納米技術(shù)應(yīng)用于哪些領(lǐng)域
來源：好上學(xué) ??時間：2023-04-11
納米技術(shù)是用單個原 子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù),納米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu),納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個熱點,其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)被會認(rèn)為是世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。
目前其主要運用在:陶瓷領(lǐng)域、微電子學(xué)上、生物工程上、在光電領(lǐng)域、在化工領(lǐng)域、在醫(yī)學(xué)上。
詳細(xì)介紹如下：
1、納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用
陶瓷材料作為材料 的三大支柱 之一,在日常生活及工業(yè)生產(chǎn) 中起著舉 足輕重 的作用。但是,由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆,韌性、強度較差,因而使其應(yīng)用受到 了較大 的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛 應(yīng)用,納米陶瓷隨之產(chǎn)生,希望 以此來克服陶瓷材料 的脆性,使陶瓷具有象金屬一樣 的柔韌性和 可加工性。英國材料學(xué)家指 出納米 陶瓷是解決 陶瓷脆性 的戰(zhàn)略途徑。所謂納米 陶瓷,是指顯微結(jié)構(gòu) 中的物相具有納米級 尺度 的陶瓷材料、也就是說晶粒尺 寸、晶界寬度、
第二相分布、缺陷尺 寸等都是在 納米 量級 的水平上。要制備納米 陶瓷,這就需要解決粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制,團聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度 以及成分的控制。
2、納米技術(shù)在微 電子學(xué)上 的應(yīng)用
納米電子學(xué)是納米技術(shù) 的重要組成 部分,其主要思想是基于納米粒子 的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納 米
量子器件,它包括納米有 序無 序陣列體 系、納米微粒 與微孔 固體組 裝體 系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體 系。納米 電子學(xué) 的最終 目標(biāo) 是將集成 電路進一步減小,研制出由單原 子或單分 子構(gòu)成 的在室 溫能使用 的各種器件。目前,利用 納米 電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單 電子 晶體管,紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧 的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成 的超微磁場探測器 已經(jīng)問世。并且,具有奇特性能的碳納米管的研制成功,為納米 電子學(xué) 的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。碳納米管是 由石墨碳原 子層卷 曲而成,徑 向尺層控制在以下。電子在碳納米管的運 動在徑 向上受 到限制,
表現(xiàn) 出典型 的量子 限制效應(yīng),而在軸 向上 則不受任何 限制。以碳 納米管為模 子來制備一維
半導(dǎo)體量子材料,并不是憑空設(shè)想,清華大學(xué) 的范守善教授利用碳納米管,將氣相反應(yīng) 限制在納米管內(nèi)進行,從 而生 長 出半導(dǎo)體納米線。他們將一混合粉體置于石英 管 中的鉗 禍底 部,加熱并通人氣體與在碳納米管 中反應(yīng)生 長 出封 納米線,其徑 向尺寸為一。另外,在年,他們還制備 出了納米線。年該科研組與美 國斯坦福大學(xué)合作,在 國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳 納米管陣列 的 自組織生長,它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面 的應(yīng)用。其獨特 的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成 電路,超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。
3、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用
眾所周知,分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好 的信息處理材料、每一個生
物大分子本身就是一個微型處理器,分子在運動過程 中以可預(yù)測方式進行狀 態(tài)變化,其原理類 似于計算機的邏輯開關(guān),利用該特性并結(jié)合納米技術(shù),可 以此來設(shè)計量子計算機。美 國南加州大學(xué) 的博士等應(yīng)用基于分子計算技術(shù)的生物實驗方法，有效地解決了 目前計算機無法解決的問題一“哈密頓路徑問題”,使人們對生物材料 的信息處理功能和生物分子的計算技術(shù)有 了進一步的認(rèn)識雖然分子計算機目前只是處 于理想階段,但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機 的組件,其 中細(xì)菌視紫紅 質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性 和很好的穩(wěn)定性,并且,其奇特 的光學(xué)循環(huán)特性 可用于儲存信息,從而起 到代替 當(dāng)今計算機信息處理 和信息存儲 的作用。在整個光循環(huán)過程 中,
細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不 同的中間體過程,伴隨相應(yīng) 的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。等研究 了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分潛在的并行處 理機制和用作三維存儲器 的潛能。通過調(diào)諧激光束,將信息并行地寫人細(xì)菌視紫紅質(zhì)立體,
并從立方體中讀取信息,并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供 比二維光學(xué)存儲器大得多的存儲空間。納米計算機 的問世,將會使當(dāng)今 的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極 限,
使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理 的能力提高上百萬倍,從而實現(xiàn)電子學(xué)上 的又一次革命。
4、納米技術(shù)在光 電領(lǐng)域的應(yīng)用
納米技術(shù) 的發(fā)展,使微 電子 和光 電子 的結(jié)合更加緊密,在光 電信息傳輸、存貯、處理、運算和示
等方面,使光 電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上,可使其能力提高倍至 幾百倍,甚至 可 以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進行高精度 的對地偵察。但是要獲取高分辨圖年第期廣 東 有云 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 吮廣 州 合 云 工 商 高 級 技 工 學(xué) 校學(xué)報像,就必需先進 的數(shù)字信息 處理技術(shù)?？?學(xué)家們發(fā)現(xiàn),將光調(diào) 制器 和光探測器結(jié)合在 一 起 的量子 阱 自電光效應(yīng)器件,將 為實現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運算提供可能。美國桑迪亞 國家實驗室 的等發(fā)現(xiàn)納米激光器 的微小尺寸可 以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上,而低音廊效應(yīng)則使光 子受 到約束,直 到所 產(chǎn)生 的光波 累積起足夠多 的能量后 透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作 效 率,而能量 闌則很低。納米激光器實際上 是一根彎 曲成極 薄 面包 圈的形狀 的光子導(dǎo)線,實驗發(fā)現(xiàn),納米激光器 的大小 和形狀能夠有效控制它發(fā)射 出的光子 的量子行 為,從 而影 響激光器 的工作。研究還發(fā)現(xiàn),納米激光器工作時只需約微安的電流。最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線縮小到只有五 分之一立方微米體積 內(nèi)。在這一尺度上,此結(jié)構(gòu) 的光子狀態(tài)數(shù)少于個,接近 了無能量運行所要求的條件,但是光子 的數(shù) 目還 沒有減 少 到這樣 的極 限上。最 近,麻省理工學(xué)院的研究人員 把被激發(fā) 的鋇原子一個一個地送人激光器 中,每個原子發(fā)射一個有用 的光子,其效率之高,令人驚訝。除了能提高效率以外,無能量 閡納米激光器 的運行還可 以得 出速度極快 的激光器。由于 只需要極少的能量就可 以發(fā)射激光,這類裝置可以實現(xiàn)瞬開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘億次的速度開關(guān),適合用 于光纖通信。由于納米技術(shù) 的迅速發(fā)展,這種無能量 閡納米激光器 的實現(xiàn)將指 日可待。
5、納米技術(shù)在化工領(lǐng)域 的應(yīng)用
納米粒子作為光催化劑,有著 許多優(yōu) 點。首先是粒徑小,比表 面積大,光催化效率高。另外,納米粒
子生成 的電子、空穴在 到達(dá)表 面之前,大部分不會重新結(jié)合。因此,電子、空穴能夠到達(dá)表面 的數(shù)量 多,則化學(xué)反應(yīng)活性 高。其 次,納米粒子分散在介質(zhì) 中往往具有透 明性,容易運用光學(xué)手段 和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表 面態(tài)密度的影響。目前,工業(yè)上利用米二氧化欽一三氧化二鐵作光催化‘劑,用于廢水 處理含了一或尹一體系,已經(jīng)取得 了很好 的效果,用淀溶 出法制備 出的粒徑 約一的 白色球狀欽 酸鋅粉體,表 面積大,化學(xué)活性 高,用它作 吸 附脫硫劑,
較 固相燒結(jié)法制備的欽 酸鋅粉體效果 明顯提高。
6、納米技術(shù)在 醫(yī)學(xué)上 的應(yīng)用
隨著納米技術(shù)的發(fā)展,在 醫(yī)學(xué)上該技術(shù)也開始嶄露 頭腳。研究人員發(fā)現(xiàn),生物體內(nèi)的蛋 白質(zhì)復(fù)
合體,其線度在一之間,并且生物體內(nèi)的多種病毒,也是納米粒子。以下 的粒子 比血液 中的紅 血球還要小,因 而可 以在血 管 中 自由流動。如果將超微粒子 注人 到血 液 中,輸送 到人體 的各個部位,
作為監(jiān)測和診斷疾病的手段?？蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米微粒進行 了細(xì)胞分離,用金 的納米粒子進行定位病變治療,以減 少 副作用等。另外,利用納米顆粒作為載體 的病毒誘導(dǎo)物已 經(jīng)取得 了突破性進展,現(xiàn)在已用 于臨床動物實驗,估計不久 的將來 即可服務(wù) 于人類。研究 納米技術(shù) 在生命醫(yī)學(xué)上應(yīng)用
,可 以在納米尺度上 了解生物大分子 的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,獲取生命信息。科學(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造 出分子機器人,在血液 中循環(huán),對身體各部位進行檢測、診斷,并實 施特殊治療,疏通腦 血管 中的血栓,清除心臟動 脈脂肪沉 積物,甚 至 可以用其吞 噬病毒,殺死癌細(xì)胞。區(qū)樣,在不久 的將來,被視為當(dāng)今疑難病癥 的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃 而解,從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一 次革命?？傊?納米技術(shù)正成為各 國科技界所關(guān) 注的焦點,正如錢學(xué)森院士所 預(yù)言 的那樣“納米左右和納米以下 的結(jié)構(gòu)將是下一 階段科技發(fā)展 的特點,會是一次技術(shù)革命,從而將是世紀(jì) 的又一次產(chǎn)業(yè)革命
。 ”
目前其主要運用在:陶瓷領(lǐng)域、微電子學(xué)上、生物工程上、在光電領(lǐng)域、在化工領(lǐng)域、在醫(yī)學(xué)上。
詳細(xì)介紹如下：
1、納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用
陶瓷材料作為材料 的三大支柱 之一,在日常生活及工業(yè)生產(chǎn) 中起著舉 足輕重 的作用。但是,由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆,韌性、強度較差,因而使其應(yīng)用受到 了較大 的限制。隨著納米技術(shù)的廣泛 應(yīng)用,納米陶瓷隨之產(chǎn)生,希望 以此來克服陶瓷材料 的脆性,使陶瓷具有象金屬一樣 的柔韌性和 可加工性。英國材料學(xué)家指 出納米 陶瓷是解決 陶瓷脆性 的戰(zhàn)略途徑。所謂納米 陶瓷,是指顯微結(jié)構(gòu) 中的物相具有納米級 尺度 的陶瓷材料、也就是說晶粒尺 寸、晶界寬度、
第二相分布、缺陷尺 寸等都是在 納米 量級 的水平上。要制備納米 陶瓷,這就需要解決粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制,團聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度 以及成分的控制。
2、納米技術(shù)在微 電子學(xué)上 的應(yīng)用
納米電子學(xué)是納米技術(shù) 的重要組成 部分,其主要思想是基于納米粒子 的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納 米
量子器件,它包括納米有 序無 序陣列體 系、納米微粒 與微孔 固體組 裝體 系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體 系。納米 電子學(xué) 的最終 目標(biāo) 是將集成 電路進一步減小,研制出由單原 子或單分 子構(gòu)成 的在室 溫能使用 的各種器件。目前,利用 納米 電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單 電子 晶體管,紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧 的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成 的超微磁場探測器 已經(jīng)問世。并且,具有奇特性能的碳納米管的研制成功,為納米 電子學(xué) 的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。碳納米管是 由石墨碳原 子層卷 曲而成,徑 向尺層控制在以下。電子在碳納米管的運 動在徑 向上受 到限制,
表現(xiàn) 出典型 的量子 限制效應(yīng),而在軸 向上 則不受任何 限制。以碳 納米管為模 子來制備一維
半導(dǎo)體量子材料,并不是憑空設(shè)想,清華大學(xué) 的范守善教授利用碳納米管,將氣相反應(yīng) 限制在納米管內(nèi)進行,從 而生 長 出半導(dǎo)體納米線。他們將一混合粉體置于石英 管 中的鉗 禍底 部,加熱并通人氣體與在碳納米管 中反應(yīng)生 長 出封 納米線,其徑 向尺寸為一。另外,在年,他們還制備 出了納米線。年該科研組與美 國斯坦福大學(xué)合作,在 國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳 納米管陣列 的 自組織生長,它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面 的應(yīng)用。其獨特 的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成 電路,超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。
3、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用
眾所周知,分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好 的信息處理材料、每一個生
物大分子本身就是一個微型處理器,分子在運動過程 中以可預(yù)測方式進行狀 態(tài)變化,其原理類 似于計算機的邏輯開關(guān),利用該特性并結(jié)合納米技術(shù),可 以此來設(shè)計量子計算機。美 國南加州大學(xué) 的博士等應(yīng)用基于分子計算技術(shù)的生物實驗方法，有效地解決了 目前計算機無法解決的問題一“哈密頓路徑問題”,使人們對生物材料 的信息處理功能和生物分子的計算技術(shù)有 了進一步的認(rèn)識雖然分子計算機目前只是處 于理想階段,但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機 的組件,其 中細(xì)菌視紫紅 質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性 和很好的穩(wěn)定性,并且,其奇特 的光學(xué)循環(huán)特性 可用于儲存信息,從而起 到代替 當(dāng)今計算機信息處理 和信息存儲 的作用。在整個光循環(huán)過程 中,
細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不 同的中間體過程,伴隨相應(yīng) 的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。等研究 了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分潛在的并行處 理機制和用作三維存儲器 的潛能。通過調(diào)諧激光束,將信息并行地寫人細(xì)菌視紫紅質(zhì)立體,
并從立方體中讀取信息,并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供 比二維光學(xué)存儲器大得多的存儲空間。納米計算機 的問世,將會使當(dāng)今 的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極 限,
使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理 的能力提高上百萬倍,從而實現(xiàn)電子學(xué)上 的又一次革命。
4、納米技術(shù)在光 電領(lǐng)域的應(yīng)用
納米技術(shù) 的發(fā)展,使微 電子 和光 電子 的結(jié)合更加緊密,在光 電信息傳輸、存貯、處理、運算和示
等方面,使光 電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上,可使其能力提高倍至 幾百倍,甚至 可 以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進行高精度 的對地偵察。但是要獲取高分辨圖年第期廣 東 有云 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 吮廣 州 合 云 工 商 高 級 技 工 學(xué) 校學(xué)報像,就必需先進 的數(shù)字信息 處理技術(shù)?？?學(xué)家們發(fā)現(xiàn),將光調(diào) 制器 和光探測器結(jié)合在 一 起 的量子 阱 自電光效應(yīng)器件,將 為實現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運算提供可能。美國桑迪亞 國家實驗室 的等發(fā)現(xiàn)納米激光器 的微小尺寸可 以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上,而低音廊效應(yīng)則使光 子受 到約束,直 到所 產(chǎn)生 的光波 累積起足夠多 的能量后 透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作 效 率,而能量 闌則很低。納米激光器實際上 是一根彎 曲成極 薄 面包 圈的形狀 的光子導(dǎo)線,實驗發(fā)現(xiàn),納米激光器 的大小 和形狀能夠有效控制它發(fā)射 出的光子 的量子行 為,從 而影 響激光器 的工作。研究還發(fā)現(xiàn),納米激光器工作時只需約微安的電流。最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線縮小到只有五 分之一立方微米體積 內(nèi)。在這一尺度上,此結(jié)構(gòu) 的光子狀態(tài)數(shù)少于個,接近 了無能量運行所要求的條件,但是光子 的數(shù) 目還 沒有減 少 到這樣 的極 限上。最 近,麻省理工學(xué)院的研究人員 把被激發(fā) 的鋇原子一個一個地送人激光器 中,每個原子發(fā)射一個有用 的光子,其效率之高,令人驚訝。除了能提高效率以外,無能量 閡納米激光器 的運行還可 以得 出速度極快 的激光器。由于 只需要極少的能量就可 以發(fā)射激光,這類裝置可以實現(xiàn)瞬開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘億次的速度開關(guān),適合用 于光纖通信。由于納米技術(shù) 的迅速發(fā)展,這種無能量 閡納米激光器 的實現(xiàn)將指 日可待。
5、納米技術(shù)在化工領(lǐng)域 的應(yīng)用
納米粒子作為光催化劑,有著 許多優(yōu) 點。首先是粒徑小,比表 面積大,光催化效率高。另外,納米粒
子生成 的電子、空穴在 到達(dá)表 面之前,大部分不會重新結(jié)合。因此,電子、空穴能夠到達(dá)表面 的數(shù)量 多,則化學(xué)反應(yīng)活性 高。其 次,納米粒子分散在介質(zhì) 中往往具有透 明性,容易運用光學(xué)手段 和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級結(jié)構(gòu)與表 面態(tài)密度的影響。目前,工業(yè)上利用米二氧化欽一三氧化二鐵作光催化‘劑,用于廢水 處理含了一或尹一體系,已經(jīng)取得 了很好 的效果,用淀溶 出法制備 出的粒徑 約一的 白色球狀欽 酸鋅粉體,表 面積大,化學(xué)活性 高,用它作 吸 附脫硫劑,
較 固相燒結(jié)法制備的欽 酸鋅粉體效果 明顯提高。
6、納米技術(shù)在 醫(yī)學(xué)上 的應(yīng)用
隨著納米技術(shù)的發(fā)展,在 醫(yī)學(xué)上該技術(shù)也開始嶄露 頭腳。研究人員發(fā)現(xiàn),生物體內(nèi)的蛋 白質(zhì)復(fù)
合體,其線度在一之間,并且生物體內(nèi)的多種病毒,也是納米粒子。以下 的粒子 比血液 中的紅 血球還要小,因 而可 以在血 管 中 自由流動。如果將超微粒子 注人 到血 液 中,輸送 到人體 的各個部位,
作為監(jiān)測和診斷疾病的手段?？蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米微粒進行 了細(xì)胞分離,用金 的納米粒子進行定位病變治療,以減 少 副作用等。另外,利用納米顆粒作為載體 的病毒誘導(dǎo)物已 經(jīng)取得 了突破性進展,現(xiàn)在已用 于臨床動物實驗,估計不久 的將來 即可服務(wù) 于人類。研究 納米技術(shù) 在生命醫(yī)學(xué)上應(yīng)用
,可 以在納米尺度上 了解生物大分子 的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,獲取生命信息。科學(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造 出分子機器人,在血液 中循環(huán),對身體各部位進行檢測、診斷,并實 施特殊治療,疏通腦 血管 中的血栓,清除心臟動 脈脂肪沉 積物,甚 至 可以用其吞 噬病毒,殺死癌細(xì)胞。區(qū)樣,在不久 的將來,被視為當(dāng)今疑難病癥 的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃 而解,從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一 次革命?？傊?納米技術(shù)正成為各 國科技界所關(guān) 注的焦點,正如錢學(xué)森院士所 預(yù)言 的那樣“納米左右和納米以下 的結(jié)構(gòu)將是下一 階段科技發(fā)展 的特點,會是一次技術(shù)革命,從而將是世紀(jì) 的又一次產(chǎn)業(yè)革命
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