材料科学与工程前沿论文

纳米科学技术

课程名称：材料科学与工程前沿

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日期：2010/12/26

纳米

"纳米"是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米），约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。

从具体的物质说来，人们往往用细如发丝来形容纤细的东西，其实人的头发一般直径为20-50微米，并不细。单个细菌用肉眼看不出来，用显微镜测出直径为5微米，也不算细。极而言之，1纳米大体上相当于4个原子的直径。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。

纳米科技 (英文：Nanotechnology)是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国的国家纳米科技启动计划(National Nanotechnology Initiative)将其定义为“1至100纳米尺寸间的物体，其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。”

纳米科技是尖端科技，却早就存在身旁。举例来说，就是莲花表面的出污泥而不染的特性。莲花表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内，所以不易吸附污泥灰尘。莲花的出污泥而不染是自然天成，这比人类的任何清洁技术还高明。这种莲花表面纳米化结构，自我清洁的物理现象，就被称作莲花效应(lotus effect)。

纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控，尤其是现存科技在纳米时的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成(将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成，自组装(self assembly)和定点组装(positional assembly)。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时，会和它们在巨观时有很大的不同，例如：不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成可以当催化剂(铂)、稳定的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

纳米科技与其他学科的联姻

纳米科技领域还面临着多种问题。一些研究本来就是一个很好的课题，不一定冠名“纳米”的头衔，与“纳米”揉合在一起，可能对研究提供了一个有益的思维空间，例如仍M公司建造巨磁阻磁头的研究工作。纳米科技要发展成为一门把各种科技完美结合、融为一体的统一的大科技，就必须证明实现各种截然不同的研究领域的联姻大有用处。

从事防晒剂纳米粉末研究的科学家与从事DNA计算研究的科学家是否可以有相同的爱好呢?这种相互结合、取长补短是有其道理的。半导体量子点就是这类跨学科综合性研究方针的一个有说服力的证据：量子点最初是为电子器件开发的，但现在它也用来检测细胞的生物活性。

如果纳米观念能够凝聚为一个统一的整体，它其实就有可能为一场新的工业革命奠定基础。要想取得成功，必须抛弃那些伪科学和狂热的炒作。最重要的是，必须加强基础纳米科技的研究，以确定哪些纳米科技值得去攻关。在这一段漫长的探索期中，区分哪些是切实可行的科学和技术，哪些是异想天开的幻梦，始终是一项要引起足够重视的任务

纳米科技发展

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；1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开；1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议；1996年在美国夏威夷召开第三届国际会议；1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议；2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。

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。

@纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

@纳米技术带动了技术革命。

@利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

@如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。人们把1～10kg的卫星称作“纳米卫星”（相应的，10～100kg的卫星被称作微米卫星，而更小的卫星，如0.1～1kg的被称作“皮米卫星”，甚至有10～100g的卫星被称作“法米卫星”）。

@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。

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，存在很大的拓展空间。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。受国际金融危机影响，目前纳米材料技术开发和产品销售速度有所减缓。同时由于可能对人类健康和环境存在潜在的负面影响，这一产业或许将放慢发展速度，但未来纳米材料市场规模将十分可观。全球纳米技术与产品的销售额到2015年将达到2.5万亿美元。经济衰退对汽车、建筑和部分电子行业影响最大，但预计对健康护理和生命科学不会造成太大影响。在纳米材料中，由于碳纳米管和陶瓷纳米颗粒较多地应用于汽车和建筑行业，因此受经济衰退的影响较大。在纳米中间体中受经济下行影响最大的，则是纳米复合材料和涂料领域。与美国和欧洲相比，组合纳米技术的产品销售额在亚太地区增长较快。美国和欧洲占所有纳米材料销售额的2/3以上，但到2015年这两个地区所占的市场份额均将下降2-3%。

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