第一篇：納米科技與能源

納米科技與能源

就像毫米、微米一樣，納米是一個(gè)尺度概念，是一米的十億分之一，并沒有物理內(nèi)涵。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1——100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法做了超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。納米技術(shù)的內(nèi)涵非常廣泛，它包括納米材料的制造技術(shù)，納米材料向各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)(含高科技領(lǐng)域)，在納米空間構(gòu)筑一個(gè)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)原子、分子的翻切、操作以及在納米微區(qū)內(nèi)對(duì)物質(zhì)傳輸和能量傳輸新規(guī)律的認(rèn)識(shí)等等。

而能源則更加重要，“能源”這一術(shù)語，過去人們談?wù)摰煤苌?，正是兩次石油危機(jī)使它成了人們議論的熱點(diǎn)。能源是整個(gè)世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的最基本的驅(qū)動(dòng)力，是人類賴以生存的基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來，能源安全問題就開始出現(xiàn)。在全球經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的今天，國(guó)際能源安全已上升到了國(guó)家的高度，各國(guó)都制定了以能源供應(yīng)安全能源全為核心的能源政策。在此后的二十多年里，在穩(wěn)定能源供應(yīng)的支持下，世界經(jīng)濟(jì)規(guī)模取得了較大增長(zhǎng)。但是，人類在享受能源帶來的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步等利益的同時(shí)，也遇到一系列無法避免的能源安全挑戰(zhàn)，能源短缺、資源爭(zhēng)奪以及過度使用能源造成的環(huán)境污染等問題威脅著人類的生存與發(fā)展。納米技術(shù)能夠產(chǎn)生具有獨(dú)特性質(zhì)的物質(zhì)，可推動(dòng)可再生能源的發(fā)展和利用。預(yù)計(jì)在最近幾年內(nèi)，人類將在能源，尤其是可再生能源方面，取得重大突破。人們將會(huì)利用更安全的核電站，更高效的太陽能電池；風(fēng)能、太陽能、海洋能在我們的生活中將得到更廣泛的應(yīng)用。但是，這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)都離不開科學(xué)，尤其是新材料方面的重大突破?？茖W(xué)家們關(guān)于新材料的設(shè)想越來越明晰了。他們以納米為單位來設(shè)計(jì)新材料（1納米等于十億分之一米）。在這樣小的尺寸上，新材料可以擁有自己特性，這些屬性可以提供理想的功能，特別是把新材料制成復(fù)合材 料時(shí)，它們的功能就更加強(qiáng)大了。最近一系列研究表明納米技術(shù)在能源領(lǐng)域擁有廣闊潛力。納米材料在太陽能電池中的應(yīng)用

太陽能電池具有方便、無污染和不需燃料等優(yōu)點(diǎn)，考慮到環(huán)境保護(hù)、能源的可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用等因素，太陽能電池將成為未來社會(huì)能源結(jié)構(gòu)中的主要成員。據(jù)悉，太陽能行業(yè)媒體于2008年6月中旬發(fā)布預(yù)測(cè)，在假定太陽能電池生產(chǎn)年增長(zhǎng)率為20%的前提下，認(rèn)為太陽能電池成本可望到2020年降低至低于1美元/瓦，到2030年降低至低于0.5 美元/瓦。納米晶太陽電池因其制作工藝簡(jiǎn)單，原材料便宜，生產(chǎn)成本低（僅為硅基成本的五分之一到十分之一）；適合在非直射光、多云等弱光線條件下，以及光線條件不足的室內(nèi)條件下運(yùn)用；可以使用柔性基底等優(yōu)點(diǎn)受到了科學(xué)家和工業(yè)界的青睞。與植物進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所葉綠體結(jié)構(gòu)相比，納米晶太陽電池具有相似的結(jié)構(gòu)。它的納米晶半導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相當(dāng)于葉綠體中的類囊體，起著支撐敏化劑染料分子、增加吸收太陽光的面積和傳遞電子的作用；敏化功能材料相當(dāng)于葉綠體中的葉綠素，起著吸收太陽光光子的作用。和光合作用一樣，基于半導(dǎo)體納米材料電極的太陽電池構(gòu)成了由太陽光驅(qū)動(dòng)的分子電子泵。太陽能電池是通過光電效應(yīng)或者光化學(xué)效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)化成電能的裝置。太陽能發(fā)電技術(shù)的地面應(yīng)用研究已經(jīng)經(jīng)歷了近30年之久，制約其發(fā)展的主要因素是系統(tǒng)的價(jià)格太高，目前最為廣泛應(yīng)用的是硅系列太陽能電池，為了降低成本，兼顧光電轉(zhuǎn)換效率，各國(guó)學(xué)者都在致力于各種太陽能電池的探索研究，其中，納米材料在太陽能電池中的應(yīng)用即納米晶體化學(xué)太陽能電池已經(jīng)成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。北京大學(xué)2002年5月22日公開的CN1350334納米晶膜太陽能電池 電極及其制備方法，涉及一種納米晶膜太陽能電池電極及其制備方法，以寬禁帶半導(dǎo)體納米晶膜為基底，在該基底表面吸附一層金屬離子，再在金屬離子吸附層上吸附光敏化劑。通過金屬離子的表面修飾，改善電極的光電轉(zhuǎn)換性能，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。與單純TiO2相比，基于金屬離子修飾TiO2納米晶太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率提高于5～ 14％，可作為電極廣泛應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域。納米TiO2太陽能電池有著可以與傳統(tǒng)固態(tài)光伏電池相媲美的高光電轉(zhuǎn)換率，加之價(jià)格低廉，使這種電池具有廣闊的前景和潛在的商業(yè)價(jià)值。雖然此類太陽能電池還存在一些問題，仍需進(jìn)一步深入研究。但是，納米太陽能電池以其高效低價(jià)無污染的巨大優(yōu)勢(shì)挑戰(zhàn)未來，隨著研究推進(jìn)，這太陽能電池應(yīng)用前景廣闊無限。

氫能源與新興納米儲(chǔ)氫材料

氫能源是一種清潔的可再生能源。由于氫能源與新興納米儲(chǔ)氫材料氫能源與新興納米儲(chǔ)氫材料：傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫材料和儲(chǔ)氫技術(shù)達(dá)不到氫燃料電池電動(dòng)車實(shí)用要求，儲(chǔ)氫問題已成為氫能源應(yīng)用中最急需解決的關(guān)鍵問題。對(duì)于好的儲(chǔ)氫材料，儲(chǔ)氫的可逆性和穩(wěn)定性是至關(guān)重要的。若吸附氫后SWCNs的穩(wěn)定性過低，其結(jié)構(gòu)將遭到破壞。若穩(wěn)定性過高，將不利于可逆地釋放氫。Lu 和Scudder 等將一端半敞開的SWCNs 稱為單壁扶手椅，將氫化時(shí)能沿管的一側(cè)開裂的形象地稱為拉鏈碳納米管。他們用從頭計(jì)算法計(jì)算了氫原子在這些納米管上的化學(xué)吸附。計(jì)算結(jié)果表明，在管的外部氫吸附的結(jié)合能遠(yuǎn)大于管的內(nèi)部，并且預(yù)言，對(duì)于小的扶手椅納米管，在一側(cè)選擇性的位點(diǎn)上只要兩排吸附的氫原子就能通過C-H 鍵的形成而打破納米管上的最近的C-C 鍵，導(dǎo)致拉開納米管壁的拉鏈。對(duì)于大的扶手椅和拉鏈納米管在對(duì)抗拉鏈的開裂中是相對(duì)穩(wěn)定的。在管的內(nèi)部吸附的氫原子不破壞納米管的C-C 鍵。這種氫引起的納米管的破裂或者“拉開拉鏈”不但被理論上預(yù)言，而且實(shí)驗(yàn)上也已觀察到。理論和實(shí)驗(yàn)上的研究都表明了，與具有更小直徑的SWCNs 相比較時(shí)，直徑越大的納米管具有越小的曲率限制而整個(gè)具有更低的反應(yīng)活性，因此對(duì)于由氫化引起的蝕刻（破裂）具有更大的抵抗力。Nikitin 和Li 等的研究顯示，在樣品1中一旦碳納米管達(dá)到30%的氫化度，另外的氫處理就引起SWCNs膜的蝕刻。T2樣品的情形是相當(dāng)不同的，他們的結(jié)果表明，在樣品中的SWCNs用適度的H 處理時(shí)不分解。此外，已經(jīng)證明具有半導(dǎo)性質(zhì)的SWCN在用氫等離Nikitin和Li等[2]的結(jié)果表明,T1子體處理下比具有金屬性質(zhì)的更穩(wěn)定。和T2 SWCN樣品在氫處理下具有不同的行為:對(duì)于T1樣品~30%的氫化 就能使納米管具有隨后材料蝕刻的不穩(wěn)定性，而對(duì)于T2樣品幾乎100%的氫化的納米管也是穩(wěn)定的。他們注意到納米管的直徑分布對(duì)于T1樣品，其平均直徑在1.6 nm左右，而對(duì)于T2樣品是在2.0 nm左右。這種平均直徑的差別可能是觀察到的T1和T2樣品蝕刻情形的差異的理由之一。他們實(shí)驗(yàn)中的直徑為2.0 nm 左右的SWCNs 不但具有最高的質(zhì)量比和儲(chǔ)氫容量，并且吸氫是可逆的，吸氫后在室溫下是穩(wěn)定性的?？梢哉f，這些SWCNs已經(jīng)具備了儲(chǔ)氫材料應(yīng)該有的優(yōu)越性能。物理和化學(xué)方法儲(chǔ)氫，需昂貴的設(shè)備。而碳納米材料可以提供一種 有效而清潔的儲(chǔ)氫方式。這種材料如果用于燃料電池汽車中的儲(chǔ)氫材料，可以有效避免空氣污染或排放溫室氣體。人們很早就知道，某些固體材料（如金屬氫化物等）在室溫條件下可以儲(chǔ)存少量的氫（約為自重的1%-2%）。有些金屬氫化物可儲(chǔ)存更多的氫（為其自重的5%-7%）但所需的儲(chǔ)氫溫度極高，250℃甚至更高。然而，碳納米管和納米纖維即使在室溫下也能很好的吸收氫，每個(gè)顆粒 都是一個(gè)微小的吸氫“海綿”。這種材料就有廣闊的應(yīng)用前景，可用來制造燃料電池汽車中的氫容器。添加燃料時(shí)只需將汽車駛?cè)爰佑驼?，將空的氫容器注滿氫即可。美國(guó)再生能源實(shí)驗(yàn)室的赫賓是該領(lǐng)域的帶頭人，他認(rèn)為主要與碳納米材料的表面結(jié)構(gòu)有關(guān)。麻省理工學(xué)院的德雷斯?fàn)柡?斯及其同事所從事的研究支持這一觀點(diǎn)，并將其成果發(fā)表在近期的《科學(xué)》上。美國(guó)能源部的計(jì)算結(jié)果表明，碳材料只要儲(chǔ)存其自重6.5%的氫，就可使燃料電池汽車具有實(shí)用價(jià)值（設(shè)定兩個(gè)加油站間的距離是500公里，即310英里）。我國(guó)科學(xué)家也正在積極系統(tǒng)地研究納米碳管的儲(chǔ)氫、吸波和場(chǎng)發(fā)射特性，力爭(zhēng)使碳納米管材料和器件實(shí)用化。

納米材料將廣泛應(yīng)用到新能源領(lǐng)域

透過玻璃——納米復(fù)合透明材料太陽能電池也可應(yīng)用到建筑物，如在窗戶上。德國(guó)弗勞恩霍夫研究所機(jī)械材料研究員正在尋找合適的透明材料。這些材料也將利用計(jì)算機(jī)模型來探索原子結(jié)構(gòu)并來模擬電子運(yùn)行模式。來自德國(guó)研究所的沃爾夫 岡·柯納說，傳導(dǎo)材料和透明材料的良好結(jié)合可能會(huì)產(chǎn)生完全透視電子。復(fù)合材料的納米結(jié)構(gòu)也能使較輕的材料擁有很大的機(jī)械強(qiáng)度。復(fù)合材料，例如以光纖玻璃和碳纖維合成的塑料樹脂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)制造業(yè)，用來生產(chǎn)汽車和飛機(jī)等。但是，通過控制纖維生產(chǎn)過程中的方向，可以產(chǎn)生變形復(fù)合材料，這種材料在一定條件下能夠改變自身形狀。這種變化可以來自外部控制，也可以是自發(fā)產(chǎn)生的，例如，對(duì)溫度、壓力、和速度引發(fā)的變化。在英國(guó)的布里斯托爾大學(xué)先進(jìn)復(fù)合材料創(chuàng)新和研究中心進(jìn)行的研討會(huì)透露，這種變形復(fù)合材料可以用于生產(chǎn)能效更高的風(fēng)電和潮汐發(fā)電的渦輪葉片。一種雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料能夠快速改變其空氣動(dòng)力狀況，這也將有助于消除刀片上不需要的壓力。這將提高其效率，延長(zhǎng)葉片的使用壽命，并且改善發(fā)電系統(tǒng)。變形復(fù)合材料意味著潮汐發(fā)電機(jī)可以制得更小，在商業(yè)上更具競(jìng)爭(zhēng)力。依這種方式，材料科學(xué)上的些許變化將為可再生能源創(chuàng)造遠(yuǎn)大前程。

納米材料用于清潔能源

人類在享受汽車帶來的便利的同時(shí),也不得不忍受汽車尾氣造成的空氣污染,而全球變暖和油價(jià)高起更讓尋找替代能源成了迫切的要求。太陽能汽車、氫燃料電池汽車、油電混合動(dòng)力汽車應(yīng)運(yùn)而生。盡管它們正在獲得越來越多的認(rèn)可,卻依然不盡如人意。根據(jù)比奇的計(jì)算,使用特制的發(fā)動(dòng)機(jī)和同等體積的金屬燃料,一輛轎車的行駛距離是普通汽油動(dòng)力汽車的3倍。而且由于燃燒的是金屬燃料, 它幾乎沒有污染,也就是說沒有二氧化碳、氮氧化物,也沒有灰塵和煤煙。這種金屬燃料甚至還可以被循環(huán)使用。只要將用過的納米顆粒放到氫氣環(huán)境下進(jìn)行加熱,它們就會(huì)再次成為可用的燃料。沉甸甸、冷冰冰的鐵塊中居然蘊(yùn)藏著能量,而且還能被點(diǎn)燃?不過,既然汽車可以用各種各樣的燃料比如甲烷、煤粉以及火藥作為動(dòng)力來源, 那么它為何就不能以金屬作為燃料呢。事實(shí)上,正常狀態(tài)下的鐵是不能被 用做燃料的,但是當(dāng)鐵塊被加工成納米級(jí)的微粒時(shí),它就具有了很高的反應(yīng)活性,將其點(diǎn)燃會(huì)釋放出大量能量。金屬燃料優(yōu)點(diǎn)多多：雖然這樣設(shè)計(jì)出的發(fā)動(dòng)機(jī)與常規(guī)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)很像,但它不會(huì)產(chǎn)生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。這些復(fù)合物通常在高溫燃燒中產(chǎn)生,而比奇等人通過控制簇的大小,已經(jīng)可以將金屬的燃燒溫度降到525度。他們接下來的工作是尋找燃燒的速度、溫度和效率三者間的平衡。盡管相對(duì)于氫燃料而言,金屬是一種緊湊的燃料,但它卻有一個(gè)明顯的缺點(diǎn)——重量。一個(gè)行駛距離等效5升油箱的鐵燃料箱重約100公斤,比普通油箱重兩倍多。并且由于金屬燃料燃燒后廢物不會(huì)被排放到空氣中,在整個(gè)行駛過程中車重都不會(huì)減輕,這也增加了運(yùn)輸?shù)某杀?。不過金屬燃料的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。除了環(huán)保外,金屬燃料還具有攜帶方便、儲(chǔ)存安全、體積小的優(yōu)點(diǎn)。在減輕重量方面,也有可提升的空間。如果使用鋁納米顆粒來替代鐵的話,同樣重量的燃料可以得到 4倍的能量,如果使用硼的話,可以得到6倍的能量。雖然這兩種材料都比鐵貴——鋁的價(jià)格是鐵的15倍,但從另一個(gè)角度來考慮,由于金屬燃料不會(huì)被消耗,可以循環(huán)使用的,真正的使用成本在于將金屬氧化物還原為燃料的過程,而這一過程中各種金屬燃料的轉(zhuǎn)化成本差異不大,所以金屬燃料本身的價(jià)格并不會(huì)影響使用成本。

總之，納米能源材料研究正在起步。在納米材料領(lǐng)域，納米能源材料是最活躍和最具有發(fā)展前途的研究領(lǐng)域之一。核研院利用多年在納米材料研究領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和條件，瞄準(zhǔn)國(guó)際前沿，正在積極籌建納米能源與環(huán)境材料研究平臺(tái)，計(jì)劃以敏化納米晶體TiO2太陽能電池、燃料電池納米電極材料和高效儲(chǔ)氫材料等作為突破口，在能源材料學(xué)科建設(shè)上走出特色之路，當(dāng)納米材料和能源結(jié)合起來會(huì)產(chǎn)生無限的生機(jī)，我認(rèn)為將來納米材料在能源方面會(huì)有更大的應(yīng)用。

電力工程學(xué)院

熱能與動(dòng)力工程11-3班 韓韜 學(xué)號(hào)：17115957

第二篇：納米科技論文

納米科技

——基于老師的納米科技課程

納米技術(shù)，作為將來新產(chǎn)業(yè)革命的一門科學(xué)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛關(guān)注。

簡(jiǎn)介

納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué),主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21 世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代,隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展,納米材料在諸多領(lǐng)域?qū)?huì)得到日益廣泛的應(yīng)用,在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文主要介紹納米材料，納米科技的基本概念，分類以及各種納米科技在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。闡述納米技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

納米技術(shù)（nanotechnology）是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)，研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如：納米物理學(xué)、納米生物學(xué)、納米化學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工技術(shù)和納米計(jì)量學(xué)等。

納米技術(shù)(nanotechnology），也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)，即納米材料。納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100一102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分:一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子;二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長(zhǎng)程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。納米材料的用途很廣，主要用途有：醫(yī)藥使用納米技術(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利用原子、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)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(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(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。家電 用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè) 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”。環(huán)境保護(hù) 環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。機(jī)械工業(yè) 采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等。這七個(gè)相對(duì)獨(dú)立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測(cè)與表征這三個(gè)研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。

從迄今為止的研究來看，關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念：

第一種，是1986年美國(guó)科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機(jī)器實(shí)用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進(jìn)展。

第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級(jí)的加工技術(shù)，也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即使發(fā)展下去，從理論上講終將會(huì)達(dá)到限度，這是因?yàn)?，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構(gòu)成電路的絕緣膜變得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動(dòng)等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。

第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來，生物在細(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級(jí)的結(jié)構(gòu)。DNA分子計(jì)算機(jī)、細(xì)胞生物計(jì)算機(jī)的開發(fā)，成為納米生物技術(shù)的重要內(nèi)容。

納米科技的發(fā)展

其發(fā)展歷史可分為下面幾個(gè)階段。

納米技術(shù)的靈感，來自于已故物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當(dāng)時(shí)在加州理工大學(xué)任教的教授向同事們提出了一個(gè)新的想法。從石器時(shí)代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù)，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計(jì)的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。費(fèi)曼質(zhì)問道，為什么我們不可以從另外一個(gè)角度出發(fā)，從單個(gè)的分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到我們的要求？他說：“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性?！?/p>

70年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工；

1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用；掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長(zhǎng)度為研究分子世界，它的最終目標(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。

1990年，納米技術(shù)有了關(guān)鍵突破。IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家成功地對(duì)單個(gè)的原子進(jìn)行了重排，納米技術(shù)取得一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設(shè)備慢慢地把35個(gè)原子移動(dòng)到各自的位置，組成了IBM三個(gè)字母。這證明費(fèi)曼是正確的，二個(gè)字母加起來還沒有3個(gè)納米長(zhǎng)。不久，科學(xué)家不僅能夠操縱單個(gè)的原子，而且還能夠“噴涂原子”。使用分子束外延長(zhǎng)生長(zhǎng)技術(shù)，科學(xué)家們學(xué)會(huì)了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子。目前，制造計(jì)算機(jī)硬盤讀寫頭使用的就是這項(xiàng)技術(shù)。著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德· 費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。

1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生；

1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等；

1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文、1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”。

1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī)；

1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄；

1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年基于納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元； 我國(guó)納米技術(shù)的研究始于80年代，納米材料研究起步較早，其次是納米材料和結(jié)構(gòu)的表征，納米器件以及納米藥物。在國(guó)家科技部、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家自然基金委員會(huì)和國(guó)家教育部等部門的大力支持下，起動(dòng)了國(guó)家級(jí)重大項(xiàng)目10多項(xiàng)，地方政府和企業(yè)家的介入，納米實(shí)用化技術(shù)和納米材料應(yīng)用技術(shù)得到了有效發(fā)展。目前已有幾百家公司參與了納米材料技術(shù)的研發(fā)，已有一些產(chǎn)品開始進(jìn)入市場(chǎng)。過去的10多年，在納米材料的制造技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，在國(guó)際上有一定地位。

近年來，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。中國(guó)也將納米科技列為中國(guó)的“973計(jì)劃”，其間涌出了像“安然納米”等一系列以納米科技為代表的高科技企業(yè)。

納米科技的應(yīng)用

納米科技的利用非常廣泛，尤其在機(jī)械方面的應(yīng)用，給機(jī)械的發(fā)展輸入了心的血液！納米技術(shù)在微機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用及其廣泛。隨著納米技術(shù)應(yīng)用途徑的不斷拓寬，微機(jī)械的開發(fā)在全世界方興未艾。例如，進(jìn)入人體的醫(yī)療機(jī)械和管道自動(dòng)檢測(cè)裝置所 需的微型齒輪、電機(jī)、傳感器和控制電路 等。制造這些具有特定功能的納米產(chǎn)品，其 技術(shù)路線可分為兩種：一是通過微加工和 固態(tài)技術(shù)，不斷將產(chǎn)品微型化；二是以原 子、分子為基本單元，根據(jù)人們的意愿進(jìn)行 設(shè)計(jì)和組裝，從而構(gòu)筑成具有特定功能的 產(chǎn)品。納米技術(shù)在微機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用主要分為兩種：1；采用微加工技術(shù)制造納米機(jī)械（1）微細(xì)加工。（2）微型機(jī)器人。（3）微型電機(jī)。；2 采用自組裝技術(shù)制造納米機(jī)械（1）生物器件。（2）納米分子電動(dòng)機(jī)。

納米技術(shù)在包裝機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用也進(jìn)入關(guān)鍵時(shí)期。采用納米材科技術(shù)對(duì)包裝機(jī)關(guān)鍵零部 件（如軸承、齒輪、彈簧等）進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高設(shè)備的耐磨性、硬度和壽命。碳納米管還具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和較高的熱導(dǎo)率。由于具有非常大的長(zhǎng)度—直徑比，可以制造出任何復(fù)雜形狀的零件，是復(fù)合材料理想的增強(qiáng)纖維。目前，用價(jià)格低廉的納米塑料制成的齒輪、陶瓷軸承、納米陶瓷蚊輥、電雕輥等印刷包裝機(jī)械零件已走進(jìn)企業(yè)，開始代替金屬材料?，F(xiàn)代膠印機(jī)上應(yīng)用著很多傳感器．如控制飛達(dá)紙堆的自動(dòng)升降、氣泵供氣時(shí)間檢測(cè)、合壓時(shí)間檢測(cè)、空張檢測(cè)、墨量控制等。納米陶瓷具有良好的耐磨性、較高的 強(qiáng)度及較強(qiáng)的韌性可用于制造刀具、包裝 和食品機(jī)械的密封環(huán)、軸承等以提高其耐 磨性和耐蝕性，也可用于制作輸送機(jī)械和 沸騰干燥床關(guān)健部件的表面涂層。

納米技術(shù)在機(jī)械行業(yè)中的發(fā)展前景非常廣闊。

（1）機(jī)械及汽車工業(yè)的滑配原件如：軸承、滑軌上應(yīng)用納米陶瓷鍍膜能產(chǎn)生超底的磨擦界面，大大減低磨損并能提高負(fù)載。

（2）塑膠流道的低粘應(yīng)用：例如T型模、拉絲模，套筒和熱膠道，可有效減少積料碳化的產(chǎn)生幾率。

（3）射出成型時(shí)發(fā)生的粘模、包封短射、鏡面霧化及拖痕均具有革命性的改善，尤其是在滑塊及頂針上所展現(xiàn)的干式潤(rùn)滑，更是任何金屬所無法表現(xiàn)的優(yōu)異性。

（4）IC封裝膠、橡膠及發(fā)泡塑料由于具有極高的粘著性，因此必須借助大量脫 模劑來幫助脫模，納米陶瓷的荷葉效應(yīng)可減少脫模劑的使用及模具清理時(shí)間。

（5）納米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑膠在模具內(nèi)的流動(dòng)性大幅提升，特別是高精度模具例如薄光板、塑膠鏡片、汽車聚 光燈罩等模具應(yīng)用后對(duì)產(chǎn)品的不良率上均有明顯的改善。

納米技術(shù)的高速發(fā)展對(duì)機(jī)械行業(yè)產(chǎn)生了巨大的影響，首先是納米材料近10 年的迅速發(fā)展，為機(jī)械行業(yè)從宏觀向微觀制造發(fā)展提供了可能。目前納米粉(即納米顆粒)、納米復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)材料體系，創(chuàng)造了很多新材料，為電子、生物、能源、信息新產(chǎn)品的開發(fā)，提供了可能，這就給機(jī)械行業(yè)帶來了廣泛的市場(chǎng)前景，需要從事制造的科學(xué)工作者去研究如何發(fā)揮新材料的特性，根據(jù)市場(chǎng)需求，設(shè)計(jì)制造出新產(chǎn)品。特別是我國(guó)納米材料的研究處于國(guó)際先進(jìn)水平，在某些領(lǐng)域還處于前列，這更為我國(guó)在新的產(chǎn)業(yè)革命競(jìng)爭(zhēng)中提供了制勝的機(jī)遇。其次，納米技術(shù)還對(duì)制造方法，工藝與手段帶來巨大沖擊。以往的制造模式 是從大往小去做產(chǎn)品，以去除工藝為主?，F(xiàn)在，有可能從小往大去做產(chǎn)品，可以從納米尺度往上增加去做零件或產(chǎn)品。以往是以硬物質(zhì)為主，現(xiàn)在軟物質(zhì)也占重要地位。軟物質(zhì)就是以微弱作用力就可改變其形狀與特性的物質(zhì)。隨著納米技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的深入研究，將會(huì)有更多更新的制造方法工藝和手段的出現(xiàn)。

“展望”納米新生活：我認(rèn)為最具有發(fā)展前景的是納米機(jī)器人。在發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)是具有特殊使命的納米間諜被散播到敵方或競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中去，它們的任務(wù)是偵察敵情和搜集情報(bào)。當(dāng)然，在治病時(shí)納米機(jī)器人也會(huì)大顯身手。這些機(jī)器人比血紅細(xì)胞還要小，它們各司其職：有的負(fù)責(zé)監(jiān)視病情，有的負(fù)責(zé)向特定的部位傳輸藥物，有的則負(fù)責(zé)清除病毒、血栓、垃圾等有害物質(zhì)。在制造某些精密的東西時(shí)，納米機(jī)器人也會(huì)貢獻(xiàn)自己的一份力量，把一切的不可能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

結(jié)束語

隨著時(shí)間的發(fā)展，納米技術(shù)在人類的生活會(huì)越來越廣泛，人們?cè)谔剿骷{米世界的過程中也會(huì)發(fā)現(xiàn)各種各樣的奇異事件，我相信，在納米技術(shù)的幫助下，人類社會(huì)會(huì)因此變得更加美好，但是也會(huì)出現(xiàn)一系列的問題，只有各國(guó)互相理解，互相幫助，趨利避害，納米科技才能真正的造福人類。

第三篇：納米科技論文

納米材料的制備和應(yīng)用

名字：柯大黑

湖北文理學(xué)院化學(xué)工程與食品科學(xué)學(xué)院11應(yīng)化班

摘要：納米科學(xué)是一門新興的而且很有發(fā)展前景的自然科學(xué)，縱觀21世紀(jì)，凡是重視納米科學(xué)的研究及發(fā)展的國(guó)家，現(xiàn)在都成為了發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家。在21世紀(jì)，我們更應(yīng)該重視納米科學(xué)的研究在經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)中的作用。納米技術(shù)的進(jìn)步，不僅僅能提高我們國(guó)家的經(jīng)濟(jì)地位和國(guó)防地位，更能提高人民的生活水平和身體素質(zhì)水平；因?yàn)榧{米技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛，覆蓋了社會(huì)中的很多方面，如國(guó)防、醫(yī)療、化工、光電、微電子、電力、信息、陶瓷工藝、涂料、環(huán)境監(jiān)測(cè)等方面。當(dāng)今的世界競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，一個(gè)國(guó)家科學(xué)的進(jìn)步能讓這個(gè)國(guó)家處于有利的世界地位。從最近幾年美國(guó)發(fā)動(dòng)的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)和阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)可以看出科學(xué)技術(shù)在軍事中重要作用，所以被美國(guó)欺負(fù)的伊朗致力于核武器的研究。美國(guó)之所以成為世界霸主，是因?yàn)樗茖W(xué)技術(shù)非常先進(jìn)，納米技術(shù)的研究和應(yīng)用也世界一流的。所以作為21世紀(jì)的青年，我們應(yīng)該對(duì)此加以重視。

關(guān)鍵詞：納米科學(xué)產(chǎn)生背景 納米尺度

特殊性質(zhì) 制備 應(yīng)用

在充滿活力的21世紀(jì)，信息、生物、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造、國(guó)防等領(lǐng)域的高速發(fā)展對(duì)材料提出了新的需求和挑戰(zhàn)，元器件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來越小，而性能要求程度越來越高；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料的性能要求有時(shí)甚至高于材料本身。為了滿足各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系母叨刃枨?，納米技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。而且很快作為一門新興學(xué)科，得到全球范圍的廣泛關(guān)注。

1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后實(shí)現(xiàn)根據(jù)人類意愿逐個(gè)排列原子、制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米科技最早的夢(mèng)想。1991年，美國(guó)科學(xué)家成功地合成了碳納米管，并發(fā)現(xiàn)其質(zhì)量?jī)H為同體積鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，因此稱之為“超級(jí)纖維”。這一納米材料的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志人類對(duì)材料性能的發(fā)掘達(dá)到了新的高度； 1999年，納米產(chǎn)品的年?duì)I業(yè)額達(dá)到500億美元。2000年3月，美國(guó)政府向全世界公布了納米技術(shù)的啟動(dòng)計(jì)劃，至此，也表明納米技術(shù)將引發(fā)21世紀(jì)新的工業(yè)革命。

納米（nanometer）是一個(gè)長(zhǎng)度單位，用nm表示。1納米等于十億分之一米即1nm=10^-9m。形象地說，一納米的球體就相當(dāng)于一個(gè)乒乓球跟地球比較，由此可見納米有多小了。

納米材料有如下這些特殊性質(zhì)

力學(xué)性質(zhì) 高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。

磁學(xué)性質(zhì) 目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場(chǎng)間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對(duì)可見光具有良好的透射率，對(duì)可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對(duì)紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級(jí)，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)

１

量級(jí)。

電學(xué)性質(zhì) 由于晶界面上原子體積分?jǐn)?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(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn)，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進(jìn)展，已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。

熱學(xué)性質(zhì) 納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對(duì)太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能。

光學(xué)性質(zhì) 納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長(zhǎng)。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應(yīng)和光過濾中應(yīng)用廣泛。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜一般存在藍(lán)移現(xiàn)象，其光吸收率很大，所以可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。

納米材料不僅性質(zhì)特殊而且制備也很特殊，制備有如下這些方法： 1.物理方法：

1.1.真空冷凝法：

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后聚冷。其特點(diǎn)純度高，結(jié)晶組織好,粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。

1.2.物理粉碎法：

通過機(jī)器粉碎，電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。

1.3.機(jī)械球磨法：

采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)?、合金或?fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。2.化學(xué)方法：

2.1.氣象沉積法：

利用金屬化合物蒸汽的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料，其特點(diǎn)是產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。

2.2.沉淀法

把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點(diǎn)簡(jiǎn)單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。

2.3.水熱合成法

高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，在經(jīng)分離和熱處理得到納米粒子。其特點(diǎn)是純度高，分散性好，粒度易控制。

2.4.溶膠凝膠法

金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。其特點(diǎn)是反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和ＩＩ～VI族化合物的制備。

2.5.微乳液法

兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成

２

核、聚集、團(tuán)聚、熱處理后得到納米粒子。其特點(diǎn)是單分散和界面性較好。納米材料的大量制備，當(dāng)然是為了應(yīng)用，以下是納米材料在幾個(gè)方面上的應(yīng)用。

納米材料在陶瓷方面的應(yīng)用。

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出非常好的韌性與延展性。

通過納米改性金屬陶瓷成分與不改性的相同金屬陶瓷成分的實(shí)驗(yàn)證明，在成分相同的情況下，改性金屬陶瓷的機(jī)械物理性能均高于不改性的金屬陶瓷，達(dá)到了納米改性既提高強(qiáng)度又提高硬度的目的；金屬陶瓷具有良好的耐磨耐高溫的性能。

納米材料在皮革中的應(yīng)用。

納米復(fù)合材料由于具有優(yōu)良的物理、力學(xué)和化學(xué)性能，所以應(yīng)用到皮革中。丙烯酸樹脂作為一種皮革鞣劑，有選擇填充性好，增強(qiáng)作用強(qiáng)，成革柔軟性好等優(yōu)點(diǎn)。皮革制品不能經(jīng)常洗滌，所以其自身的防霉性和抗菌性能就顯得尤為重要。納米抗菌劑主要分為金屬抗菌劑和光催化型抗菌劑。其中金屬抗菌劑可以防發(fā)霉。

納米材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用。

醫(yī)學(xué)上,納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程越來越精細(xì)，并在尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，并通過一定的機(jī)制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。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)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(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(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。

現(xiàn)在醫(yī)學(xué)中隨著細(xì)菌耐藥性和抗藥性的不斷增加和復(fù)雜化，使傳統(tǒng)抗菌劑的弊端日益突出，這就需要研發(fā)新型的抗菌物質(zhì)?？咕{米藥物由于具有更大的比表面積和表面電荷密度，對(duì)細(xì)菌有較強(qiáng)的抗菌作用，因而成為許多藥物的替代品。

納米材料在環(huán)保方面的應(yīng)用。

隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，越來越多的新型材料被用于處理各種污染物。尤其是納米技術(shù)的進(jìn)步，使得納米材料在環(huán)保領(lǐng)域也有了很廣泛的應(yīng)用。其中應(yīng)用

３

[1

最多的就是Ti02納米材料。利用Ti02納米材料光催化可降解其他的方法難以降解的物質(zhì)，可用于燃料廢水、農(nóng)藥廢水、表面活性劑，氯代物、氟里昂等廢水的處理，還可用以處理無機(jī)廢水等。納米Ti02表面活性羥基等具有非常高的反應(yīng)活性，它不但能礦化其表面附著的有機(jī)物，而且能與其表面附著的細(xì)菌的組成成分(也是有機(jī)物)進(jìn)行劇烈的反應(yīng)，從而具有殺菌能力。不但能殺死細(xì)菌，而且能徹底礦化細(xì)菌尸體，有效消除其殘留(毒)物和細(xì)菌分泌物，本身又不夾帶污染，無毒無害而且成本低[19]。納米Ti02涂層還可以用于空氣凈化，[其在紫外線照射下可分解房問內(nèi)的新建材、黏接劑等產(chǎn)生的甲醛，吸煙產(chǎn)生的乙醛，家庭灰塵產(chǎn)生的硫醇等有機(jī)異臭，還可分解油污及其它有機(jī)物等。

小結(jié)：

2l世紀(jì)是納米技術(shù)的時(shí)代，納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)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(hù)等重大問題。

參考文獻(xiàn)：

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５

第四篇：納米科技論文

納米科技的發(fā)展及應(yīng)用

摘 要：納米科技是近期發(fā)展起來的新興科學(xué)領(lǐng)域,它正在化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)和電子工程學(xué)的交叉領(lǐng)域形成,而且不斷有新的發(fā)現(xiàn)和突破。本文論述了國(guó)內(nèi)外納米科技研究現(xiàn)狀，闡釋了納米科技發(fā)展的過程，同時(shí)闡述了納米科技在工業(yè)、醫(yī)學(xué)、通信等方面的實(shí)際應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米科技；納米材料；納米通信引言

納米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期誕生并迅速崛起的新技術(shù),它的基本涵義是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然,通過直接操作和安排原子、分子,創(chuàng)造新物質(zhì)。納米(nm)是一個(gè)長(zhǎng)度單位,納米體系(通常界定為1～100nm的范圍)就在其中。這一體系既不完全適合于描述宏觀領(lǐng)域的牛頓經(jīng)典力學(xué)規(guī)律,又不完全適合于描述微觀領(lǐng)域的量子力學(xué)規(guī)律,它表現(xiàn)出了許多獨(dú)特的性能,需要用全新的理論、方法和表征手段在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然,這就是納米科技。2 中國(guó)納米科技的研究現(xiàn)狀

中國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)最先開展納米科技研究的國(guó)家之一。20世紀(jì)80年代中期，中國(guó)開始資助納米材料研究和納米技術(shù)儀器裝備研制，目前中國(guó)的納米科技基礎(chǔ)研究已在國(guó)際上占有一席之地。1982年發(fā)明的掃描隧道顯微鏡和1986年發(fā)明的原子力顯微鏡(是納米測(cè)量表征上的一個(gè)里程碑，標(biāo)志著納米科技從概念階段，進(jìn)入到實(shí)質(zhì)性研究階段。納米科技的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

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)用研究也愈加廣泛和深入,推動(dòng)著納米科技自身的 1 / 3

發(fā)展和相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步,主要表現(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)電池極有可能取代傳統(tǒng)硅系太陽能電池,成為未來太陽能電池的主導(dǎo);(3)大面積單晶硼納米線有可能成為柔性的顯示材料;(4)基于納米半導(dǎo)體材料的智能透明隔熱薄膜使玻璃變更節(jié)能;(5)新型納米纖維織造的“智能布”可利用人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電力;(6)碳納米管制成的細(xì)胞“嗅探器”,能夠探測(cè)活細(xì)胞中的致癌毒素或追蹤癌癥藥物的效用,可用于化療監(jiān)測(cè);(7)基于碳納米管與氟化共聚物的可導(dǎo)電橡膠向制造可變形電路邁出重要一步。納米科技的廣泛應(yīng)用

5〃2 納米科技將在醫(yī)學(xué)更廣泛應(yīng)用

通過納米級(jí)微型探測(cè)器可以大幅提高醫(yī)學(xué)診斷和疾病檢測(cè)精度,同時(shí)納米顆粒還可以實(shí)現(xiàn)靶向分子治療目前基于發(fā)現(xiàn)腫瘤標(biāo)志物并快速表達(dá)的微陣列芯片、納米碳管等技術(shù)已顯示出非常好的應(yīng)用前景。

5〃4 納米科技在未來通信技術(shù)上的應(yīng)用

通信技術(shù)是現(xiàn)代信息社會(huì)的重要技術(shù)支撐，在人們的社會(huì)生活中發(fā)揮著重要的、不可替代的作用。納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展從材料、器件、信息傳輸、信息處理、信息顯示、終端通信產(chǎn)品等多個(gè)方面為未來通信科學(xué)技術(shù)的發(fā)展展示了全新的技術(shù)，正引領(lǐng)未來通信科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是納米科技對(duì)未來的電子信息技術(shù)將產(chǎn)生十分重要的促進(jìn)作用。采用納米材料的光纜，利用了納米材料所具有的許多優(yōu)異性能，對(duì)光纜的抗機(jī)械沖擊性能、阻水、阻氣性都有一定的改善，并可延長(zhǎng)光纜的使用壽命，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

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參考文獻(xiàn)

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第五篇：納米科技論文

納米科技課程論文

題

目 姓

名 專業(yè)

碳納米管性質(zhì)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

學(xué)

2008306202143 鄭亞莉

會(huì)計(jì)0803

號(hào)

二○一零 年 五 月

碳納米管性質(zhì)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

碳是自然界分布非常普遍的一種元素。碳元素最大的特點(diǎn)之一是存在著眾多的同素異形體，形成許許多多結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)。長(zhǎng)期以來，人們一直認(rèn)為碳的晶體只有兩種：石墨和金剛石。直到1985年，英國(guó)科學(xué)家Kroto和美國(guó)科學(xué)家Smalley在研究激光蒸發(fā)石墨電極時(shí)發(fā)現(xiàn)了碳的第三種晶體形式C60，從此開啟人類對(duì)碳認(rèn)識(shí)的新階段。1991年，日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的電鏡專家S.Lijima在用電子顯微鏡觀察石墨電弧法制備富勒烯產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種新的碳的晶體結(jié)構(gòu)--碳納米管(CarbonNanotubes，CNTs)，自此開辟了碳科學(xué)發(fā)展的新篇章，也把人們帶人了納米科技的新時(shí)代。

碳納米管的結(jié)構(gòu)，形象地講是由含六邊形網(wǎng)格的石墨片卷曲而成的無縫納米級(jí)圓筒，兩端的“碳帽”由五邊形或七邊形參與封閉，根據(jù)石墨片層數(shù)的不同，碳納米管可分為單壁管和多壁管。由于其結(jié)構(gòu)上的特殊性(徑向尺寸為納米量級(jí)，軸向尺寸為微米，甚至毫米量級(jí))，它表現(xiàn)為典型的一維量子材料，并具有許多異常的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和化學(xué)性能。碳納米管在制備、結(jié)構(gòu)、性能、應(yīng)用等方面引起了物理學(xué)、化學(xué)和材料學(xué)等科學(xué)家的極大興趣，均取得了重大的成果。近幾年來，隨著碳納米管及納米材料研究的不斷深入，其廣闊應(yīng)用前景也不斷顯現(xiàn)出來。

1碳納米管的結(jié)構(gòu)和性能

碳納米管可以看作是石墨片繞中心軸按一定的螺旋角度卷繞而成的無縫圓筒，碳原子間是sp2雜化，它具有典型的層狀中空結(jié)構(gòu)特征，管徑在0.7-30nm之間，長(zhǎng)度為微米量級(jí)，管身是由六邊形碳環(huán)組成的多邊形結(jié)構(gòu)，兩端由富勒烯半球形端帽封口。

碳納米管的螺旋度通常用螺旋矢量Ch=na1+ma2表示，其數(shù)值等于碳納米管的周長(zhǎng)，其中n，m為整數(shù)，a1、a2是石墨晶格的基矢(圖1)。在二維石墨晶片上，給定一組(n，m)便確定了一個(gè)矢量Ch。另一個(gè)重要參量是Ch與a1，間夾角θ，稱為手性角。當(dāng)n=m，θ=30°時(shí)，稱其為扶手椅形碳納米管；當(dāng)m=0，θ=0°時(shí)，稱其為鋸齒形碳納米管；而當(dāng)0°<θ<30°時(shí)形成的所有其他類型均是手性碳納米管(圖2)。因此碳納米管的結(jié)構(gòu)參數(shù)都可以由(n，m)這對(duì)整數(shù)來表示，同時(shí)隨著直徑和螺旋角的不同可以表現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性。

碳納米管具有最簡(jiǎn)單的化學(xué)組成及原子結(jié)合形態(tài)，卻展現(xiàn)了最豐富多彩的結(jié)構(gòu)以及與之相關(guān)的物理、化學(xué)等性能。碳納米管的碳原子之間以自然界最強(qiáng)C-C化學(xué)鍵相結(jié)合，它的強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度僅僅是鋼的1/6，具有很高的軸向強(qiáng)度、韌性和彈性模量，楊氏模量與金剛石相當(dāng)，約為1TPa，彈性應(yīng)變最高可達(dá)12%。碳納米管和石墨一樣具有良好的導(dǎo)電性能，隨著螺旋矢量(n，m)的不同，碳納米管的能隙寬度可以從零變化到與硅相等，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間。由于電子的量子限域所致，電子只能在石墨片中沿著碳納米管的軸向運(yùn)動(dòng)，因此碳納米管表現(xiàn)出獨(dú)特的電學(xué)性能。碳納米管尖端具有納米尺度的曲率半徑，在相對(duì)較低的電壓下就能夠發(fā)射出大量的電子，因此碳納米管呈現(xiàn)出優(yōu)良的場(chǎng)致發(fā)射特性。碳納米管軸向?qū)嵯禂?shù)高達(dá)6 600W/(m·K)，為自然界已知材料中最高，是電子設(shè)備中最高效的散熱材料。另外，碳納米管具有獨(dú)特的輝光效應(yīng)、電致發(fā)光特性和光致發(fā)光效應(yīng)等性能。碳納米管還具有光學(xué)和儲(chǔ)氫等其他良好的性能,正是這些優(yōu)良的性質(zhì)使得碳納米管被認(rèn)為是理想的聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。

3碳納米管的應(yīng)用

碳納米管獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及與之相關(guān)的力學(xué)、電子特性及化學(xué)性能，必然決定了它在物理、化學(xué)、信息技術(shù)、環(huán)境科學(xué)、材料科學(xué)、能源技術(shù)、生命及醫(yī)藥科學(xué)等領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1碳納米管復(fù)合材料

碳納米管全部由碳原子組成，缺陷少、密度低，具有很高的軸向強(qiáng)度和剛度，其性能優(yōu)于通用級(jí)炭纖維，被看作是理想的復(fù)合材料增強(qiáng)相。利用碳納米管具有極好的導(dǎo)電特性、電致發(fā)光和長(zhǎng)徑比值達(dá)104等其他性能，可制備導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料。碳納米管復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于汽車(剎車片、保險(xiǎn)杠)、航空、航天、船舶、文體用品(釣魚桿、高爾夫球桿、網(wǎng)球拍)、土木建筑(水泥復(fù)合材料、輕量材)、機(jī)械(彈簧、螺旋桿等)等方面。此外，添加碳納米管可提高聚合物的導(dǎo)電性。由于碳納米管直徑小且導(dǎo)電，在紡織品中添加微量碳納米管，既可以防止靜電的產(chǎn)生，同時(shí)又不會(huì)影響紡織品的舒適性；經(jīng)化學(xué)修飾的碳納米管衍生物與聚合物共混紡制碳納米管復(fù)合纖維，其不僅具有導(dǎo)電或抗靜電性，還具有高的強(qiáng)度和模量，該類復(fù)合纖維制造的防彈衣可以有效保護(hù)整個(gè)人體，而不僅僅是前胸和后背；同時(shí)還能制作重量很輕的防輻射和抗沖擊太空服。

3.2電子材料及器件

碳納米管的電子結(jié)構(gòu)可以是金屬性質(zhì)，也可以是半導(dǎo)體性質(zhì)，取決于其直徑和螺旋度。因此不同直徑和螺旋度的碳納米管可以作為功能電子器件、微型電路的導(dǎo)線、最小的半導(dǎo)體裝置、納米級(jí)的晶體三極管、邏輯門和線路的連接件，應(yīng)用于微電子器件。碳納米管上極小的微?？梢砸鹛技{米管在電流中的擺動(dòng)頻率發(fā)生變化，據(jù)此，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授發(fā)明了精度在10-17kg的“納米秤”，能夠稱量單個(gè)病毒的質(zhì)量。2004年，韋進(jìn)全等發(fā)表了關(guān)于碳納米管作為燈絲的初步研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)碳納米管可以表現(xiàn)出顯著的電致發(fā)光性能，并提出了碳納米管燈泡的概念。2007年，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校成功研制出迄今為止世界上最小的碳納米管收音機(jī)，它集天線、調(diào)諧器、放大器和解調(diào)器于一身。

碳納米管的端部曲率半徑小，在電場(chǎng)中具有很強(qiáng)的局部增強(qiáng)效應(yīng)，可以用作場(chǎng)發(fā)射材料。作為場(chǎng)發(fā)射材料，碳納米管放大因子高，閾值場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)1-3V/μm，比傳統(tǒng)的陰極陣列降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，用作場(chǎng)發(fā)射顯示器件(FED)時(shí)工作電壓低、功率小、亮度高、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性高、具有更寬闊的視覺和更快的響應(yīng)速度，大面積定向碳納米管薄膜的成功制備使得它用于平板顯示器件成為可能，具有CRT和LED難以全面實(shí)現(xiàn)的性能特點(diǎn)，并將在電視機(jī)、攝像機(jī)、可視電話、便攜式計(jì)算機(jī)和航空電子設(shè)備等儀表顯示屏方面獲得廣泛的應(yīng)用。日本已制出應(yīng)用該類技術(shù)的彩色電視機(jī)樣機(jī)，其圖象分辨率是目前已知其他技術(shù)所不可能達(dá)到的。

3.3醫(yī)學(xué)應(yīng)用

碳納米管以其極高的穩(wěn)定性、良好的生物相容性成為生物納米材料中的佼佼者，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景也很令人期待。碳納米管管道合成是有機(jī)合成、生物化學(xué)和制藥化學(xué)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。碳納米管可在養(yǎng)料、藥品供給系統(tǒng)與細(xì)胞之間形成圓筒形的渠道，輸送肽、蛋白質(zhì)、質(zhì)粒DNA或寡核苷酸等物質(zhì)。碳納米管能促進(jìn)骨組織的修復(fù)生長(zhǎng)，促進(jìn)神經(jīng)再生，減：外申經(jīng)組織瘢痕產(chǎn)生。碳納米管聲學(xué)傳感器可以用作“納米聽診器”，給醫(yī)生提供更快更準(zhǔn)確的診斷工具。此外，由碳納米管制成的微型納米鉗，有望成為科學(xué)家和醫(yī)生裝配納米機(jī)械和進(jìn)行微型手術(shù)的新工具。碳納米管用于極微細(xì)毛細(xì)血管的醫(yī)治或代替破損的毛細(xì)血管，可修復(fù)受損的毛細(xì)血管。碳納米管具有優(yōu)良的伸縮性，在較低電壓下可產(chǎn)生較大的機(jī)械拉伸，而且隨外加電壓的變化長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生規(guī)律性的伸展收縮，利用這種特性，制成人造肌肉纖維，不僅可用于人類肌纖維的移植和修復(fù)，還有望將來作為未來機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件。

3.4其他方面的應(yīng)用前景 從結(jié)構(gòu)上看，碳納米管具備作為理想的電容器電極材料的所有性能，即結(jié)晶度高、導(dǎo)電性好、比表面積大、微孔集中在一定范圍內(nèi)，可用于制備雙層超級(jí)電容器。碳納米管的層間距略大于石墨的層間距，充放電容量大于石墨，而且筒狀結(jié)構(gòu)在多次充放電循環(huán)后不會(huì)塌縮，循環(huán)性好，可用于鋰離子充電電池電極材料。碳納米管獨(dú)特的大比表面積、納米孔隙結(jié)構(gòu)，具有顯著的吸附性能，使其可用作儲(chǔ)氫材料。

最新的研究表明，碳納米管已經(jīng)被研究人員制成碳納米管顯微容器、納米齒輪、微型天線等，美國(guó)《發(fā)現(xiàn)》月刊報(bào)道利用碳納米管制作的“太空梯”將升向太空。碳納米管獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)可為一維金屬納米材料的制備提供物理處理和化學(xué)反應(yīng)限制的平臺(tái)，是一種很好的模板。可利用碳納米管的吸附性和尺寸效應(yīng)，作高難度的微區(qū)、放射性清潔及同位素分離。碳納米管具有納米級(jí)的內(nèi)徑，類似石墨的碳六元環(huán)網(wǎng)和大量未成鍵的電子，可選擇吸附和活化一些較惰性的分子(如NO，CO2等)，用作催化劑載體。碳納米管具有一些與貴金屬類似的催化功能，可望在一大批貴金屬催化反應(yīng)上得到應(yīng)用，這將在石化和化工產(chǎn)業(yè)界帶來不可估量的革新和效益。

4展望

目前，國(guó)際上對(duì)碳納米管的研究方興未艾，發(fā)現(xiàn)了很多的科學(xué)現(xiàn)象，對(duì)它的物理、化學(xué)、熱學(xué)和電子學(xué)等方面都有了較深刻的理解，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域都取得了重要進(jìn)展。碳納米管應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展將廣泛沖擊產(chǎn)業(yè)各界，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域里的研究已在全球范圍內(nèi)廣泛展開，例如：化妝品、醫(yī)藥品、消費(fèi)電器、衛(wèi)生、建筑、通信、安全以及空間探索等領(lǐng)域。當(dāng)前對(duì)碳納米管的研究仍處于基礎(chǔ)性階段，離大規(guī)模應(yīng)用還有待時(shí)日，但是隨著研究的不斷深入，其應(yīng)用正在加速朝商業(yè)化的方向邁進(jìn)，它在帶來深刻技術(shù)變革的同時(shí)，還給人類社會(huì)帶來巨大的財(cái)富。