納米技術(shù)的研究與應用

納米技術(shù)的研究與應用

0納米技術(shù)的概念、應用及前景納米是一個微帶。1納米是10億米（10-9米），大約是單原子直徑的四倍。通過觀察和觀察納米現(xiàn)象和過程，納米技術(shù)為人們提供了許多性能獨特的工具、材料、設備和系統(tǒng)。目前，納米技術(shù)的研究正在從觀察和發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O計和制造復雜的納米規(guī)模。納米技術(shù)的研究是基于系統(tǒng)和多學科的。納米技術(shù)具有巨大的潛能,可望取代現(xiàn)有大多數(shù)技術(shù),創(chuàng)造新的工業(yè),并在能源、環(huán)境、通信、計算、醫(yī)藥、空間探索、國家安全和基于材料的任何領域中改變基礎的科學模型.本文各節(jié)分別就納米技術(shù)的概念,典型的納米技術(shù),納米技術(shù)中需要研究的基礎科學問題,納米技術(shù)的研究手段,納米技術(shù)的應用,以及納米技術(shù)的前景作了介紹.1納米結(jié)構(gòu)的精細化當結(jié)構(gòu)的特征尺寸介于孤立原子和塊材之間,即10-9~10-7m(1~100nm)的范圍,物體經(jīng)常顯示出與原子和塊材都不同的特性.利用尺寸的特點,可以理性地設計材料和系統(tǒng)使其展現(xiàn)在物理、化學和生物上新穎而明顯改善的特性和現(xiàn)象.納米技術(shù)是至少在一個納米尺度上構(gòu)造和利用功能結(jié)構(gòu)的通俗定義.物質(zhì)在納米尺度上性能的重大改變主要是由于全新現(xiàn)象的出現(xiàn),如量子幽禁、波動傳輸和界面效應.物質(zhì)中的電子和原子交互作用的波動(量子力學)特性受到材料在納米尺度上變化的影響.通過創(chuàng)造納米尺度的結(jié)構(gòu)能控制材料的基本特性,如:熔點、磁特性、充電容量,甚至顏色,而不需改變材料的化學成分.由此將出現(xiàn)以前被認為不可能的高性能產(chǎn)品和技術(shù).生物系統(tǒng)的一個重要特性是物質(zhì)在納米尺度上有系統(tǒng)的組織.納米技術(shù)將允許元件和集成物利用自然界自組裝的方法制造新材料.裝配所必需的信息在被存儲在納米元件表面.不需要機器人和其它儀器將元件放在一起.材料科學和生物技術(shù)的結(jié)合將導致全新的加工方法和工業(yè).納米尺度的材料如納米顆粒和納米薄膜有非常高的表面積體積比,使其適于合成材料、化學反應、藥物傳輸和能量存儲.與微米尺度的同種材料相比,納米結(jié)構(gòu)的陶瓷既堅硬又富有韌性.納米尺度的催化劑將提高化學反應和燃燒的效率,同時顯著地減少廢物和污染.由于納米結(jié)構(gòu)非常小,由它們構(gòu)建的系統(tǒng)的元件密度遠高于微米尺度的物體.另外,電子在元件之間運動所需的時間也少得多.因此,通過控制納米結(jié)構(gòu)的相互作用可獲得全新的電子元件,更小和更快的電路,實現(xiàn)更復雜的功能,并大幅度地降低能耗.2典型的納米俄羅斯技術(shù)2.1碳質(zhì)碳酸鈣葉綠體是進行“自然界最重要的化學反應”——光合作用的核心,其內(nèi)部包括納米級的分子結(jié)構(gòu)(色素分子,如葉綠素).它們的表面積體積比高,具有轉(zhuǎn)化光能和二氧化碳為生物化學能的高活性.人類和動物牙齒表面的納米級微晶,光滑并具有很高的硬度.鮑魚的外殼堅硬,是在納米尺度上將蛋白質(zhì)與碳酸鈣調(diào)和,重新構(gòu)建碳酸鈣結(jié)構(gòu)而形成的.2.2對于納米尺度的影響攝影和催化是早期依靠經(jīng)驗發(fā)展起來的納米技術(shù)的兩個例子.這兩項技術(shù)等待著通過納米技術(shù)的發(fā)展而大幅提高.大部分現(xiàn)有的利用納米尺度物體的納米技術(shù)是意外地被發(fā)現(xiàn)的,對于其中的許多技術(shù),納米尺度的影響直到近期才被認識到.例如,現(xiàn)在我們知道在橡膠中加入某種無機粘土可極大地提高輪胎的壽命和耐磨性,是因為納米尺度的粘土顆?？梢詫⒕酆象w的端部聯(lián)接起來并防止它們拆開.2.3鐵磁流體的密封鐵磁流體是由磁性納米顆粒(直徑10nm)組成的膠體,納米顆粒是獨立的永磁體,當它們處于懸浮狀態(tài)時,鐵磁流體的凈磁場為零,直至有外加磁場出現(xiàn)才發(fā)生改變.鐵磁流體與其它流體不同,在外加磁場時,力和力矩產(chǎn)生于鐵磁流體內(nèi)部,由此導致特殊的流體力學現(xiàn)象.鐵磁流體當前已用于儀器的密封,如PC機軟盤驅(qū)動器,硅晶生長的爐子,MRI(核磁共振成像)和CAT掃描設備.2.4雙連續(xù)納米顆粒和納米顆粒在一般絡合料中的應用納米結(jié)構(gòu)的硬材料正在進入商業(yè)領域.20世紀90年代,已能生產(chǎn)固化的碳納米合成物,如WC/Co和TiC/Fe.WC和Co組成的納米材料在三維尺度上互相連接,形成雙連續(xù)納米結(jié)構(gòu),可獲得優(yōu)異的材料性能.與傳統(tǒng)顆粒尺度的參照物相比,硬度、斷裂韌性和耐磨性都有顯著提高.幾家硬金屬公司正在利用這種粉末生產(chǎn)高性能部件.2.5納米顆粒尺寸的涂料、復合材料的厚度和殘余應力的厚度是熱性能和保水性的高納米涂料的熱噴技術(shù)提供了一種將納米結(jié)構(gòu)材料卓越的機械和物理特性應用于商業(yè)的途徑.當晶粒尺寸達到納米尺度時,晶界和晶內(nèi)的原子數(shù)目是可比的.由于特殊晶粒邊界面積的增加,每單位晶界的雜質(zhì)數(shù)量要比大晶粒材料少.晶粒邊界的純凈導致與大晶粒材料相比更為統(tǒng)一的腐蝕形態(tài)和更高的晶粒間抗腐蝕能力.納米晶粒不僅具有天然的熱穩(wěn)定性,而且還能有效地抵抗位錯的發(fā)生,由此得到超高的硬度,在某些情況下還能得到超高的韌性.納米顆粒尺寸的涂料還能減小涂料的殘余應力狀態(tài),加大涂層厚度.該技術(shù)的應用包括渦輪葉片的阻熱和旋轉(zhuǎn)部件的耐磨.每年有幾十億美元的潛在市場.2.6碳納米管2.6.1碳納米管的概念1924年J.D.Bernal認識了石墨晶體結(jié)構(gòu),導致碳合金和碳纖維的發(fā)展.20世紀80年代中期,Kroto,Curl和Smalley發(fā)現(xiàn)了繼金剛石和石墨后,碳的第三種同素異形體C60,使人們進入碳納米世界.90年代早期,碳納米管被人們所認識.當前納米管在新型電子和材料技術(shù)等方面的研究已被證明有很高的生產(chǎn)價值.2.6.2碳納米管界面特點碳納米管是由碳原子構(gòu)成的空心圓柱狀結(jié)構(gòu),碳原子在管壁上呈六邊形排列,兩端由五邊形或七邊形碳環(huán)組成的端冒封口,形成凹或凸的結(jié)構(gòu).碳納米管具有直徑小(0.7~30nm)、中空形狀和高長徑比(>>100)的特點,是一種特殊界面、準一維的納米功能材料.碳納米管是最強和最柔韌的分子材料.2.6.3試驗材料及性能(1)楊氏模量大于1TPa(鋁:70GPa;碳纖維:700GPa);(2)拉伸強度200GPa;(3)強度重量比超過鋁500倍;(4)最大應變?yōu)?0%~300%,高于任何材料;(5)軸向?qū)嵝詞3000W/(m·k),徑向值小;(6)導電性比銅高6個數(shù)量級;(7)金屬性或半導體性可控;(8)可通過非常大的電流;(9)優(yōu)異的場發(fā)射性能.2.6.4ths公司的材料碳納米管有著廣泛的應用,如:高強復合物,索、鏈、梁,多功能材料,增強塑料,熱交換、阻熱,輻射罩,濾膜,防彈服、太空衣,互連量子線,二極管,晶體管,電容,數(shù)據(jù)儲存,場發(fā)射器,平面顯示,THz諧振器,AFM、STM…顯微鏡,力、壓力、化學…傳感器,生物傳感器,分子齒輪、分子馬達、分子驅(qū)動器…,儲氫、儲鋰電池,納米尺度反應堆、離子通道,體內(nèi)實時健康檢查,芯片實驗室,藥物傳送,DNA排序,人造肌肉、骨、眼、耳….2.7“量子幻像”效應利用電子的波動性替代傳統(tǒng)的導線可在原子尺度上傳遞信息.這一新現(xiàn)象被稱作“量子幻像”效應,未來的納米尺度電路由于尺寸太小而無法使用導線,有望利用該效應來傳遞數(shù)據(jù).2.8納晶鎳的晶粒尺寸對晶粒尺寸分別為10和100nm的納晶鎳以及傳統(tǒng)的復晶材料進行機械性能的比較.隨著晶粒尺寸的減小,硬度、屈服強度和極限拉伸強度都有顯著提高,但冷作硬化系數(shù)卻下降了,并且在晶粒尺寸為10nm時完全降至零.材料的延展性也隨著晶粒尺寸的下降而下降,傳統(tǒng)材料在拉伸失效時有50%的延伸率,而納晶鎳的晶粒尺寸為100nm時為15%,晶粒尺寸為10nm時接近1%.在干燥空氣中進行針與盤的摩擦實驗,納晶鎳與常規(guī)復晶鎳相比,磨損率急劇減小,摩擦系數(shù)也降低了.納晶結(jié)構(gòu)超強的機械特性已廣泛用于工業(yè).在核能氣體發(fā)生器套管內(nèi)壁電鑄上納晶鎳(100nm),可對結(jié)構(gòu)開裂的地方實現(xiàn)徹底修復.納晶材料對于顆粒間的破裂過程(包括爬行破裂)有很強的抑制作用.可用于高循環(huán)壽命的鉛酸電池鉛板和鋒利的彈頭.2.9生物媒體dna在納米尺度上匯合生物學、化學和物理學可使生化傳感器的性能顯著提高.有兩項技術(shù)已趨于成熟,并有望應用于醫(yī)學.一個是色度傳感器,它能選擇性地檢測生物媒體DNA;由于對炭疽病和肺結(jié)核的成功檢測,它正處于商業(yè)開發(fā)中.當炭疽病目標存在時,成對的納米顆粒通過DNA的細絲聚集在一起,并改變顏色.另一項成果是基于原子力顯微鏡的分析器,覆蓋抗體的磁珠被吸附到對微小位移敏感的懸臂梁以進行測定.該項技術(shù)比傳統(tǒng)測定方法靈敏100~1000倍.色度傳感器和磁珠技術(shù)都有望做成檢測陣列,以對多種病原體進行同步識別.2.10模擬生物體體顆粒如細菌體超細的粉末能用于生物武器的凈化.空中的耐熱孢子(炭疽病的模仿物)在室溫下,被空中的氧化鎂和其它活性元素形成的納米顆粒殺死.已發(fā)現(xiàn)有幾種納米顆粒具有同樣的效果,而同種材料的粉末卻無效.3基礎納米科學的研究與開發(fā)現(xiàn)在的研究工具和對基本納米尺度現(xiàn)象的理解水平還很原始.為了使納米技術(shù)能帶來更大的效益,需要更多的基礎科學知識,包括理解分子的自組織,如何構(gòu)造量子器件,以及復雜的納米結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如何運作.目前很難明確區(qū)分納米技術(shù)的基礎科學和應用科學.在一個具體的納米技術(shù)出現(xiàn)以前,物理、化學、材料科學、電機工程和其它學科領域的基礎科學必須得到徹底發(fā)展.目前基礎納米科學的研究和開發(fā)中較廣泛、跨學科的問題有:(1)納米結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)哪些新的量子特性?(2)鄰近納米結(jié)構(gòu)間的界面特性與塊材相比有多大的差異?新技術(shù)如何才能開發(fā)這些特性?(3)納晶和納米桿中原子的表面重構(gòu)和重組指什么?(4)能否合成具有統(tǒng)一長度和螺旋性的碳納米管?是否能重復置備和連接一維納米結(jié)構(gòu)?(5)探測單分子特性的能力將使我們對復雜的聚合體、超分子和生物系統(tǒng)有什么新的理解?(6)能否使用平行自組裝技術(shù)控制納米尺度元件的相對排列?(7)是否可經(jīng)濟地控制尺寸、形狀、成分和表面狀態(tài)制備納米結(jié)構(gòu)?4亞財產(chǎn)尺度的亞米技術(shù)諾貝爾獎獲得者物理學家理查德·費恩曼在1959年作了現(xiàn)今十分有名的演講,“在底層大有作為(ThereisPlentyofRoomattheBottom)”.他向聽眾展示了在原子和分子尺度上制作材料和器件將帶來的激動人心的新發(fā)現(xiàn).并且指出,要實現(xiàn)這些新發(fā)現(xiàn),需要新型的小型儀器對小(納)結(jié)構(gòu)進行操縱和特性測量.具有費恩曼所預想功能的儀器直到20世紀80年代才被發(fā)明.這些儀器(包括掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡和近場顯微鏡)為納米結(jié)構(gòu)的測量和操縱提供了“眼”和“手”.由此,為材料加工提供了一種新的模式,通過亞微米尺度的組裝(理想情況利用自組織和自裝配)以“由下往上(bottom-up)”的方式創(chuàng)造實體,而不是從大結(jié)構(gòu)上砍鑿去小結(jié)構(gòu),“從上向下(top-down)”方法的極小化.IBM研究中心用低溫掃描隧道顯微鏡首次安放單原子,并用35個氙原子拼寫出IBM3個字母.“Bottom-up”是利用分子、原子進行組裝,組成分子線、膜和其它結(jié)構(gòu),再由納米結(jié)構(gòu)與功能單元集成系統(tǒng).它反映了納米技術(shù)的目標,即理性地設計和制作材料、結(jié)構(gòu)和系統(tǒng).然而,目前分子自組裝等基礎理論和重復性的研究有待深入,“Bottom-up”還無法用于大批量納米結(jié)構(gòu)和器件的制作,仍處于化學家和材料學家的實驗室研究階段.“Top-down”用光刻等微加工方法,將大的材料分割,形成結(jié)構(gòu)或器件,并與電路集成,實現(xiàn)系統(tǒng)微型化.近年來,微電子和微機械技術(shù)中高分辨率光刻技術(shù)快速發(fā)展,其最小尺度目前已達到10nm.高分辨率光刻具有可重復性、可靠性和可批量生產(chǎn)的優(yōu)點.因此,“Top-down”是目前制作實用的納米器件和系統(tǒng)的現(xiàn)實途徑.5納米技術(shù)的應用納米技術(shù)將在諸多領域有廣泛而深入的應用.5.1納米材料的應用納米技術(shù)正在從根本上改變未來生產(chǎn)材料的方法.在納米尺度上精確地控制物質(zhì)的尺寸和成分并使其組成具有特殊性能和功能的材料,將導致材料制造工業(yè)的革命.納米技術(shù)在材料和制造中的應用包括:(1)在不使用機械加工的情況下形成納米結(jié)構(gòu)金屬和陶瓷的精確形狀;(2)使用染色特性最佳的納米尺度顆粒以提高彩色印刷的質(zhì)量;(3)納米尺度碳化物粘接和鍍層材料以及納米涂料;(4)在芯片上進行高度復雜性和功能性的納米加工.5.2計算機熱容量的應用科學成熟為技術(shù)大約需要10~15年的周期.現(xiàn)在是投資納米科學和技術(shù),及時影響信息技術(shù)的關(guān)鍵時刻.以磁信息存儲領域為例,巨磁阻現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的10年內(nèi),在計算機磁盤讀寫頭方面很快取代了原有技術(shù).納米電子學和計算機技術(shù)可能的應用包括:(1)納結(jié)構(gòu)微處理器可能使計算機的效率提高幾百萬倍;(2)更高的傳送頻率和更有效地利用光譜可使帶寬拓展10倍以上;(3)具有兆兆位級存儲能力的輕型存儲器件;(4)具有最小尺寸、重量和能耗,可搜集、處理和傳送大量數(shù)據(jù)的集成納米傳感器系統(tǒng).5.3體外保健設備納米科學在生物學上有許多潛在應用:(1)快速高效的基因測序;(2)使用有效而廉價的遠程和體內(nèi)保健設備;(3)將新型藥物有效地運輸?shù)较惹安荒艿竭_的身體部位以拓寬它們的治療能力;(4)更耐用、無排斥性的人造組織和器官;(5)探測體內(nèi)正在出現(xiàn)的疾病的傳感系統(tǒng),將照顧病人的焦點由疾病治療轉(zhuǎn)向早期診斷和預防.5.4.納米器件和納米材料將有效負載提升并脫離地球軌道對燃料有嚴格的限制;為執(zhí)行長期使命而將太空船送出太陽系,要求減小有效負載的尺寸、重量和能源消耗.納米材料和器件為這些挑戰(zhàn)提供了答案.納米技術(shù)在該領域的應用有:(1)為航空器、火箭和空間站設計制造輕質(zhì)、高強和熱穩(wěn)定材料;(2)低耗能、耐輻射和高性能的計算機;(3)微型太空船的納米儀器;(4)基于納米結(jié)構(gòu)傳感器和納米電子學的航空電子設備;(5)阻熱和耐磨的納米涂料.此外,低重力和高真空的太空環(huán)境將有助于開發(fā)在地球上無法創(chuàng)造的納米結(jié)構(gòu)和納米系統(tǒng).5.5催化劑的尺寸納米技術(shù)能顯著地提高能源的利用效率和存儲能力.它還被用于監(jiān)視和改善環(huán)境問題,改變工業(yè)的控制和生產(chǎn)以節(jié)約能源.有