納米材料應(yīng)用

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【摘要】納米技術(shù)是當(dāng)今世界最有前途的決定性技術(shù)。文章簡要地概述了納米材料在力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和生命科學(xué)等方面的主要應(yīng)用，并簡單展望了納米材料的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】納米材料；納米技術(shù)；應(yīng)用

有人曾經(jīng)預(yù)測在21世紀(jì)納米技術(shù)將成為超過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和基因技術(shù)的“決定性技術(shù)”，由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國相繼投入巨資進(jìn)行研究，美國從2000年啟動了國家納米計(jì)劃，國際納米結(jié)構(gòu)材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術(shù)有關(guān)的國際期刊也很多。

一、納米材料的特殊性質(zhì)

納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑，導(dǎo)致了高擴(kuò)散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)、燒結(jié)溫度降低、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性增強(qiáng)。因此納米材料所表現(xiàn)的力、熱、聲、光、電磁等性質(zhì)，往往不同于該物質(zhì)在粗晶狀態(tài)時(shí)表現(xiàn)出的性質(zhì)。與傳統(tǒng)晶體材料相比，納米材料具有高強(qiáng)度——硬度、高擴(kuò)散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率、強(qiáng)軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學(xué)性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁記錄、特殊導(dǎo)體、分子篩、超微復(fù)合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結(jié)助劑、潤滑劑等領(lǐng)域。

（一）力學(xué)性質(zhì)

高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的原因其力學(xué)強(qiáng)度一直難以有大的提高。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí)，其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。

（二）磁學(xué)性質(zhì)

當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)量級，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。

（三）電學(xué)性質(zhì)

由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn)，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進(jìn)展，已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。

（四）熱學(xué)性質(zhì)

納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能。

（五）光學(xué)性質(zhì)

納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應(yīng)和光過濾中應(yīng)用廣泛。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜一般存在藍(lán)移現(xiàn)象，其光吸收率很大，所以可應(yīng)用于紅外線感測器材料。

（六）生物醫(yī)藥材料應(yīng)用

納米粒子比紅血細(xì)胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運(yùn)動，如果利用納米粒子研制成機(jī)器人，注入人體血管內(nèi)，就可以對人體進(jìn)行全身健康檢查和治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。在醫(yī)藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的輸運(yùn)更加方便。

二、納米技術(shù)現(xiàn)狀

目前在歐美日上已有多家廠商相繼將納米粉末和納米元件產(chǎn)業(yè)化，我國也在國際環(huán)境影響下創(chuàng)立了一（下轉(zhuǎn)第37頁）（上接第26頁）些影響不大的納米材料開發(fā)公司。美國2001年通過了“國家納米技術(shù)啟動計(jì)劃（NationalTechnologyInitiative）”，年度撥款已達(dá)到5億美圓以上。美國科技戰(zhàn)略的重點(diǎn)已由過去的國家通信基礎(chǔ)構(gòu)想轉(zhuǎn)向國家納米技術(shù)計(jì)劃。布什總統(tǒng)上臺后，制定了新的發(fā)展納米技術(shù)的戰(zhàn)略規(guī)劃目標(biāo)：到2010年在全國培養(yǎng)80萬名納米技術(shù)人才，納米技術(shù)創(chuàng)造的GDP要達(dá)到萬億美圓以上，并由此提供200萬個(gè)就業(yè)崗位。2003年，在美國政府支持下，英特爾、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立研究中心，在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產(chǎn)線。許多大學(xué)也相繼建立了一系列納米技術(shù)研究中心。在商業(yè)上，納米技術(shù)已經(jīng)被用于陶瓷、金屬、聚合物的納米粒子、納米結(jié)構(gòu)合金、著色劑與化妝品、電子元件等的制備。

目前美國在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術(shù)、納米基礎(chǔ)理論等多方面處于世界領(lǐng)先地位。歐洲在涂層和新儀器應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位。早在“尤里卡計(jì)劃”中就將納米技術(shù)研究納入其中，現(xiàn)在又將納米技術(shù)列入歐盟2002——2006科研框架計(jì)劃。日本在納米設(shè)備和強(qiáng)化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域處于世界先進(jìn)地位。日本政府把納米技術(shù)列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略4大重點(diǎn)領(lǐng)域，加大預(yù)算投入，制定了宏偉而嚴(yán)密的“納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”。日本的各個(gè)大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)界也紛紛以各種方式投入到納米技術(shù)開發(fā)大潮中來。

中國在上世紀(jì)80年代，將納米材料科學(xué)列入國家“863計(jì)劃”、和國家自然基金項(xiàng)目，投資上億元用于有關(guān)納米材料和技術(shù)的研究項(xiàng)目。但我國的納米技術(shù)水平與歐美等國的差距很大。目前我國有50多個(gè)大學(xué)20多家研究機(jī)構(gòu)和300多所企業(yè)從事納米研究，已經(jīng)建立了10多條納米技術(shù)生產(chǎn)線，以納米技術(shù)注冊的公司100多個(gè)，主要生產(chǎn)超細(xì)納米粉末、生物化學(xué)納米粉末等初級產(chǎn)品。

三、前景展望

經(jīng)過幾十年對納米技術(shù)的研究探索，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室操縱單個(gè)原子，納米技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤4大領(lǐng)域高速發(fā)展。可以預(yù)測：不久的將來納米金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復(fù)合物、納米光子晶體將應(yīng)運(yùn)而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學(xué)組裝計(jì)算機(jī)將投入應(yīng)用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機(jī)器人、集成生物化學(xué)傳感器等將被研究制造出來。

納米技術(shù)目前從整體上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段，但從歷史的角度看：上世紀(jì)70年代重視微米科技的國家如今都已成為發(fā)達(dá)國家。當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國家。納米技術(shù)對我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)人類社會將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革。

【參考文獻(xiàn)】

[1]邵剛勤，魏明坤，等.超細(xì)晶粒WC硬質(zhì)合金研制動態(tài)[J].武漢理工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，21（6）.