征集资料 纳米材料的特性及原因 纳米材料的应用潜景

【专家解说】：纳 米 科 技 丁福全 前 言 一、纳米与纳米科技的基本概念 二、纳米科技发展的十年 三、“纳米热” 四、纳米技术的应用 五、结束语 参考文献 纳 米 科 技——21世纪高科技三剑客之一 前 言 人类从工业经济向知识经济转变的时代，正好是20世纪和21世纪交替的时候。所以说20世纪是工业经济高度发展的世纪，那么21世纪，则是知识经济如日东升的世纪。知识经济的基本特征预示着21世纪人类经济，乃至整个人类社会，将发生许多深刻的变化，经济发展的持续性，将把人类推向一个新的文明时代。人类的知识，不仅是“重新安排”物质的知识，使之得到充分的发展。重新安排“人类精神”的知识，也将得到更大的发展。 今天，纳米科技开发的大潮正在全球掀起。这是人类科学进步的又一体现，是发展新经济的又一次机遇，是人类创造科技奇迹的又一次大好机会。因此，各国的科技力量云集于这个纳米科技开发的大战场。排好队形，摆开阵势，决战这个战场。有人说，这是一场无硝烟的激战，是一场高科技领域的世界角逐。其科技含量和创造辉煌的程度将超过人类任何一次科技成就。 一、纳米与纳米科技的基本概念 “纳米”是英文namometer的译名。另一种说法“纳米”一词源自于拉丁文“NANO”，意思是“矮小”。纳米是一个度量单位，是一个长度单位。纳米材料构筑的物质，是看不到，摸不着的微细物质。 1纳米，即1nm=10-9m，也就是十亿分之一米，约相当45个原子串在一起的长度，或者说，1个纳米大体上相当于4个原子的直径。如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃弹球大小相比。人的一根头发直径约为80μm（微米），即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝的直径上就可写入8000字，相当于一篇较长的科技论文容量。 所谓纳米科技是以1~100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新兴学科，就是指通过一定的微细加工方式，按人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造新功能的器件、机器以及其它各方面应用的科学与技术。 可见，纳米科技的首要任务就是要通过各种手段，如微细加工技术和扫描探针技术等来制备纳米材料或具有纳米尺度的结构；其次借助许多先进的观察测量技术与仪器来研究所制备纳米材料或纳米尺度结构的各种特性，最后根据其特殊的性质进行有关的应用。所以，从一定程度上讲，纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量表征技术构成为纳米科技发展的三个非常重要的支撑技术。纳米科技开发领域，主要有：纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造学、纳米表征测量学及纳米医学，等等。 二、纳米科技发展的十年 追求新鲜和进步是人类文明的动力。纳米科技形成独立学科领域是在20世纪90年代，1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议（Nano I），成立了常设机构——顾问委员会，中国是成员之一。该委员会将纳米科技的研究范围分为6个部分。 纳 米 学 科 分 类 纳米电子学 纳米物理 纳米化学 纳米生物学 纳米机械 纳米测量 1993年8月在莫斯科召开了第二届国际纳米科技会议(Nano Ⅱ)1996年在北京召开了第四届国际纳米科技会议(Nano Ⅳ)。2000年在德国举行了第六届国际纳米科技会议（Nano Ⅵ）。 三、“纳米热” 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。现今发达国家的主导工业已是以微电子为基础的电子工业，不再是钢铁、材料、能源、化工、交通。目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研究、开发进行大量的投入，试图抢占21世纪战略技术的制高点。2000年1月，美国克林顿总统在加州理工学院演讲时说：“我们将在原子和分子水平操纵物质。想象一下这样的可能性：材料具有10倍于钢的强度，而重量只有钢的六分之一；把国会图书馆的所有信息压缩进入一个只有一块方糖大小的器件；在肿瘤只有几个细胞大小时就能检测出来” 。 2001年1月18日。中国成立了中国纳米科技指导协调委员会，制订发展中国纳米科技的计划。目前国家已初步规划在北京、上海成立北、南两个研发中心（纳米科技创新基地）。 当前我国纳米科技发展的主要任务是：①加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作；②突破一批纳米科技发展共性关键技术；③开拓纳米材料和器件的应用，培育相关产业；④建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地；⑤建设高素质的纳米科技骨干队伍。 德国国家科学技术部于1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元。 四、纳米技术的应用 (一) 纳米材料 1. 纳米材料与纳米结构的定义 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1~100mm）或由他们作为基本单元构成的材料。纳米结构是指由纳米尺度的基本单元按照一定的规律构建或组装成的一维、二维或三维体系。 纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。 2. 纳米材料的特性 （1）表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 （2）小尺寸效应 当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。 （3）量子尺寸效应 当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。 （4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 3. 纳米材料的应用 纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用。包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的“头盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。纳米塑料，是一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，不发生变性情况。如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。 （二）纳米电脑 电脑是20世纪人类的一大发明。由于纳米材料和纳米技术的出现，由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。 纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。有所谓蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，据测每平方厘米达1015至1016个，比硅片集成电路高3~5个数量级，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，在1立体毫米晶片上可含100亿比特，运算速度更达到10微微秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。 在新型的纳米芯片支持下，纳米级电脑包括了所谓超导电脑、化学电脑、光电脑、生物电脑（其中DNA电脑运算速度快，它几天的运算量就相当于目前世界上所有计算机问世以来总运算量），量子电脑（其基本元件就是原子和分子），神经电脑（用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成神经电脑，又称为人工大脑）。 （三）纳米武器 纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。 纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前研制的主要有： 1.微型间谍飞行器。只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。进行侦察、收集情报信息，起一种潜伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。 2.袖珍遥控飞机。是一种不足扑克牌大小的遥控飞行装置。机上装有超灵敏感应器，这种传感器不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地。 3.“间谍草”。实际上是一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。 4.纳米卫星。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核心片作为星载设置，可使卫星的体积和重量大为减小。重量小于100克。纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。 5.高性能敌我识别器。 6.有毒化学战剂报警传感器。 纳米攻击系统。这是运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。有所谓微机器人电子失能系统、昆虫平台、“蚂蚁雄兵”、“机器虫”，“蚊子”导弹、“针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000）。 这些微型武器广泛应用于战斗中，将使那些称雄一时令人生畏的重装武器系统被取代，或使它们败在手下。所谓小鱼吃大鱼。 这些微型战士按军兵种分类，有所谓微型陆军、微型空军、微型海军（纳米鱼雷、纳米水雷、纳米导弹、纳米炸弹、纳米雷达、水下深潜探测器、无人水面侦察快艇、微型侦察潜艇等）、微型天军。纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方的神经系统必然是纳米武器的首选目标。通过纳米武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。 21世纪的战争将是什么样式？战场将出现何种变化？怎样为此进行战争准备？这是事关各国国家总体战略和国防发展战略的重大问题。因此，对21世纪可能发生的战争及战场形态进行科学预测，已成为当今世界各国谋求国家安全的重要途径。预学预测的主要依据是当今迅猛发展的微电子技术。 未来的战略竞争将是硬件技术和软件技术的竞争。 (四)纳米工业化 利用纳米技术制造机器——微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。 如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去收割庄稼，有如一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机快。 当地下电缆断了以后，让成千上万个微型机器人沿着电缆爬行，爬到断头时，便举起前脚搭在前端断头上，于是微型机器人便成为连接线，永久留在电缆上。 （五）纳米农业 （六）纳米医疗和保健系统 纳米技术的应用，将使基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和攻克癌症顽疾等多个医学领域上取得突破。 （七）一个全新的服务行业 21世纪，随着纳米技术的发展和普及，一个全新的纳米产品服务行业将会诞生。它将给人类带来一个全新的生活和工作空间。 1. 更精彩的纳米世界电影 纳米世界也与宏观及中观世界一样，都存在着各种微观物质的活动。而且，活动的种类和内容更加丰富多彩。可以想象，如果人们要看一部病菌和杀菌分子机器人“决斗”的记录片。可以将无数台分子摄像机放入血管中，进行现场转播或拍摄成电影。其真实性则大过现实人们电脑合成的仿生动画片。 利用这一纳米电影形式，还可以帮助人们诊断疾病和观察病人治疗的情况。 2. 纳米电视 21世纪10年代将出现像纸一样薄的由纳米材料构成的大屏幕液晶显示屏。这种电视高清晰度、无辐射、耗电低，它的显示材料是由特种的纳米级材料组成；而电视的全部电器是使用纳米元件。 3. 纳米新闻素材 4. 优美的自然音乐 在大自然中存在着很多优美的声音旋律，如鸟鸣、鸡啼；瀑布轰鸣，江河咆哮等。而在微小的纳米世界中，也存在着各种物质的分子和原子运动时所发出优美动听的音乐旋律。 5. 纳米光盘出版物 一张3寸光盘，可以储存上百万亿个字符。如果使用生物纳米碳管，则储存量更大，可以达到1T（万亿）个字符，相当于1千万本书的字数。 6. 饮食业的纳米科学 五、结束语 纳米科技是一把双刃剑。 有一类纳米材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的，所谓具有飘浮的弥散行为。因此，在使用这类材料时，特别要注意这个飘浮特性，否则会造成对于人类环境和身体的污染、侵害。由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊毛孔进入人体内部，所以它是比空气中粉尘危害更大的污染，不可以掉以轻心，否则也许会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等更严重的伤害人类的自然灾害。当然还有其它潜在的危险，如果纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有某种内在的停止信号，那么灾难是极可能发生的。快速复制的纳米机器人在人体内扩散的速度可以比癌细胞还要快，从而会排挤掉正常的组织，等等。 但是，我们也不能就因噎而废食，虽然纳米技术专家们并不排除这些危害，但是专家们都相信是可以应付的。 纳米科技将给人类带来无限美好的未来。 参 考 文 献 1.薛增泉著.纳米科技探索.北京:清华大学出版社,2002 2.龚建华著.走进纳米世界.广东:经济出版社,2001 3.顾宁,付德刚，张海黔等.纳米技术与应用.北京:人民邮电出版社,2002 4.赵冬等.纳米技术与纳米武器.军事谊文出版社,2001 5.李凤生等.纳米/微米复合技术及应用.北京:国防工业出版社,2002 6.张玉龙等.纳米技术与纳米塑料.北京:中国轻工业出版社,2001