学士学位论文-纳米技术的发展

学士学位论文 论文题目：纳米技术的发展 摘要：纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。关键词：发展纳米技术纳米材料1.1什么是纳米技术纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。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，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。所谓纳米技术中的纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。1.2纳米技术发展小史关于纳米技术的起源，最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费恩曼。1959年他在一次著名的讲演中提出：如果人类可以用小的机器制造更好的机器，最后实现人类意愿在原子和分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。他指出，我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。1974年，Taniguchi最早使用纳米技术一词描述精细机械加工。20世纪70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。②虽然当时的主流科学家对纳米技术不是很看好，总是怀疑的态度，但是随着科学技术的发展，纳米技术就像出水芙蓉一样渐渐的展现在科学家们的眼前。20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，科学家们想通过纳米技术来实现当时不能完成化学材料和生物材料，但是仍有很多科学家持反面意见，他们认为纳米技术只是一个只能幻想而不可能完成的技术。直到1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。从此，纳米技术慢慢地被人们认可1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，这个重要的工具使得人类世界中诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究的分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。这个重要的工具对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，这项技术的发现使得纳米技术成为科学家们研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量;此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。③到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元，近些年的投入也在保持大幅增加。总而言之，纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了相当大的积极促进作用。目前，纳米技术已经成为人类科学中相对普遍的一项科学，但是纳米技术的发展却刚刚开纳米技术将在未来为人类带来很多意想不到的利益。2．1纳米技术研究的现状纳米科技发展的历史不长,但它的发展却十分迅速并已受到国内外普遍的重视。我国政府十分重视纳米科技的发展,部署了五到十年纳米科技领域的发展战略和重点任务。全国现有纳米企业323家,社会投入资金约30亿元,并已形成了以北京、上海、深圳为中心的三大纳米材料及纳米技术产业带,已建立了纳米材料生产线30多条。国家计委决定今年继续组织实施新材料专项工作,使纳米成为重中之重,国家也加大了资金投入。据统计,中国纳米基金项目保持平稳增长,年均增长率达20%～30%。仅最近两年,中国科学基金新批准和资助在研纳米基金项目,总经费就达8000万元人民币。上海市在纳米材料制备技术上取得了特的工艺技术,实现了大规模产业化。据最近对22家单位统计,2000年～2001年期间,申请或授权专利85项,获奖11项,获国家级资助项目60项,完成产品开发项目23项,实22913万元。复旦大学、上海交通大学、华东师范大学、上海大学等高校相继成立纳米技术研究中心,推动纳米科技的发展。武汉地区高校、科研院所在纳米金属材料、纳米复合材料、碳纳米管等方面取得许多研究成果,部分成果在国内处于领先地位,在国际上也有较大学术影响。武汉科技实力雄厚,纳米材料与技术研究如火如荼。武汉在制备金属、化合物、碳族纳米材料以及纳米中药的制备技术方面获得突破性进展,制备出纳米复合材料、碳纳米管,发现了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法,重点发展纳米材料和纳米技术在光电领域的应用。广州将以“发展民生纳米工程,建立南方纳米中心”争取到2010年纳米技术研发及产业化水平达到国内先进水平,某些方面达到国际先进水平,成为南方最具影响的纳米技术研究中心,将建立研发基地。现有14所高校和科研院所从事纳米研究,近10家企业也正在进行纳米技术相关产品研制,形成了300多人的研究队伍。在近10年内,广州还将重点发展纳米技术在塑料和橡胶、建材、纺织等广州具有优势的传统产业中的应用,发展纳米电子、光电信息材料与器件,发展纳米技术在太阳能转化、热能转化、新型绿色电池中的应用,以及在水和空气治理中的应用,发展纳米技术制药尤其是在中药制备中的应用,医用纳米材料、纳米诊断器件于技术中的应用。2.2纳米技术的应用纳米技术在军事电子领域中的应用纳米侦察卫星是使用纳米元器件、按纳米加工方法组装而成的、质量小于10kg的卫星。纳米卫星一般比麻雀略大,拥有十分强大的运算能力,数十颗甚至数百颗纳米卫星相连接可以织成“天网”,即纳米卫星侦察系统,从而实现全球地毯式覆盖侦察,在军事上则能实现高空侦察无“死区”。纳米飞行侦察系统是一种微型化的飞行器,它可携带各种探测设备,具有信息处理、导航(带有小型GPS接收机)和通信能力。其主要功能是秘密部署,到敌方信息和武器系统的内部或附近监视敌方情况,同时也可对敌方雷达、通信等电子设备实施有效干扰。它可以附着在建筑物或设备上起监听作用,也可以直接将敌方目标的位置坐标传送到我方的导弹或炮兵发射基地,并引导精确制导武器实施攻击。除了可以飞行的纳米飞行侦察器外,还有其它种类的纳米侦察与传感器。其特点是体积小,装有敏锐的传感器和电子设备。纳米环境传感器散布于武器装备的蒙皮上或外表面,能察觉细微的外界“刺激”,以便对武器系统适时调整。用纳米材料制造潜艇的蒙皮,可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的环境变化,并及时反馈给中央控制系统,最低限度地降低噪声、节约能源;能根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷,使潜艇及时做规避机动;能用较低的辐射功率完成“智能武器”的敌我识别,以免误伤自己。(二)纳米技术在遗传育种中的应用纳米技术结合转基因技术在培育新品种方面取得了突破性的进展。通过纳米技术先将DNA染色体全部分解为单个基因,然后根据需要进行组装,转基因整合成功率几乎可达100%。研究成果表明,科研人员可以让单个DNA分子链展现出其内部的精细结构,并可以操纵它实现分子结构性能改进,进而形成纳米结构或图形,使人类得以在更小的世界范围内、更深的层次上探索生命的奥秘。(三)纳米技术在发动机尾气排放环保方面的应用新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力,是普通净水剂的10～20倍。通过纳米孔径的过滤装置,还能除去水中的细菌,使水分子、矿物质以及微量元素被保留下来,处理后即可以饮用。用光催化剂处理有机污染物的废水是最有前途的、最有效的处理手段,也是国内外研究的热点。纳米技术的出现为大气净化提供了新的途径。其中,纳米技术对空气中20nm和水中20nm的污染物的清除能力是其它技术不可替代的。在燃煤中加入纳米级助燃催化剂,可帮助煤充分燃烧,提高能源利用率,防止有害气体产生。研究表明,纳米钛酸钴还可在发动机汽缸内发挥催化作用,使汽油燃烧时不再产生及排放一氧化硫和氮氧化物,使汽车尾气无需处理。此技术对我国船舶发动机有很好的应用前景3纳米技术发展前景纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一,纳米技术会将人类带入一个奇迹层出不穷的时代。科学家认为如果能在原子尺寸基准上控制纳米机器的结构造型,那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。纳米技术能够改变材料制造业的现状,制造出纯度更高的材料;可以制造超级嗅觉器,用来检验毒品、炸药、工厂泄漏物质等。纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素(如果使用其它方法来回收,这些微量元素会散失到环境中去),还能清除废水中的有毒化学物质。纳米机器每秒能完成数十亿次操作,目前需几天或几个月完成的事情,有可能在几分乃至几秒钟内完成,因此,可以奇迹般地缩短产品从设计到批量生产所需要的时间。使用纳米机器,还可以使传统的装配工艺变成一次成型工艺。它可以做修理工作,其工作范围从消除发动机的腐蚀损坏与细小裂纹到医治患者的病变、修复损坏的器官、进行人体肢体再生、人体整容等。近几年来,人们在制造分子机器方面已取得许多突破性进展。能攻击病菌的抗生素,就是一个杰出的例子。人类一旦制造出了新型纳米机器,就可以使它像脱氧核糖核酸DNA以及它的伴生酶那样,根据所储存的指令或控制输入来完成各种通常方法不能完成的任务。纳米逻辑器件具有先进水平,亿倍于目前微处理器和随机存取存储器芯片的容量。纳米机器不仅可以控制单个电子,而且可以控制单个光子,实现通讯瞬息化。近年来刚刚发展的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性,已引起科学家极大兴趣的纳米陶瓷的研究成功,使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到了希望4纳米科技的应用前景4.1纳米电子和计算机技术微电子的飞速发展改变了现代人的生活。计算机的运算速度几乎是每两年翻一翻。纳米结构下微处理器的效率将提高一百万倍，并实现兆兆比特的存储器（提高1000倍）。新的物理现象例如量子导电效应，量子干涉效应等的相继出现，以致研究量子器件的性能，大规模制造以及它们的集成是纳米电子学的中心任务。未来的方向是把微电子技术和纳米技术有机结合起来。4.2纳米结构材料在纳米尺度上控制构成材料的基本单元的结构和成份，再组装成具有独特性质与功能的大结构，这将从根本上改变了材料和器件的制造方法；以新原理和新结构在纳米层次上制备特定性质的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料，实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复4.3磁学功能与智能材料新型的具有磁光、磁电效应的纳米材料是目前磁性材料研究的活动领域，例如巨磁阻薄膜材料，超巨磁阻功能氧化物材料，以及近来的自旋电子学等，都具有不可估量的应用前景。新型功能材料是未来科学技术发展的根本，把纳米科技应用到功能和智能材料的制造上是实现多功能化的关键。4.4生物工程技术生物合成和生物过程是启发和制造新的纳米结构的灵感，纳米级敏感器可以监视生命器官的运转情况。纳米科技在生物工程方面的发展前景大致为：快速有效决定基因序列，使整个诊断和治疗过程效率革命化；新型药物运输方式，突破当前一些药物不可进入生物体内的禁区；初期探测疾病，变治疗疾病为早期测试与预防；发展血液循环系统的微机清扫和修护科技。4.5航天航空技术由于航天燃料的自身重力影响，使得探索太空奥秘的空间技术受到了极大的限制，因此，如何减少材料的尺寸、重量以及能源的损耗是航天事业研究中心。纳米结构的材料可以提供质量轻、强度高而且热稳性高的优质材料。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐照及高性能计算机；微型航天用纳米集成的测试；控制仪器和电子设备；抗热膨胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。4.6环境与能源的纳米材料由于纳米材料有着独特的物理化学性能——高比表面积，所以纳米技术在提高能源效率、能量储存、能源再生、能量转换及能量产生等方面有极大优势。纳米技术在环境与能源领域方面的主要发展方向有：发展清理污染水体与大气的多孔材料；发展绿色能源和环境处理技术，消除污染，建绿色环境；发展高维度多孔有序的储氢材料；发展新型高效电池材料。5纳米技术的发展态势5．1国际纳米技术发展态势纳米时代的到来比预计时间提前5—6年去年美国纳米科技最高奖授予美国哈佛大学化学研究院LiBer教授。当记者问他纳米时代何时到来时，他说如果在去年，我还不能做出一个确切的回答，但是现在我非常有理由地说，纳米技术制高点，纳米电子元器件、分子线路、逻辑线路、AND转换，这些制作方法已经接近或基本达到工业界的要求，芯片市场就是一个例子。所以，国际纳米技术发展态势挑战严峻，竞争激烈，也向我们提出了严峻的挑战。2、以市场和需求为导向，带动纳米技术成熟，已成为纳米技术新的发展趋势即使是基础研究，也要以应用目标做牵引，它的自由度也是受到应用目标的限制。当然，也有一部分纯基础研究，主要是探索纳米科学普适的规律，有少数人做这类的工作，也应当支持，但是，纳米科技研究的主旋律应该以市场为导向(包括现实市场和未来市场)，以创造财富为宗旨，推动经济的发展。纳米技术不是一个绣花的技术，也不是观赏的技术，它是为国家创造财富的技术，因为今天没有任何一个技术像纳米技术那样与市场结合如此之紧密，无论从创造财富的动力，还是从创造财富的潜力来分析，纳米技术都为创造社会财富提供了广阔的空间。我们分析纳米技术的市场，“现实市场”是8个月，大的公司全部以这个目标制定，用纳米技术和现在的技术相结合，来进行创新，使现在的产品升级。“露头市场”在未来三年，主要在能源、环保、新材料等领域。纳米技术的制高点——纳米加工技术、纳米电子技术、纳米生物技术、纳米医疗等重大生产方式变革，包括进入血管纳米机器人都在内，属于未来市场，大致定为10年左右。2008年奥运会以后，就是2010年。面对这样挑战的形势，中国怎么办．92010年全世界纳米技术市场估计在2万亿美元左右，美国已经夸下海口，要占一半。在这样的生产方式、工作方式变革的时代，中国有快速发展的机会，能够跨过去，中国就可能在这场竞争的角逐中占有自己的位置。面对严峻的挑战，我们必须重新思考、重新布局我们发展纳米技术的计划，特别要注重发展纳米实用化技术。5.2我国纳米技术的形势中国的纳米技术研究在国际上是有地位的，任何一个国家在部署新的计划时，都把中国作一个目标进行分析，中国关于纳米科技的研究在国际上起步比较早，在基础研究上状态不错，如果真正以论文来衡量(并不能代表中国的绝对水平)，截止到2001年底，中国在前十年发表论文的数量仅次于美国、Et本，占第三位，超过德国。中国纳米材料的专利在世界也占有百分之十几的份额。我们纳米技术的产业逐年增加，截止到去年有300多家，而纳米粉体材料的生产线就有31条，这是难能可贵的。而且中国应用纳米材料、纳米技术对传统产业的改造升级，在轻工、电子、纺织、建筑材料、精细化工、电力工业、环境、能源和医药等领域都已全面展开。特别是在有些传统产业的改造包括油漆、涂料、抗菌、卫生、加工等等都引起了国外的普遍关注，它们非常注意中国的发展动向。我们的问题是发展实用化技术动力不足，缺乏有显示度的实用化技术，缺乏市场目标的牵引，技术集成不够，把科学技术变成财富的动力不足，措施不够有力，纳米科技成果转化不够。结论纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。我国科学家自80年代中期开始对纳米技术进行跟踪研究和开发，国家科技部把纳米材料列入了863攻关计划,经过近15年的努力、已经取得了可喜的成果，特别值得一提的是，山东小鸭电器股份有限公司在国内首家采用纳米复合抗菌除味材料制作洗衣机的外筒，具有耐高温，耐摩擦，韧性好，硬度高等优点、既保持了洗衣机的清洁、又防止细菌滋生，开辟了健康洗衣机的新纪元、在纳米科技革命企业生产中一马当先。纳米技术正向所有人走来，装在口袋里的计算机、进入人体内治病的机器人、戴在手腕上的电视机、挂在扣子上的移动电话在不久的将来，势必成为现实。正如美国IBM公司总裁Amotong所言:纳米技术将成为21世纪信息时代的核心、人类的发展已进入纳米时代。从实用化角度来看，今后一段时间内，绝大多数纳米晶样品的制备仍将以非晶晶化法和机械合金化法为主，它们发展的关键是压制过程的突破。此外在机械合金化技术中，尚需进一步克服机械合金化过程中所带来的杂质和应力的影响。对于能采用塑性变形等技术可