纳米

  
用电子显微镜拍摄的纳米纤维。照片由哈佛大学韩国留学生Gang Seong-hun拍摄
用电子显微镜拍摄的纳米纤维。照片由哈佛大学韩国留学生Gang Seong-hun拍摄
  纳米(nm)如同厘米、分米和米一样,是度量长度的单位,一纳米等于十亿分之一米,将一纳米的物体放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般。纳米科技就是一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿科学。
  从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显着变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100纳米以下,因此定义:颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的,后来相继问世的有纳米半导体薄膜,纳米陶瓷、纳米瓷性材料、纳米生物医学材料等。
  

换算单位

  1,000,000,000纳米 = 1 米(m)  1,000,000纳米 = 1 毫米(mm)   
  1,000纳米 = 1 微米(μm)
 

纳米简介

  纳米是一种几何尺寸的度量单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之一米。略等于四十五个原子排列起来的长度。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。
  自从扫描隧道显微镜发明后,世界上便诞生了一门以0. 1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科,这就是纳米科技,其实就是一种用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界,它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。

纳米科技影响力

 
  从90年代初起,纳米科技得到迅速发展,新名词、新概念不断涌现,像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。纳米科技是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础,将对人类未来产生深远影响。

·纳米电子器件

  以纳米技术制造的电子器件,其性能大大优于传统的电子器件: . 工作速度快,纳米电子器件的工作速度是硅器件的1000倍,因而可使产品性能大幅度提高。功耗低,纳米电子器件的功耗仅为硅器件的1/1000。信息存储量大,在一张不足巴掌大的5英寸光盘上,至少可以存储30个北京图书馆的全部藏书。体积小、重量轻,可使各类电子产品体积和重量大为减小。
纳米金属块体
  纳米金属块体

·纳米金属块体

  将金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料,强度比一般金属高十几倍,又可拉伸几十倍。用来制造飞机、汽车、轮船,重量可减小到原来的十分之一。
 

·纳米陶瓷

  用纳米陶瓷颗粒粉末制成的纳米陶瓷具有塑性,为陶瓷业带来了一场革命。将纳米陶瓷应用到发动机上,汽车会跑得更快,飞机会飞得更高。
  

·纳米氧化物材料

  纳米氧化物颗粒在光的照射下或在电场作用下能迅速改变颜色。用它做士兵防护激光枪的眼镜再好不过了。将纳米氧化物材料做成广告板,在电、光的作用下,会变得更加绚丽多彩。
 

·纳米半导体材料

  纳米半导体材料可以发出各种颜色的光,可以做成小型的激光光源,还可将吸收的太阳 光中的光能变成电能。用它制成的太阳能汽车、太阳能住宅有巨大的环保价值。用纳米半导体做成的各种传感器,可以灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化,在监控汽车尾气和保护大气环境上将得到广泛应用。
  

·纳米药物

  把药物与磁性纳米颗粒相结合,服用后,这些纳米药物颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动。再在人体外部施加磁场加以导引,使药物集中到患病的组织中,药物治疗的效果会大大提高。还可利用纳米药物颗粒定向阻断毛细血管,“饿”死癌细胞。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离,也可以用来携带DNA治疗基因缺陷症。目前已经用磁性纳米颗粒成功地分离了动物的癌细胞和正常细胞,在治疗人的骨髓疾病的临床实验上获得成功,前途不可限量。
  

·纳米加工技术

  在纳米尺寸的世界中按照人们的意愿,自由地剪裁、构筑材料,这一技术被称为纳米加工技术。纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起,它既具有芯片的功能,又可探测到电磁波(包括可见光、红外线和紫外线等)信号,同时还能完成电脑的指令,这就是纳米集成器件。将这种集成器件应用在卫星上,可以使卫星的重量、体积大大减小,发射更容易,成本也更便宜。可以让纳米技术走入百姓生活。
  

技术概念

 

·第一种

  从迄今为止的研究状况看,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未取得重大进展。
  

·第二种

  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。现有技术即便发展下去,从理论上讲终将会达到限度。这是因为,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜的为得极薄,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。
涂覆了纳米改性硅橡胶涂层的陶瓷绝缘子照片
涂覆了纳米改性硅橡胶涂层的陶瓷绝缘子照片
  

·第三种

  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。所谓纳米技术,是指在0.1~100纳米的尺度里,研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中,发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,显着地表现出许多新的特性,而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术,就称为纳米技术。
  

·综合概念

  纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。   纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国着名科学家钱学森也曾指出,纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。   虽然距离应用阶段还有较长的距离要走,但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景,美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视,纷纷制定研究计划,进行相关研究。
  

应用案例

 

·纳米赛车

  美国莱斯大学的科学家2010年1月6日表示,他们开发出了宽度仅为人体头发直径1/50000的“纳米赛车”,其性能超过了过去人们研发的同类“纳米车”。研究人员认为,新开发的“纳米赛车”有望加快人们获得未来新一代分子机器的步伐。相关研究成果发表在近日出版的美国化学会《有机快报》双周刊上。
  莱斯大学化学系、机械工程和材料系、R.E.斯莫利纳米科技研究所以及电子和计算机系的科学家群策群力打造了该赛车。研究人员詹姆斯·托尔和凯文·克里认为,组建可预期的分子机器的关键在于改进控制小分子运动的能力。他们同时也表示,控制由分子组成的某些纳米机器在未来可能在计算机电路和其他电子部件制造中发挥作用。
  早在2005年,托尔曾设计和组建出“纳米车”,其中包括以“巴基球”(“巴基球”是由60个碳原子构成的纳米级球状分子,具有很多新奇特性,在纳米技术研究中广受科学家重视)为车轮的“纳米轿车”。该“纳米轿车”不过3纳米至4纳米见方,不到头发丝直径的2万分之一,却拥有完整的底盘、轮轴和车轮。托尔等人当时预计,未来这种车辆可以用来运输分子,生产复杂的材料或药物,成为“纳米生产”中的有用工具。
  在热或电场梯度的环境下,“纳米轿车”能在金材料表面行驶。但是,人们对“纳米轿车”的控制具有局限性,这导致其难以得到广泛应用,主要的限制因素是缺乏可用来研究“纳米车”运动范围和能力的纳米量级工具。
  托尔等人新开发的“纳米赛车”解决了以往“纳米车”存在的部分问题。该车前端具有更小的轴和用特殊材料制成的更易滚动的车轮;后轮虽然也是用“巴基球”做成,但其轴更长,从而提高了“纳米赛车”的抓地力。与普通“纳米车”相比,经过改进的“纳米赛车”能够在更低的温度下行驶,且更加灵活。科学家表示,“纳米赛车”为人们获得更理想的分子机器铺平了道路。
  2009年6月24日,由中国科学院基础局和计划局组织同行专家,对国家纳米科学中心、中国科学院过程工程研究所及中国电力科学研究院合作完成的“新型电力防污闪纳米复合室温硫化硅橡胶(RTV)材料”进行了鉴定。
  与会专家听取了项目组的研发报告、技术实施及查新报告、经济社会效益和测试报告,对鉴定资料进行了审查,考察了实验现场,并对报告的内容进行了质询后,专家组认为该项目开发了层状类水滑石结构颗粒的一步合成法新工艺,合成出纳米针状掺杂α-FeOOH、Mg-Ca-Ce复合氧化物,提高了RTV涂层材料的耐老化性能和使用寿命;通过多尺度纳米颗粒的复配、不同表面效应耦合,大大提高了RTV涂层的附着力、疏水迁移性、电气性能、力学性能等综合性能;形成了纳米颗粒表面设计、分散技术与复合工艺等系列核心技术,实现了新型防污闪纳米复合RTV材料制备工艺的放大。中试样品通过了中国电力工业电力设备及仪表质量检验测试中心的第三方检测,所检十七个型式试验项目全部达到或优于行业标准DL/T627-2004的要求,成本性能明显优于国内外同类产品。
  

·嵌段共聚物纳米膜能过滤水中细菌

  据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家使用嵌段共聚物合成出一种新式的纳米膜,该膜可过滤掉饮用水中的细菌。科学家认为,这种纳米膜或可解决一个多年悬而未决的全球健康问题:如何将细菌从饮用水中隔离开。该研究发表在《纳米快报》杂志上。
  水分子和细菌非常微小,人的裸眼无法看到,科学家一般以纳米为单位来标注其大小。但在显微镜下,水分子和细菌的大小则迥然不同。单个水分子的直径远远小于1纳米,而大多数细菌的大小则有几百纳米。
  纽约州立大学水牛城分校的化学家扎维德·罗扎耶夫领导的研究小组,使用嵌段共聚物合成出一种新式纳米膜,该纳米膜含有直径约为55纳米的孔隙,这种孔隙的大小足以让水分子成为“漏网之鱼”,但细菌却无法通过;而且,嵌段共聚物拥有的特殊属性能让孔隙平均分布于该纳米膜上。
  罗扎耶夫表示,商用膜在孔隙密度或孔隙大小的一致性方面都存在局限,但新式纳米膜上的孔隙分布均匀,孔隙的大小也整齐划一,该膜可作过滤膜使用。并且,这个直径为55纳米的孔隙是迄今为止科学家使用嵌段共聚物制造出的最大的孔隙。增大孔隙会增加水流、降低成本、节省时间。另外,直径为50纳米到100纳米的孔隙也足够小,任何细菌都无法通过。
  新纳米膜拥有的特殊属性要归功于其原始材料嵌段共聚物。嵌段共聚物由化学结构不同且较短的聚合物交替构成。这两个聚合物会相互排斥,但在另一端会紧紧依附在一起形成一个聚合物。当许多嵌段共聚物混杂在一起时,它们之间的相互排斥力会让它们采用一种有规则的、交替的模式集合在一起。这个自我组装过程最终得到的结果就是一个由两类不同聚合物组成的固体纳米膜。
  为了让该纳米膜上的孔隙平均分布,罗扎耶夫团队移除了其中的一种聚合物。孔隙相对较大是因为组成原初嵌段共聚物的分子具有类似于试管刷状的独特结构。
  

·具可弯曲折叠性纸质锂电池问世

  电池是各种便携式电子产品的重要却又恼人的部件。尤其碰到大而且重的电池,让设备的移动性更差,而较小的电池,又会导致设备性能降低或电池寿命变短。不过,现在斯坦福大学开发的新型锂离子电池或将让这一切变得更加便捷:新型的超薄可充电电池已经可以制作在一张纸上,从此变得轻型,灵活,就像普通的A4纸一样方便。
一张可折叠的纸质锂电池
一张可折叠的纸质锂电池
  来自斯坦福大学的一位材料科学家将薄膜碳纳米管涂在另一张表层含有金属的锂化合物纳米管上。这些很薄的双层薄膜放在普通纸张的两面,纸张既是电池的支撑结构,同时也起到分离电极的作用。锂作为电极,而碳纳米管层则是电流集合管。这样以来,电池仅有300微米厚,而且节能效果比其它电池更好。这也并非一次性的电池,经过300多次循环充电测试,性能仍然令人满意。更让人兴奋的是,这种电池生产难度不高,比其他瘦身电池的方法更加容易投入商用化。
  虽然目前这种电池还不太成熟,也可能并非所有移动设备的最理想配件,但它们可能在未来大有用处,如智能化包装,电子标签应用以及电子纸产品等领域。
  

·南非利用纳米技术制造出简便的水净化袋

  南非斯泰伦布什大学的研究人员近日发明了一种方便携带、简单易用、环境友好的可净化水的产品。它外表看上去与普通的袋装泡茶一样,但一旦浸入水中,它不是散发出茶叶的芳香,而是强力吸附水中的各种杂质和有害物质。简单的说,只需将它塞在水壶(瓶)口,从壶中流出的就是可以饮用的干净水。研究人员表示,这种高科技、低成本、易处理的水过滤袋将在未来几个月内实现商品化。
  斯泰伦布什大学理学院院长、微生物学家尤金?克卢迪教授说,18个月前,他在访问该校技术转让公司时,该校化学与聚合物科学系的尤金?斯密特博士向他介绍利用电纺丝技术(electrospinning)可制造纳米尺寸的超细纤维,他当时就想这是否可以用于污染水的净化。他的研究小组与该校微生物学系研究人员及该校聚合物专家们一起,经过多次试验,终于用可生物降解的材料制造出外形和尺寸与市面上现成的如意波斯茶(Rooibos,南非当地产的一种袋装泡茶)一样的“茶叶袋”,其内装的“茶叶”是内部涂敷薄薄一层生物杀菌剂的微细的纳米管,可以杀死所有致病微生物。哪怕是污染最严重的水,经过滤袋过滤后,都可以变成100%安全的饮用水。克卢迪说,他们用被病原体高度污染的河水做实验,过滤出来的水是完全干净的。过滤袋是一次性的,用后即扔掉,在水壶(瓶)口塞入一个新的过滤袋,即可进行下次过滤。
  克卢迪认为,缺乏足量的、安全的、可负担得起的水供应严重影响了包括穷人、老年人、艾滋病人和儿童在内的非洲弱势人群的生活。目前世界上已报告的霍乱病例中90%出现在非洲,有大约3亿非洲人不能获得安全的饮用水。这个“茶叶袋”集他们多年在水处理净化、纳米技术和食品微生物学方面的研究成果于一体,目的是为居住在遭污染河流附近的人们提供一种简单的方法来获得干净的饮用水,也为那些户外运动和登山爱好者提供了一个选择。
  南非标准局目前正在对该产品进行测试,克卢迪希望在获得批准后,尽快向有关社区推广该产品。
  

·高效存储氢的纳米复合材料研制成功

  据美国物理学家组织网近日报道,美国科学家设计出了一种新的储氢纳米复合材料,它由金属镁和聚合物组成,能在常温下快速吸收和释放氢气,这是氢气储存和氢燃料电池等领域取得的又一个重大突破。
  上世纪70年代,人们开始将氢气看成化石燃料的替代品并对其寄予厚望,因为氢气燃烧后得到的副产品只有水,而其他碳氢化合物燃料燃烧后会喷射出温室气体和有害污染物。另外,同汽油相比,氢气的质量更轻,能量密度更大且来源丰富。
  但氢气要想作为燃料替代汽油,就必须解决两大难题:如何安全且密集地存储,以及如何更容易获得。最近几年,科学家一直尝试解决这两个问题。他们试着将氢气“锁”在固体中;试着在更小的空间内存储更多氢气,同时让氢气的反应性很低――要让氢气这种易挥发的物质保持稳定,低反应性非常重要。然而,大多数固体只能吸收少量氢气,同时,还需要对整个系统进行极度地加热或冷却来提升其能效。
  现在,美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室的科学家设计出了一种新的纳米储氢复合材料,其由金属镁纳米离子散落在一个聚甲基丙烯酸甲酯(同树脂玻璃有关的聚合物)基质组成。新材料在常温下就能快速地吸收和释放氢气,在吸收和释放氢气的循环中,金属镁也不会氧化。
  研究人员詹弗•厄本表示,这项研究表明,在设计纳米复合材料中,他们能够突破基本的热力学和动力学障碍,让物质很好地结合在一起;而且也能有效地平衡新复合材料中的聚合物和纳米金属粒子,从而