制備的納米孔膜，將徹底解決油漆、涂料的潮解脫落問題，并可方便地大規(guī)模生產(chǎn)帶有呼吸作用的納米防水涂料和帶有反滲析作用的納米超濾膜，這將給人類的平常生活，甚至給海水淡化技術(shù)帶來革命性變化，從主線上解決人類日益嚴(yán)重的缺水問題。納米修復(fù)材料運(yùn)用納米技術(shù)還可以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破壞過程中進(jìn)行納米級(jí)的損傷診斷和修復(fù)。目前，納米材料在儀器、化妝品、醫(yī)藥、印刷、造紙、電子、通信、建筑及軍事等方面都得到越來越多的應(yīng)用。納米自潔表面解決和涂料假如將透明、疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或瓷磚、玻璃上，大樓就不會(huì)被空氣中的油污弄臟，瓷磚和玻璃也因不會(huì)沾上水蒸氣而永遠(yuǎn)透明。任何粘在表面上的物質(zhì)，經(jīng)陽光的照射，都會(huì)在納米涂料的催化作用下，變成可以蒸發(fā)的氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)，建筑物不再總是臟乎乎的，家庭里的衛(wèi)浴設(shè)備也不必天天清洗了。將這種納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不會(huì)沾上灰塵，省去不少洗衣服的麻煩。氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色鏡的變色速度較慢，用納米材料做成的變色鏡就不同樣了，變色速度不久，用它做士兵的防護(hù)激光鏡是再好但是了。新型納米光源和太陽能轉(zhuǎn)換器用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會(huì)變得更加絢麗多彩。半導(dǎo)體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型激光光源，它還可以吸取太陽光中的光能，把它們直接變成電能。這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn)，太陽能汽車、太陽能住宅就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，到那時(shí)，人們居住的環(huán)境將更加美麗，空氣更加清新。納米傳感器半導(dǎo)體納米材料做成的各種傳感器可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護(hù)上已得到應(yīng)用。納米傳感系統(tǒng)能進(jìn)行病癥的初期診斷，運(yùn)用納米材料還能制作耐用且人體和諧的人工組織和器官、復(fù)明和復(fù)聰器件，提高病人的生活質(zhì)量。納米導(dǎo)向藥物和皮膚護(hù)理保健品假如在人體外部加以導(dǎo)向，可運(yùn)用納米藥物阻斷毛細(xì)血管來餓死癌細(xì)胞，藥物治療的效果會(huì)大大提高。納米顆粒還可以用于人體的細(xì)胞分離或細(xì)胞染色，也可以用來攜帶DNA進(jìn)行基因缺陷治療。假如把納米藥物做成膏藥貼在患處，藥物可以通過皮膚直接被吸取，而無須針管注射，少去了注射的感染。把不容易被人體吸取的藥物或食品，如維生素等做成納米粉或納米粉的懸浮液，這種就極易被人體吸取。納米加工技術(shù)為了納米科學(xué)研究及其成果的應(yīng)用，一方面要能按照人們的意愿在納米尺度上對(duì)材料進(jìn)行自由地剪裁和安排，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。事實(shí)上，一方面納米加工技術(shù)是納米材料應(yīng)用的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中也包含了許多人們尚未結(jié)識(shí)清楚的納米科學(xué)問題。比如說，在一個(gè)粗細(xì)為幾納米的孔或線里，原子的擴(kuò)散就與宏觀世界里的擴(kuò)散大不同樣。一般而言，原子運(yùn)動(dòng)的自由程為幾個(gè)微米。在這個(gè)長度上，原子發(fā)生碰撞、進(jìn)行熱擴(kuò)散的作用可忽略不計(jì)。可是在納米孔或線內(nèi)，原子的擴(kuò)散重要是靠與孔壁的碰撞來完畢的。再舉一個(gè)例子，一般認(rèn)為物體之間互相運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力重要來源于物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力越小。在納米世界里，材料表面很小，互相之間距離很近，以至于兩塊材料表面上的原子會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對(duì)互相運(yùn)動(dòng)的阻力。因此，在納米世界內(nèi)，所有的加工技術(shù)都必須在原子尺寸的層面上考慮。納米電子元器件納米加工技術(shù)可以使不同材質(zhì)的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探測到電磁波、光波（涉及可見光、紅外線和紫外線等）信號(hào)，同時(shí)還能執(zhí)行電腦的指令。假如將這一集成器件安裝在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量大大減小。當(dāng)前人們已經(jīng)在考慮用“小鳥”衛(wèi)星部分地代替現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)。假如在衛(wèi)星上用納米集成器件，“小鳥”衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射，成本也更低。納米碳管的應(yīng)用各國科學(xué)家正在努力研究的碳納米管是一種非常獨(dú)特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十個(gè)納米。這樣的材料很輕，但是很結(jié)實(shí)。它的密度是鋼的1/6而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結(jié)實(shí)的材料做防彈背心是最佳但是的了。假如用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。假如用它做成地球到月球的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細(xì)尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍，可以制成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)新的方向。納米材料超高物理活性應(yīng)用想像一下只包含幾百個(gè)或幾千個(gè)原子、分子的“納米顆?！?，按照一般的經(jīng)驗(yàn)，原子與原子之間的距離為0.2納米左右，由此可以估計(jì)出在尺寸為1納米的立方體“顆?！敝?，每一邊上只能排列5個(gè)原子，總體可容納125個(gè)原子，但是其中有98個(gè)原子在表面上。我們知道，表面上的原子只受到來自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反映，也就是說十分活潑。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，假如將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒，一碰到空氣就會(huì)燃燒、發(fā)生爆炸。有人認(rèn)為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會(huì)有更大的推力，可以用做新型火箭的固體燃料，也可用做烈性炸藥。此外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學(xué)反映過程，大大提高化工合成的出產(chǎn)率。納米高強(qiáng)度材料假如把金屬納米材料顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠同樣富于彈性。人們幻想在下一個(gè)世紀(jì)，總有一天會(huì)制造出如此神奇性質(zhì)的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料制造汽車、飛機(jī)或輪船，會(huì)使它們的重量減少到1／10。到那時(shí)，一輛摩托車的重量會(huì)變成只有20～30公斤。人們平常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特點(diǎn)。硬是指它可以當(dāng)做刀具用來切削金屬，脆是指它經(jīng)不住沖擊。陶瓷的另一個(gè)長處是耐高溫，在10000℃的高溫下也不變形。現(xiàn)在，用納米陶瓷粉制成的陶瓷已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性。這個(gè)問題一旦被徹底解決，會(huì)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)上大顯身手，徹底甩掉發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車將跑得更快、飛機(jī)會(huì)飛得更高。納米單電子元器件把自由運(yùn)動(dòng)的電子囚禁在一個(gè)小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個(gè)納米，就會(huì)發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，本來可以在費(fèi)米動(dòng)量以下連續(xù)具有任意動(dòng)量的電子狀態(tài)，變成只能具有某一動(dòng)量值，也就是電子動(dòng)量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接結(jié)果表現(xiàn)為，在金屬顆粒的兩端加上電壓，當(dāng)電壓合適時(shí)，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時(shí)，金屬顆粒不導(dǎo)電。這樣一來，本來在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界就不再成立了。尚有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬納米顆粒從外電路得到一個(gè)額外的電子時(shí)，金屬顆粒具有了負(fù)電性，它的庫侖力足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒內(nèi)，這就切斷了電流的連續(xù)性，這使人們聯(lián)想到是否可以發(fā)明用一個(gè)電子來控制的電子器件，所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，一旦實(shí)現(xiàn)，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計(jì)算速度將提高上百萬倍。納米級(jí)芯片納米科技可以使電子芯片的電路尺寸不斷縮小。新的納米技術(shù)電子器件也許取代傳統(tǒng)的硅電子技術(shù)。不久的將來，用納米管或某種納米新奇材料來制造電子器件，也許使芯片性能不斷提高，同時(shí)又不會(huì)使生產(chǎn)成本高于硅芯片制造的成本。納米技術(shù)所制造的電子器件可以融人一些將會(huì)揭示生物細(xì)胞(微型機(jī)器)之奧秘的新奇裝置中。在硅時(shí)代之后、納米計(jì)算機(jī)誕生之前，生物納米技術(shù)就將找到一些實(shí)際用途。為了探測細(xì)胞的活性，只需要相稱少調(diào)用半導(dǎo)體材料制作的納米標(biāo)記，它將運(yùn)用半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為生物實(shí)驗(yàn)、藥物研究、診斷化驗(yàn)以及其他種種應(yīng)用場合中的標(biāo)記。尖端的納米科技研究納米激光器和高密度信息存儲(chǔ)器事實(shí)上，被囚禁的電子并不那么“誠實(shí)”。按照量子力學(xué)的規(guī)律，有時(shí)它可以穿過“監(jiān)獄”的“墻壁”逃逸出來，這種現(xiàn)象一方面預(yù)示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關(guān)聯(lián)，因而需要新的設(shè)計(jì)才干使單電子器件變成集成電路;另一方面也會(huì)使芯片的動(dòng)作不可控制。歸根結(jié)底，在這一情況下電子應(yīng)被當(dāng)作是“波”而不是一個(gè)粒子。所以盡管電子器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里得以實(shí)現(xiàn)，但是真要用在工業(yè)上還需要時(shí)間。被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種奉獻(xiàn)，是會(huì)使材料發(fā)出很強(qiáng)的光?！傲孔狱c(diǎn)列激光器”或“級(jí)聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強(qiáng)度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動(dòng)它們發(fā)出藍(lán)光或綠光，用來讀寫光盤可使光盤的存儲(chǔ)密度提高好幾倍。假如用“囚禁”原子的小顆粒量子點(diǎn)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存儲(chǔ)度可提高成千上萬倍，會(huì)給信息存儲(chǔ)技術(shù)帶來一場革命。1981年C．B5nnig和H．R。hrer發(fā)明了掃描隧道顯微鏡，1986年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展開創(chuàng)了納米科技新領(lǐng)域。美國K．E．Drexler在他所著的《創(chuàng)世機(jī)器》一書中描述了如何對(duì)物質(zhì)進(jìn)行操作和控制，引起巨大的轟動(dòng)，這些幻想的確給納米科學(xué)家?guī)砹遂`感和啟發(fā)。納米科技在一段時(shí)間里一直被這種幻想的色彩籠罩著，然而這些幻想?yún)s給納米科技帶來一些意想不到的好處。K．E．Drexler對(duì)納米技術(shù)的預(yù)測，巧妙地將科學(xué)與幻想融為一體。關(guān)于細(xì)胞修理機(jī)以及家用食物培養(yǎng)機(jī)的種種講述使人們在納米科技研究中也受到影響，不知不覺地運(yùn)用這些微型機(jī)器來使人們注意到自己的研究項(xiàng)目。將一項(xiàng)研究冠以“納米科技”，要比稱它為“中尺度材料科學(xué)”更為科學(xué)和誘人。K．E．Dr6xler的科學(xué)幻想論述的一個(gè)明顯好處是使一些人更關(guān)注納米科技的發(fā)展。在這種的想像力的啟發(fā)下，一大批科幻作品紛紛出籠。類似的納米科幻小說，起著與科幻影片《星際旅行》相似的作用。當(dāng)年《星際旅行》曾激發(fā)起眾多青年對(duì)太空的向往，而這種空間宇宙熱有時(shí)會(huì)引導(dǎo)青年學(xué)者最終投身于航空航天或天體物理學(xué)等領(lǐng)域中。納米技術(shù)在國內(nèi)的研究情況及取得的成果中國對(duì)納米科技研究的支持，始于20世紀(jì)80年代中期。1987年，中科院化學(xué)所計(jì)算機(jī)控制的STM研制項(xiàng)目獲中科院院長基金的資助。自1990年以后，國家科委“攀登計(jì)劃”資助了納米科學(xué)研究。1999年，國家科委開始在“973計(jì)劃”中單獨(dú)設(shè)立“納米材料和納米結(jié)構(gòu)”研究項(xiàng)目?！?63計(jì)劃”在1990—2023年間，支持了將近1000個(gè)納米方面的課題。在1991—2023年間，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)共資助納米科技研究9000多萬元中科院物理所的解思深于1996年在國際上初次發(fā)明了控制多層碳管直徑和取向的模板生長方法，制備出離散分布、高密度和高強(qiáng)度的定向碳管；1998年合成了世界上最長的納米碳管；2023年,又對(duì)管徑僅為0.5nm的極小直徑納米碳管的力學(xué)、熱學(xué)光學(xué)和導(dǎo)電性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。此系列工作在1998年、2023年分別被評(píng)為國內(nèi)十大基礎(chǔ)研究進(jìn)展。清華大學(xué)范首善課題組在國際上初次運(yùn)用碳納米管限制反映形成直徑為3nm—40nm、長度達(dá)微米級(jí)的發(fā)藍(lán)光的氮化鎵一維納米棒，在國際上初次把氮化鎵制備成一維納米晶體。該成果被評(píng)為1998年中國十大科技進(jìn)展新聞。中科院金屬所的研究小組，在世界上初次發(fā)現(xiàn)納米金屬材料具有室溫下的超塑延展性——納米銅在室溫下冷軋可延伸50多倍。中科院金屬所成會(huì)明研究組運(yùn)用等離子蒸發(fā)技術(shù)成功地制備單壁碳納米管材料并獲得優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能，質(zhì)量儲(chǔ)氫容量可達(dá)4%納米技術(shù)作為一種最具有市場應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù)，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發(fā)達(dá)國家都投入大量的資金進(jìn)行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心，日本文教科部把納米技術(shù)，列為材料科學(xué)的四大重點(diǎn)研究開發(fā)項(xiàng)目之一。在德國，以漢堡大學(xué)和美因茨大學(xué)為納米技術(shù)研究中心，政府每年出資6500萬美元支持微系統(tǒng)的研究。在國內(nèi)，許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開展納米技術(shù)的研究工作，并取得了一定的研究成果，重要如下：定向納米碳管陣列的合成，由中國科學(xué)院物理研究所解思深研究員等完畢。他們運(yùn)用化學(xué)氣相法高效制備出孔徑約20納米，長度約100微米的碳納米管。并由此制備出納米管陣列，其面積達(dá)3毫米×3毫米，碳納米管之間間距為100微米。氮化鎵納米棒的制備，由清華大學(xué)范守善專家等完畢。他們初次運(yùn)用碳納米管制備出直徑3~40納米、長度達(dá)微米量級(jí)的半導(dǎo)體氮化鎵一維納米棒，并提出碳納米管限制反映的概念。并與美國斯坦福大學(xué)戴宏杰專家合作，在國際上初次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。準(zhǔn)一維納米絲和納米電纜，由中國科學(xué)院固體物理研究所張立德研究員等完畢。他們運(yùn)用碳熱還原、溶膠-凝膠軟化學(xué)法并結(jié)合納米液滴外延等新技術(shù)，初次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。用催化熱解法制成納米金剛石，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的錢逸泰等完畢。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反映，以此制備出了金剛石納米粉。世界各國納米研究狀況新世紀(jì)是卓越的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和巨大的技術(shù)突破層出不窮的時(shí)代。世界許多國家都制定了自己的科技發(fā)展戰(zhàn)略和規(guī)劃，力爭掌握科技發(fā)展的先機(jī)，在國際科技舞臺(tái)上占據(jù)一席之地。各個(gè)重要國家和地區(qū)在納米技術(shù)領(lǐng)域的競爭一年強(qiáng)于一年。這種競爭體現(xiàn)在戰(zhàn)略和政策、公共和私人研發(fā)投資及追求應(yīng)用方面美國高度重視納米技術(shù)研究美國在納米技術(shù)方面起步早，聯(lián)邦對(duì)硬件資助逐年增長。2023年出臺(tái)“國家納米技術(shù)研究計(jì)劃”后，聯(lián)邦研發(fā)預(yù)算大幅增長，2023年為4.22億美元，2023年為7.1億美元,2023年達(dá)8.49億美元。據(jù)稱，從2023年開始的三年內(nèi)，美國聯(lián)邦對(duì)納米技術(shù)的資助總額增長了83%。2023年12月3日，布什總統(tǒng)簽署了《21世紀(jì)納米技術(shù)研發(fā)法》，規(guī)定從2023年開始，四年內(nèi)聯(lián)邦為國家納米技術(shù)計(jì)劃資助37億美元。目前，美國公司對(duì)納米技術(shù)的投資兩倍于聯(lián)邦投資。根據(jù)國會(huì)通過的有關(guān)納米科學(xué)、研發(fā)與教育的法案，成立了“國家納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃”這個(gè)常設(shè)機(jī)構(gòu)。許多大學(xué)建立了跨學(xué)科的納米技術(shù)研究中心，并與工業(yè)界建立了研發(fā)伙伴關(guān)系。歐盟對(duì)納米技術(shù)的研發(fā)當(dāng)仁不讓對(duì)于納米技術(shù)研發(fā)，歐洲對(duì)美國當(dāng)仁不讓。納米技術(shù)是歐盟前兩個(gè)計(jì)劃的重點(diǎn)，在第六個(gè)框架計(jì)劃中，納米技術(shù)又是一個(gè)最優(yōu)先領(lǐng)域，研發(fā)經(jīng)費(fèi)為13億歐元。納米技術(shù)也處在歐盟另兩個(gè)優(yōu)先領(lǐng)域生命科學(xué)和信息社會(huì)技術(shù)的核心地位。歐洲納米商業(yè)聯(lián)合會(huì)稱，假如把歐盟成員國的投資計(jì)算在內(nèi)，歐洲2023年的納米技術(shù)的投資應(yīng)是美國的兩倍。歐盟有86個(gè)國內(nèi)和國際研究網(wǎng)絡(luò)致力于納米技術(shù)的研究，參與網(wǎng)絡(luò)的有2023多個(gè)，其中有許多機(jī)構(gòu)得到了國家的資助。德國、法國和英國等都有完備的納米技術(shù)研究計(jì)劃。日本視納米技術(shù)為振興經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵1991年，日本電器公司的飯島澄男發(fā)現(xiàn)了碳納米管，此后，納米技術(shù)在日本備受重視。近年日本關(guān)注經(jīng)濟(jì)振興，政府確信科技是依靠，而納米技術(shù)在未來是關(guān)鍵，2023年政府技術(shù)撥款預(yù)計(jì)達(dá)10億美元。支持納米技術(shù)研究的政府機(jī)構(gòu)重要是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和文部科學(xué)省。大公司也是納米技術(shù)研究資金的一個(gè)重要來源。其他國家和地區(qū)研究不斷進(jìn)一步在世界三強(qiáng)共逐納米技術(shù)之際，其他國家也有在目的、在重點(diǎn)地追趕。韓國每年的納米技術(shù)投入列為優(yōu)先領(lǐng)域，并制定了相應(yīng)的計(jì)劃。韓國政府2023年18日決定在此后2023內(nèi)投入1.48萬億韓元(1300韓元合1美元)的資金,用以大力開發(fā)納米技術(shù)。將集中支持科研部門開發(fā)具有戰(zhàn)略意義和競爭力的納米技術(shù)，促使韓國盡快擁有世界前五位的技術(shù)競爭力。為此，韓國決定在國家科技委員會(huì)內(nèi)新設(shè)納米技術(shù)專門委員會(huì)，并在此后2023內(nèi)培養(yǎng)1.26萬名專業(yè)人才，同時(shí)建立研究設(shè)備中心。為了鼓舞科技工作者的士氣，政府決定建立“科技工作者名譽(yù)殿堂”，以提高科技工作者的社會(huì)地位，并對(duì)作出成績的科技工作者進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)。與此同時(shí)，韓國政府還決定2023年的財(cái)政預(yù)算中的5%要用于研究開發(fā)。在這筆預(yù)算中，20%要用于基礎(chǔ)研究。此外，韓國國防部、科技部、產(chǎn)業(yè)資源部和情報(bào)通信部將共同投資363億韓元，用于開發(fā)軍地兩用技術(shù)和軍地技術(shù)轉(zhuǎn)移等同國外發(fā)達(dá)國家的先進(jìn)技術(shù)相比，我們尚有很大的差距。德國科學(xué)技術(shù)部曾經(jīng)對(duì)納米技術(shù)未來市場潛力作過預(yù)測：他們認(rèn)為到2023年，納米結(jié)構(gòu)器件市場容量將達(dá)成6375億美元，納米粉體、納米復(fù)合陶瓷以及其它納米復(fù)合材料市場容量將達(dá)成5457億美元，納米加工技術(shù)市場容量將達(dá)成442億美元，納米材料的評(píng)價(jià)技術(shù)市場容量將達(dá)成27.2億美元。并預(yù)測市場的突破口也許在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領(lǐng)域?？傊?，納米技術(shù)正成為各國科技界所關(guān)注的焦點(diǎn)，正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的那樣："納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。參考文獻(xiàn)：[1]大學(xué)物理閱讀材料第二章：納米材料及其應(yīng)用前景[2]百度百科納米科學(xué)技術(shù)[3]納米科技導(dǎo)論[4]曼索里.納米技術(shù)原理.復(fù)旦大學(xué)出版社，2023:11[5]周兆英，王中林，林立偉，微系統(tǒng)和納米技術(shù)，科學(xué)出版社，2023.[6]王占國，葉曉林等。納米半導(dǎo)體技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2023納米科技調(diào)研感言一方面我要感謝彭老師具體風(fēng)趣的講解和耐心的寫作指導(dǎo)，我才干完畢這一篇文獻(xiàn)調(diào)研。從許多文獻(xiàn)中可以知道微米科技在20世紀(jì)70年代以來的信息科學(xué)中占有中心地位，而新興納米科技在新的21世紀(jì)信息科學(xué)中將起革命性的作用。納米材料將是21世紀(jì)新興材料科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新的方向。大量研究證明，生物克隆、生物病毒、膠體化學(xué)、團(tuán)簇結(jié)構(gòu)、粘土礦物、電子顯微學(xué)等，都是與納米尺度密切相關(guān)的研究，不必從形式上再加上一頂納米桂冠，但從納米科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行更進(jìn)一步研究，也許會(huì)有新的發(fā)現(xiàn)與新的突破。新興的納米科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，開辟了納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米礦物學(xué)研究的新領(lǐng)域。通過對(duì)文獻(xiàn)論文的整理與研究我們把它分為以下幾個(gè)重要部分：納米科技的定義和基本理論納米科技與其他學(xué)科的聯(lián)姻納米科技的發(fā)展納米科技的里程碑納米科技的應(yīng)用以及舉列納米技術(shù)在國內(nèi)外的研究狀況于是我得出了以下結(jié)論納米科技的技術(shù)優(yōu)勢在納米研究快速發(fā)展的基礎(chǔ)上,納米在工業(yè)、能源、醫(yī)學(xué)和環(huán)境等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用研究也更加廣泛和進(jìn)一步,推動(dòng)著納米科技自身的發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步,重要表現(xiàn)在:(1)納米材料綠色制版技術(shù)是傳統(tǒng)印刷行業(yè)的重大技術(shù)革新;(2)染料敏化納米結(jié)構(gòu)電池極有也許取代傳統(tǒng)硅系太陽能電池,成為未來太陽能電