登陆注册
6035200000005

第5章 出类拔萃——纳米技术概述

通过上一章对纳米基本知识的了解,或许此时你对纳米已经不再那么陌生。但是,你知道什么是纳米技术吗?它的发展在现实生活中又有哪些应用呢?本章我们将介绍一些关于纳米技术的知识。

纳米技术是指在0.1~100纳米的尺度范围内研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项新技术,包括纳米结构和纳米材料。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。因此,利用这些新特性制造出的具有特定功能设备的技术,就被称为纳米技术。

此外,从纳米的研究状况来看,关于它的概念还有其他3种说法。首先是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。这一概念说明,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,当然也就能制造出任何种类的分子结构。不过,这种关于纳米技术概念的说法并没有取得大家的认同。其次是把纳米技术看成是微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小结构的技术。事实上,这种微加工技术也会使半导体等微型化达到极限。现在不是已经出现了很多的“迷你型”产品吗?因此,现有技术如果能不断地发展下去,从理论上讲它也终将达到一定的限度。无论怎么样变换,如果要把电路的线幅变小,就会使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样绝缘效果肯定没有原先的效果好。因此,关于这种概念的说法也有争议。最后是从生物的角度出发而提出的纳米技术。之所以要从生物中来提出,是因为在生物的细胞膜内本来就存在纳米级的结构。由于细胞是生物的基本单位,是体积最小的元素,所以纳米技术的概念从生物的角度来提出比较容易被人接受。

生活中,我们了解最多的是微电子技术,比如我们所使用的收音机、电视机、计算机等电子产品都是利用微电子技术创造出来的。那么,纳米和微电子技术有什么区别呢?

纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能,是利用电子的波动性来工作的;而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现它的功能,是利用电子的粒子性来工作的。所以,人们研究和开发纳米技术的主要目的也就是要实现对整个微观世界的有效控制。

由于纳米技术的研究内容涉及现代科技的领域,因此它是一门交叉性很强的综合学科。它在电子学、物理学、化学、生物学、加工学、计量学等分支学科中都有应用。其中,纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础,纳米电子学则是它的重要内容。其实,这和纳米研究的对象有直接的关系。因为纳米技术主要研究对象是单个的原子、分子和电子,而这些又是和物理化学以及电子科学直接相关的。

虽然纳米技术涉及的领域比较广泛,但并不是所有的物质都和它有关系。那么,纳米技术到底和哪些内容有关系呢?

首先是纳米材料。从纳米技术的含义上我们可以知道,它是在0.1~100纳米的尺度范围内进行研究的。在这个范围内物质的性质会改变,失去原来的性质而拥有一种新的、特殊的性能。所形成的具有特殊性能的材料与原来物质的材料完全不同,这样的材料就是纳米材料。对纳米材料的研究一般是对它的表面积进行研究,它的表面积研究非常重要,其检测数据一般采用BET方法(也就是比表面积检测的一种)检测出来的结果才是真实可靠的。然而,这是一种比较耗费时间的工作,由于样品吸附能力不同,有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间,如果测试过程没有实现完全自动化,那测试人员就时刻都不能离开,并且要高度集中,观察仪表盘,操控旋钮,稍不留神便会导致测试失败。显然这是一种很浪费人员、浪费时间的方法。那么,有没有能够完全自动化的方法呢?F-Sorb2400比表面积测试仪的出现实现了这一愿望,它是目前国内唯一一台完全自动化、智能化的比表面积检测设备,达到了国际水平,它的测试结果与国际测试结果一致性很高,稳定性也很好,同时也能减少人为误差,提高测试结果的精确性。

纳米材料的确定并不是某个专家说了算,而是要通过一定的验证才能通过的。对于有的材料,即使它在尺度上达到了纳米的标准,但是由于没有特殊的性能,也不能称为纳米材料。

那么,你知道首次提出纳米材料的人是谁吗?第一次真正认识到某些物质的特殊性能并在其中引用纳米概念的是日本的科学家,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、也不导热的性能。后来他们又用磁性材料去做实验,结果也是这样。例如铁钴合金,把它做成大约20~30纳米大小,它们的磁畴就变成单磁畴,而磁性要比原来高1000倍左右。但是,当时并没有把这种材料命名为纳米材料。直到80年代中期,又经过一段时间的研究,人们才正式把这类材料命名为纳米材料。

那么,为什么当磁性材料的磁畴变成单磁畴时,它们的磁性就会比原来提高1000倍左右呢?这是因为,在磁畴中,单个原子的排列并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外面则是绕其旋转的电子,这也是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列变得很规则,因此就会对外显示强大的磁性。后来,人们利用它的这一特性,主要把它们用于微型电机的制造。并且他们还预想,如果将这一技术继续往前发展,等到一定的时候,就能将它们用于制造磁悬浮,也就是说,可以用它们来制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。其实,现在这一理想已经实现,目前在我国上海就有磁悬浮列车。

其次是纳米的动力学。纳米动力学其实就是说和纳米技术有关系的微型电动机械系统。它主要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。所采用的工艺是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺,并且用于这些工艺的部件很小,刻蚀的深度也要求在数十至数百微米之间,而宽度误差要更小。

再次是纳米生物学和纳米药物学。纳米生物学和纳米药物学是指纳米技术在生物领域和医药界的应用。目前在生物上的应用主要是用于生物实验的研究;在医药方面主要是用于特殊疾病的治疗。另外,当纳米生物学发展到一定阶段时,就可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并且还能制成吸收癌细胞的生物医药,在注入人体内之后,就能用于定向杀癌细胞,并且不会伤害其他健康的细胞,达到治疗一些癌症的目的。

最后是纳米电子学。它指的是纳米在电子方面的应用,主要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,以及原子的操纵与组装等。目前市场上出现的电子产品越来越精巧化,迷你型的电子产品不断走向市场。这与目前人们的追求是有直接关系,当然,电子产业为了满足消费者的需求,也就不得不把技术越提越高。电子产品就变得更小、更新、更快。那么究竟是什么技术满足了市场的这一需求呢?那就是纳米技术,它是建设者的技术后盾,具有很大的影响力。

当然,纳米技术的兴起也不是一夜之间出现的,它也是一步步发展来的。在纳米被科学家提倡以后,1990年7月,在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议;1992年,首届纳米材料会议在墨西哥召开;1996年,在中国召开了第四届纳米科技学术会议。在这期间,纳米技术研究开始尝试性地应用到科学技术的各个领域中。但是由于一些条件还不够成熟,因此还没有被广泛地应用到各个领域中。直到2000年的第五届国际纳米材料会议在日本仙台举行,才推动纳米技术走向更广阔的领域。随后,一些和纳米有关系的产品不断的出现在人们的生活中。人们利用纳米技术大量制造复杂的纳米结构物质,纳米计算机已经验证出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置等。同时还有一个很重要的问题,那就是利用纳米技术的应用需要很高的费用。

同类推荐
  • 灵魂潜入向日葵

    灵魂潜入向日葵

    《灵魂潜入向日葵》:当厄运遇到爱、以正义的名义生气、比钱还值钱、不会感恩的人也不会负疚、走过去看山、琥珀记、黄金底片、自己走过才叫路、粮食变成身上的血、转心念、拜自己为师、最后的尖晶石……
  • 海伦·凯勒

    海伦·凯勒

    这是海伦·凯勒原汁原味的英文著作,真实直白地记录了20世纪美国10大偶像之一的传奇人生,从无光、无声、无语的苦闷彷徨走向积极、多姿多彩的世界,再现了生活在黑暗中却又给人类带来光明的女性的努力、奋斗、不屈之路。海伦·凯勒不仅成功地走出聋哑盲人的失落,更是以惊人的毅力进入哈佛大学深造,成为世界著名的作家和教育家,创造了人类史上的奇迹!
  • 天边的故事

    天边的故事

    放暑假啦!白沙果、阿笨和马兰花三个孩子乘坐热气球旅行,不料遇到台风,把他们吹到了天边,这里住着上帝以前的仆人老瓜头和他的孙子卡卡,在老瓜头的指点下,卡卡带着馋嘴鸭和沙皮狗来到新朋友面前。天边的一切都新鲜美好:西红柿长成了参天大树;苍蝇和蜜蜂是姐妹:狼和羊是朋友;漂亮的玻璃鱼在清澈的水里游来游去。但天边也不是一切都美好,有邪恶的魔鬼二尺牙和野山猫,他们给美味的草莓施了魔法,经不住诱惑的孩子们,吃了魔鬼草莓以后变成三个小魔鬼……
  • 假话国历险记

    假话国历险记

    海盗当上了一个国家的国王,因为嫌海盗的名声难听,就想出个办法,把字典全部改过:海盗变成了圣人,圣人变成了海盗;面包叫墨水,墨水叫面包;早晨起床说晚安,睡前道你早……颠倒黑白,歪曲事实,正直真诚的人们要坐牢。一天,假话国来了男孩小茉莉,还有一个小画家,一只三脚猫……他们都不愿说假话,不愿人们受欺压。小茉莉用自己高亢的声音震跑了假话国的国王,震塌了“疯人院”,也解救了许多无罪的、敢说真话的人们。
  • 十万个为什么(全集)

    十万个为什么(全集)

    书中列举了孩子在成长和学习过程中最爱问的常见问题,从日常生活、自然现象、科学探索、天文地理、人体奇趣、科技发明、古代文明等多方面给予孩子完整科学的解答,是学生课堂外有益的知识补充,更是生活中的得力助手和知心伙伴。《十万个为什么大全集》不仅是为孩子准备的学习礼物,也是家长和老师解答孩子问题的必备指南,有助于彼此间的良好沟通。
热门推荐
  • 诛妖屠魔

    诛妖屠魔

    这个世界看似安宁却暗流运动,邪魔再临,危机四起,神秘武修,再现人间。
  • 绝迹冥都

    绝迹冥都

    五十年前,四爷跟随村里的供销社社长前往新疆,从此一去不返……五十年后,一封来自新疆的求救信寄到了我手里,爷爷说,信中那是四爷的笔迹……家里人都知道,四爷一声见不得光,他是盗墓贼,四爷的这封求救信说明,四爷在新疆摊上事了……
  • 养在深闺人未识

    养在深闺人未识

    爱情也有味道:爱一个人,对方也爱你,甜的居多;爱一个人,对方不知道,酸的居多;爱一个人,对方不爱你,则苦的居多。酸甜苦,每一个滋味都暗藏一个故事,每一个滋味都代表一段感情……
  • 鲜妻重生:总裁,抱一抱

    鲜妻重生:总裁,抱一抱

    她是鲜嫩小娇妻,却被人推下了海。他是冷酷大总裁,却另有故事。重生后她发誓复仇,他深爱入骨。她一次错亲了他,他就上了瘾,一直纠缠着她。可恶,难道重生还有个男人纠缠着吗?【作者大大QQ3118256967】
  • 超级三国召唤矽统

    超级三国召唤矽统

    末日来临,梦三英雄再战沙场
  • 邪恶鹿晗你等着!

    邪恶鹿晗你等着!

    一次偶然,他们相遇了,相遇并不代表就是美好的开始,也有可能是残酷现实的开始……【各种读者,宝宝是第一次写小说,有些不懂的地方,还请大家多多指教。在这里谢谢大家了!】
  • 愚者夺天

    愚者夺天

    灵能,灵魂力量。当你的灵能足够强大,你就能勾勒自己的界,这种近似异能的强大力量使人着迷。看杀手聂九在这个两极划分的未来世界寻回记忆,寻回蓝天,生活在人造太阳下的,还算人吗?
  • 绝代龙武

    绝代龙武

    他从何而来,又该往何处去?踏遍八荒六合,独战天上天下。且看他如何逆苍天,明身世,诛仇寇…………
  • The Miserable World

    The Miserable World

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 白色眷恋

    白色眷恋

    因为不满皇马6比2的比分,中国青年律师沈星怒砸啤酒瓶,结果电光火石间,他穿越成了佛罗伦蒂诺的儿子,且看来自09年的小伙子如何玩转03年的欧洲足坛