浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用

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浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用

摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品机械工业中的应用，并研

究预测了纳米技术在未来机械工业中的发展前景。

关键词：纳米技术；微机械；机械工业；发展前景

1纳米技术的内涵

纳米是长度单位，原称“毫微米”，就是

10－9（10亿分之一）米。纳米科学与技术，有

时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1~

100纳米范围内材料的性质和应用。纳米

科技与众多学科密切相关，它是一门体现

多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对

象或工作性质来区分，纳米科技包括三个

研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度

的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技

的基础；纳米器件的研制水平和应用程度

是人类是否进入纳米科技时代的重要标

志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研

究必不可少的手段和理论与实验的重要基

础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为

起点，去设计制造具有特殊功能的产品。

2纳米技术的主要内容

（1）纳米材料包括制备和表征。在纳米

尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性

质）和原子的相互作用将受到尺度大小的

影响，如能得到纳米尺度的结构，就可能控

制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至

颜色。而不改变物质的化学成份。

（2）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。MEMS使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。

（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

生物分子间相互作用的试验，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。

（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。“更快”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。

3纳米技术在机械工业中的应用

3．1纳米技术在微机械领域中的应用

随着纳米技术应用途径的不断拓宽，

微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所

需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一是通过微加工和

固态技术，不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的

产品。

3．1．1采用微加工技术制造纳米机械

（1）微细加工。日本发那科公司开发的

能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui 型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的

全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC 装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服

放大器，实现了微细加工。

（2）微型机器人。在工业制造领域，微

型机器人可以适应精密微细操作，尤其在

电子元器件的制造方面。美国迈特公司的

研究人员最近设计出一种用于组装纳米制

造系统的微型机器人，这种机器人的长度

约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米

制造技术使这种机器人的体积不断缩小，

其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本

三菱公司也开发了一种微型工业机器人，

该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实

现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及

精度完全可以赶上专用机器人。往复上下

方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动

作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采

用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了

比以往机器人高10％的位置重复精度

（±5 nm），可适用于精密微细操作。

我国在微型机器人的研制方面也取得

了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业

大学研制的机器人，其操作精度达到了纳

米级，可以应用于分子生物学基因操作，能

够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微

电子、精密加工等精度要求较高的领域一

显身手。

（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西

卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实

验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下才能

看得见。德国汽车零件制造商博士公司正

在研制纳米技术传感器，这种传感器将为

人们提供关于汽车上每个零部件在三维空

间中运动的精确信息。当微型传感器探测

到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。

3．1．2采用自组装技术制造纳米机械

（1）生物器件。以分子自组装为基础制

造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半

导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选

作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物

分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、

传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇

根韦思大学医学院生物分子信息小组，利

用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光

染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子

集成膜，这是一种可使分子周围的势场得

到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大