第一篇：納米分析技術(shù)

納米食品的分析檢測進(jìn)展

摘 要 介紹了納米材料的安全性,重點(diǎn)對(duì)納米食品的3種分析檢測手段(成像、分離和表征

技術(shù))進(jìn)行了較為詳細(xì)的綜述,并對(duì)該領(lǐng)域的工作進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞 納米材料,納米食品,分析手段

進(jìn)入21世紀(jì)以來,納米技術(shù)已經(jīng)在材料、化工、生物、醫(yī)藥、食品、通信、能源等眾多

領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景,并對(duì)各學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。在食品工業(yè)中真正

運(yùn)用了納米技術(shù)的產(chǎn)品只占消費(fèi)品的一小部分,主要包括納米包裝材料、納米營養(yǎng)物和納米

添加劑等[1]。目前,全球有200多家公司致力于納米技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用。根據(jù)著名咨詢

公司HelmutKaiser一項(xiàng)調(diào)查顯示,僅在食品飲料包裝行業(yè), 2004年納米產(chǎn)品的全球銷售額就

高達(dá)8·6億美元,而在2002年,納米產(chǎn)品的全球銷售額只有1·5億美元[2]。

納米食品,也稱納米尺度(10-9-10-7m)的食品,是以人類可食用的天然物、合成物和生物生

成物等原料采用納米技術(shù)加工制成的,并根據(jù)人體健康進(jìn)行不同配制的食品。由于納米粒子

具有獨(dú)特的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn),食品和營養(yǎng)素經(jīng)過納米化以后,亦表現(xiàn)出更

高生物活性,甚至顯現(xiàn)出常態(tài)物質(zhì)沒有的活性。所以納米食品除了包括普通食品的功能外還

有以下功能:預(yù)防疾病、調(diào)節(jié)機(jī)體、康復(fù)病體的功能;降低保健食品的毒副作用功能;提高人體

對(duì)礦質(zhì)元素的吸收利用率和殺菌除味等。新興納米技術(shù)下生產(chǎn)的食品的安全性一直受到消費(fèi)

者和研究人員的高度關(guān)注。本文就納米食品的分析檢測方法進(jìn)行綜述,以期為納米食品的發(fā)

展提供技術(shù)支持。納米材料的安全性

納米材料是將材料的尺度在空間進(jìn)行約束,并到一定的臨界尺寸后,材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

也隨之發(fā)生從宏觀到微觀的轉(zhuǎn)變。粒徑的減小也是引起納米材料的安全性問題的主要原因。

Frampton通過對(duì)大氣中塵埃粒子的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)大氣中的塵埃粒子粒徑<10μm時(shí),塵埃粒子

對(duì)肺部有明顯的毒性。材料對(duì)生物體的毒性強(qiáng)烈地依賴于材料的尺寸[3]。

在一般情況下,納米材料不會(huì)表現(xiàn)出明顯的毒性。但納米材料的潛在毒性、在生物體內(nèi)的富集及其對(duì)食物鏈的影響,人們卻自知甚少,研究者稱這種毒性為“生態(tài)毒性”。Brunner等

研究發(fā)現(xiàn),不同類型的納米粒子能夠透過細(xì)胞膜,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)自由基含量的增加,最終造成生

物體的毒性[4-6];同時(shí),納米粒子還會(huì)在生物體的組織中富集。Chen研究發(fā)現(xiàn), SiO2納米顆粒會(huì)

導(dǎo)致核質(zhì)蛋白的團(tuán)聚,從而損害細(xì)胞核的功能[6]。富勒烯和TiO2納米顆粒會(huì)對(duì)蚤、大口鱸魚

和其他水生動(dòng)物產(chǎn)生一定的毒性[7]。而納米材料有時(shí)也會(huì)扮演降低污染物毒性的角色: Zhang

通過對(duì)鯉魚的活體實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),TiO2納米顆粒會(huì)大量富集游離的鎘離子[8];納米銀也顯示出較強(qiáng)的抗菌能力,研究者已將這種抗菌能力應(yīng)用到人們健康保護(hù)和水生環(huán)境治理中[9]。

納米食品中采用的納米技術(shù)是一種全新的技術(shù),如同轉(zhuǎn)基因食品,其安全性和接受程度

受到消費(fèi)者的質(zhì)疑。納米食品在活性、吸收利用率等增加的同時(shí)還應(yīng)該考慮到有害物質(zhì)的吸

收、滲透等問題。一方面粒徑減小使得食品原料本身具有的毒素,農(nóng)殘和重金屬成分更易被

吸收,加劇了納米化后的安全隱患。另外,納米食品中營養(yǎng)成分納米粒子可以通過傳統(tǒng)吸收途

徑之外的其他途徑進(jìn)入人體,并穿過生物膜屏障,使人體的防御能力降低,引起機(jī)體功能紊亂,出現(xiàn)健康問題。

維蒙特大學(xué)的消費(fèi)經(jīng)濟(jì)學(xué)家科洛丁斯基在佛羅達(dá)里達(dá)州奧蘭多市的食品安全大會(huì)上說,〔〕納米技術(shù)是一種新的基因工程10。美國消費(fèi)聯(lián)盟的資深科研人員漢森稱,不要因?yàn)槟撤N物質(zhì)

在自然尺寸狀態(tài)下是安全的,就以為處理成納米尺寸后也一定是安全的,所有科學(xué)家都贊同,物質(zhì)的大小也是安全重要因素之一。例如,大量接觸含有納米碳(如富勒烯)的食品或化妝品,會(huì)造成與石棉一樣的危害[10]。美國消費(fèi)者保護(hù)組織稱,納米食品已經(jīng)悄悄打入市場,促請(qǐng)美國

當(dāng)局強(qiáng)制廠商標(biāo)明食品是由納米技術(shù)制造的。因此,有必要借助于先進(jìn)的分析儀器,深入了解納米食品在復(fù)雜體系中的行為及其對(duì)人體和環(huán)境的潛在影響。納米食品分析檢測技術(shù)

納米材料的理化性質(zhì)包括尺寸大小、尺寸分布、表面特征、形狀、溶解度、活性、團(tuán)聚狀態(tài)和化學(xué)組成等諸多信息。為了更多地獲得這些信息,應(yīng)用多種分析手段來檢測和表征納米材料成為一種必然。將分析手段分為成像、分離和表征3種技術(shù)。

2·1 樣品前處理

樣品處理是整個(gè)分析過程中最薄弱環(huán)節(jié)和時(shí)間決定步驟,也是誤差的主要來源。而環(huán)境因素對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)和組成等性質(zhì)的影響很大。因此,前處理或消化后“納米食品”得到的結(jié)果常常不同于原位檢測的結(jié)果[11]。避免或減少樣品的前處理,可以有效地減少人為干擾因素。如果不得不對(duì)樣品進(jìn)行前處理,仔細(xì)地記錄前處理的每一環(huán)節(jié)對(duì)“追蹤”人為干擾因素至關(guān)重要。同時(shí),一些新的樣品前處理技術(shù)應(yīng)用到納米材料的分析檢測技術(shù),尤其是涉及到成像鄰域: Paunov采用凝膠捕獲技術(shù)結(jié)合掃描電鏡(SEM)對(duì)乳液進(jìn)行了成像[12];Bickmore采用固定技術(shù)結(jié)合原子力顯微鏡(AFM)對(duì)水溶液中的黏土礦物質(zhì)進(jìn)行了成像[13];Lonsdale應(yīng)用高壓冷凍和冷凍基質(zhì)技術(shù),借助于透射電鏡(TEM)對(duì)稀有的糊粉原生質(zhì)體進(jìn)行了成像,這種技術(shù)保留了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完好和蛋白質(zhì)的抗原性,優(yōu)于傳統(tǒng)的化學(xué)固定和去水技術(shù)[14];Wang

采用低溫透射電鏡,對(duì)摻雜Fe的TiO2納米顆粒進(jìn)行了“原位成像”[15]。當(dāng)然,這些新的樣品前處理技術(shù)也有望在納米食品的分析檢測技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。

2·2 成像技術(shù)

納米材料的尺寸都在可見光的衍射極限以下,普通光學(xué)顯微鏡無法觀測納米材料。目前,電子顯微和掃描探針顯微技術(shù)是運(yùn)用最多的成像技術(shù)。依賴于這些技術(shù),可以得到亞納米的分辨率。利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和原子力顯微鏡(AFM)3種常見的成像技術(shù),人們可以得到納米材料的許多性質(zhì),諸如團(tuán)聚的狀態(tài)、分散、吸附、尺寸、結(jié)構(gòu)和形狀。

Parris通過SEM觀測到包埋香精油的蛋白納米微球的形態(tài),更深入了解這種香精油的抗氧化性。TEM可以對(duì)各種納米粒子進(jìn)行成像,可觀測到不同形狀的納米管狀牛乳蛋白,制備出嵌入活性酶的多肽自組裝材料。利用TEM,研究者還可以控制最終合成的納米β-環(huán)糊精的形態(tài)和尺寸分布。

對(duì)于TEM和SEM而言,必須在真空條件下操作,因此大大阻礙了這2種技術(shù)的推廣。樣品必須進(jìn)行去水、低溫固定或嵌入等前處理;而前處理的引入,不可避免地改變了樣品的原有性質(zhì)。如果在全液體狀態(tài)下成像,就需要應(yīng)用AFM技術(shù)。AFM屬于掃描探針顯微鏡的一類,振蕩的懸臂掠過樣品的表面,在針尖和表面之間,可以檢測到<10-12N的靜電力?；谝陨显? AFM可以提供3D表面形態(tài)(大約0·5 nm的高度分辨率)。AFM的主要優(yōu)勢在于提供 濕的或潮濕狀態(tài)下的樣品的亞納米結(jié)構(gòu)。如果樣品是液體狀態(tài),樣品就很難固定在基質(zhì)上,甚至到處流動(dòng),有時(shí)甚至吸附在振蕩的懸臂上。以上會(huì)導(dǎo)致“涂污效應(yīng)”的產(chǎn)生和振蕩懸臂性質(zhì)的改變。人們采用非接觸式掃描,來減小“涂污效應(yīng)”。AFM可以用于表征蛋白、多糖和脂質(zhì)體的結(jié)構(gòu),AFM很早就用于成像納米管狀α-乳清蛋白的分子結(jié)構(gòu),還可以研究脂質(zhì)體包埋體系的形態(tài)、尺寸、穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)過程。

以上3種成像技術(shù)均屬于損傷性技術(shù),因此同一樣品不能多次分析。電子顯微技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是“充電效應(yīng)”,這種效應(yīng)源于組織成像時(shí),由于電子輻射導(dǎo)致靜態(tài)電場的累積。如果將樣品的表面包裹導(dǎo)電性材料,可以消除充電效應(yīng),但是同時(shí)會(huì)導(dǎo)致部分信息的缺失。此外, 3種成像技術(shù)普遍存在成本高、耗時(shí)等缺點(diǎn),因此很難成為最常用的分析手段。

2·3 分離技術(shù)

常見的分離技術(shù)如高效液相色譜(HPLC)、場流分級(jí)分離(FFF)、毛細(xì)管電泳(CE)、水動(dòng)力色譜(HDC)、凝膠電泳(gel electrophoresis, GE),借助于傳統(tǒng)的檢測器,這些分離技術(shù)不僅能夠快速、靈敏、無損傷地定性檢測各種環(huán)境中的納米粒子(包括納米食品),而且能對(duì)其定量。其缺點(diǎn)在于,由于溶劑的引入和不同介質(zhì)的相互作用,使樣品原始環(huán)境發(fā)生改變,最終導(dǎo)致分析結(jié)果的偏差。將各種分離技術(shù)的靈敏度、簡單程度、分析時(shí)間、成本消耗和應(yīng)用程度進(jìn)行對(duì)比(表1所示),不難看出HPLC和FFF是兩類優(yōu)勢明顯的分離技術(shù)。

表1 三種分析檢測手段的對(duì)比1)

簡稱靈敏度簡單程度分析時(shí)間成本消耗應(yīng)用程度

分離技術(shù)HPLC○√○√√

FFF○√√√○

HDC○√√√×

CE×√○√○

GE○√×√○

成像技術(shù)TEM√√××√

SEM√√××○

AFM○√○×○

表征技術(shù)MALDI-MS√○××√

ESI-MS√√√○○

DESI-MS√○√××

IM-MS√○√×○

PCS○√○√√

AU○○××○

NMR×○○×○

XRD√×××○

SAXS○××××

注: 1)√,良好;○,中等;×,較差。

食品鄰域內(nèi),用于分離納米材料的HPLC主要有2種: SEC(尺寸排阻色譜)和IEC(離

子交換色譜)。眾所周知,尺寸排阻色譜是尺寸分離常用的技術(shù)。這種技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到量子點(diǎn)、碳納米管和聚苯乙烯納米顆粒的尺寸表征。盡管有著良好的分離效率,但尺寸排阻色譜存在以下缺點(diǎn):溶劑與流動(dòng)相之間存在強(qiáng)烈的相互作用,測定的粒徑分布較窄,不能同時(shí)分離納 米粒子和其團(tuán)聚物。借助于紫外-可見光檢測器(UV-Vis)或獨(dú)特的熒光檢測器(FL), SEC和IEC均可監(jiān)控納米蛋白材料的洗脫情況。與光子相關(guān)光譜(PCS)相結(jié)合, SEC可以檢測納米脂質(zhì)體包埋體系,并給出詳細(xì)、準(zhǔn)確的尺寸分布。SEC還可以與示差折光檢測器(RI)或多角度光散射(MALS)聯(lián)用表征多糖。高靈敏的檢測器,如電噴霧質(zhì)譜(ESI-MS)和基質(zhì)輔助激光解吸附-飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)與SEC聯(lián)用后,可以得到多糖的組成、尺寸和重復(fù)單元次序等重要信息。

20世紀(jì)60年代誕生的場流分級(jí)分離技術(shù)(FFF),現(xiàn)已在理論、儀器技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用方面都有了較大的發(fā)展,尤其在分離復(fù)雜的大分子物質(zhì)方面,驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基本要素。與色譜一樣,FFF是一種洗脫技術(shù);與場驅(qū)動(dòng)技術(shù)一樣,需要一外加場或梯度。在場流分級(jí)分離中,分離是在外加場的誘導(dǎo)下與流體聯(lián)合作用進(jìn)行的。場流分級(jí)分離技術(shù)是一個(gè)分離技術(shù)的大家族,它包括多種分支技術(shù)。根據(jù)引入的外加場的不同,主要有沉淀場流分級(jí)分離、流動(dòng)場流分級(jí)分 離、熱力場、流分級(jí)分離、電力場流分級(jí)分離等。同高靈敏的檢測技術(shù)(諸如ICP-MS和多

角度激光散射)結(jié)合,FFF已經(jīng)成功應(yīng)用到地球化學(xué)和天然膠體研究,同樣也應(yīng)用到功能化納米粒子的行為研究。應(yīng)用范圍從新鮮水樣和海水中的膠體物質(zhì),到土壤懸浮物的尺寸分離。Peng利用雙電場FFF技術(shù)分離了不同尺寸的納米管;此外,人們利用FFF技術(shù)分析了諸多納米粒子,如SiO2、金屬、金屬氧化物和炭黑等。FFF的主要缺點(diǎn):積聚壁的相互作用,通道內(nèi)的連續(xù)再平衡,某些情況下的樣品前處理,平衡過程中的樣品補(bǔ)加和通道內(nèi)樣品團(tuán)聚的可能性增大。

與SEC不同,毛細(xì)管電泳技術(shù),不存在固定相間的相互作用。但由于分離不單單建立在尺寸的基礎(chǔ)上,數(shù)據(jù)干擾更加復(fù)雜。水動(dòng)力色譜(HDC)利用無孔剛性固體顆粒來填充其分離柱,讓含有被測乳液的淋洗液在高壓下通過床層,由于水動(dòng)力效應(yīng),使粒徑不同的粒子流出速度不同,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)聚合物乳液或膠體懸浮液中的粒子分級(jí)或分離。同SEC相比,測定的粒徑分布很寬,涵蓋了5-1 200 nm的范圍。HDC的主要缺點(diǎn)就是峰的分辨率較差。HDC同最常用的UV-Vis檢測相結(jié)合,已經(jīng)應(yīng)用到(熒光)納米材料、膠體懸浮液和生物大分子的尺寸分離。此外,這種技術(shù)同DLS相結(jié)合,應(yīng)用到脂質(zhì)納米膠囊的尺寸分離。

2·4 表征技術(shù)

光子相關(guān)光譜(PCS)、質(zhì)譜(MS)、分析性超濾(AU)、核磁共振(NMR)、X射線衍射(XRD)和小角度X射線散射(SAXS)是幾種常見的表征技術(shù)。在表1 中不難看出:MS結(jié)合PCS后,幾乎可以滿足所有的分析要求。

2·4 表征技術(shù)

光子相關(guān)光譜(PCS)、質(zhì)譜(MS)、分析性超濾顆粒粒徑分布的標(biāo)準(zhǔn)方法,可以提供快速的原位和實(shí)時(shí)檢測[24]。PCS,是一種無損檢測技術(shù),可以快速、準(zhǔn)確提供納米脂質(zhì)體或蛋白包埋體尺寸大小。PCS還可以提供納米多糖包埋體系的尺寸大小及其分布和穩(wěn)定性表等信息。借助于這項(xiàng)技術(shù),通過研究納米殼聚糖包埋體系,人們可以改善納米保健或功能食品效和提高其安全性。用PCS測顆粒的大小時(shí),隨著懸浮液顆粒濃度的增大,除了發(fā)生重散射外,顆粒之間還會(huì)因?yàn)榛ハ嗯鲎捕奂谝黄?形成團(tuán)聚顆粒,影響測試結(jié)果。所得顆粒大小只是一定條件狀態(tài)下相對(duì)值,并非顆粒的真實(shí)值。只有輔以其他表征手段,才能確定顆粒的實(shí)際大小和分布狀況。

4種質(zhì)譜技術(shù)-電噴霧質(zhì)譜(ESI-MS)、基質(zhì)輔助激光解吸附質(zhì)譜(MALDI-MS)、解吸電噴霧質(zhì)譜(DE-SI-MS)和離子遷移質(zhì)譜(IMS-MS)均已應(yīng)用到納米材料的表征中。分析檢測固體和液體納米材料,常用2種軟電離方式-電噴霧(ESI)和基質(zhì)輔助激光解吸附(MALDI)。ICP電離源可以用于納米食品的金屬元素分析,與MS技術(shù)結(jié)合后,樣品可以直接注入離子源中,再與HPLC等技術(shù)聯(lián)用后,可用于元素的價(jià)態(tài)分析。FFF-ICP-MS作為一種交叉技術(shù),已經(jīng)應(yīng)用到樣品的尺寸分離及定量分析,這種分析檢測最大限度地保留了樣品的原始狀態(tài)。核磁振(NMR)技術(shù),能夠提供固體或懸浮狀納米樣品的動(dòng)態(tài)和三維結(jié)構(gòu)信息。Carter利用NMR

技術(shù)表征了空氣和水中的硅納米顆粒。擴(kuò)散NMR技術(shù)可以有效地表征膠體物質(zhì)的尺寸和相互作用。Lead利用脈沖梯度場NMR技術(shù)測定了腐殖酸的擴(kuò)散系數(shù)。X射線光譜分為X射線光電子光譜(XPS)、X射線熒光光譜(XRF)、X射線吸收光譜(XAS)、X射線散射光譜(XRD)。小角度X射線散射(SAXS)技術(shù),可用于固體或液體納米材料的結(jié)構(gòu)表征。對(duì)單一分散體系而言, SAXS可以提供材料的尺寸、形狀和結(jié)構(gòu)信息;而對(duì)多分散體系而言, SAXS只能提供尺寸 的可能性分布信息。

2·5 離心和過濾等其他技術(shù)

離心和過濾技術(shù)可以用于納米材料的制備和分離,其優(yōu)點(diǎn)在于低成本和高效。超離心

技術(shù)能夠提供最大可達(dá)1×106g的相對(duì)離心力,從而可以對(duì)膠體粒子進(jìn)行沉降分離和分析,現(xiàn)已廣泛地用于蛋白質(zhì)分子的分離與分析。傳統(tǒng)的膜過濾可以分離尺寸范圍在0·2-1μm的顆粒,濾又稱微孔過濾,膜的平均孔徑為0·05-14μm,能阻擋住懸浮物、細(xì)菌、部分病毒及膠體的透過。超濾也是一種加壓膜分離技術(shù),膜的平均孔徑為1-10 nm,用于分離大分子溶質(zhì)。納濾作為一項(xiàng)新型的膜分離技術(shù),介于反滲透和超濾之間的壓力驅(qū)動(dòng)膜分離過程,納濾膜的孔徑圍在幾個(gè)納米左右納濾技術(shù)主要應(yīng)用于水的軟化、凈化以及分子質(zhì)量在102的物質(zhì)分離、分級(jí)和濃縮、脫色和去異味等。新興的錯(cuò)流過濾和傳統(tǒng)過濾技術(shù)的差別在于:傳統(tǒng)方式是一種靜態(tài)過濾,懸浮液和垂直濾層直接接觸,這通常被認(rèn)為是“死亡”過濾,在這個(gè)過程中無法移動(dòng)越積越厚的濾層,導(dǎo)致濾層逐漸堵塞。而在錯(cuò)流過濾中,懸浮液在濾柱的孔道中做高速的循環(huán)運(yùn)動(dòng),懸浮液以從過濾膜片表面切過的方式,通過膜片和多孔的基體作為濾液排出,由孔道中的高速流動(dòng)引起的湍流不斷的沖洗膜片表面,從而防止了堵塞。錯(cuò)流過濾已經(jīng)成為分離膠體和顆粒的標(biāo)準(zhǔn)方法,其效果已經(jīng)通過AFM技術(shù)得到了驗(yàn)證。利用錯(cuò)流過濾技術(shù)熒光分析檢測湖水、河水和海水中膠體,已有相關(guān)報(bào)道。Sung利用電場輔助的錯(cuò)流過濾技術(shù),成功分離了多 種納米粒子。先進(jìn)的離心和過濾技術(shù)也有望在納米食品的分析檢測技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用。3 展望

由于納米材料擁有眾多優(yōu)良性能,越來越多的納米食品將走入百姓的生活。納米材料的潛在毒性及其對(duì)食物鏈的影響使人們有必要認(rèn)識(shí)納米材料在復(fù)雜體系中的行為。為了獲得這些信息,人們采用了多種技術(shù)分析和表征納米食品。將3種分析手段———成像、分離和表征技術(shù)進(jìn)行對(duì)比,不難發(fā)現(xiàn)對(duì)納米食品特殊地前處理,利用HPLC或FFF技術(shù)將納米材料分離開,再利用MS結(jié)合PCS的表征技術(shù),就可以得到納米食品中納米材料的理化性質(zhì)的基本全貌了。一種理想的、可用于分析和表征“納米食品”的分析儀器必須滿足以下條件:能同時(shí)檢測納米材料的物理和化學(xué)特性;能實(shí)時(shí)、快速檢測納米食品。但目前還沒有一種儀器能夠滿足理想儀器所具有的所有條件,現(xiàn)有的分析儀器都存在以下或多或少的不足:(1)需要對(duì)樣品進(jìn)行前處理,增添了人為因素;(2)有損檢測,樣品只能分析一次;(3)只能提供材料的某些特征信息;(4)不能分析非均一相的樣品。因此,這些關(guān)鍵性技術(shù)都有待于研究人員去突破和解決。參考文獻(xiàn)

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第二篇：納米加工技術(shù)

納米加工技術(shù)及其應(yīng)用

江蘇科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院

學(xué)號(hào)：139020021

姓名：原旭全

納米尺度的研究作為一門技術(shù),是80年代剛剛興起的.它所研究的對(duì)象是一般研究機(jī)構(gòu)很難涉獵的即非宏觀又非微觀的中間領(lǐng)域,有人稱之為介觀領(lǐng)域.所謂納米技術(shù)通常指納米級(jí)(0.1nm~l00nm)的材料、設(shè)計(jì)、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術(shù).納米技術(shù)主要包括納米級(jí)精度和表面形貌的測量;納米級(jí)表層物理、化學(xué)、機(jī)械性能的檢測;納米級(jí)精度的加工和納米級(jí)表層的加工一一原子和分子的去除、搬遷和重組;納米材料;納米級(jí)微傳感器和控制技術(shù);微型和超微型機(jī)械;微型和超微型機(jī)電系統(tǒng);納米生物學(xué)等;納米加工技術(shù)是納米技術(shù)的一個(gè)組成部分.納米加工的含義是達(dá)到納米級(jí)精度(包括納米級(jí)尺寸精度,納米級(jí)形位精度和納米級(jí)表面質(zhì)量)的加工技術(shù).其原理使用極尖的探針對(duì)被測表面掃描(探針和被側(cè)表面不接觸),借助納米級(jí)的三維位移控制系統(tǒng)測量該表面的三維微觀立體形貌.材料制造技術(shù).著名的諾貝爾獎(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.他說的材料即現(xiàn)在的納米材料.納米材料是由納米級(jí)的超微粒子經(jīng)壓實(shí)和燒結(jié)而成的.它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般為l一100nm.它包括體積份數(shù)近似相等的兩部分: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.納米材料的兩個(gè)重要特征是納米晶粒和由此產(chǎn)生的高濃度晶界.這導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變.如:納米陶瓷由脆性變?yōu)?00%的延展性,甚至出現(xiàn)超塑性.納米金屬居然有導(dǎo)體變成絕緣體.金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中,可大大降低靜電作用.納米Tiq按一定比例加入到化妝品中,可有效遮蔽紫外線.當(dāng)前納米材料制造方法主要有:氣相法、液相法、放電爆炸法、機(jī)械法等.l)氣相法:1熱分解法:金屬撥基化合物在惰性介質(zhì)(N2或潔凈油)中熱分解,或在H沖激光分解.此方法粒度易控制,適于大規(guī)模生產(chǎn).現(xiàn)在用于Ni、Fe、W、M。等金屬,最細(xì)顆粒可達(dá)3一10nm.o真空

蒸發(fā)法:金屬在真空中加熱蒸發(fā)后沉積于一轉(zhuǎn)動(dòng)圓的流動(dòng)油面上;可用真空蒸餾使顆粒濃縮.此法平均顆粒度小于10nm.2)液相法:1沉積法:采用各種可溶性的化合物經(jīng)混合,反應(yīng)生成不溶解的氫氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽或有機(jī)鹽等沉淀.把過濾后的沉淀物熱分解獲得高強(qiáng)超純細(xì)粉.采用此工藝制備出均質(zhì)的玻璃和陶瓷.由于該法可制備超細(xì)(10nm一100nm)、化學(xué)組成及形貌均勻的多種單一或復(fù)合氧化物粉料.已成為一種重要的超細(xì)粉的制備方法.3)放電爆炸法:金屬細(xì)絲在充滿惰性氣體的圓筒內(nèi)瞬間通人大電流而爆炸.此法可制造Mo.W等難熔金屬的超細(xì)顆粒(25一350nm),但不能連續(xù)操作.4)機(jī)械法:利用單質(zhì)粉末在攪拌球磨(AttritorMill)過程中顆粒與顆粒間和顆粒與球之間的強(qiáng)烈、頻繁的碰撞粉碎.近幾年大量采用攪拌磨,即利用被攪拌棍攪拌的研磨介質(zhì)之間的研磨,將粉料粉碎粉碎效率比球磨機(jī)或振動(dòng)磨都高.(3)三束加工技術(shù):可用于刻蝕、打孔、切割、焊接、表面處理等.l)電子束加工技術(shù):電子束加工時(shí),被加速的電子將其能量轉(zhuǎn)化成熱能,以便除去穿透層表面的原子,因此不易得到高精度.但電子束可以聚焦成很小的束斑(巾0.1林m)照射敏感材料.用電子刻蝕,可加工出0.1林m線條寬度.而在制造集成電路中實(shí)際應(yīng)用.2)離子束加工技術(shù):因離子直徑為0.Inm數(shù)量級(jí).故可直接將工件表面的原子碰撞出去達(dá)到加工的目的.用聚焦的離子束進(jìn)行刻蝕,可得到精確的形狀和納米級(jí)的線條寬度.3)激光束加工技術(shù):激光束中的粒子是光子,光子雖沒有靜止質(zhì)量,但有較高的能量密度.激光束加工常用YAG激光器認(rèn)封.06林m)和Cq激光器位一10.63林m).激光束加工不是用光能直接撞擊去掉表面原子,而是光能使材料熔化、汽化后去掉原子.(4)LIGA(Lithographie,Galvanoforming,Abforming)技術(shù).這是最新發(fā)展的光刻、電鑄和模鑄的復(fù)合微細(xì)加工技術(shù).它采用深度同步輻射X射線光刻,可以制造最大高度為1000林m、高寬比為200的立體結(jié)構(gòu),加工精度可達(dá)0.1林m.刻出的圖形側(cè)壁陡峭,表面

光滑.加工微型器件可批量復(fù)制,加工成本低.目前,在LIGA工藝中再加入犧牲層的方法,使加工出的微器件一部分可脫離母體而能轉(zhuǎn)動(dòng)或移動(dòng).這在制造微型電動(dòng)機(jī)或其他驅(qū)動(dòng)器時(shí)極為有用.LIGA技術(shù)對(duì)微型機(jī)械是非常有用的工藝方法.1與常規(guī)精加工的比較

納米級(jí)加工中.工件表面的原子和分子是直接加工的對(duì)象.即需切斷原子間的結(jié)合.納米加工實(shí)際已到了加工的極限.而常規(guī)的精加工欲控制切斷原子間的結(jié)合是無能為力的,其局限性在于: l)高精度加工工件時(shí),切削量應(yīng)盡量小而常規(guī)的切削和磨削加工,要達(dá)到納米級(jí)切除量,切削刀具的刀刃鈍圓半徑必須是納米級(jí),研磨磨料也必須是超細(xì)微粉.目前對(duì)納米級(jí)刃口半徑還無法直接測量.2)工藝系統(tǒng)的誤差復(fù)映到工件,工藝系統(tǒng)的受力/熱變形、振動(dòng)、工件裝夾等都將影響工件精度.3)即使檢測手段和補(bǔ)償原理正確,加工誤差的補(bǔ)償也是有限的.4)加工過程中存在不穩(wěn)定因素.如切削熱,環(huán)境變化及振動(dòng)等.由此可見.傳統(tǒng)的切削/磨削方法,一方面由于加工方法的局限或由于加工機(jī)床精度所限,顯示出在納米加工領(lǐng)域應(yīng)用裕度不足.另一方面,由于科技產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展,加工技術(shù)的極限不斷受到挑戰(zhàn).有研究表明,磨削可獲得o.35nm的表面粗糙度,但對(duì)如何實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的納米機(jī)加工以及觀察研究材料微加工過程力學(xué)性能則始終受到實(shí)驗(yàn)手段的限制.因此納米機(jī)加工必須尋求新的途徑即直接用光子、電子、離子等基本粒子進(jìn)行加工.例如,用電子束光刻加工超大規(guī)模集成電路.2.微納米加工技術(shù)的分類

自人類發(fā)明工具以來,加工是人類生產(chǎn)活動(dòng)的主要內(nèi)容之一.所謂加工是運(yùn)用各種工具將原材料改造成為具有某種用途的形狀.一提到加工,人們自然會(huì)聯(lián)想到機(jī)械加工.機(jī)械加工是將某種原材料經(jīng)過切削或模壓形成最基本的部件,然后將多個(gè)基本部件裝配成一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng).某些機(jī)械加工也可以稱為微納米加工.因?yàn)榫推浼庸ぞ榷?某些現(xiàn)代磨削或拋光加工的精度可以達(dá)到微米或納米量級(jí).但本文所討論的微納米加工技術(shù)是指加工形成的部件或結(jié)構(gòu)本身的尺寸在微米或納米量級(jí).微納米加工技術(shù)是一項(xiàng)涵蓋門類廣泛并且不斷發(fā)展中的技術(shù).在2004年國際微納米工程年會(huì)上,曾有人總結(jié)出多達(dá)60種微納米加工方法.可見實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)與器件的方法是多樣的.本文不可能將所有微納米加工技術(shù)一一介紹.對(duì)這些加工技術(shù)的詳細(xì)介紹目前已有專著出版.筆者在此僅將已開發(fā)出的微納米加工技術(shù)歸納為三種類型作概括性的介紹

（1）平面工藝

以平面工藝為基礎(chǔ)的微納米加工是與傳統(tǒng)機(jī)械加工概念完全不同的加工技術(shù).圖1描繪了平面工藝的基本步驟.平面工藝依賴于光刻(lithography)技術(shù).首先將一層光敏物質(zhì)感光,通過顯影使感光層受到輻射的部分或未受到輻射的部分留在基底材料表面,它代表了設(shè)計(jì)的圖案.然后通過材料沉積或腐蝕將感光層的圖案轉(zhuǎn)移到基底材料表面.通過多層曝光,腐蝕或沉積,復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)可以從基底材料上構(gòu)筑起來.這些圖案的曝光可以通過光學(xué)掩投影實(shí)現(xiàn),也可以通過直接掃描激光束,電子束或離子束實(shí)現(xiàn).腐蝕技術(shù)包括化學(xué)液體濕法腐蝕和各種等離子體干法刻蝕.材料沉積技術(shù)包括熱蒸發(fā)沉積,化學(xué)氣相沉積或電鑄沉積.圖1平面工藝的基本過程:在硅片上涂光刻膠、曝光、顯影,然后把膠 的圖形通過刻蝕或沉積轉(zhuǎn)移到其他材料

（2）探針工藝

探針工藝可以說是傳統(tǒng)機(jī)械加工的延伸,這里各種微納米尺寸的探針取代了傳統(tǒng)的機(jī)械切削工具.微納米探針不僅包括諸如掃描隧道顯微探針,原子力顯微探針等固態(tài)形式的探針,還包括聚焦離子束,激光束,原子束和火花放電微探針等非固態(tài)形式的探針.原子力探針或掃描隧道電子探針一方面可以直接操縱原子的排列,同時(shí)也可以直接在基底材料表面形成納米量級(jí)的氧化層結(jié)構(gòu)或產(chǎn)生電子曝光作用.這些固體微探針還可以通過液體輸運(yùn)方法將高分子材料傳遞到固體表面,形成納米量級(jí)的單分子層點(diǎn)陣或圖形.非固態(tài)微探針如聚焦離子束,可以通過聚焦得到小于10nm的束直徑,由聚焦離子束濺射刻蝕或化學(xué)氣體輔助沉積可以直接在各種材料表面形成微納米結(jié)構(gòu).聚焦激光束已經(jīng)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)加工工業(yè),作為切割或焊接工具.高度聚焦的激光束也可以直接剝蝕形成微納米結(jié)構(gòu),例如近年來出現(xiàn)的飛秒激光加工技術(shù).利用激光對(duì)某些有機(jī)化合物的光固化作用也可以直接形成三維立體微納米結(jié)構(gòu).只要加工的工具足夠小,即使傳統(tǒng)機(jī)械加工技術(shù)也有可能制作微米量級(jí)的結(jié)構(gòu).例如,利用聚焦離子束的微加工能力可以制造尖端小于10Lm的高速鋼銑刀.這種微型銑刀可以加工小于100Lm的溝槽或臺(tái)階結(jié)構(gòu).探針工藝與平面工藝的最大區(qū)別是,探針工藝只能以順序方式加工微納米結(jié)構(gòu).而平面工藝是以平行方式加工,即大量微結(jié)構(gòu)同時(shí)形成.因此平面工藝是一種適合于大生產(chǎn)的工藝.但探針工藝是直接加工材料,而不是像平面工藝那樣通過曝光光刻膠間接加工.3納米級(jí)加工的關(guān)鍵技術(shù)

(l)測量技術(shù)

納米級(jí)測量技術(shù)包括納米級(jí)精度的尺寸和位移的測量、納米級(jí)表面形貌的測量.納米級(jí)測量技術(shù)主要有兩個(gè)發(fā)展方向:1)光干涉測量技術(shù):可用于長度、位移、表面顯微形貌的精確測量.用此原理測量的方法有雙頻激光干涉測量、光外差干涉測量、X射線干涉測量等.2)掃描探針顯微測量技術(shù):主要用于測量表面微觀形貌.用此原理的測量方法有掃描隧道顯微鏡(STM)和原子力顯微鏡(AFM)等.(5)掃描隧道顯微加工技術(shù)(sTM).掃描隧道顯微加工技術(shù)是納米加工技術(shù)中的最新發(fā)展,可實(shí)現(xiàn)原子、分子的搬遷、去除、增添和排列重組,可實(shí)現(xiàn)極限的精加工或原子級(jí)的精加工.近年來這方面發(fā)展迅速,取得多項(xiàng)重要成果.1990年美國Eigler等人,在低溫和超真空環(huán)境中,用STM將鎳表面吸附的xe(氛)原子逐一搬遷,最終以35個(gè)Xe原子排成IBM3個(gè)字母,每個(gè)字母高snm.Xe原子間最短距離約為Inm,以后他們又實(shí)現(xiàn)了原子的搬遷排列.在鉑單晶的表面上,將吸附的一氧化碳分子用sTM搬遷排列起來,構(gòu)成一個(gè)身高snm的世界上最小人的圖樣.此“一氧化碳小人”的分子間距僅為0.snm.將STM用于納米級(jí)光刻加工時(shí),它具有極細(xì)的光斑直徑,可以達(dá)原子級(jí),可得到10nm寬的線條圖案.4微型機(jī)械和微型機(jī)電系統(tǒng)

(l)微型機(jī)械.現(xiàn)在微型機(jī)械的研究已達(dá)到較高水平,已能制造多種微型零件和微型機(jī)構(gòu).已研制成功的三維微型機(jī)械構(gòu)件有微齒輪、微彈簧、微連桿、微軸承等.微執(zhí)行器是比較復(fù)雜、難度大的微型器件,研制成功的有微閥、微泵、微開關(guān)、微電動(dòng)機(jī)等.(2)微型機(jī)電系統(tǒng).MEMS是在微電子工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域.是納米加工技術(shù)走向?qū)嵱没?能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益的主要領(lǐng)域.比如:l)微型機(jī)器人是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng).美國正在研制的無人駕駛飛機(jī)僅有蜻蜓大小,并計(jì)劃進(jìn)一步縮小成蚊子機(jī)器人,用于收集情報(bào)和竊聽.醫(yī)用超微型機(jī)器人是最有發(fā)展前途的應(yīng)用領(lǐng)域.它可進(jìn)入人的血管,從主動(dòng)脈管壁上刮去堆積的脂肪,疏通患腦血栓病人阻塞的血管.日本制定了采用機(jī)器人外科醫(yī)生的計(jì)劃,并正在開發(fā)能在人體血管中穿行、用于發(fā)現(xiàn)并殺死癌細(xì)胞的超微型機(jī)器人.2)微型慣性儀表:慣性儀表是航空、航天、航海中指示方向的導(dǎo)航儀器,由于要求體積小、重量輕、精度高、工作可靠.因此是微型機(jī)電系統(tǒng)應(yīng)用的理想領(lǐng)域.現(xiàn)在國外已有微型加速度幾何微型陀螺儀的商品生產(chǎn),體積和重量都很小,但尚需提高精度.由于MEMs的發(fā)展已初具基礎(chǔ),微型器件的發(fā)展也已達(dá)到一定水平,同時(shí)有微電子工業(yè)制造集成電路的經(jīng)驗(yàn)可借鑒,各產(chǎn)業(yè)部門又有使用MEMS的要求,因此現(xiàn)在MEMS的發(fā)展條件已具備.4.微納米加工技術(shù)發(fā)展趨勢

微納米加工技術(shù)是一項(xiàng)不斷發(fā)展中的技術(shù).新技術(shù)取代老技術(shù),先進(jìn)技術(shù)取代落后技術(shù)是客觀發(fā)展規(guī)律.加工技術(shù)本身從來都只是手段,其目的是服務(wù)于科學(xué)研究或工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn).因此新的科研課題或新的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)會(huì)不斷對(duì)加工技術(shù)提出新的要求.新的加工技術(shù)將會(huì)不斷出現(xiàn).5.參考文獻(xiàn)

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第三篇：納米材料與技術(shù)論文

石墨烯在橡膠中的應(yīng)用

摘要：石墨烯具有較強(qiáng)的力學(xué)性能和導(dǎo)電/導(dǎo)熱性質(zhì)，為發(fā)展多功能聚合物納米材料提供了新的方向。本文簡單介紹了石墨烯的制備及其功能化,并重點(diǎn)介紹了石墨烯/橡膠納米復(fù)合材料的3種主要制備方法，同時(shí)分析了石墨烯/橡膠納米復(fù)合材料的發(fā)展前景和存在問題.關(guān)鍵詞：石墨烯 納米復(fù)合材料 制備引言

橡膠在室溫下具有獨(dú)特的高彈性，其作為一種重要的戰(zhàn)略性物資，泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)"高新技術(shù)和國防軍工等領(lǐng)域。然而，未補(bǔ)強(qiáng)的橡膠存在強(qiáng)度低，模量低，耐磨差，抗疲勞差等缺陷。因此絕大數(shù)橡膠都需要補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)隨著橡膠制品的多元化，在滿足最基本的物理機(jī)械性能強(qiáng)度的同時(shí)，需要具有功能性的納米填料/橡膠復(fù)合材料。石墨烯是一種有著優(yōu)異性能的二維納米填料，將石墨烯與聚合物復(fù)合是發(fā)揮其性能的重要途徑，石墨烯/橡膠納米復(fù)合材料對(duì)橡膠的力學(xué)機(jī)械性能、電學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和氣體阻隔性能等都有很大提升，因此得到了廣泛關(guān)注。石墨烯的制備及其衍生物的功能化 2.1 石墨烯的制備

本文重點(diǎn)介紹利用氧化石墨烯（GO）的還原來制備石墨烯，該方法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團(tuán)，還存在結(jié)構(gòu)缺陷和導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，但是相比于其他方法，其宏量和廉價(jià)制備的特點(diǎn)更為突出。2.2 氧化石墨烯的還原

目前，氧化石墨烯的還原一般分為熱還原與化學(xué)還原兩種方法。熱還原是指 GO在高溫下脫除表面的含氧基團(tuán)并釋放大量氣體，從而還 原并剝離GO.化學(xué)還原法是指利用具有還原性的物質(zhì)對(duì)GO進(jìn)行脫氧還原。2.3 石墨烯的功能化

對(duì)于氧化石墨烯還原之后的石墨烯，可以用非共價(jià)鍵改性，通過工業(yè)用燃料，熒光增白劑，表面活性劑高效穩(wěn)定石墨烯。

2.4 橡膠/石墨烯復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)，性能的檢測

利用紅外光譜儀測定復(fù)合物的紅外光譜圖;用X射線衍射儀（XRD)測定復(fù)合物的衍射譜圖;用發(fā)射掃描電鏡(SEM)分析復(fù)合物的形貌；用電子萬能試驗(yàn)機(jī)測試式樣力學(xué)性能。3 橡膠/石墨烯橡膠納米復(fù)合物的制備方法

目前制備石墨烯/橡膠復(fù)合材料的制備方法主要有三種，即膠乳共混法，溶液共混法，機(jī)械混煉法。3.1 膠乳共混法 利用超聲輻照膠乳和原位還原法(ULMR)制備石墨烯均勻分散的石墨烯/NB復(fù)合材料的方法，解決了石墨烯在橡膠基體中的分散和剝離問題，橡膠復(fù)合材料的力學(xué)性能大幅度提高[1].通過膠乳混合-靜態(tài)熱壓和硫化方法制備了具有石墨烯導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的石墨烯/NR納米復(fù)合材料[2].黃光速等通過膠乳法分別制備了石墨烯/NR和石墨烯/丁苯橡膠(SBR)復(fù)合材料，并研究了材料的硫化機(jī)理[3].Kim等[4]通過膠乳法制備了石墨烯/SBR復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)橡膠材料的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性能得到了顯著提升.Schopp等[5]通過膠乳法制備了常規(guī)和新型碳系填料(炭黑,碳納米管,石墨烯)填充的SBR復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)不同填料類型、填充量、填料分散方法對(duì)復(fù)合材料性能的有影響，其中，石墨烯對(duì)SBR復(fù)合材料的力學(xué)性能、電性能以及氣體阻隔性能的提高最為顯著.3.2 溶液共混法

Lian等[6]通過溶液共混法制備了石墨烯/丁基橡膠(IR)復(fù)合材料,橡膠機(jī)械性能得到顯著的提升.Sadasiviuni等[7]用馬來酸酐接枝丁基橡膠(MA-g-HR)，通過溶液法制備得到了石墨烯/MA-g-HR納米復(fù)合材料.Bai等[8]利用超聲將氧化石墨烯分散到二甲基甲酰胺，將丁腈橡膠(NBR)溶于四氫呋喃，然后將氧化石墨烯分散液加到橡膠溶液中，再經(jīng)超聲、分散、干燥、雙輥混煉和熱壓硫化得到了氧化石墨烯/NBR復(fù)合材料.3.3 機(jī)械混煉法

Mahmoud等[9]最早通過機(jī)械混煉法制備了石墨烯/NBR復(fù)合材料，并研究了石墨烯對(duì)材料的循環(huán)疲勞的影響.Al-solamy等[10]先利用雙輥開煉機(jī)對(duì)復(fù)合橡膠進(jìn)行機(jī)械混煉，然后將復(fù)合橡膠模壓成面積為1cm2、高1cm的圓柱體，最后熱壓、硫化得到石墨烯/NBR復(fù)合材料,并研究了復(fù)合材料的導(dǎo)電性能，提出了導(dǎo)電橡膠納米復(fù)合材料壓阻效應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)模型.Das等通過機(jī)械共混法分別制備了石墨烯、膨脹石墨(EG)、CNTs、EG/CNTs雜化填充SBR納米復(fù)合材料，并對(duì)4種復(fù)合材料的電性能和力學(xué)性能做了對(duì)比.Dao等[11]通過鋁三仲丁醇在DMF水溶液中處理石墨烯制備出氧化鋁涂覆氧化石墨烯納米片復(fù)合填料.3.4 其他方法。

Castro等[12]采用氣相沉積法在聚苯胺/乙丙橡膠復(fù)合導(dǎo)電橡膠中趁機(jī)石墨烯的方法制備了新型有機(jī)電導(dǎo)材料；Cheng等[13]以金屬鎳泡沫為模版，通過CVD法制備了三維石墨烯泡沫，再將二甲基硅橡膠澆筑到石墨烯泡沫中制備石墨烯/合成橡膠復(fù)合材料；Zhan等[14]報(bào)道了將化學(xué)還原的石墨烯自組裝到NR膠乳粒子表面，在不經(jīng)過開練配合的情況下直接靜態(tài)熱壓硫化，制備了具有石墨烯“隔離”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的NR復(fù)合材料（NRLGES）；Wang等[15]在玻璃基板上通過層-層的靜電組裝制備了聚乙烯亞胺/羧基丁腈橡膠多層膜材料.4結(jié)論與展望

石墨烯具有優(yōu)異的物理和電特性，作為橡膠納米填料，具有非常高的增強(qiáng)效率和效果，同好似還可以賦予橡膠材料其他特性如導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，改善其機(jī)械性能和氣體阻隔性能等，對(duì)橡膠制品的高性能化和功能化具有特別的意義。

石墨烯/橡膠復(fù)合材料的制備方法的核心問題是在集體中均勻有效的分散與分布石墨烯填料。目前常用的復(fù)合方法有：膠乳共混、溶液共混和機(jī)械混煉，一般采用溶液共混和膠乳共混制備的復(fù)合材料中石墨烯分散均勻，因此復(fù)合材料具有更優(yōu)異的性能。GO表面的含氧基團(tuán)能有效增強(qiáng)與極性橡膠的界面作用；還原石墨烯比表面積大且存在“褶皺”結(jié)構(gòu)，因此其與大多數(shù)非極性橡膠如NR，SBR等有較強(qiáng)的界面結(jié)合。通過石墨烯的表面修飾可以進(jìn)一步提高街面作用和石墨烯分散，從而提高復(fù)合材料性能，總的來說，石墨烯可以有效的增加各種橡膠基材的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，機(jī)械強(qiáng)度和氣體阻隔性。

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第四篇：納米保鮮技術(shù)論文

納米保鮮技術(shù)

摘要：概述了納米保鮮技術(shù)和國內(nèi)外幾種新型的保鮮技術(shù)，以及納米保鮮技術(shù)的優(yōu)越性，重點(diǎn)介紹了納米保鮮劑以及納米包裝材料在食品保鮮中的應(yīng)用，并討論了其前前景以及安全性。

隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的進(jìn)步，人們對(duì)事物儲(chǔ)存的要求也越來越高，相比于傳統(tǒng)的腌漬，脫水等食物儲(chǔ)存，人們?cè)絹碓角嗖A于新鮮的食物，先比于傳統(tǒng)的食物保存方法，保鮮食物更加健康口感也更加突出。而相比于幾種常見的保鮮技術(shù)，納米保鮮又有諸多的優(yōu)點(diǎn)，受到了諸多的關(guān)注。(一)幾種傳統(tǒng)的保鮮技術(shù)：

1.干燥法：僅適用于糧食，對(duì)水果等不適用

2.化學(xué)試劑保鮮法：化工產(chǎn)品含有多種對(duì)人體健康有害的成份和物質(zhì)。有害的毒素殘留不但危害人體健康、污染環(huán)境，造成動(dòng)植物群體的更大危害，而且成本高、操作不便。

3.食品添加劑保鮮法：大都采用高錳酸鉀、山梨酸鉀、倍酸脂、多菌靈、抗生素及甲醛等防腐劑。這類有害物質(zhì)危害人體健康，主要損傷和抑制ＤＮＡ復(fù)制和代謝，有的直接損傷細(xì)胞，使人體誘發(fā)多種疾病。

4.電冰箱保鮮法：電冰箱僅僅具有制冷的作用，并不具備保鮮功能，無法抑制細(xì)菌和殺死病毒。同時(shí)電冰箱也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，影響人體健康，且儲(chǔ)藏?cái)?shù)量有限，風(fēng)味不佳，高耗能源。

5.微凍技術(shù)，僅使用于海鮮類產(chǎn)品，且暫不成熟，不具備推廣運(yùn)用條件。

6.氣調(diào)保鮮法：相比于以上幾種保鮮方法有明顯的優(yōu)點(diǎn)，但是其一是設(shè)備投資大。、一般小型企業(yè)和個(gè)體私營戶都難以實(shí)現(xiàn)，氣調(diào)保鮮雖然優(yōu)于冷藏，但是仍會(huì)是食物的口感品質(zhì)下降，口感和色澤改變，風(fēng)味和口感也大不如以前。且冷藏的管理復(fù)雜，費(fèi)工費(fèi)時(shí)并大量耗費(fèi)電能，也不能很好解決食品運(yùn)輸過程中的保鮮問題，同時(shí)造成了成本高，加重了終端消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)

我們需要新型的保鮮技術(shù)，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，納米在食物保鮮方面的作用也越來越受到重視，納米保鮮劑正是時(shí)代發(fā)展的產(chǎn)物，中國果蔬產(chǎn)量居世界領(lǐng)先地位，年均生產(chǎn)水果一億噸，蔬菜３.５億噸。但是，由于受到保鮮技術(shù)和儲(chǔ)備能力的制約，流通過程中果蔬年損失率高達(dá)25—30％。而美國的果蔬損失率僅為1.7—5%，相比之下，中國的果蔬損失指數(shù)比發(fā)達(dá)國家的美國高出23.65個(gè)百分點(diǎn)。也就是說，中國農(nóng)民每年生產(chǎn)的水果和蔬菜就有近四分之一被白白地?fù)p失！

（二）納米保鮮劑

保鮮劑廣泛廣泛適用于任何品種的瓜果、水果、蔬菜、花卉、肉類、禽蛋、海鮮、食用菌等食品的保鮮貯藏，且有效提高了果蔬品質(zhì)?？朔藭r(shí)間短，容量小，有毒副作用，操作不便，成本高的弊端，國外很多國家都在使用，中國市場尚處于起步階段，但前景廣闊

1.納米保鮮劑的優(yōu)點(diǎn)：

A吸附性：ＰＳＬＴ材料具有很強(qiáng)的雙重吸附性，巨大的比表面積不但可以吸附大量的農(nóng)藥殘留、有害毒素、有害重金屬，還可以分解乙烯氣體和抑制細(xì)菌。

B溶出性：由于ＰＳＬＴ材料中的有益元素溶出率高，可以供給其保鮮產(chǎn)品所缺少的礦物質(zhì)、微量元素、中量元素和稀土元素（果蔬產(chǎn)品在田間生長時(shí)靠土壤來供給能量，而在保鮮儲(chǔ)存期間則有納米保鮮劑提供養(yǎng)分有效延長其生命）。

C對(duì)各元素的雙向調(diào)節(jié)作作用：使用ＰＳＬＴ產(chǎn)品可對(duì)常量和微量元素的含量進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)。若缺少的元素或離子，加入ＰＳＬＴ材料能溶解補(bǔ)充；而已有的或過多的，因“同離子效應(yīng)”使其不溶解或產(chǎn)生結(jié)晶沉淀以減少它的含量，使其被保鮮果蔬產(chǎn)品達(dá)到生物體需要的最佳營養(yǎng)平衡狀態(tài)，健康自然存活。

D PH雙向調(diào)節(jié)作用：用ＰＳＬＴ保鮮食品，其ＰＨ值呈弱堿性，而且鉀、硅等元素的含量明顯提高。因ＰＳＬＴ材料可將ＰＨ值４調(diào)至６以上，ＰＨ值１０調(diào)至７左右，即根據(jù)物體所需進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)至接近中性或弱堿性。在弱堿性條件下，微生物難以生存，并造成有害病菌擠出性死亡；而羥基自由基特性可造成細(xì)菌脫水性死亡(而不同于傳統(tǒng)的殺菌劑來毒殺病菌)，因此被保鮮的產(chǎn)品不會(huì)腐爛變質(zhì)。

D無緣遠(yuǎn)紅外線輻射：對(duì)于被納米保鮮劑保鮮的產(chǎn)品其體內(nèi)的水分在共振的條件下處于微循環(huán)狀態(tài)呈生物活性，其水分不容易流失。植物和動(dòng)物都屬于生物。比如：豬圈里的豬是活的，其血液是流通的，豬的水分就不會(huì)流失豬也不會(huì)腐爛，而一塊豬肉的水分就容易流失、風(fēng)干或者腐爛。類同于，一個(gè)人的血液如果沒有發(fā)生病變就不會(huì)導(dǎo)致人的死亡。因此，對(duì)所有含水分新鮮的產(chǎn)品都具有保鮮的作用，而且水分越大保鮮期越長。并可以使食品提升品質(zhì)，改善口感，增加營養(yǎng)。

由于以上五個(gè)方面的特性，因此在采用納米保鮮劑時(shí)需求的環(huán)境（室內(nèi)）溫度（常溫）零下6度至零上35度即可保鮮，而不需要苛求低溫冷藏，因?yàn)楣弋a(chǎn)品在大田里生長期間即遇到過低溫也遭受過高溫并未致其變質(zhì)，當(dāng)然大多數(shù)產(chǎn)品不能在零下儲(chǔ)存，我們?cè)诓捎眉{米保鮮劑時(shí)為方便管理和規(guī)范體積用到的容器，本身可起到保溫與隔熱的作用。所以在采用納米保鮮產(chǎn)品過程中不需考慮溫、濕度，常溫即可。

2納米保鮮劑的特點(diǎn):

1、保鮮范圍廣：對(duì)果蔬、根莖類、肉制品類、食品類、動(dòng)物標(biāo)本類、花卉、禽蛋、食用菌、飲料、奶茶等所有含水分的產(chǎn)品都有非常理想的保鮮效果。

2、成本低廉：ＰＳＬＴ納米生物材料是無機(jī)成分(類似于永久性磁鐵及吸鐵石)，性能穩(wěn)定，幾乎不會(huì)衰變。數(shù)十年間可持續(xù)不斷地發(fā)揮作用，因此可以反復(fù)使用。只有被棄置或散落丟失時(shí)，其功能才隨之“消失”。所以保鮮成本非常的低廉，是其他任何保鮮措施無法取代的。

3、效果獨(dú)特：貯存任何食品6－8小時(shí)后可達(dá)到有機(jī)活性標(biāo)準(zhǔn)。使變褐帶味的生肉8小時(shí)后復(fù)鮮，煮米飯可使米飯?jiān)霭?，且一周不?huì)發(fā)餿，能提高產(chǎn)品品質(zhì)，是食品的天然改良劑和脫毒劑；

4、保鮮期限長：所有含水分的產(chǎn)品都可以用普斯利通保鮮劑進(jìn)行保鮮，且其所保鮮的產(chǎn)品含水份越大保鮮期越長，也就是說保鮮期和果蔬產(chǎn)品所含的水分是成正比的。大致來說，具體的保鮮期還因我們所要保鮮的產(chǎn)品的品種、產(chǎn)地、貯藏時(shí)的成熟度、貯藏的時(shí)節(jié)和貯藏條件都有關(guān)系。如：西瓜的水分占85%所以其保期可達(dá)1年；瓜果、水果、蔬菜、嫩玉米、棗、薯類水分占到65%其保期在6個(gè)月以上；豆角、辣椒、茄子等保期在5個(gè)月以上；由于黃瓜的呼吸強(qiáng)度大保期僅為4個(gè)月；草莓、荔枝、櫻桃、檳榔保期兩個(gè)月；肉類、海鮮、花卉、食用菌、葉菜、野菜、面包食品等保鮮期為2個(gè)月以上。

5、安全健康：納米生物脫毒保鮮劑能吸附有機(jī)物、重金屬而用于環(huán)保處理毒水毒氣；具有消炎止痛、吸毒排毒收斂功能而用于制藥；能抑菌殺菌而用于美容保?。荒苋艹鋈梭w所需的微量元素又能吸附水中的氯氣除去重金屬和異味，可制作優(yōu)質(zhì)PSLT納米生物礦泉水；用于浸種育苗，使秧苗健壯，作物繁茂，提高作物品質(zhì)，增產(chǎn)明顯；用于釀造，可提高酒品質(zhì)除去酒中惡醉成分，使酒變得更香醇；能除去飼料中污染物，使動(dòng)物健康發(fā)育，促進(jìn)生長，提高禽類產(chǎn)蛋率、延長產(chǎn)蛋期；用它培養(yǎng)花木效果更佳，促進(jìn)花木生長發(fā)育，使花朵更鮮艷等。

但PSLT納米生物材料在某種意義上講更適宜于人體，PSLT納米生物礦泉水是人體“細(xì)胞洗滌劑”，能排除人體內(nèi)積累的有害重金屬，而使體內(nèi)細(xì)胞起死回生。PSLT生物納米中微量元素分布曲線與生物體水分中微量元素分布曲線相吻合，能使水分中微量元素達(dá)到平衡，對(duì)人體健康大有益處。

3納米保鮮劑的現(xiàn)狀：

雖然這方面的研究很多，但是成品少，效果也不是很盡如人意，市場上也有很多類似的假冒產(chǎn)品，其安全性也有待考證，但是這也新型的保鮮技術(shù)為人類未來的生活帶來了無限的可能，國內(nèi)外也有很多專家企業(yè)致力于這方面的研究，發(fā)展速度快一旦成熟將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益

對(duì)于不怕擠壓的果蔬產(chǎn)品，比如西瓜、土豆、紅薯等，利用普通民房果窖、防空洞、地下室就地成垛碼放，按比例、間距夾放保鮮劑即可。

用于超市貨架展臺(tái)保鮮時(shí)，在展臺(tái)上面按比例、間距擺放好保鮮劑后，在上面堆放果蔬、食品、等任何含水分的新鮮產(chǎn)品均可。

納米保鮮劑可反復(fù)使用，且永不失效，在電冰箱或者其他箱子、盒子、柜子的六面內(nèi)壁用雙面膠粘貼保鮮劑后，不用電的納米保鮮盒、保鮮箱、保鮮柜就誕生了，且效果理想、節(jié)能環(huán)保、健康安全，永久使用，不遠(yuǎn)的將來將走進(jìn)千家萬戶。

（三）納米包裝材料

果蔬采摘后持續(xù)的生命活動(dòng)主要表現(xiàn)為呼吸作用，其實(shí)質(zhì)是在各種酶的參與下，經(jīng)過一系列中間反應(yīng)進(jìn)行的一個(gè)緩慢的生物氧化與還原過程。其間組織中復(fù)雜的有機(jī)物分解成簡單物質(zhì)，最后生成二氧化碳和水，并釋放出熱量。理想的保鮮材料應(yīng)當(dāng)既要保持果蔬呼吸作用，維持其緩慢的生命活動(dòng)，但又不會(huì)破壞其正常的新陳代謝。另外，果蔬的保鮮在很大的程度上依賴于水分的適度保持。儲(chǔ)運(yùn)期間的呼吸要消耗水分，此外，多種因素也會(huì)造成部分水分的蒸發(fā)。果蔬水分損失的內(nèi)因是由它們的組份性質(zhì)所決定，而一般外部因素則更起著主 導(dǎo)作用，環(huán)境溫度、濕度、光照、等。新鮮果蔬最常使用氣調(diào)包裝技術(shù)，其保鮮機(jī)理主要是依賴包裝膜材料高分子鏈熱振動(dòng)形成的間隙為氣體分子透過的通道。這就要求通過氣體滲透，保持包裝內(nèi)部的氣體組分對(duì)果蔬保鮮的最佳比例。但在實(shí)際應(yīng)用中效果不是很理想。因此研制更為理想的果蔬產(chǎn) 品保鮮包裝材料顯得非常迫切，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)意義

。研究結(jié)果表明，與普通包裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生

物學(xué)性能上有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生裝材料相比，納米包裝材料在某些物理、化學(xué)、生物學(xué)性能上有大幅度提高，如可塑性、穩(wěn)定性、阻物學(xué)性能上有大幅度提高，同時(shí)在白色污染日益嚴(yán)重的今天，納米包裝技術(shù)顯得尤為重要 1納米二氧化鈦在果蔬貯藏保鮮中的應(yīng)用

納米二氧化鈦的光催化性一方面能夠?qū)⒐哔A藏中產(chǎn)生的乙烯氧化分解成二氧化碳和水；另

一方面細(xì)菌等微生物也是由有機(jī)物復(fù)合構(gòu)成，納米二氧化鈦在光線照射下產(chǎn)生氧化l生很強(qiáng)的活性自由基使蛋白質(zhì)變性，從而抑制微生物的生長甚至殺死微生物。與常用殺菌劑相比，納米二氧化鈦抗菌殺菌效果迅速，滅菌徹底圓。韓永生等指出，納米TiO：具有抗菌殺毒、吸收紫外線、自潔功效及良好的阻隔性和力學(xué)性能等，可以保證包裝保持自身潔凈和防霧滴功臺(tái)

納米二氧化鈦復(fù)合薄膜可以有效地減少代謝過程納米TiO：復(fù)合薄膜可以有效地減少代謝過程中產(chǎn)生的二氧化碳和水以及乙烯等有害物質(zhì)，抑制或殺滅微生物以減少果蔬出現(xiàn)變質(zhì)與腐爛。并且避免因其他貯藏方法如化學(xué)保鮮劑所產(chǎn)生的環(huán)境污染，克服了目前保鮮技術(shù)的缺陷，因此二氧化鈦保鮮技術(shù)有這廣闊的前景應(yīng)用

2.納米硅氧化物在果蔬貯藏保鮮中的應(yīng)用

納米SiOx顆粒的適量加入有望形成牢固的納米抗菌涂膜，同時(shí)利用硅氧鍵對(duì)二氧化鈦和氧氣吸附、溶解、擴(kuò)散和釋放作用，從而抑制果蔬呼吸強(qiáng)度，起到保鮮、保水的作用。納米SiOx的加入可能改變水分子在膜中的滲透路徑，增強(qiáng)復(fù)合膜的阻水性，提高保濕性。

加入納米SiOx涂膜劑，水晶梨的失重率與腐爛率都顯著小于其它涂膜液(P

納米技術(shù)是21世紀(jì)科技發(fā)展的制高點(diǎn)，它的迅猛發(fā)展將促進(jìn)幾乎所有領(lǐng)域產(chǎn)生一場革命性的變化。目前，納米技術(shù)在果蔬貯藏保鮮中的大部分研究尚處于試驗(yàn)階段，而實(shí)際應(yīng)用的例子相對(duì)較少。這主要是因?yàn)榧{米技術(shù)的應(yīng)用會(huì)使果蔬貯藏保鮮的成本加大；納米包裝材料大規(guī) 模生產(chǎn)的工藝要求高、程序復(fù)雜等諸多方面問題還需要進(jìn)行深入細(xì)致的研究。

（三）納米保鮮的安全性

近年來，圍繞納米產(chǎn)品的生物安全問題發(fā)達(dá)國家也積極地展開了研究。2003年4月，R F Service(2003)在Science首先發(fā)表文章討論納米材料與生物環(huán)境相互作用可能產(chǎn)生的生物安全問題，并介紹了Lam研究小組的研究結(jié)果。隨后，各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家們開始探討納米生 物安全問題，尤其是關(guān)于納米顆粒對(duì)人體健康、生存環(huán)境以及社會(huì)安全等方面是否存在潛在負(fù)面影響的問題即納米生物環(huán)境安全性

科技是吧雙刃劍，在迅猛發(fā)展的納米浪潮中，任何人都不能忽視它所帶來的一些負(fù)面影響 但是，有關(guān)納米材料的安全l生評(píng)價(jià)資料檢索結(jié)果表明，世界范圍內(nèi)還沒有一個(gè)研究機(jī)構(gòu)對(duì)納米 的負(fù)面影響做相關(guān)的研究，我們要利用科技，但同時(shí)也要保護(hù)好自己

第五篇：材料納米微米加工技術(shù)

材料納米微米加工技術(shù)

Materials Micro and Nano Machining Technology 青島大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

閆菁云（高分子創(chuàng)新班

201341603091）

【摘要】微米／納米技術(shù)是一個(gè)新興的、高技術(shù)和基礎(chǔ)研究緊密結(jié)合的高科技領(lǐng)域，匯集了電子、機(jī)械、材料、制造、檢測，以及物理、化學(xué)和生物等不同學(xué)科新生長出來的微小和微觀領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)群體，是科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新思維的結(jié)果，被認(rèn)為是面向21世紀(jì)的新興科技，近年來在全世界范圍內(nèi)得到了飛速的發(fā)展，取得了驚人的成績，正在并且即將對(duì)人類產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，甚至改變?nèi)藗兊乃季S方式和生活方式，極富挑戰(zhàn)性。這篇文章主要論述了微米納米技術(shù)的內(nèi)容及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：微米技術(shù)、納米技術(shù)

一、微米技術(shù)

微米技術(shù)是指在微米級(jí)（0.1-100微米）的材料上設(shè)計(jì)、制造、測量、控制和應(yīng)用的技術(shù)。目前，微米技術(shù)的研究與應(yīng)用涉及以下幾個(gè)方面：

1.微小尺度的設(shè)計(jì)應(yīng)用

研究微型系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要形成一整套新的設(shè)計(jì)理論方法，例如：微動(dòng)力學(xué)、微流體力學(xué)、微熱力學(xué)、微機(jī)械學(xué)、激光學(xué)等。以便解決微型系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、誤差效應(yīng)及材料性能的影響。

2.微細(xì)加工技術(shù)

微細(xì)加工技術(shù)包含超精機(jī)械加工、IC工藝、化學(xué)腐蝕、能量束加工等諸多方法。對(duì)于簡單的面、線輪廓的加工，可以采用單點(diǎn)金剛石和CBN（立方氮化硼）刀具切削、磨削、拋光等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，如激光陀螺的平面反射鏡和平面度誤差要求小于30nm，表面粗糙度Ra值小于1hm等。而對(duì)于稍微復(fù)雜一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，用機(jī)械加工的方法是不可能的，特別是制造復(fù)合結(jié)構(gòu)，當(dāng)今較為成熟的技術(shù)仍是IC工藝硅加工技術(shù)，如美國制造出直徑僅為60~120um的硅微型靜電電動(dòng)機(jī)等。

主要指高深度比多層微結(jié)構(gòu)的硅表面加工和體加工技術(shù)，利用X射線光刻、電鑄的LIGA 和利用紫外線的準(zhǔn)LIGA加工技術(shù)；微結(jié)構(gòu)特種精密加工技術(shù)包括微火花加工、能束加工、立體光刻成形加工；特殊材料特別是功能材料微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)；多種加工方法的結(jié)合； 微系統(tǒng)的集成技術(shù)；微細(xì)加工新工藝探索等。

微細(xì)加工技術(shù)是指加工微小尺寸零件的生產(chǎn)加工技術(shù)。從廣義的角度來講，微細(xì)加工

包括各種傳統(tǒng)精密加工方法和與傳統(tǒng)精密加工方法完全不同的方法，如切削技術(shù)，磨料加工 技術(shù)，電火花加工，電解加工，化學(xué)加工，超聲波加工，微波加工，等離子體加工，外延生 產(chǎn)，激光加工，電子束加工，粒子束加工，光刻加工，電鑄加工等。從狹義的角度來講，微 細(xì)加工主要是指半導(dǎo)體集成電路制造技術(shù)，因?yàn)槲⒓?xì)加工和超微細(xì)加工是在半導(dǎo)體集成電路 制造技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，特門市大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的技術(shù)基礎(chǔ)，是信息時(shí)代微 電子時(shí)代，光電子時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.精密測量技術(shù) 精密測量技術(shù)是具有微米及亞微米測量精度的集合量與表面形貌測量技術(shù)。目前精密測試技術(shù)的一個(gè)重要研究對(duì)象是微結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，如諧振頻率、彈性模量、殘余應(yīng)力的測試和微結(jié)構(gòu)的表面形貌及內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如未提缺陷、微裂縫、微沉積的測試等。

二、納米技術(shù)

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。

納米級(jí)加工的含意是達(dá)到納米級(jí)精度的加工技術(shù)。由于原子間的距離為0.1一0.3nm，納米加工的實(shí)質(zhì)就是要切斷原子間的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)原子或分子的去除，切斷原子間結(jié)合所需要的能量，必然要求超過該物質(zhì)的原子間結(jié)合能，即所播的能量密度是很大的。用傳統(tǒng)的切削、磨削加工方法進(jìn)行納米級(jí)加工就相當(dāng)困難了。

1.納米電子技術(shù)

納米電子技術(shù)是在納米尺度（1~100nm）研究物質(zhì)的電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性及其用的科學(xué)技術(shù)，并利用這些特征規(guī)律生成納米電子材料、器件和系統(tǒng)納米電子器件以其固有的超高速（10-12~10-13s）、超高頻（大于 1000GHz）高集成度（大于1010元器件／cm2)、高效低功耗、極低閾值電流密度（亞毫安）和極高量子效率等特點(diǎn)在信息領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用前景，將可能觸發(fā)新的技術(shù)革命，成為未來信息技術(shù)的核心和支柱。

納米電子技術(shù)主要包括納米電子學(xué)基礎(chǔ)理論、納米電子材料、納米電子器件和納米電子系統(tǒng)等主要技術(shù)方向，以及納米加工與制備、納米電子表征測量等支撐技術(shù)。

2.納米機(jī)械技術(shù)

納米機(jī)械技術(shù)包括的領(lǐng)域很廣，其研究基礎(chǔ)包括納米加工過程的動(dòng)力學(xué)模擬、納米構(gòu)件與表面分子工程、納米摩擦學(xué)等，這里所指的納米機(jī)械是能實(shí)現(xiàn)納米尺寸上某種功能的機(jī)械，如納米制造設(shè)備級(jí)納米執(zhí)行器，納米執(zhí)行器能實(shí)現(xiàn)納米尺寸的移動(dòng)與定位。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)诓粩嘧非髾C(jī)械裝置的小型化、微型化，希望以盡可能小的能耗以及最少的物質(zhì)消耗來滿足生物、醫(yī)學(xué)、航天航空、數(shù)字通信、傳感技術(shù)、靈巧武器等領(lǐng)域日益增長的要求。微小型化始終是當(dāng)代科技發(fā)展的方向。以制造毫米以下尺寸的機(jī)構(gòu)和系統(tǒng)為目的的微/納米技術(shù)，一方面利用物理、化學(xué)方法將分子和原子組裝起來，形成有一定功能的微/納米結(jié)構(gòu)；另一方面利用精細(xì)加工手段加工出微/納米結(jié)構(gòu)。前者導(dǎo)致了納米生物學(xué)、納米化學(xué)等邊緣科學(xué)的產(chǎn)生；后者在小型機(jī)械制造領(lǐng)域開始了一場革命，導(dǎo)致了微型機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)。

3.納米材料技術(shù)

納米技術(shù)的研究主要集中在納米材料的制備、結(jié)構(gòu)特征、表征、功能材料的開發(fā)應(yīng)用等方面。利用納米材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu)及性質(zhì),可發(fā)展納米電子技術(shù)及微系統(tǒng)技術(shù),組裝具有多種特殊功能應(yīng)用于特定領(lǐng)域的微系統(tǒng)。納米材料是納米技術(shù)的重要組成部分。納米材料具有常規(guī)材料所不具有的特殊性質(zhì),具有廣闊的應(yīng)用前景。

納米材料可分為零位的納米顆粒材料,也稱為超微粒子,一般粒徑在幾納米到幾百納米之間,由于表面能高,致使顆粒成球狀,易聚集不容易分散;一維的納米針狀材料(納米絲材料),是指針狀材料的直徑尺寸為納米級(jí),該針狀體的細(xì)長比(長度與直徑比)一般為5～10,細(xì)長比更大的材料為納米絲材料;二維的納米薄膜材料,是指厚度為1到幾百納米的材料,這種膜可以是致密的也可以是多孔的,此膜在光學(xué)及氣體分離方面具有廣泛的應(yīng)用前景;三維的納米晶體材料(納米塊狀材料)[2],通常是由納米顆粒加工制得,其主要特點(diǎn)是晶界密度高、性能優(yōu)異,如納米晶稀土永磁材料。

4.納米加工技術(shù)

微納米加工技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了集成電路的發(fā)展,導(dǎo)致集成電路的集成度以每18個(gè)月翻一番的速度提高。微納米加工技術(shù)還可以將普通機(jī)械齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)微縮到肉眼無法觀察的尺寸.微納米加工技術(shù)可以制作單電子晶體管,可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)分子與原子操縱.微納米加工技術(shù)可以建筑人類進(jìn)入微觀世界的橋梁,是人類了解和利用微觀世界的工具.因此了解微納米加工技術(shù)對(duì)于理解微納米技術(shù),以及由微納米技術(shù)支撐的現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)是非常重要的.5.納米測量技術(shù)

微觀尺度的測量，早期是采用光學(xué)顯微鏡，從最原始的雙透鏡開始，顯微鏡技術(shù)經(jīng)歷了漫長的發(fā)展過程。如今，傳統(tǒng)的鏡頭被細(xì)小的探針?biāo)妫祟愐呀?jīng)能夠觀測物質(zhì)最細(xì)致的結(jié)構(gòu)并能測量單個(gè)原子和分子的行為。這種強(qiáng)有力的測量工具，就是以納米探針為敏感元件的掃描探測顯微鏡。它使人們能夠?qū)σ郧盁o法觀測到的納米尺度的物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)及特性進(jìn)行探測和成像，它的誕生促進(jìn)了納米技術(shù)的快速發(fā)展。

三．切削、磨削加工

對(duì)于微細(xì)切削、磨削加工,納米級(jí)加工主要意味著加工精度和表面型貌。實(shí)現(xiàn)納米級(jí)切削加工的關(guān)鍵是機(jī)床和刀具。超硬刀具材料、新型軸承、在線控制與補(bǔ)償?shù)刃录夹g(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用,使得金屬切削加工技術(shù)得到很大發(fā)展。有研究報(bào)道,在采取一系列措施之后,尤其是精細(xì)地研磨刀具,可獲得幾納米甚至1nm厚的切屑,這揭示了納米級(jí)切削加工的可能性。目前超精加工的精度已可穩(wěn)定地達(dá)到亞微米水平。在表面質(zhì)量方面,采用金剛石刀具的切削加工、精密研磨拋光和在線電解修整砂輪鏡面磨削技術(shù)都可獲得納米級(jí)的表面粗糙度。

參考文獻(xiàn)

【1】 朱荻，納米與微米加工技術(shù)，航空航天大學(xué)，2002（06）【2】 韓淑敏，微米/納米技術(shù)在機(jī)械加工中的應(yīng)用，科學(xué)技術(shù)

【3】 劉長利，沈雪石，張學(xué)驁，劉書雷，納米電子技術(shù)的發(fā)展與展望，微納電子技術(shù)第48卷第10期，2011（10）

【4】 韋星船，納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展及展望，江蘇化工第29卷第4期,2001（08）