第十章纳米技术修改1.doc

第十章纳米技术纳米科学技术(nanoscienceandtechnology,NanoST)被认为是21世纪头等重要的科学技术。纳米科学与技术将改变几乎每一种人造物体的特性。这种材料性能的重大改进以及制造方式的重大变化,将在新世纪引起一场新的工业革命。纳米尺度一般是指1~100nm(1nm=10-9m)之间,一般说来,纳米科学是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学,而在同样尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术则称为纳米技术。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20世纪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。纳米科技的出现,无疑是现代科学的重大突破,它在材料科学、凝聚态物理学、机械制造、信息科学、电子技术、生物遗传、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景,因而对它的研究受到了世界范围的高度重视。(~100nm)的材料以及设计、制造、测量、控制和产品化的技术。纳米技术是科技发展的一个新型领域,它不仅仅是将加工和测量精度从微米级提高到纳米级的问题,而是人类对自然的认识和改造方面,从宏观领域到物理的微观领域,深入了一个新的层次,即从微米层深入到分子、原子级的纳米层次。在深入到纳米层次时,所面临的决不是几何上的“相似缩小”的问题,而是一系列新的现象和新的规律。在这纳米层次上,也就是原子尺寸级别的层次上,一些宏观的物理量,如弹性模量、密度、温度等已要求重新定义,在工程科学中****以为常的欧几里得几何、牛顿力学、宏观热力学和电磁学都已不都正常描述纳米级的工程现象和规律,而量子效应,物质的波动特性和微观涨落等已不是不可忽略的,甚至成为主导的因素。、材料科学、微电子技术、计算机技术、光学、化工、生物和生命技术以及生态农业等方面产生新的突破。这种前景使工业先进国家对纳米技术给予了极大的重视,投入了大量的人力物力进行研究开发。美国国家关键技术委员会将纳米技术列为政府重点支持的22项关键技术之一,美国国家基金会也将纳米技术列为优先支持的关键技术。康奈尔等多所大学设立了纳米技术研究开发中心。日本将纳米技术作为优先高科技探索研究项目之一,制定了投资2亿美元进行大规模开发纳米技术的10年计划。筑波交叉科学研究中心将纳米技术列为两个主要发展方向之一。英国成立了纳米技术战略委员会,国家纳米技术计划已开始实施。在Cranfield大学成立了以纳米技术为研究目标的精密工程研究中心,欧盟委员会最近的调查认为纳米技术在10年后有可能成为仅次于计算机芯片制造的第二大制造业,预测到2010年纳米技术的技术市场价值有可能达到600亿美元。:纳米级精度和表面形貌的测量;纳米级表面物理、化学、机械性能的检测;纳米级精度的加工和纳米级表层的加工—原子和分子的去除、搬迁和重组;纳米材料;纳米级微传感器和控制技术:微型和超微型机械;微型和超微型机电系统和其他综合系统;纳米生物;等等。,即组成材料的晶粒细到只有几纳米,这时该材料的性能就会和原来的材料性能产生很大的差异。纳米材料的微粒一般是球形,但有时用液相法制造时会成针形。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。纳米粉末又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料,如图10-1