上海欢乐谷学生票价:什么是纳米技术?
来源:百度文库 编辑:偶看新闻 时间:2024/05/06 06:09:53
简介
纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。 1981年扫描隧道显微镜发明后,诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世利
概念分类
从迄今为止的研究来看,关于纳米技术分为三种概念: 第一种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。 第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这是因为,如果把电路的线幅逐渐变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。 第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发,成为纳米生物技术的重要内容。技术概述
1993年,第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开,将纳米技术划分为6大分支:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学,促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性,神奇性和广泛性,吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力拼搏。 纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造,测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括:纳米级测量技术:纳米级表层物理力学性能的检测技术:纳米级加工技术;纳米粒子的制备技术;纳米材料;纳米生物学技术;纳米组装技术等。发展历史
纳米技术的灵感,来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术,都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?他说:“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。” 1990年,IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排,纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置,组成了IBM三个字母。这证明范曼是正确的,二个字母加起来还没有3个纳米长。不久,科学家不仅能够操纵单个的原子,而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术,科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法,每次只造出一层分子。目前,制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。理
技术内容
纳米技术包含下列四个主要方面: 1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在0.1—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。 如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。 过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,象铁钴合金,把它做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 为什么磁畴变成单磁畴,磁性要比原来提高1000倍呢?这是因为,磁畴中的单个原子排列的并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外则是电子绕其旋转的电子,这是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列的很规则,对外显示了强大磁性。 这一特性,主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候,用于制造磁悬浮,可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。 ⒉、纳米动力学,主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小,刻蚀的深度往往要求数十至数百微米,而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机,用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度,但有很大的潜在科学价值和经济价值。 理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。 3、纳米生物学和纳米药物学,如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,dna的精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。 纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。(上面是老钱加注) 4、纳米电子学,包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。研究应用
当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料,制作出生物材料和仿生材料。 1、纳米是一种几何尺寸的度量单位,1纳米=百万分之一毫米。 2、纳米技术带动了技术革命。 3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管,“饿死”癌细胞。 4、如果在卫星上用纳米集成器件,卫星将更小,更容易发射。 5、纳米技术是多科学综合,有些目标需要长时间的努力才会实现。 6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流,它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。测量技术
纳米级测量技术包括:纳米级精度的尺寸和位移的测量,纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。 一是光干涉测量技术,它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辩率,其测量方法有:双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F一P标准工具测量法等,可用于长度和位移的精确测量,也可用于表面显微形貌的测量。 二是扫描探针显微测量技术(STM),其基本原理是基于量子力学的隧道效应,它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触),借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。 用这原理的测量方法有:扫描隧道显微镜(STM)、原子显徽镜(AFM)等。衰层物理力学性能的检测
各种材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异。而正是这极薄的表面材料在康擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用。反映在现在“信原
加工技术
纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。 由于原于间的距离为0.1一0.3nm,纳米加工的实质就是要切断原子间的结合,实现原子或分子的去除,切断原子间结合所孺要的能量,必然要求超过该物质的原子间结合能,即所播的能t密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米加工有了很大的突破,如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时,可实现0.1μm线宽的加工:离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除:扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。粒子制备
纳米粒子的制备方法很多,可分为物理方法和化学方法。物理方法
应用纳米技术制成的服装 真空冷授法:用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控,但技术设备要求高。纳
化学方法
气相沉积法:利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。 沉淀法:把沉淀剂加人到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备载化物。应
材料合成
自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来,经过10年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多,按其材质分有:金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料,被称为“21世纪新材料”,具有许多特异性能。 例如用纳米级金属微粉烧结成的材料,强度和硬度大大高于原来的金属,纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064℃,但10nm的金粉熔点降低到940℃,snm的金粉熔点降低到830℃,因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。 加人固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。 纳米生物学 纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部,细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。遗传物质DNA的研究
这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。脑功能的研究
工作目标是弄清人类的记忆、思维,语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。仿生学的研究
这是纳米生物学的热门研究内容。近年取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。 世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转纳