納米技術的戰略地位和我國納米技術產業發展 一 什么是納米 什么是納米?這一定是每一個首次接觸納米的人提出的第一個問題。其實納米就字面來說,只是一種尺度,它和我們所熟悉的米、毫米、微米一樣都是長度計量單位。1納米等于10-9米,也就是說,l納米只有10億分之一米,百萬分之一毫米,和千分之一微米。僅從上述的數字,也許我們不能馬上想像出納米的大小,讓我們再進一步來描述一下:1納米大約是3-4個原子排列在一起的長度;是人頭發直徑的萬分之一。由此看來,納米是一個很小很小的長度單位,其意義也僅此計量長度而已,本身并沒有任何的“價值”可言,而真正有“價值”的是納米技術。 納米技術是20世紀80年代末期剛剛誕生并正在迅速崛起的用原子和分子創制新物質的技術,是研究尺寸范圍在1一100nm之間的物質的組成。這個極其微小的空間,正好是原子和分子的尺寸范圍,也是它們相互作用的空間。在這樣的一個尺度空間,由于量子效應、物質的局域性及巨大的表面和界面效應,使物質的很多性能發生質變。這些變化滲透到各個工業領域后,將引導一輪新的工業革命。納米技術所追求的最終目標,正像Feynman當年預言的那樣,就是要使人類能夠按照自己的意愿任意地操縱單個原子和分子,并在對自然界物質的本質進行深入探討和研究的基礎之上,按照人們的期望,在原子和分子的水平上設計和制造全新的物質。 納米技術是一門以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術,是現代科學(量子力學、分子生物學等)和現代技術(微電子學技術、計算機技術、高分辨顯微技術、核分析技術等)結合的產物。納米技術在不斷滲透到現代科學技術的各個領域的同時,形成了許許多多的與納米技術相關的新興學科,如納米醫學、納米機械學、納米化學、納米電子學、納米材料學、納米生物學等 納米技術的內涵非常廣泛,它包括納米材料的制造技術,納米材料向各個領域應用的技術(含高科技領域),在納米空間構筑一個器件實現對原子、分子的翻切、操作以及在納米微區內對物質傳輸和能量傳輸新規律的認識等等。但是,我們不要把納米技術僅僅看作是納米材料,也不能把納米材料僅僅理解為是納米粉體。納米粉體僅僅是納米材料的一個內涵,實際上納米絲、納米管、納米線、納米電纜、納米薄膜、三維納米塊體、復合材料等等都是納米材料,范圍相當廣。另外,納米材料不單純是固態的,也有液態,例如納米水,用高頻超聲處理,使水分子結成小汽團。 二 納米技術的戰略地位 納米技術是21世紀科技發展的制高點,是新工業革命的主導技術。原因是這種技術能對社會發展、經濟振興、國家安全乃至人民生活水平的提高等各個領域都能起到關鍵作用,而且這種技術影響面極廣,向各個領域滲透能力相當強,可以帶動很多行業的發展。21世紀前20年,是發展納米技術的關鍵時期,納米技術將成為第5次推動社會經濟各領域快速發展的主導技術。目前,納米技術已經成為全世界非常關注的技術,納電子代替微電子,納加工代替微加工,納米材料代替微米材料,納米生物技術代替微米尺度的生物技術,這已是不以人的意志為轉移的客觀規律。只有認識它、發展它,才有可能在未來經濟競爭的格局中占據有利地位。從生物技術及其產業發展來看,在人類測定出基因組排序以后,我們對遺傳疾病、疑難病癥又有了新的認識,而且利用基因排序,可以進行醫藥、醫療方面的研究。目前,基因芯片研究已經進入實驗室,生物芯片組裝就是用納米技術,而生物酶也是納米尺度,這些研究對象是納米生物學研究內涵之一,下一步生物技術的發展,就要和納米技術相結合。譬如為什么病毒頑固,現在沒有一種藥物能治療,就因為它非常小,用納米結構組裝一種尋找病毒的藥物后,艾滋病、病毒性感冒等都可以治療,2003年以后這將成為又一個研究熱點。生物技術,包括生物制藥等相關產業發展應用納米技術已是刻不容緩。從下一次工業革命的特點來看,節約資源、節約能源、凈化環境是下一次工業革命的必然趨勢。在下一次工業革命中要想節約資源、能源,就要用納米尺度的材料做成器件,它的特點是工具小、節省材料、能耗低。納米技術在新的工業革命當中將發揮重要的作用。從納米產業未來的市場發展來看,世界各國正在紛紛搶占納米產業這個巨大的市場。 三 納米的現有成果 (1)碳納米管:碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子而卷曲而成的籠狀“纖維”,內部是空的,外部直徑只有幾到幾十納米。比重只有鋼的六分之一,而強度卻是鋼的100倍。輕而柔軟又非常結實的材料最好用途是制作防彈背心。如果用碳納米管作出繩索,是從月球上掛到地球表面,而唯一不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它制造地球-月球乘人的電梯,人們在月球定居就成為一件很容易的事情了。納米碳管的細尖極易發射電子。用于做電子槍,可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏,這是電視制造業的發展方向。 (2)納米陶瓷:我們平常用的陶瓷材料具有硬而脆的特點,一摔就碎。現在,用納米陶瓷粉制成的陶瓷更堅韌、更耐高溫和耐腐蝕,它將會在汽車發動機上大顯身手,汽車會跑的更快,飛機會飛的更高。添加了納米陶瓷粉體的特種涂料涂在塑料或木材上,具有防火、防塵和耐磨的性能。 (3)納米機械:近10多年來,科學家們成功地制出了納米齒輪、納米彈簧、納米噴嘴、納米軸承等微型零件,并且發明了納米發動機,它的直徑只有200微米,一滴油可以灌滿四五十個這種發動機。而且,納米級的傳感器、納米級執行器也相繼制成。如果加上電路和出口,就能組成完整的納米機電系統了。 四 中國科學家在這一領域所取得的主要成果: “中國” 1993年,中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字,標志著我國開始開始在國際納米科技領域占有一席之地,并居于國際科技前沿。 一維納米棒 1998年,清華大學范守善小組成功地制備出直徑為3-50納米、長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒,使我國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體; “稻草變黃金” 1998年,美國《科學》上刊登了我國科學家的論文。中國科技大學錢逸泰等用非水熱合成法,制備出金剛石納米粉,被國際刊物譽為“稻草變黃金-從四氯化碳制成金剛石。 ” 最長的碳納米管 1999年,中國科學院物理研究所解思深研究員率領的科研小組,不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管,創造了一項“3毫米的世界之最”,而且合成出世界上最細的碳納米管。 最細的探針 1999年,北京大學納米技術研究取得重大突破,電子學系教授薛增泉領導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面,并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。 高質量的儲氫碳納米材料 1999年,中科院金屬研究所成會明博士合成出高質量的碳納米材料,使我國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平。這種新材料能儲存和凝聚大量的氫氣,并可能做成燃料電池驅動汽車。 “能屈能伸、百折不撓”的納米銅 2000年,中科院金屬研究所盧柯博士率領的小組,在世界上首次直接發現納米金屬的“奇異”性能-超塑延展性,納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而“不折不撓”,被譽為“本領域的一次突破,它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的”。 納米電纜 2000年,我國成功合成出只有頭發絲5萬分之一細的納米級同軸電纜,這項工作是國家重點基礎研究規劃納米領域首席科學家張立德研究員率領的研究小組完成的。同軸納米電纜的內芯是直徑僅有10納米左右的碳化物,外層包有氧化硅絕緣體。顯微圖片顯示,放大幾十萬倍后,納米電纜的直徑仍只有普通電纜一般粗細。據悉,我國科學家有關同軸納米電纜的論文在國際被引用次數已達18次。 “神奇”納米布 人們一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染,現在這種夢想已由中國科學家實現。中科院化學所雷江教授等2000年宣布研制成功一種不粘油污、不粘水的新型納米材料——超雙疏性界面材料。使用這種材料的紡織品和建材,不用洗滌,也不染油污。它的誕生可使石油工人的衣服不再油漬斑斑,也使生產研制水陸兩用服成為可能。如果將這一材料用于建筑物表面,還具有自清潔和防霧、防霜效果,可免除人工清洗。 納米帶 2001年3月8日的美國《科學》雜志刊登了三位留美中國科學家的研究成果-“納米帶”。這三位科學家是美國亞特蘭大州佐治亞理工學院的王中林教授、潘正偉博士和戴祖榮博士,他們利用金屬氧化物制造出10至15納米厚、30至300納米寬的新材料,這是世界上首次發現并合成出半導體氧化物的納米級帶狀結構材料。這種材料有可能制造出價格便宜的超微感應器和元件。 五 應用領域展望 (1)日常生活 對普通百姓來說,納米是一個遠比網絡、基因更為陌生的科技新名詞,似乎既不可望更不可及。其實納米離我們的生活并不遙遠。的確,一納米僅為十億分之一米,是一個肉眼無法感知的微觀世界,似乎比夢想更為遙遠。但事實上,生活中的化妝品、涂料、食品……都可能應用了納米技術。我們就可以根據需要在各種產品中加入不同的納米微粒,改變傳統產品的性能、顏色等等。于細微處顯神奇的納米技術“潤物細無聲”,正悄然進入我們尋常百姓的生活中。讓我們首先從自己身邊的衣、食、住、行說起。 衣:在人們格外追求美的今天,工業化布料帶給我們許多的煩惱,像衣服的靜電現象,我們每個人在脫衣服時都曾有過被靜電所擾的經歷。而應用納米技術,在化纖布料中加入少量的金屬納米微粒就可以使這一問題迎刃而解。 隨著納米技術的突破和應用,未來的衣服還可以自己清洗和修補。衣服的特殊面料通過細微的物質運動,能自動將衣服表面上的污垢排擠掉,如同人類肺部的污垢自動從鼻孔和喉嚨中排出一樣。 納米微粒添加的纖維具有紅外吸收特性,還具有保暖作用,可用來制作隱身服或保暖服。 首頁 上一頁 1 2 下一頁 尾頁 1/2/2 相關論文
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