日本纳米技术及其产业化现状于我国之借鉴Word格式.docx
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碳富勒球由60个碳原子构成,结构像足球一样呈中空结构,直径仅有1纳米。
它与碳纳米管一起成为新材料--纳米材料的代表,这种材料在医药、化学、环保、机械、电子、化妆品等产业都有广泛的前途。
新闻公报说,这两家企业首先将各出资1000万美元设立一家企业--前沿碳公司,从2002年2月开始建设年产400公斤碳富勒球的中试设备,到2007年把生产规模扩大到年产1500吨,为目前全世界总产量的1万倍。
届时,碳富勒球的制造成本将降低到目前的十分之一至百分之一,售价将降低到每克1美元以下。
3、住友商事将进军碳纳米管(CNT)业务领域。
该公司将与开发、生产单层碳纳米管(SWCNT)的美国著名风险企业CarbonNanotechnology(CNI)联手协作,面向日本及亚洲各国的产品制造商展开销售活动。
住友计划在5年以后将业务规模拓展到300亿日元。
日本的综合商社之中,已有三菱商事和三井物产两家公司相继涉足碳纳米管材料业务,并成立了新公司,住友商事将是第三家进入此领域的日本综合商社。
由于日本的大型综合商社相继进入这一领域,预计人们对碳纳米管材料的关注程度将会进一步提高,应用开拓的速度也将更快。
由此可见,产业界对碳纳米管材料的重视程度正逐步提高。
这样一来,很可能继住友商事之后其它综合商社也会随之跟进。
4、日本住友电气工业公司成功开发出了可用于电子元件的金属纳米粉末及生产技术。
此次开发的形状均匀的粉末是成功地以预先选定的形状从溶液中直接析出金属纳米粉末而制成的,该项技术将使生产更为规则的金属纳米粉末成为可能。
此次,该公司开发了圆球状、板状、链状的、粉粒大小均匀的金属纳米粉末(粒径在200nm以下),而且生产方法已经确定。
这些粉末有望广泛应用于电子产品中的MLC(多层陶瓷电容)。
利用印刷技术复制导电膏(Paste)、制作亚微米线宽的电路以及"
纳米印记"
等用途。
另外,该公司还开发出了粒径为几十纳米的镍粉生产技术,并成功地以稳定的品质生产出了链状粉末。
该公司已成功开发出了各种金属纳米粉末,包括镍、铜、钯、钴、铂、金、银等单-粉末,以及Permalloy(一种含镍量高达80%的镍铁钼合金)等合金,今后还计划开发导电膏、各向异性导电膜等品种齐全的实用产品。
5、日本松下电器公司使用平均粒径4nm的硅(Si)纳米颗粒成功地开发出了光电元件。
硅虽然难以在堆积状态下发光,但是若将其改变为纳米结构,提高暴露在表面的原子比例就可以表现出量子特性。
利用这一性质,与在堆积状态下即使加上数十伏电压也难以发光的情况相比,仅加上约2v的低电压就可以成功地使其发光。
目前,为了进一步提高处理速度,松下正在LSI之间的底板中运用光进行信息传输的技术开发,将使用此次开发出的硅纳米颗粒光电元件。
不过,要想进入实用阶段,目前还面临着如何控制因硅纳米颗粒的凝集而使发光效率变低的问题。
6、三井物产表示,该公司于2001年7月成立的纳米技术研究开发公司--生物纳米技术研究协会与碳纳米技术研究协会2家公司的年销售额2002年有望共计达到50亿日元。
另外,三井物产还推算2家公司总计年销售额到2005年将达到5500亿日元,到2010年将达到4兆1000亿日元。
这是三井物产在2001年12月20日举行的面向分析师的业务说明会上宣布的。
三井物产纳米技术业务室室长前野拓道解释道,"
将目标定在重要领域之-的环境能源领域,通过初步拟定出必要的应用领域、研究能够实现这些应用的关键技术,并与实际相融合,加速商务化进程"
并且,前野还十分有自信的表示,和有可能在纳米技术领域与三井物产形成竞争关系的其它大型商社相比,"
我们的计划更具有战略性,即使在真正形成竞争的业务领域,包括海外企业在内,我们均处于领先地位"
7、NKK于2001年12月20日宣布开发出纳米级高强度钢板,由于金属晶粒小至数纳米,使钢板在保持高强度的同时加工性能亦好。
新产品的强度已达到100kgmm<
sup>
2<
/sup>
级,是将纳米级的氧化铝等金属粒子均匀分布在金属中,使钢铁的强度大幅度提高的同时,在用压力机进行加工时亦不易开裂,现已少量发货供试用。
对80kgmm<
级的纳米高强度板的粒子分布改进后,产品规格有所扩大。
如原来的80kgmm<
级高强度板,当板宽为900mm时,厚度最薄只能达1.8mm,现在的80kgmm<
级纳米高强度板则由于加工性能的改善,可进一步轧薄至1.2mm。
NKK现在生产的纳米级高强度板有60kgmm<
级、80kgmm<
级和100kgmm<
级3种。
过去对压力机加工较为困难的高强度板,采用纳米技术后,连100kgmm2级高强度板的加工亦变得容易,预计今后年产量将达10万吨。
8、日本东丽公司和三菱化学公司开发成功新的纳米碳管制造技术,将这种材料的生产成本降低至目前的几百分之一。
新制造技术是这两家公司分别与名古屋大学和群马大学的科学家合作开发成功的。
东丽公司改良了催化剂,进一步提高了反应效率,大大降低了制造双层纳米碳管的成本。
预计2004年可进入大批量生产阶段。
三菱化学公司则是应用了制造碳纤维的技术,确立了使用纺织厂那样的设施大批量制造纳米碳管的技术。
目前纳米材料由于没有达到批量制造水平,市场售价昂贵。
日本正在利用其在纳米碳管领域的科研优势,加紧开发批量生产廉价纳米材料的工艺。
9、东丽日前在千叶市幕张MESSE召开的"
国际纳米技术综合展及技术会议(NanoTech2002)"
展出了由电子信息材料研究所独自开发的红色OEL(电子发光)显示屏试制品,其尺寸为邮票大小。
通过从纳米水平来控制扩散,发光效率达到4.5cdA,色纯度(CIE色度图的座标)达到0.65,性能均为世界最高水平。
而且,已经确认在辉度200cdm2的连续发光时,寿命可达14,000小时以上。
10、日立制作所于2001年12月28日宣布运用纳米技术成功开发出了热传导率为原来同类产品5倍的0.96WmK的环氧树脂。
环氧树脂作为遇热即硬化的典型树脂,被广泛用作电子零部件的绝缘材料。
不过环氧树脂由于存在散热性差的缺点,因此也成为减小电子零部件尺寸的瓶颈。
而此次日立开发的环氧树脂的特点则从纳米级别上改进了环氧树脂的结晶构造。
此次日立研究所能源研究部绝缘材料小组负责人竹泽由高等人将研究重点放到了环氧树脂的结晶构造上,通过将声子散射控制在最小程度,对结晶构造进行了改进。
而此次开发的树脂的热传导率高达0.96WmK,大约相当于原来的5倍,散热效果更好。
环氧树脂已经被广泛运用于各个领域。
此次日立的研究成果除了绝缘用途外还有望在粘合剂等更广阔的领域大显身手。
11、日立制作所的日立研究所开发成功了使用"
纳米技术"
、支持GHz频带的电磁波吸收材料,其目的在于解决频率不断提高的电子通信设备中的电磁波干扰问题。
新技术解决了以往的软磁金属电阻小,在高频段容易产生涡电流而导致磁透急剧下降的问题,通过提高电磁波吸收材料的软磁金属电阻来提高其在高频率段的磁透。
该技术成功地在纳米级别上将软磁金属与高电阻陶瓷进行纳米合成。
这两种物质在机械力的作用下逐渐相互融合(MechanicalAlloying),使混合物质能在固体状态下达到原子的相互混合。
通过这一方法,可以生成在软磁金属的纳米级结晶粒的周围形成高电阻陶瓷的结构。
讨论:
从以上报道可以看出,日本企业对于实用化纳米技术尤为重视,且将产业化重点放在纳电子器件、碳簇(Fullerene)和碳纳米管、超精密加工技术及微型机械等方面。
而这些领域被认为是最具开发潜力的产业化、商品化的研究方向。
根据三菱综合研究所尖端科学研究所的调查数据预测了各类纳米产品的市场规模,数据见表1。
由此可知,日本企业正是基于以上宏观分析,发挥优势,做到了有的放矢,因而成效显著。
有鉴于此,我国企业更应依照国家"
有所为,有所不为"
的战略部署,结合我国自身优势,在易于取得技术突破且基础研究成果丰厚的纳米粉体材料、纳米结构材料等领域,以及具有战略意义的纳米信息材料与微机电领域重点推进产业化,在这些领域集中科研与资金优势,以期获得一批重大产业化成果。
在推进产业化的过程中,应注重技术专利的开发与保护。
美日等国在专利方面相当重视,尤其是日本,近年来,纳米技术专利数量大幅增加,这也反映了日本企业对实用技术开发的重视程度。
日经产业消费研究所2001年公布的一项调查结果表明,日本积极发展纳米技术的成绩显著,2000年申请专利4900项,比1995年增加了1倍。
据该所对1993年1月至2000年6月间的专利申请数目所作统计,近年来,日本国内超微细技术和原子能显微镜等有关纳米技术的专利申请数量呈急剧增加趋势:
1998年为3900项;
1999年为4300项;
2000年达到4900项;
2001上半年已超过2850项,全年可能迫近6000项。
面对如此猛烈的"
专利攻势"
,如果我国不加紧专利技术的开发和储备,可能在不久的将来,我国就会丧失纳米领域的产业机会。
二、日本各科研机构在纳米领域的研究进展
1、日本大阪府立大学科学家中山喜万用碳纳米线圈制作显示器用电子枪获得成功。
这项技术不触犯美国专利,因此有可能成为日本的独特技术。
这种电子枪是"
场致效应显示器(FED)"
的心脏。
它发射出的电子能在荧光屏上显示出图像。
1991年碳纳米管被日本科学家饭岛澄男发现后,美国首先把它运用在显示器电子枪的制作上,并且抢占了专利。
中山喜万采取的方法是,在铟和锡氧化物基板上涂敷一层铁膜后,置人电炉中,向电炉中输入乙炔和氦,再用700℃的温度加热,结果就在铁膜上形成了碳纳米线圈。
碳纳米线圈的制作温度比碳纳米管低,并且不与美国的专利相抵触,因此可望成为一种制造价格低、耗电少的显示器的技术。
2、日本大阪大学研究人员把有机化合物"
环糊精"
与无机硅化合物结合在一起,加以烧结,制做出了具有新物质特性的纳米材料。
"
是一种由六个、七个或八个葡萄糖分子连接而成的环状有机化合物。
大阪大学教授原田明等人把由8个葡萄糖分子连接起来的"
咖马-环糊精"
水溶液与无机化合物聚硅氧烷混合,再用超声波加以振动,结果发现环状的"
以糖葫芦串的形式与聚硅氧烷融合在一起,并形成结晶沉淀下来。
如果再对这种有机-无机复合物质进行烧结,其中的碳和氢被燃烧掉后,就会在纳米级别上合成氧化物陶瓷;
而在氩等非活性气体中,再提高温度进行烧结,这种复合物质还能够被制成碳纳米管。
3、日本九州工业技研所无机复合材料部成功地采用氮化铝陶瓷膜在室温条件下制成纳米管,且该纳米管本身携带电特性。
该研究所采用的成型方法是在氧化铝薄膜上再做一层氮化铝膜,然后将氧化铝膜溶人盐酸中,在氧化铝膜溶融过程中残留下耐酸的氮化铝膜,由于氧化铝膜溶融部分发生弯曲而形成管状。
这时可形成膜壁厚为0.5微米、直径0.2微米的纳米管,或膜壁厚4微米、直径1微米的纳米管。
氮化铝是一种热传导性很高的材料,作为发热板可用作携带零件。
此次成型制作陶瓷压电体时,由于没有使用常用的铅材料,故对环境无害。
由于制作氮化铝纳米膜、管,在300摄氏度左右即可,较通常陶瓷烧成能耗有大幅度下降,有助于工业化批量生产。
4、日本科学家宫崎大学木岛刚教授和佐贺大学讲师矢田光德使用稀土金属合成纳米管,为开发新的功能元件材料开辟了一条新途径。
这种纳米管可用铒、钇、镥和铥等多种稀土金属的氧化物制作,制作方法是:
把这些稀土金属的硝酸盐或者氯化物与界面活性剂十二烷钠、尿素、水按照一定比例混合起来,在40摄氏度温度下搅拌1个小时,然后加热到80摄氏度,以促进尿素的加水分解反应,并由离心分离机分离出所生成的固体,使用蒸馏水反复清洗,获得稀土金属氧化物界面活性剂复合体,形状如同微绳索周围包裹着一层稀土金属氧化物,再经过加热和离子交换处理,清除了界面活性剂,就获得了呈六角中空的纳米管,内径可达3纳米,外径达6纳米,最长为200纳米。
木岛教授说,他们将就这种纳米材料的发光特性及磁性等进行应用化研究。
我国的稀土金属蕴藏量在世界上居首位,这一科研成果将促进中国在这个领域的研究开发。
5、日本独立行政法人产业技术综合研究所用管状碳分子纳米管研制出了硬度可与金刚石相媲美的超硬材料。
石墨经高温高压处理就可形成金刚石。
科研人员把直径1.2~1.3纳米的碳纳米管成束地高密度排列在一起,然后对纳米管块施加24万个大气压以上的压力,不须加热,纳米管块就成了超硬材料。
科研人员实验中试制出了直径20微米、厚10微米的超硬薄膜材料。
这种由纳米管组成的超硬材料具有金属一样的导电性,同时其热传导性也很好。
这种材料有望在工具制造及微型机器制造领域获得广泛应用。
6、日本大阪大学教授竹田精治和河野日出夫等制作纳米级硅球链获得成功。
这种硅球链是制作在氧化硅上的一种半导体。
半导体的晶球和绝缘的非晶质氧化硅构成的硅球链结构犹如晶体管,呈周期性的排列,因而有可能用来制作纳米尺寸的发光体及单电子的晶体管。
这种纳米级的材料制作无须使用一般的分子外延生长装置,方法比较简单,所以可大量生产。
7、日本东北大学多元物质科学研究所的中西八郎教授等人,发现使数十纳米大小的有机化合物与金属接触,将会形成物性与原来完全不同的材料。
研究包围原子核的电子的状态,发现其既非有机化合物,亦非金属。
在树脂或橡胶中混入金属的复合材料,会变成兼具两者性质的材料,以光谱观察,具有两者之形态。
纳米尺度的复合化,被认为可以给予材料迥异于一般大小材料的复合化的性质。
未来将查明其原理,并对具有新性质的有机化合物与金属的组合详加研究。
8、日本科学家阿知波洋次等利用金属硫化物制成了具有中空纳米结构的微粒,其形状因温度高低而异。
研究人员把硫化钨或硫化钼放在650摄氏度以上、充满氩气的高温石英管内,然后用激光照射,使之气化,结果获得了中空纳米结构的微粒,改变激光的输出功率及反应温度,生成微粒大小及形状也会随之变化。
科学家说,把一种用碳以外材料制成的中空纳米结构物质,会与碳纳米材料有不同的特性及功能。
这种新材料的特性与生成机理是科学家们今后需要研究的课题。
9、利用碳原子排列成筒状的新材料,日本科学家开发成功目前世界最小"
纳米温度计"
,可用于检查半导体纳米电子回路故障。
它在普通温度计的水银柱部分中使用了金属镓,柱长约0.1微米,柱直径约75纳米;
在普通温度计的玻璃管部分,它则使用了极细的呈半透明状的碳纳米管,直径约85纳米。
金属镓在30摄氏度至2400摄氏度时呈液体状,利用其因温度变化产生的体积膨胀和收缩,即可测定温度。
但温度超过1000摄氏度后,碳纳米管将很难承受,因此这一纳米温度计最适合30摄氏度至1000摄氏度范围内的温度测定。
这种纳米温度计个头太小,不能肉眼直观读取测定结果,必须借助电子显微镜观测,其测定精度为每0.1纳米镓柱变化表示0.25摄氏度温度变化。
10、日本东京工业大学教授高柳邦夫领导的科研小组已研制成功了金的纳米管。
科研小组将进一步确认这种纳米管是否具有零抗阻的特性。
如果得到证实,就可以用相同的方法把硅等电子材料制成纳米管,其应用范围将十分广泛。
11、山口东京理科大学基础工学系材料基础工学专业的户岛直树教授领导的科研小组日前新开发出了一种通过液晶分子的保护作用,确保数纳米直径的钯(Pd)纳米粒子。
目前已经确认,通过在液晶显示屏(LCD)的液晶层中添加这种钯纳米粒子可以提高显示对比度。
用于保护钯纳米粒子的液晶分子与用于LCD显示的液晶分子不同。
户岛直树还发现了一种前所未有的新现象:
液晶层的光透过率随频率而变化。
利用这一现象有望开发出通过频率控制来显示的新型LCD。
12、日本产业技术综合研究所的纳米技术研究部门日前成功开发出了通过单层碳纳米管(SWCNT)制作发射极的新方法。
该技术主要面向磁场发射元件。
经测试证实,使用新方法制作的元件与使用原方法时相比,能够以低两个数量级的、仅4V的驱动电压发射电子。
随着这一技术的开发成功,人们期待已久的FED(FieldEmissionDisplay,场发射显示器)应用产品在以手机为中心的移动信息通信终端的显示器领域的实用方向上又迈出了一大步。
纳米科技作为方兴未艾的前沿科学技术,世界各国的科研水平比较接近,即使美日等国也并没有和我们拉开不可逾越的差距。
我国在某些领域的研究工作在国际上也引起了广泛的关注,例如中国科学院物理研究所"
基于有机功能材料的超高密度信息存储"
的研究工作在《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.)和《物理评论快报》(Phys.Rev.Lett)等国际上有重要影响的杂志上发表后,又被美国《科学》杂志的编辑推荐在2000年《科学新闻》上作了专题报道,评论称"
是非常诱人的工作,基于有机材料的信息存储具有潜在应用前景"
;
中国科学院金属研究所在"
纳米金属材料的制备及合成"
及"
纳米晶体的微观结构表征及分析"
等方面的研究在国际上也产生了巨大的反响。
以下是纳米碳管的电镜以及反映纳米铜延展性的照片。
我国在纳米科学基础研究领域相当重视,纳米技术领域的论文数量已经居于世界第二,这些都表明我国发展纳米技术的潜力相当巨大。
但与日美等国相比主要还存在以下一些不足:
1、企业参与相对不足。
纵观日美、西欧等国的纳米研究,企业参与行为相当普遍,既提供了资金的支持又能明显结合实际生产情况。
许多大型企业如三井物产、东丽公司、IBM等干脆设立自己的研发中心,开展研发工作。
目前国内的企业也正在积极参与技术开发工作,并对纳米的研究也表现出相当大的积极性,据报道浙江、江苏和广东等省的许多民营企业已经出资和有关院所合作,成立了各种形式的研发机构,对实用纳米技术进行开发。
较好的例子有无锡威孚高科技股份有限公司与南京大学、东南大学、南京理工大学、南京工业大学和江苏省新技术发展中心共同发起组建"
江苏省纳米科技与应用开发中心"
,目前发展态势良好。
2、应用研究相对缺乏。
与日本相比,我国的研究领域主要集中在前沿基础研究方面,尽管相当重要,但离产业化相对较远。
尤其是对贴近产业实际的应用技术的开发重视不够,这也是我国发展纳米产业的瓶颈问题。
据统计资料显示日美等国在应用研究方面的资金投入比重为60~70%,而我国则恰恰相反。
政府有关部门、科研院所特别是企业今后应该大力支持对应用技术的开发,以改变产、研脱节的现实。
可喜的是,目前我国的现状也在发生改变,国家科技部863计划专门辟出纳米专项用于支持与应用相关的纳米技术的研究与开发。
相信不久的将来,基于应用的纳米科研活动会大幅增加,研究成果也会更适于商品转化。
3、研究层次相对不高。
我国对纳米科技的研究起步较早,目前已有不少论著发表于国际权威刊物上。
美国科学引文索引系统《SCI》通过对1996~2000年5年中收录的关于纳米研究论文发表数量及其变化趋势的统计分析,中国有8个单位进入了世界前50名,中国科技大学以少于美国加州大学伯克利分校3篇论文的微弱差距排在全球第二位。
但是若对我国发表的纳米论文的方向进行统计,关于纳米粉体制备及纳米涂料涂层的研究内容居多,与国外的研究内容相比,明显侧重不同。
当然,这和我国目前的实验设备不足,资金紧张等有一定关系。
但今后应该努力将研究侧重转移到纳米信息材料、纳米特种功能材料等方向上来,与国外的研究方向保持一致,也利于研究上的相互交流,提高我国纳米研究的整体水平。
三、结语
以上仅仅是对日本纳米研发现状所作的简要介绍和分析,我国如果想在21世纪的关键领域有所作为,那么知己知彼,制定相应的对策必不可少。
因此,关注日本的研发动向对我们来说有重大意义,相信对我国政府有关机构、企业开展研究工作有少许裨益。
期待我国的纳米产业能够走向辉煌。
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