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Abstract..........................................................3
Keywords.........................................................3
引言..............................................................4
1.纳米技术综述.....................................................4
1.1纳米的概念...................................................4
1.2纳米技术的简介...............................................4
1.3纳米技术的发展史.............................................5
1.4纳米技术的分类...............................................7
2.纳米技术的应用...................................................7
2.1纳米技术在医学方面的应用.....................................7
2.2纳米技术在新材料方面的应用...................................8
3.纳米技术的发展状况...............................................9
4.结束语..........................................................11参考文献...........................................................11致谢..............................................................11
摘要:
随着科学技术的发展,纳米技术在生产和生活中应用越来越广泛了。
纳米技术是20世纪90年代兴起的一门新兴交叉学科,受到世界的广泛关注,并不断涌现出新的研究成果。
因此纳米技术对未来经济和社会发展有着十分重要影响。
目前,纳米技术已应用到航空航天、医学、环保、新能源、新材料、信息产业、机械制造等关系到国计民生的重点领域。
本文阐述的纳米技术的基本概念及在各个领域中的应用,并对纳米技术的发展状况做的研究。
关键词:
纳米技术;
应用;
发展状况;
ResearchanddevelopmentofNanotechnology
Abstract:
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,andnanotechnologyapplicationsinindustryanddailylifewidely.NanotechnologyisanewinterdisciplineriseintwentiethCentury90years,attractedwidespreadattentionoftheworld,andcontinuouslyemergingnewresearch.Hasaveryimportantimpactofnanotechnologyonthefutureeconomicandsocialdevelopment.Atpresent,nanotechnologyhasbeenappliedtoaerospace,medical,environmentalprotection,newenergy,newmaterials,informationindustry,machinerymanufacturingandotherrelatedtokeyareasofthebeneficialtothepeople'
slivelihood.Thepaperelaboratesthebasicconceptofnanotechnologyanditsapplicationinvariousfields,researchanddevelopmentofnanotechnology.
Keywords:
Developmentsituation;
Nanotechnology;
application
引言
纳米是一个微小的尺度单位,1纳米是十亿分之一米(10-9m),大约是单个原子直径的4倍.通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察,纳米技术为人们提供了许多性能独特的工具、材料、器件和系统。
纳米技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学和现代技术结合的产物。
如今纳米技术在生活的应用非常广泛,因此全世界许多国家越来越重视纳米技术的研究。
该技术的研究发展必定对未来的科学技术以及经济发展有着重要的影响。
1纳米技术综述
1.1纳米的概念
纳米是一种长度单位,一纳米等于十亿分之一米,它是微观尺度的核心。
我们普通人的一根头发丝的直径约为五十微米,那么一纳米就相当于头发丝直径的五万分之一。
保持物质元素性质不变的最小单元是原子,一纳米就相当于十个氢原子并排起来的长度,或相当于一般细菌长度的千分之一。
1.2纳米技术简介
纳米技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。
纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如:
纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等
当结构的特征尺寸介于孤立原子和块材之间,即10-9~10-7m(1~100nm)的范围,物体经常显示出与原子和块材都不同的特性。
利用尺寸的特点,可以理性地设计材料和系统使其展现在物理、化学和生物上新颖而明显改善的特性和现象.纳米技术是至少在一个纳米尺度构造和利用功能结构的通俗定义。
物质在纳米尺度上性能的重大改变主要是由于全新现象的出现,如量子幽禁、波动传输和界面效应.
1.3纳米技术的发展史
一、理论上的早期发展。
公元前400年,德漠克利特(Democritus)和留基伯提出了原子论,发明了“atom”(原子)这个词,这个词在古希腊是不可分割的意思。
他们认为:
“物质是由散布在真空中的终极粒子组成的”,这种终极粒子就是原子,“原子在无限的空间中向四面八方运动,互相冲击,引起了直线运动和旋转,这样就把类似的原子结合在一起,组成元素,开始形成了无数世界”。
科学家真正对纳米技术的理论研究开始于1861年左右,当时格雷厄姆(ThomasGarham)(1805一1869)首将明胶一类不形成晶体的物质,溶解后扩散极具缓慢的物质称为胶体。
胶体是直径为Innl一100nm的粒子系统。
许多科学家对它进行了大量的研究,并建立了胶体化学理论,但当时的化学家并没有意识到在这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新层次,而只是从化学的溶液理论作为宏观体系的中间环节进行研究。
1905年,阿尔伯特·
爱因斯坦根据糖在水中扩散的实验资料计算了一个糖分子的大小,他的计算结果表明,每个糖分子的直径约为1纳米,这使人类第一次对纳米的具体长度有了一个感性认识。
1935年,MxaKnon和N.Ruska研制出了电子显微镜,它可以实现亚纳米级的成像,这给人们探索微观世界提供了观察工具。
二、技术上的酝酿。
第二次世界大战期间,日本名古屋大学的田良二教授接受日本陆军计划研制一种能命中红外辐射源的导弹的任务,为了寻找探测器的红外辐射吸收剂,他利用真空蒸发法在惰性气体的保护下制备了纯锌黑,锌黑的平均粒度小于10纳米。
新的探测器的效果非常理想,然而研究成果还没有应用于实际,战争就结束了。
稍后的时间里,德国科学家也通过类似的方法制备了纳米金属粒子,当时还没有纳米这个概念,就暂时把这种材料称为超微粒子(Ultraeeesfinepartciles)。
这可能是人类有目的制造纳米材料的真正开始。
三、费曼预言,对纳米技术的界定。
1959年22月,RiehardFeynmna(1915一1955)在美国物理学会在加利福尼亚理工学院举行的一次会议上发表了题为《最底下一层大有发展潜力》的讲话。
他说:
“我想要谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质问题……我已经说明这方面确有发展潜力—我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸。
现在我想说明的是这一发展潜力还非常之大。
我不打算讨论我们将如何做到这一点,只想谈谈原则上我们能做些什么……现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间和精力。
”’尽管真正属于“纳米”范畴的发明是在此后过了许多年才露面的,但在这篇40多年前发表的演讲中,费曼预见到一系列现今已牢牢站稳脚跟的科技领域,包括电子束与离子束制造、分子束外延生长法、纳米压印术、投射电子显微镜、单个原子操控、量子效应电子技术、自旋电子技术(sPintrnoci)s以及微电子机械系统(MEMS)等。
正如加利福尼亚理工学院物理学教授Mie一laelRoL.kes所言:
“Feynman这篇7000字的谈话对于纳米技术起了界定作用。
”’事实上,以后许多科学家在纳米尺度物理学上获得的研究成果在极大程度上是受了这篇讲话的启发。
例红,1963年,日本学者久宝(KLlbo)根据费曼的设想提出了久宝理论,这个理论模型证明了一定尺寸的微小原子团可能表现量子力学的特性,即超微颗粒的量子限制理论,从而为纳米范畴的研究提供了最早的理论基础。
四、纳米技术的诞生。
纳米技术诞生于70年代初。
1968年,AlfredY.Cho和oJhn.Arhcu:
及其同事发明了分子束外延生长术,这种技术可以在表面上沉积出单层原子;
1969年Eskai和Tsu提出了超晶格S(叩erlatcties),它由两种以上不同材料的薄片周期性地交替生长所构成。
利用超品格理论和分子束外延生长技术,1971年,张立纲等人制备了能隙大小不同的半导体多层膜,并在实验中卖现了量子阱和超品格,观察到了极其丰富的物理效应。
其中量子阱中的量子限制效应得到了广泛而深入的研究,并在此基础上研制出了许多新型的高性能光电子和微电子器件,如异质结激光器、量子阱激光器、光双稳器件、红外探测器、高电子迁移率品体管和异质结双极品体管,都已经进入了实用阶段,有的己经形成产品。
1974年,谷口纪男州oroiTangiuchi)发明了“纳米技术”这个词,用以表示公差小于l微米的机械加工,这使得纳米技术真正成为一种独立技术展现在历史舞台。
但是,当时纳米尺度上物理学的完整图景还远不明朗。
1.4纳米技术的分类
从迄今为止的研究来看,关于纳米技术分为三种概念:
第一种,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。
根据这一概念,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,可以制造出任何种类的分子结构。
这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。
也就是通过纳米精度的"
加工"
来人工形成纳米大小的结构的技术。
这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。
现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这是因为,如果把电路的线幅逐渐变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。
此外,还有发热和晃动等问题。
为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。
第三种概念是从生物的角度出发而提出的。
本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。
DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发,成为纳米生物技术的重要内容。
2纳米技术的应用
2.1纳米技术在医学方面的应用
纳米药物:
纳米药物与传统的分子药物的根本区别在于它是颗粒药物,而广义的纳米药物可分为两类:
一类是纳米药物载体,即指溶解或分散有分子药物的各种纳米颗粒
,如纳米球、纳米囊、纳米脂质体等;
第二类是纳米药物,即指直接将原料药物加工成的纳米颗粒,或利用崭新的纳米结构或纳米特性,发现基于新型纳米颗粒的高效低毒的治疗或诊断药物。
前者是对传统药物的改良,而后者强调的是把纳米材料本身作为药物。
纳米药物载体:
是否能实现细胞和亚细胞层次上药物的靶向传递和智能控制释放,是降低药物毒副作用、提高治疗效果的共性问题。
纳米粒子介导的药物输送是纳米医学领域的一个关键技术,在药物输送方面具有许多优越性。
目前,用作药物载体的材料
有金属纳米颗粒、生物降解性高分子纳米颗粒及生物活性纳米颗粒等。
理想的纳米药物载体应具备以下性质:
毒性较低或没有毒性;
具有适宜的制备及提纯方法;
具有合适的粒径与形状;
具有较高的载药量;
具有较高的包封率;
对药物具有良好的释放特性;
具有良好的生物相容性,可生物降解或可被机体排出;
具有较长的体内循环时间,并能在疗效相关部位持久存在等。
2.1纳米技术在新材料方面的应用
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料,具有许多优异性能。
例如,纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低,电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降,甚至出现负值。
这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高。
纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。
如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性,而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。
纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。
超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
纳米催化材料
纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全,导致表面的活性位置增加,使它具备了作为催化剂的基本条件。
镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂,可替代昂贵的铂或钯催化剂。
纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温。
3纳米技术的发展状况
早在20世纪初,随着胶体化学的建立,人们对于直径在10-9m的微粒开始进行研究。
在以后的催化研究中,人们制备出了铂黑,这些使用浸渍法制得的铂粒子附着在载体(例如三氧化二铝)上,粒径为2nm左右。
第二次世界大战期间,日本陆军曾计划发展一种能命中具有红外线辐射的导弹,探测器中的红外辐射吸收剂就是使用了减压空气中蒸发出来的铂黑。
1963年Uyeda及其合作者用气体冷凝法,通过在高纯的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒,并对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进行了透射电子显微镜研究。
1970年张立纲和江琦等制备了能隙大小不同的半导体多层膜,在实验室中实现了量子阱和超晶格,观察到了极其丰富的物理效应。
1984年,德国萨尔兰大学Gleiter教授用惰性气体蒸发、原位加压法制备了具有清洁表面界面的纳米晶Pd、Cu、Fe等。
1985年,Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇。
质谱分析发现,C60和C70新的谱线。
1987年,美国Argon实验室Siegel博士课题组用真空原位加压法制备了纳米陶瓷TiO2多晶体。
纳米技术在理论上也有了进展。
如1962年提出的著名的久保理论,也就是超微颗粒的量子限域理论;
1970年,江琦与朱兆祥提出的半导体超晶格的概念等。
70年代末80年代初,用量子尺寸效应解释超微粒子的某些特性获得成功。
1990年在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术会议。
在会上各国专家对纳米技术的前沿领域和发展趋势进行了讨论和展望,并决定出版三种杂志:
《纳米结构材料》、《纳米生物学》和《纳米技术》,中国科学院真空研究所等单位出席会议。
这次会议标志着纳米科技领域的正式形成。
到目前为止,有关纳米科技的国际会议已开过四次,1996年在中国召开了第四届纳米科技学术会议。
纳米新科技诞生才几年,就在几个重要的方面有了如下的重要发展:
美国商用机器公司(IBM)利用STM直接操纵原子,成功地在镍基板上组合成“IBM”字样,日本科学家已成功地将硅原子堆成一个“金字塔”,首次实现了原子三维空间立体搬迁。
1991年IBM的科学家们还制造了超快的氙原子开关。
专家们预计,这一突破性的纳米新科技研究工作将可能使美国国会博物馆的全部藏书储存在一个直径仅为0.3cm的硅片上。
据美国《科学与共同政策》杂志报道,科学家们最近制造出一种尺寸只有4nm的复杂分子,具有开关特性,可由激光计算机提供可能的技术保证。
纳米科技方面取得的初步成果已引起各发达国家的极大重视,美国最早成立了纳米科技研究中心,开展了预研究。
许多大学和研究室、公司参与研究,STM等纳米技术产品已初步实现产业化,并已将纳米加工列为国家关键技术。
日本制定了庞大的国家计划开展纳米技术的研究,创办“原子工厂”,将利用原子、分子直接制造产品这个战略付诸行动。
我国政府对纳米科技予以了足够的重视。
1991年11月召开的纳米科技发展战略学术研讨会上,与会者一致认为,纳米科技是正在兴起的跨世纪的战略性科技领域,并且提出加强纳米科技研究项目与国家其它重大项目之间的衔接与统筹安排,对有重大应用前景的实验室小试成果应纳入国家有关计划或由有关工程研究中心予以安排,以期迅速转化为实际生产力。
会上制定了纳米科技发展战略对策,对发展我国纳米科技进行了部署,其中将纳米材料的制造科学与性能研究列入“八五”重点项目。
我国纳米科技已取得重大进展。
中科院化学所研制出了STM,并用其进行了石墨表面刻蚀,刻出线宽为10nm的“中国”字符。
中科院北京物理实验室研究了一种新的表面原子操纵方法,在室温下,成功地在单晶硅表面上提走硅原子,形成宽度为2nm的线条。
同时他们还实现了原子可提、可植的有序移植原子技术。
他们使用STM获得了硅原子字“毛泽东”。
这些技术的突破是我国纳米科技的重大进展,在高密度信息储存、纳米电子器件、量子阱器件、新型材料的组成和物种再选等方面具有非常重要和广泛的应用。
4结束语
这篇论文是本人在经过查阅大量的文献,并在指导老师认真细致地指导下完成的,论文简述了纳米技术的概念及纳米技术的应用,并对纳米技术的发展状况进行了研究分析。
笔者相信纳米技术对未来的科技发展与经济发展必将有深远的影响。
参考文献
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蔡锐;
韩燕;
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[4]吴鹰飞;
周兆英;
冯焱颖;
章刚华.纳米技术及其前景.科技通报,2003-02-25.
致谢
首先我要感谢我的论文指导老师丁持坤老师,在丁持坤的关心指导下,我完成了论文选题,各种资料的查阅,论文撰写与修改的全过程。
其次,我要感谢所有的老师,他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样;
他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。
感谢我的室友们,从遥远的家来到这个陌生的城市里,是你们和我共同维系着彼此之间姐妹般的情谊,维系着寝室那份家的融洽。
再次,我要感谢我的父母和亲友,他们给我无微不至的关怀,一直鼓励着我。
最后,我要感谢和我一起走过四年的同学们,感谢你们在生活中和学习中的帮助,在大学四年中和你们在一起的点滴将是我人生中最美好的回忆。
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