❶ 關於納米技術(急需)
好那就來個簡短的。
概念:納米科技為納米尺寸下的科學技術。納米英文是nanometer,是長度的單位,數學符號為nm。一納米為十億分之一米(1nm=1×10-9m),相當於十個原子串聯起來的長度,若以一米比為地球直徑,一納米大約為一個玻璃珠的直徑。一般的來說,只要尺寸在 0.1 到 100 納米之間的材料結構的物理化學性質研究,和這種材料結構的製造、操縱和測量等技術和儀器的研發,都可以稱作為納米科學和技術。
應用:http://www.instrument.com.cn/bbs/shtml/20060616/459647/
總結下就行了。
缺陷:我看了一些文章都沒提到缺陷,就是說技術還不夠成熟。
我只能回答這些了,剩下的還需要你去找。
一、納米技術的由來和發展
納米技術,首先要了解納米這一長度單位。一納米是十億分之一米,或千分之一微米。直觀上講,人的頭發直徑一般為20-50微米,單個細菌用顯微鏡測出直徑為5微米,而1納米大體上相當於4個原子的直徑。傳統的特性理論和設備操作的模型和材料是基於臨界范圍普遍大於100納米的假設,當材料的顆粒縮小到只有幾納米到幾十納米時,材料的性質發生了意想不到的變化。由於組成納米材料的超微粒尺度,其界面原子數量比例極大,一般占總原子數的40%-50%左右,使材料本身具有宏觀量子隧道、表面和界面等效應,從而具有許多與傳統材料不同的物理、化學性質,這些性質不能被傳統的模式和理論所解釋。
納米技術就是研究結構尺寸在0.1至100納米(有些資料為1至100納米)范圍內材料的性質和應用。它的本質是一種可以在分子水平上,一個原子、一個原子地來創造具有全新分子形態的結構的手段,使人類能在原子和分子水平上操縱物質;它的目標是通過在原子、分子水平上控制結構來發現這些特性,學會有效的生產和運用相應的工具,合成這些納米結構,最終直接以原子和分子來構造具有特定功能的產品。
因而,各個不同學科的科學家潛心研製和分析納米結構,試圖發現單個分子、原子在納米級范圍內不能被傳統的模式和理論所解釋的現象以及眾多分子下這些現象的發展,他們的工作奠定了納米技術的基礎,推動了納米技術的發展。
讓我們簡單回顧一下它的歷史:
1959年,著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼在美國加州理工學院召開的美國物理學會年會上預言:如果人們可以在更小尺度上制備並控制材料的性質,將會打開一個嶄新的世界。這一預言被科學界視為納米材料萌芽的標志。
1974年,科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。70年代美國康奈爾大學格蘭維斯特和布赫曼利用氣相凝集的手段制備納米顆粒,開始了人工合成納米材料。
1982年,研究納米的重要工具-掃描隧道顯微鏡被發明。
1989年德國教授格雷特利用惰性氣體凝集的方法制備出納米顆粒,從理論及性能上全面研究了相關材料的試樣,提出了納米晶體材料的概念,成為納米材料的創始人。
1990年7月,第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉行。
1991年,碳納米管被發現,它的質量只有同體積鋼的六分之一,強度卻是鋼的十倍。
1992年開始,兩年一屆的世界納米材料會議分別在墨西哥、德國、美國夏威夷、瑞典舉行。
1993年,繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團「寫」下斯坦福大學英文名字、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出「IBM」之後,中科院北京真空物理實驗室操縱原子成功寫出「中國」二字。
1997年,美國科學家首次成功地用單電子移動單電子,利用這種技術可望在20年後研製成功速度和存儲容量比現有計算機提高成千上萬倍的量子計算機。
1999年,巴西和美國科學家發明了世界上最小的「秤」,可稱量十億分之一克的物體,相當於一個病毒的重量;此後不久,德國科學家研製出能稱量單個原子重量的「秤」。
到1999年,全球納米產品的年營業額達到500億美元。
由於納米技術不可估量的經濟效益和社會效益,包括為信息產業的電子、光電子的繼續發展和提高;為製造業、國防、航空和環境應用提供更物美價廉的材料;為醫療、醫葯和農業上加速生物進步將起的作用,人類可以預計到21世紀,納米科學和技術將會改變人造物體的特性,產生工業革命。IBM的前首席科學家約翰·阿姆斯特朗在1991年寫道"我相信納米科學和技術將會是下一個信息時代中心,就像在七十年代的微米引起的革命一樣"。
二、納米技術的學科領域
納米技術的發展使新名詞、新概念不斷涌現,象納米材料學、納米機械學、納米生物學和納米葯物學、納米電子學、納米化學等等,而且仍在不斷擴大。現將幾個主要的學科領域介紹如下。
納米材料學 觀測和研究納米材料所具有的特殊結構,包括表面粗糙度、表面結構、顆粒大小、缺陷和材料制備。在納米尺度下,物質中電子的量子力學性質和原子的相互作用將受到尺度大小的影響,從而使其具有許多與傳統材料不同的物理、化學性質。科學實驗證明一克具有納米尺寸的微粒,其表面積可達幾萬平方米,由於表面積增大,活性就增強;五顏六色的金屬,由於吸光能力增加而一律變成黑體,熔點也隨之降低。而且納米鐵材料的斷裂應力比常規材料高12倍;氣體通過納米材料的擴散速度比一般材料快幾千倍;納米銅材料比常規銅材料的熱擴散增強了近一倍。銅到納米級就不再導電,納米銅的膨脹系數比普通銅成倍增加。絕緣的二氧化硅、晶體等,在20納米就開始導電成為導體。人們還發現,納米顆粒的外形會逐漸變化,粒度越小,變化越強;納米材料中有大顆粒「並吞」小顆粒的現象,納米顆粒與生物細胞膜的物化作用很強,因而能被細菌吞噬而產生特殊的生化效應。正由於納米材料這些奇特的力、電、光、磁、吸收、催化、敏感等性能而使之具有廣泛而誘人的應用前景。如能得到納米尺度的結構,就可能控制材料的基本性質如熔點、磁性、電容甚至顏色,而不改變物質的化學成份,最終實現根據材料的性能要求,設計、合成納米復合材料。
納米動力學 主要是微機械和微電機,或稱為微型電動機械繫統(MEMS),是指集微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路、介面電路、通信和電源於一體的完整微型機電系統。用於有傳動機械的微型感測器和執行器、光纖通訊系統,特種電子設備、醫療和診斷儀器等。微電子技術在許多領域引發了一場微小型化革命,以加工微米、納米結構和系統為目的的微米、納米技術在此背景下應運而生,人們利用精細加工手段加工出微米、納米級結構,組成MEMS,將電子系統和外部世界有機地聯系起來,它不僅可以感受運動、光、聲、熱、磁等自然界信號,並將這些信號轉換成電子系統可以認識的電信號,而且還可以通過電子系統控制這些信號,進而發出指令,控制執行部件完成所需要的操作。MEMS技術的目標是通過系統的微型化、集成化來探索具有新原理、新功能的元件和系統。它不僅可以降低機電系統的成本,而且還可以完成許多大尺寸機電系統無法完成的任務。例如尖端直徑為5微米的微型鑷子可以夾起一個紅細胞;製造出3毫米大小的能夠開動的小汽車;可以在磁場中飛行的象蝴蝶大小的飛機等。MEMS技術的發展開辟了技術全新的領域和產業,具有許多傳統感測器無法比擬的優點,因此在航空、航天、汽車、生物醫學、環境監控、軍事以及幾乎人們接觸到的所有領域中都有著十分廣闊的應用前景。
納米生物學和納米葯物學 首先要介紹一下DNA晶元。DNA晶元或稱作基因晶元實質上是一種高密度的寡核苷酸(DNA探針)陣列。它採用在位組合合成化學和微電子晶元的光刻技術或其它方法將大量特定序列的DNA片段(探針)有序地固化在玻璃或硅襯底上,構成儲存有大量生命信息的DNA晶元。DNA晶元有可能首次將人類的全部基因(約10萬個)集約化地固化在1平方厘米的晶元上,目前已達到的密度是40萬種探針/晶元,每種探針間的空間尺度是12~20微米。在與待測樣品DNA作用後,即可檢測到大量相應的生命信息,包括:基因識別、鑒定、基因突變和基因表達等等。有了納米技術,還可用自組裝方法在細胞內放入零件或組件構成新的材料。葯物,即使是微米粒子的細粉,也大約有半數不溶於水;但如粒子為納米尺度(即超微粒子),則可溶於水。目前,DNA晶元不作為分子的電子器件,也不作為DNA計算機用,主要起生命信息的儲存和處理的功能。但正是基於它的對生命信息進行平行處理的原理,利用DNA晶元可快速、高效、同時地獲取空前規模的生命信息,DNA晶元很有可能成為今後生命科學研究和醫學診斷中革命性的新方法。它將改變生命科學的研究方式,將革新醫學診斷和治療,極大地提高我們的人口素質和健康水平。總之,納米技術在生物學和葯物學的深入發展和廣泛應用,將開辟一個生命信息研究和應用的新紀元。
納米電子學 包括基於量子效應的納米電子器件,納米結構的光、電性質,納米電子材料的表徵,以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷,也就是說空間體積要小,響應速度要快,單個器件的功耗要少。掃描探針顯微鏡就是為實現這一目標而誕生的,作為一種簡單、直接而強有力的觀察工具,一經問世立即被用於微電子器件的製造過程中。尤其是掃描探針顯微鏡中的激光力顯微鏡,它能在不接觸表面的情況下繪制出電子元件表面圖象。基於掃描探針顯微鏡的納米刻蝕技術,可以實現在納米尺度上制備產品,應用於微電子的工作介質上就有可能製造出高密度的存儲器,其記錄密度為目前磁碟的數千倍至上億倍。通過極小的晶體管和記憶晶元幾百萬倍的提高電腦速度和效率,使今天的奔騰Ⅲ處理器顯得十分慢了。
納米化學 納米化學是研究物質在在原子級水平上的化學問題,是對此范圍內的物質合成、納米物質的表徵方法、物質所表現的異常行為及其應用等方面的研究。它包括納米材料合成方法的研究、納米復合材料的制備、納米材料特異性質的尺寸效應及其機理的研究、納米材料的表徵與檢測、納米仿生材料的研究、納米催化的研究、納米材料的工業化前途等等。其中我們著重介紹納米催化。催化劑的性能很大程度上取決於它的表面效應,表面不飽和的性質對它的選擇性能有很大的影響。有資料介紹,負載型納米非晶態合金是較理想的催化加氫材料。用Ni-B/SiO2非晶態催化劑,催化環戊二烯選擇性加氫制備環戊烯反應,其轉換率可達100%,而選擇性為96%以上。以溶膠-凝膠法制備的γ-Al2O3陶瓷膜,可用於超濾,或經過修飾成為催化膜用於膜反應器,實現分離反應一體化。由於膜表面的酸性,它還可直接作為催化劑用於酸性催化反應。
利用波美石(γ-AlOOH)溶膠膠粒,以過渡金屬(包括貴金屬)、稀土金屬和鹼土金屬修飾,即可製成多種催化膜。Ni/γ-Al2O3催化劑具有高穩定性,在應用於850C下進行的甲烷部分氧化製造合成氣反應中,具有大於95%的轉化率,以及98%的CO選擇性。
氣凝膠氧化物擔載的Co基催化劑,具有很高的F-T合成活性和烴產物選擇性。ZrO2塗層SiO2載體擔載的Co基催化劑,有利於重質產物的生成;而溶膠-凝膠法製得的ZrO2、SiO2混合氣凝膠擔載的Co基催化劑,則有利於液態烴的生成。
使用氬電弧等離子體制備的過渡金屬、貴金屬和稀土金屬等的納米金屬催化劑,以及用合金製成的納米稀土薄殼或儲氬催化劑等,有望為規模生產提供基礎。金屬簇及金屬離子對上述催化劑的修飾,在催化和合成領域的應用也是研究熱點之一。納米化學也可為納米分子篩的合成提供途徑。它除了有巨大的內、外表面積之比,高的晶內擴散性能外,更有利於提高負載性催化劑中金屬組份的負載量及分散性能。
三、納米技術的產品領域
因納米技術而得到發展和創新的領域和產品有:
1、電子和通訊:用納米薄層和納米記錄點的全媒體存貯器;平板顯示器;全頻道通訊工程和計算機用的器件,信息存貯密度和運算速度都要比現在大3-6個數量級,且廉價而節能。
2、計算機:通過極小的晶體管和記憶晶元提高電腦速度和效率幾百萬倍,體積只有針頭大小的計算機。
3、納米醫療:新的納米結構葯物;可到達身體的指定部位的基因和葯物傳送系統;有生物相容性的器官和血液代用品;家用早期病情自診系統;生物感測器;骨頭和組織的自生長材料。
4、化學和材料:能提高化工廠燃燒效率,減少汽車污染的各種催化劑;超硬但不脆裂的鑽研頭及切削工具;用於真空封接和潤滑的智能磁性液體;化學、生物載體的探測器和解毒劑。
5、能源:高電能存儲量、體積和重量小且成本低的新型電池;使用人工光合作用的清潔能源;量子阱式太陽能電池。
6、製造工業;基於掃描隧道顯微鏡原理的一系列掃描探針顯微鏡和測量儀器的微細加工;新的操縱原子的工具和方法;滲有納米粒子的塊狀材料;使用納米粒子的化學/機械磨削。
7、飛機和汽車:由納米粒子加強的輕質材料;由納米粒子加強的輪胎,耐磨,可直接再生;不需要洗滌的外殼油漆;廉價的不燃塑料;有自修補功能的塗層和纖維;生產出比鋼強度大10倍,而重量只有其幾分之一的材料來製造各種更輕便,更省燃料的交通工具。
8、航天:輕型航天器;經濟的能量發生器和控制器;微型機器人。
9、環境保護:工業廢污處理;廉價的海水除鹽膜;確定環境中納米粒子的效應;從原子或分子做起的製造工藝,無切削、無化學處理,材料消耗最少。
四、納米技術的國際競爭
納米技術的發展有十分重要的意義,它將改觀人類傳統的生產模式,提高社會生產力,並有可能從根本上解決目前人類所面臨的環境污染、生態平衡破壞、原材料與能源消耗等諸多嚴重問題;同時,納米科技能夠開發物質潛在的信息和結構潛力,使單位體積物質儲存和處理信息的能力提高百萬倍以上,因而它產生的經濟效益和社會效益不可估量,必然會成為下一個信息時代的核心。
美國作為一個政治和經濟大國,最早成立了納米科技研究中心,開展了預研究,IBM和德克薩斯儀器公司都是積極參與者。在加州大學伯克利分校、聖巴巴拉分校、斯坦福大學、加州理工學院等十多所著名大學、研究機構都在重點發展納米科技研究。1988年美國能源部召集專題研討會「團簇及團簇組裝材料相關的研究戰略」,表現出對這一前沿領域的高度重視;1989年美國NMAR-NRC又召集專題研討會「具有亞微米尺度材料的研究戰略」;1991年以後,美國正式把納米技術列入"國家關鍵技術"的第8項和"2005年的戰略技術",報告提出:"微米級和米級製造涉及顯微量級(微米)和原子量級(納米)的材料及器件的製造和使用,對先進的納米級技術的研究可能導致納米機械裝置和感測器的產生。……納米技術的發展,可能使許多領域產生突破性進展";1992年美國啟動「總統倡導的材料R&D項目」,旨在促進超細及納米材料的商業化;1993年美國再次啟動聯邦先進材料及過程項目推動該領域技術的商業化;1999年美國對各國納米技術的現況進行調查後認為,當前美國在合成、化學品和生物方面占優,而在納米器件、納米儀器的生產,超精密工程、陶瓷和其他結構材料方面落後於其他國家。日本則在納米器件和匯合的納米結構方面占優。歐洲在納米分散劑、塗層和新型儀器方面占優。美國還發現日本、德國、英國、瑞典、瑞士等都已經建立了優良的研究納米技術中某些專門領域的中心。
日本也早在80年代初就以巨資投入納米技術研究,制定了龐大的國家計劃,從1991年起實施一項為期10年、耗資2.25億美元的納米技術研究開發計劃。日本制訂的關於先進技術開發研究規劃中有12個項目與納米技術。德國在1993年提出今後10年重點發展的9個關鍵技術領域,納米技術就涉及其中4個領域,德國政府每年投入約5000萬美元,用於基礎及應用開發。英國也制訂了納米技術研究計劃,在機械、光學、電子學等領域遴選了8個項目進行研究。
今年新年伊始,美國總統柯林頓在加州理工學院宣布了美國的國家納米技術倡議(NNI),並在2001年財政年度給NNI研究經費5億元。並成立一個組織叫IWGN,成員包括商業部、國防部、能源部、技術部、國家航空航天部、國家衛生組織、國家科學基金會7個單位,可接受有關的科研項目申請。柯林頓說:「我的預算支持一個比較重要的、新的國家納米技術倡議(NNI),即在原子和分子水平上操縱物質的能力,價值為5億美元。試想一下這些可能性:材料將10倍於鋼的強度而重量只有其數分之一;國會圖書館內所有的信息可以壓縮在一塊方糖那樣尺寸的器件中;當癌病變只有幾個細胞那樣大小時就可探測到。我們的某些目標可能需要20年或更長的時間才能達到,但這恰恰是為什麼聯邦政府要在此起重要作用」。美國政府的結論是:集成電路的發現創造了「硅時代"和「信息時代」,而納米技術對社會的沖擊將遠比硅集成電路大得多,因為它不僅在電子學方面,還可以用到其他很多方面。有效的生產性能改進和製造業方面的進展,將在二十一世紀推動產業革命。
我國在納米技術領域的研究也已起步。中國科學院、中國真空學會分別召開研討會討論我國納米科技的發展戰略,納米材料的研製已被國家列入攀登計劃、「863」計劃、攻關計劃、火炬計劃等,納米加工和DNA結構的STM研究也已被列為中科院八五重大基礎研究項目。去年,科技部又啟動了有關納米材料的國家重點基礎研究項目,投入數千萬資金支持基礎研究。我國已有了自己的納米技術產品,建立了十多條納米材料和技術的生產線。深圳中星汽車製造公司最近研製成功的納米超級電池開始小批量生產,其產品在導電性能、儲電能力、連續放電時間、體積和重量、成本等方面都遠遠超過了鎳鎘、鎳氫、鋰錳電池。由江蘇五菱柴油股份公司、江蘇常泰化工集團公司、西北大學、化工科技總院共同組建的江蘇常州市五菱常泰納米材料有限公司,是我國第一家用均勻沉澱法生產納米氧化鋅的高科技企業,實現了工業化生產。我國在納米材料的性能研究上也有新突破,中科院沈陽金屬研究所盧柯研究員領導的小組利用新的制備工藝,製造出大量高密度、高純度的納米銅,其晶粒尺寸僅有30納米,在世界上首次直接觀察到納米金屬材料在室溫下的超塑延展性。中科院化學所將納米技術的研究成果應用於紡織行業,經過處理的衣料,改變了以往對油、水「一親一憎(或親水或親油)」的性質 ,實現「雙親」、「雙憎」。西安交大用納米材料製造顯示器,比普通液晶顯示器節能、清晰度高、重量輕,可用於生產掛壁式電視機。
❷ 有誰能告訴我,目前我國具有國際先進水平的納米技術的企業有哪些啊
由於納米技術不可估量的經濟效益和社會效益,包括為信息產業的電子、光電子的繼續發展和提高;為製造業、國防、航空和環境應用提供更物美價廉的材料;為醫療、醫葯和農業上加速生物進步將起的作用,人類可以預計到21世紀,納米科學和技術將會改變人造物體的特性,產生工業革命。IBM的前首席科學家約翰·阿姆斯特朗在1991年寫道"我相信納米科學和技術將會是下一個信息時代中心,就像在七十年代的微米引起的革命一樣"。納米技術的發展有十分重要的意義,它將改觀人類傳統的生產模式,提高社會生產力,並有可能從根本上解決目前人類所面臨的環境污染、生態平衡破壞、原材料與能源消耗等諸多嚴重問題;同時,納米科技能夠開發物質潛在的信息和結構潛力,使單位體積物質儲存和處理信息的能力提高百萬倍以上,因而它產生的經濟效益和社會效益不可估量,必然會成為下一個信息時代的核心我國在納米技術領域的研究也已起步。中國科學院、中國真空學會分別召開研討會討論我國納米科技的發展戰略,納米材料的研製已被國家列入攀登計劃、「863」計劃、攻關計劃、火炬計劃等,納米加工和DNA結構的STM研究也已被列為中科院八五重大基礎研究項目。去年,科技部又啟動了有關納米材料的國家重點基礎研究項目,投入數千萬資金支持基礎研究。我國已有了自己的納米技術產品,建立了十多條納米材料和技術的生產線。深圳中星汽車製造公司最近研製成功的納米超級電池開始小批量生產,其產品在導電性能、儲電能力、連續放電時間、體積和重量、成本等方面都遠遠超過了鎳鎘、鎳氫、鋰錳電池。由江蘇五菱柴油股份公司、江蘇常泰化工集團公司、西北大學、化工科技總院共同組建的江蘇常州市五菱常泰納米材料有限公司,是我國第一家用均勻沉澱法生產納米氧化鋅的高科技企業,實現了工業化生產。我國在納米材料的性能研究上也有新突破,中科院沈陽金屬研究所盧柯研究員領導的小組利用新的制備工藝,製造出大量高密度、高純度的納米銅,其晶粒尺寸僅有30納米,在世界上首次直接觀察到納米金屬材料在室溫下的超塑延展性。中科院化學所將納米技術的研究成果應用於紡織行業,經過處理的衣料,改變了以往對油、水「一親一憎(或親水或親油)」的性質 ,實現「雙親」、「雙憎」。西安交大用納米材料製造顯示器,比普通液晶顯示器節能、清晰度高、重量輕,可用於生產掛壁式電視機。納米技術是節能、低耗與技術密集型的高技術,盡管全面實現其產業化尚有很長的路要走,但由於納米材料從問世到現在時間並不太長,研究納米材料的設備和手段國內都已具備,我國完全可以抓住這一千載難逢的歷史機遇,趕上並超過國際先進水平。對於具體的研究工作,根據國外經驗,其中很重要的一點就是要由多學科的不同專業研究人員協作,才能適應納米技術研究的需要,實現新的突破。