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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 納米技術的應用及其前景 [打印本頁]

作者: 知識達人 時間: 2010-9-9 17:58
標題: 納米技術的應用及其前景
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)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，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。英國材料學家Cahn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，是指顯微結構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。
　　Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的范性形變。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。上海硅酸鹽研究所在納米陶瓷的制備方面起步較早，他們研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗后，在納米3Y-TZP樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達380%，并從斷口側面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線。 Tatsuki等人對制得的Al2O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗，結果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移，Al2O3晶界處的納米SiC粒子發(fā)生旋轉并嵌入Al2O3晶粒之中，從而增強了晶界滑動的阻力，也即提高了Al2O3-SiC納米復相陶瓷的蠕變能力。
　　雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

　　納米技術在微電子學上的應用

　　納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設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、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。
　　目前，利用納米電子學已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應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，為納米電子學的發(fā)展起到了關鍵的作用。
　　碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm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，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體量子材料，并不是憑空設想，清華大學的范守善教授利用碳納米管，將氣相反應限制在納米管內進行，從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。另外，在1997年，他們還制備出了GaN納米線。1998年該科研組與美國斯坦福大學合作，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用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領域。
　　早在1989年，IBM公司的科學家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細量子線結構技術，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，由激光驅動，并且開、關速度很快。
　　美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。此外，若能將幾十億個量子點連結起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。
　　納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。

　　納米技術在生物工程上的應用
　　眾所周知，分子是保持物質化學性質不變的最小單位。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測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“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有了進一步的認識。
　　雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學家已經(jīng)考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當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，細菌視紫紅質經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應的物質結構變化。Birge等研究了細菌視紫紅質分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調諧激光束，將信息并行地寫入細菌視紫紅質立方體，并從立方體中讀取信息，并且細菌視紫紅質的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。
　　到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子計算機組件?？茖W家們認為：要想提高集成度，制造微型計算機，關鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學已經(jīng)利用細菌視紫紅質蛋白質制作出了光導“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質存儲器。此外，他們還利用細菌視紫紅質蛋白質研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡和聯(lián)想式存儲裝置。
　　納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的又一次革命。

納米技術在光電領域的應用
　　納米技術的發(fā)展，使微電子和光電子的結合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進的數(shù)字信息處理技術。科學家們發(fā)現(xiàn)，將光調制器和光探測器結合在一起的量子阱自電光效應器件，將為實現(xiàn)光學高速數(shù)學運算提供可能。
　　美國桑迪亞國家實驗室的Paul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構。其結果是激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。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100微安的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內。在這一尺度上，此結構的光子狀態(tài)數(shù)少于10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，麻省理工學院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，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，無能量閾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)瞬時開關。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關，適合用于光纖通信。由于納米技術的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實現(xiàn)將指日可待。

　　納米技術在化工領域的應用

　　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、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合。因此，電子、空穴能夠到達表面的數(shù)量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態(tài)密度的影響。目前，工業(yè)上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-體系），已經(jīng)取得了很好的效果。
　　用沉淀溶出法制備出的粒徑約30~60nm的白色球狀鈦酸鋅粉體，比表面積大，化學活性高，用它作吸附脫硫劑，較固相燒結法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高。
　　納米靜電屏蔽材料，是納米技術的另一重要應用。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹脂摻加碳黑噴涂而成，但性能并不是特別理想。為了改善靜電屏蔽材料的性能，日本松下公司研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。另外，氧化物納米微粒的顏色各種各樣，因而可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性，而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。
　　另外，如將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。一般認為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%，即可充分屏蔽紫外線。目前，日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。紫外線不僅能使肉類食品自動氧化而變色，而且還會破壞食品中的維生素和芳香化合物，從而降低食品的營養(yǎng)價值。如用添加0.1~0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品，既可以防止紫外線對食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。將金屬納米粒子摻雜到化纖制或紙張中，可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構成的海綿體狀的輕燒結體，可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機化合物等的分離和濃縮，用于電池電極、化學成分探測器及作為高效率的熱交換隔板材料等。納米微粒還可用作導電涂料，用作印刷油墨，制作固體潤滑劑等。
　　用化學共沉淀法得到ZnCO3包覆Ti(OH)4粒子，在一定溫度下預焙解后，溶去絕大部分包覆的ZnO粉體，利用體系中少量的ZnTiO3（ZnTiO3與TiO2(R)的晶體結構類似）促進了TiO2從銳鈦型向金紅石型的轉化，制得粒徑約20~60nm的金紅石型二氧化鈦粉體。用紫外分光光度計進行了光學性能測試，結果發(fā)現(xiàn)此粉體對240~400nm的紫外線有較強的吸收，吸收率高達92%以上，其吸收性能遠遠高于普通TiO2粉體。另外，由于納米粉體的量子尺寸效應和體積效應，導致納米粒子的光譜特性出現(xiàn)“蘭移”或“紅移”現(xiàn)象。在制備超細鋁酸鹽基長余輝發(fā)光材料時，用軟化學法合成出的超細發(fā)光粉體的發(fā)射光譜的主峰位置，較固相機械混合燒結法制備的發(fā)光粉體蘭移了12nm。余輝衰減曲線表明，該法合成出的發(fā)光粉體，其余輝衰減速度相對固相法合成出的發(fā)光粉體要快得多，這些都是由于粉體粒子大幅度減小所致。
　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，可以利用納米碳管其獨特的孔狀結構，大的比表面（每克納米碳管的表面積高達幾百平方米）、較高的機械強度做成納米反應器，該反應器能夠使化學反應局限于一個很小的范圍內進行。在納米反應器中，反應物在分子水平上有一定的取向和有序排列，但同時限制了反應物分子和反應中間體的運動。這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應的方向和速度?？茖W家們利用納米尺度的分子篩作反應器，在烯烴的光敏氧化作用中，將底物分子置于反應器的孔腔中，敏化劑在溶液中，這樣就只生成單重態(tài)的氧化產(chǎn)物。用金屬醇化合物和羧酸反應，可合成具有一定孔徑的大環(huán)化合物。利用嵌段和接技共聚物會形成微相分離，可形成不同的“納米結構”作為納米反應器。

　　納米技術在醫(yī)學上的應用

　　隨著納米技術的發(fā)展，在醫(yī)學上該技術也開始嶄露頭腳。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內的RNA蛋白質復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內的多種病毒，也是納米粒子。10nm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。如果將超微粒子注入到血液中，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SiO2微粒進行了細胞分離，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于人類。
　　研究納米技術在生命醫(yī)學上的應用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息。科學家們設想利用納米技術制造出分子機器人，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，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當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)學研究發(fā)生一次革命。

　　納米技術在分子組裝方面的應用

　　納米技術的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。研究評估表征的方法，并探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結構材料的研究。雖然已經(jīng)取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現(xiàn)分子手術的主要手段。科學家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內生成并穩(wěn)定存在，則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發(fā)生。
　　1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅材料為基，利用液晶模板技術，在納米尺度上實現(xiàn)有機／無機離子的自組裝反應。其特點是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm內連續(xù)可調，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性。使其在分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應用前景。同時，這類材料在較大范圍內可連續(xù)調節(jié)其納米孔道結構，可以作為納米粒子的微型反應容器。
　　Wagner等利用四硫富瓦烯的獨特的氧化還原能力，通過自組裝方式合成了具有電荷傳遞功能的配合物分子梭，具有開關功能。Attard等利用液晶作為穩(wěn)定的預組織模板，利用表面活性劑對水解縮聚反應過程和溶膠表面進行控制，合成了六角液晶狀微孔SiO2材料。Schmid等利用特定的配位體，成功地制備出均勻分布的由55個Au原子組成的金納米粒子。據(jù)理論預測，如果以這種金納米粒子做成分子器件，其分子開關的密度將會比一般半導體提高105~106倍。
　　1996年，IBM公司利用分子組裝技術，研制出了世界上最小的“納米算盤”，該算盤的算珠由球狀的C60分子構成。美國佐治亞理工學院的研究人員利用納米碳管制成了一種嶄新的“納米秤”，能夠稱出一個石墨微粒的重量，并預言該秤可以用來稱取病毒的重量。
　　李彥等以六方液晶為模板合成了CdS納米線，該納米線生長在表面活性劑分子形成的六方堆積的空隙水相內，呈平行排列,直徑約1~5nm。利用有機表面活性劑作為幾何構型模板劑，通過有機/無機離子間的靜電作用，在分子水平上進行自組裝合成，并形成規(guī)則的納米異質復合結構，是實現(xiàn)對材料進行裁減的有效途徑。

　　納米技術在其它方面的應用

　　利用先進的納米技術，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人—機對話并具有自我復制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內完成數(shù)十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標喪失功能。
　　利用納米技術還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應用前景的技術開發(fā)領域

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