纳米科技的内涵和发展

纳米科技的内涵和发展

1利用三大学科交叉的科学和技术纳米技术是20世纪80年代末和90年代初逐步发展起来的一个新兴学科领域。它用于研究材料（包括原子和分子的操纵）的性质和相互作用，并将这些特征用于多学科的交叉科学和技术。纳米科技的内涵主要包括以下四个方面内容:(1)纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料性能的改变:(2)将物质通过超精细加工,逐渐缩小到纳米级尺寸,即“自上而下”(TopDown)的加工技术;(3)从单个原子、分子出发来构建特殊的结构,制造具有所需功能的器件或装置。即“自下而上”(BottomUp)的加工技术:(4)仿制生物体系的纳米结构,利用生物的自识别、自组织、自复制的功能制造特定的纳米产品。即从生命科技的角度完成这种“自下而上”的技术路线。2纳米金属的特性纳米材料因其颗粒尺寸进入纳米量级(1～100nm)而产生四大效应:即量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学特性。主要表现在宽频带强吸收、蓝移(吸收带移向短波方向)和特异发光现象。例如:各种金属的纳米微粒几乎都程黑色(由于对可见光的低反射率、强吸收率所致);灰色的半导体材料硅,颗粒小到4～6nm会发出淡淡的红光;主要表现为超导电性、介电和压电特性。例如:金属银是优异的良导体,而10～15nm的银微粒电阻突然升高已失去常规金属的特征,变成非导体;具有绝缘性能的二氧化硅,当尺寸小到10～15nm时电阻大大下降,而具有导电性;10～15nm的铁磁金属微粒矫玩力比相同的宏观材料大1000倍,而当颗粒尺寸小于10nm时矫玩力变为零,表现为超顺磁性:纳米磁性金属的磁化率是宏观状态下的20倍,而饱和磁矩是宏观状态下的1/2;主要表现为扩散率的提高和烧结温度的降低。例如:纳米Cu的扩散率是传统Cu晶体的1014～1020倍,是晶界扩散率的103倍;金的熔点为1063℃,其颗粒小到2nm以下时熔点仅为327℃;银的熔点为960℃,其纳米颗粒的熔点低于100℃;常规氧化铝烧结温度在1700～1800℃,而纳米氧化铝可在1150～1400℃烧结,致密度可达99%以上;主要表现为比热容、热膨胀系数的变化。例如:纳米金属Cu的比热容是传统纯Cu的2倍:纳米固体Pd的热膨胀比传统Pd材料提高1倍:纳米Ag作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高30%;主要表现为强度、硬度、韧性的变化。例如:碳纳米管(一种长度和直径之比很高的纤维,5万个碳纳米管并排起来才有人的一根头发丝宽)的韧性极高,强度比钢高100倍,比重只有钢的1/6;颗粒为6nm的Fe材料的断裂强度比一般多晶Fe高12倍:粒径为6nm的Cu的硬度比粗晶试样高5倍;德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛,在室温下显示良好的韧性,在180℃经受弯曲并不产生裂纹;主要表现在催化性能的提高。例如:粒径为30nm的催化剂可把一般催化剂作用下的有机化学加氢和脱氢反应速度提高15倍;利用纳米镍粉作为火箭固体燃料的反应催化剂燃烧效率提高100倍;利用纳米材料的这些特性,不仅能改良传统材料,又能源源不断地产生出新的材料。纳米科技的发展,使纳米技术的应用领域十分广阔。3纳米技术的应用3.1国外研究现状美国佐治亚理工学院(GeorgiaInstituteofTechnology)教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林和他的博士生宋金会利用竖直结构的氧化锌纳米线的独特性质,在原子力显微镜的帮助下,成功研制出将机械能转化为电能的世界上最小的发电装置一纳米发电机(2006年4月13日出版的美国《科学》周刊报道)。这是世界上首例纳米发电机。他们利用氧化锌纳米线容易被弯曲的特性而在纳米线内部外部分别造成压缩和拉伸。同时,竖直生长的氧化锌是纤锌矿结构,同时具有半导体性能和压电效应。压电效应是一由材料中的力学形变而导致的电荷极化的效应,它是实现力电耦合和传感的重要物理过程。氧化锌纳米线的这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生极化电荷。他们用导电原子力显微镜的探针针尖去弯曲单个的氧化锌纳米线,输入机械能。同时由于氧化锌的半导体特性,他们巧妙的把这一特性和氧化锌纳米线的压电特性耦合起来,用半导体和金属的肖特基势垒将电能暂时储存在纳米线内,然后用导电的原子力显微镜探针接通这一电源,并向外界输电,从而完美的实现了纳米尺度的发电功能。更重要的是这一纳米发电机竟然能达到17%-30%的发电效率,为自发电的纳米器件奠定了物理基础。最近,王中林的研究小组再次开发出由超声波驱动的直流纳米发电机。这一最新的成果发表在2007年4月6日出版的美国《科学》杂志上。3.2机床参数控制器日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型超精密加工机床,可实现5轴控制,数控系统最小设定单位是1nm(10-3μm)。该机床设有编码器半闭环控制,还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联,具有每周6400万个脉冲的分辨率,每个脉冲相当于坐标轴移动0.2nm,编码器反馈单位为1/3nm,故跟踪误差在±1/3nm以内,直线分辨率为1nm,跟踪误差在±3nm以内。CNC装置采用FANUC-16i,实现人工智能纳米（AInano)轮廓控制。并用伺服电机装上高分辨率检测装置实现了微细加工。3.3布娃娃g美国NanoMuscle公司推出的新一代纳米技术马达在深圳亮相,该马达只有传统电磁马达体积的1/20,长度比火柴杆还短,却能负载4kg,寿命可达100万次,主要用于汽车的电动车窗及玩具制造。它采用智能纳米材料代替传统的铜线圈和磁铁,因而比传统马达更轻、成本更低,堪称世界上最静音的马达,使用该马达的布娃娃能够灵活地做出各种工作而且感受不到任何机械动作的声音,这在用传统马达设计的玩具中是不可想象的。NanoMuscle公司将借助新成立的深圳研发中心与中国的玩具及汽车客户建立更密切的合作关系。3.4在密封层面实现动态密封通常静态的密封采用橡胶、塑料或金属制成的“O”形环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是较难解决的问题,尽管人们采用了威尔逊密封法等,但无法在高速、高真空条件下进行动态密封。利用磁性液体可以被磁控的特性,借助环状永磁体在旋转轴密封部位产生一个环状磁场分布,从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“0”形环,且物磨损、无泄露,可以做到长寿命的动态密封。南京大学已试制成水基、烷基、二脂基、硅油基等多种类型的磁性液体。在电子计算机的硬盘转轴处已普遍采用磁性液体的防尘密封;合肥华光散体工程研究所等单位的超细粉碎设备中的分级系统目前也已使用了磁性液体密封。另外磁性液体还可用于制造新的润滑剂,巧妙利用磁场改善润滑效果。3.5金刚石颗粒改性发动机油的性能天津市乾宇超硬科技有限公司张书达等研究人员的试验表明,超分散纳米金刚石颗粒添加到润滑油中,可使摩擦因数减小10%～50%,磨损量减小1/3～3/4。他们研制的SDZ-02型纳米金刚石颗粒改性发动机油经中国人民解放军军事交通学院汽车实验中心的台架试验表明,它可使发动机功率增加4.2%,高转速时增加6.4%,节省燃油5%～10%,即发动机的动力性、经济性均有明显改善;试验用长安汽车公司出产的“长安之星”牌汽车(牌照号鲁E74693),使用纳米金刚石齿轮油后,滑行距离延长50%以上,换挡时感觉特别顺畅;试验用中国石油化工股份有限公司长城润滑油分公司生产的长城牌发动机油(APISESAE15W/40)中加入纳米金刚石颗粒,发动机气缸压力由原来的441.0kPa增加到568.4kPa,提高了28.9%。3.6复合利力学刀具把纳米Al2O3加入橡胶中可提高橡胶的耐磨性和介电特性,加入普通玻璃中可明显改善玻璃的脆性,加入铝合金中可提高强度和韧性:无论在液相还是固相都不混溶的金属,在处于纳米晶状态时,会发生固溶,产生合金。例如Ag-Fe、Ti-Mg、Cu-Fe合金等。合肥工业大学材料学院研制的纳米TiN改性TiC基金属陶瓷刀具,具有优良的力学性能,在切削加工领域可部分取代YG8、YT15等硬质合金刀具,刀具寿命提高2倍以上,生产成本与YT8刀具相当。西北橡胶总厂应用纳米材料开发出新一代高性能彩色胶管。这些新型彩色橡胶制品的主料是丁苯橡胶(价格便宜)、天然橡胶等,但产品的各项性能指标均有大幅度提高,尤其是抗老化性能可达到并超过三元乙丙橡胶(价格高)制品,寿命长达30年以上,且色彩艳丽,保色效果好。浙江绍兴铁道器件厂用纳米材料对普通塑料聚丙稀进行改性,达到工程塑料尼龙-6的性能指标,而成本却降低1/3,获得可观的经济效益。3.7纳米ag导电胶导电涂料和导电胶在机电工业中的应用非常广泛。德国不莱梅应用物理所已申请了一项专利,即用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶,可节省Ag粉50%,用这种导电胶焊接金属和陶瓷,涂层不需太厚,而且涂层表面平整,倍受使用者的欢迎。因为纳米Ag粉的熔点仅100℃,因此用它制成的导电浆料可在低温进行烧结,此时基片不一定采用耐高温材料,甚至可采用塑料等低温材料。4全球纳米技术创造的产出纳米科技的应用领域越来越广泛,现已逐步走向市场,据不完全