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纳米技术的应用


班级:应用物理学 111 班 学号:5502211034

姓名:刘佳兴

纳米技术的发展
摘要: 科学界普遍认为,纳米技术是 21 世纪经济增长的主要引擎, 纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等诸多行业带来革命性 的变革。近年来,纳米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青 睐,纷纷斥巨资予以资助,引发了越来越激烈的竞争。 科学界普遍 认为,纳米技术是 21 世纪经济增长的主要引擎,纳米技术将给医学、 制造业、材料和信息通信等诸多行业带来革命性的变革。近年来,纳 米科技受到了世界各国尤其是发达国家的极大青睐, 纷纷斥巨资予以 资助,引发了越来越激烈的竞争。 关健词:纳米 发展 技术 一 纳米科技的定义 纳米科技中的“纳米”为 10-9m,用符号表示为 nm,是 lmm 的 100 万分之一。原子的直径为 0.1-0.3nm。研究小于 10-l0m 以下的原子 内部结构属于原子核物理、粒子物理的范畴。 纳米技术,是指在 0.1~100 纳米的尺度里,研究电子、原子和分 子内的运动规律和特性的一项崭新技术。 科学家们在研究物质构成的 过程中, 发现在纳米尺度下隔离出来的几个、 几十个可数原子或分子, 显著地表现出许多新的特性, 而利用这些特性制造具有特定功能设备 的技术,就称为纳米技术 纳米科技是指在纳米尺度(1nm 到 l00nm 之间)上研究物质(包括 原子、分子的操纵)的特性和相互作用,以及利用这些特性的多学科 交叉的科学和技术。当物质小到 1-100nm(10-9--10-7m)时,其量子 效应、 物质的局域性及巨大的表面及界面效应使物质的很多性能发生 质变,呈现出许多既不同于宏观物体,也不同于单个孤立原于的奇异 现象。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上 表现出来的新颖的物理、 化学和生物学特性制造出具有特定功能的产 品。 二 纳米科技概念的提出与发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、 诺贝尔 奖获得者理查德·费恩曼。1959 年他在一次著名的讲演中提出:如 果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料、制备装置,我们将有 许多激动人心的新发现。他指出,我们需要新型的微型化仪器来操纵 纳米结构并测定其性质。那时,化学将变成根据人们的意愿逐个地准

班级:应用物理学 111 班 学号:5502211034

姓名:刘佳兴

确 放 置 原 子 的 问 题 。 1974 年 , Taniguchi 最 早 使 用 纳 米 技 术 (nanotechnology)一词描述精细机械加工。20 世纪 70 年代后期,麻 省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究, 但当时多数主流科 学家对此持怀疑态度。 纳米科技的迅速发展是在 80 年代末、90 年代初。80 年代初发明 了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜 (STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术,它们对纳米科技 的发展起到了积极的促进作用。与此同时,纳米尺度上的多学科交叉 展现了巨大的生命力, 迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前 景的研究领域。1990 年 7 月,第一届国际纳米科学技术会议在美国 巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办《纳米技术》与 《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。一门崭新的科学 技术——纳米科技从此得到科技界的广泛关注。 1959 年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言, 人类可以用小的机器制做更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐 个地排列原子,制造产品,这是关于纳米技术最早的梦想。 20 世纪 70 年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构 想,1974 年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械 加工。 1982 年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜, 揭示了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极的促 进作用。 1990 年 7 月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举 办,标志着纳米科学技术的正式诞生。 1991 年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分 之一,强度却是钢的 10 倍,成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学 奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也 将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 1993 年,继 1989 年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福 大学英文名字、1990 年美国国际商用机器公司在镍表面用 36 个氙原 子排出“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵 原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占 有一席之地。

班级:应用物理学 111 班 学号:5502211034

姓名:刘佳兴

1997 年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这 种技术可望在 20 年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万 倍的量子计算机。 1999 年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界 上最小的“秤” ,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病 毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤, 打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 到 1999 年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额达 到 500 亿美元。 2000-2006 年,各种纳米带、线等二维纳米物体以及纳米机器相 继在实验室制备成功,对纳米物质的检测表征有了进一步的发展。或 许在不久的将来我们用的电脑显示器只是你面前的一片空气, 所显示 内容可以是大脑想象的图像,也可以是接收到的特定图像信息,国外 科幻大片中的景象将不再是梦! 近年来,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳 米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5 年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将 纳米计划视为下一次工业革命的核心, 美国政府部门将纳米科技基础 研究方面的投资从 1997 年的 1.16 亿美元增加到 2001 年的 4.97 亿美 元。 三、纳米技术的应用 (一)纳米技术在军事电子领域中的应用 纳米侦察卫星是使用纳米元器件、按纳米加工方法组装而成的、质量 小于 10kg 的卫星。 纳米卫星一般比麻雀略大,拥有十分强大的运算能 力,数十颗甚至数百颗纳米卫星相连接可以织成“天网”,即纳米卫星 侦察系统,从而实现全球地毯式覆盖侦察 ,在军事上则能实现高空侦 察无“死区” 。纳米飞行侦察系统是一种微型化的飞行器,它可携带各 种探测设备,具有信息处理、 导航(带有小型 GPS 接收机)和通信能力。 其主要功能是秘密部署,到敌方信息和武器系统的内部或附近监视敌 方情况,同时也可对敌方雷达、通信等电子设备实施有效干扰。它可 以附着在建筑物或设备上起监听作用,也可以直接将敌方目标的位置 坐标传送到我方的导弹或炮兵发射基地,并引导精确制导武器实施攻 击。除了可以飞行的纳米飞行侦察器外,还有其它种类的纳米侦察与 传感器。其特点是体积小,装有敏锐的传感器和电子设备。纳米环境

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姓名:刘佳兴

传感器散布于武器装备的蒙皮上或外表面,能察觉细微的外界 “刺激” , 以便对武器系统适时调整。用纳米材料制造潜艇的蒙皮,可以灵敏地 “感觉”水流、水温、水压等极细微的环境变化,并及时反馈给中央 控制系统,最低限度地降低噪声、节约能源 ;能根据水波的变化提前 “察觉” 来袭的敌方鱼雷,使潜艇及时做规避机动;能用较低的辐射功 率完成“智能武器”的敌我识别,以免误伤自己。 (二)纳米技术在遗传育种中的应用 纳米技术结合转基因技术在培育 新品种方面取得了突破性的进展。 通过纳米技术先将 DNA 染色体全部 分解为单个基因,然后根据需要进行组装,转基因整合成功率几乎可 达 100%。研究成果表明,科研人员可以让单个 DNA 分子链展现出其内 部的精细结构,并可以操纵它实现分子结构性能改进,进而形成纳米 结构或图形,使人类得以在更小的世界范围内、更深的层次上探索生 命的奥秘。 (三)纳米技术在发动机尾气排放环保方面的应用 新型的纳米级净水 剂具有很强的吸附能力,是普通净水剂的 10~20 倍。 通过纳米孔径的 过滤装置,还能除去水中的细菌,使水分子、 矿物质以及微量元素被保 留下来,处理后即可以饮用。用光催化剂处理有机污染物的废水是最 有前途的、最有效的处理手段,也是国内外研究的热点。纳米技术的 出现为大气净化提供了新的途径。 其中,纳米技术对空气中 20nm 和水 中 20nm 的污染物的清除能力是其它技术不可替代的。 到目前为止,我国已建立纳米材料和技术的生产线十多条。 纳米复合、 塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材 料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。 以纳米材料和纳米 技术注册的公司近百个,企业家对纳米材料和技术的关注和介入 ,为 纳米技术产业的形成注入了新的活力。不久将来,纳米材料将会应用 到我国船舶行业。
参考文献及出处: 百度文库 《机电新产品导报》 2007 年第 2 期 《机械》2008 年第 14 卷 《中国机械工程》第 8 期 应用物理学 111 班 5502211034 刘佳兴


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