纳米材料和纳米科技

文理 ,张家荣 ,董进杰 ,李宏业 ,何世军

广东捷成科创电子股份有限公司

摘要：随着碳器时代的到来，纳米科技已经走进了我们的日常生活。纳米技术在总体上对社会经济的影响要远远比硅积体电路大得多，因此它不但用于电子学领域，而且还能够运用于其他领域。更有效的电子产品其性能改善以及先进制造业技术的发展，将在二十世纪引领着许多产业革命。

关键词：纳米材料；纳米科技；现状；实际应用

引言：在集成电路开发已经将近五十多年的同时，科学家们相信硅的极限正在进一步浮现，它取而代之的机会很大。碳纤维、碳纳米管等是现代碳器技术发展的先驱，并逐渐崭露头角。

1、纳米科技诞生

七十年代，美国物理学家从多个方面提出了关于纳米技术的新概念。在一九七四年，苏联物理学家唐尼古奇首次采用了纳米技术一词，用于精密机械设计。一九八二年，美国科学家提出了探索纳米的最主要方法：扫描隧道显微镜，让人们第一次可以从大气的常温下看到原子，从而向人们展现了可见的小分子、物质世界，为纳米科学技术发展带来了积极的推动作用。一九九零年七月，首届全球纳米科学技术会议在美国联邦巴尔的摩举行，代表着世界纳米科技的真正发展。

2、纳米材料和纳米技术

纳米颗粒又名超微颗粒，一般是指大小尺寸在一负一百纳米之间的颗粒，是指处在原子簇与宏观层面物质交界的过渡区，从人们一般的对于微观以及宏观性质的看法来看，这种网络系统既非古典的微观网络系统也非古典的宏观经济网络系统，是一种经典的新网络系统，并有表面效应、小尺度效应还有宏观的量子隧道效应等。当人类把宏观层面物质划分为超微颗粒（纳米级）之后，它将表现出很多奇异的特征，如它的光学、热学、电工程、磁学、动力学和生化等几个重要方面的特征，与深入研究大块固体时相比将会有很明显的差异。因此纳米科学是在20世纪90年代初快速发展起来的新兴的前沿科学研究范畴。它是指在一负一百纳米尺度空内，深入研究电子、原子和分子运动基本规律、特点的技术专业。其最终目标是人们可以根据自己的意愿直接控制每一个原子、分母，从而生产出有特殊功效的化工产物。

3、纳米材料和纳米技术现状

目前，在欧美日上都有许多厂家纷纷把纳米粉末和纳米器件产业化，而中国也在国外环境下成立了纳米材料研究公司。美国政府于二〇〇一年通过了国际纳米技术启动计划，目前每年资助资金已超过了五亿美元。美国国家技术战略的重心也已从过去的国家通信基础设施建设构想变为了国家纳米技术规划。布什总统上任后，提出了全新的全面使用纳米技术的国家战略发展要求：到二〇一〇年在国内培训了八十多万纳米科学家，纳米技术创造的GDP要超过万亿美元，并由此创造了二百万的就业岗位。二○○三年，在美国政府帮助下，英特尔、惠普、IBM和康柏等四个企业开始组建研发中心，在硅谷形成了世界上的首条纳米芯线。一些高校还先后成立了一系列纳米技术实验机构。在商业领域，纳米材料还可以被广泛用作陶瓷、金属材料、高分子的纳米颗粒、纳米结构复合材料、生物着色剂与化妆品、电器元件等的制备。目前，中国已经在纳米制备、纳米装置的精密设计、纳米生物材料、纳米基础理论研究等多方面居于国际领先地位。欧洲在涂层技术和新仪器使用方面均居于全球领先地位。

早在“尤里卡计划”中就将纳米科学技术研发融入其中，现在又将纳米科学技术列为欧洲2002-2006研发架构规划。目前在纳米设备和增强纳米构成应用领域居于全球领先战略重要地位。由于人民政府把纳米技术列为各国科技经济快速发展策略四个关键性范畴，加强预算投资，制定了宏大而严格的纳米技术发展计划。国内的所有高校、科研机构和中小企业界也相继以不同方法投身到纳米技术蓬勃发展大潮中来。国内在20世纪80年代，将纳米材料科学技术发展列为全国“863计划”、包括国家自然科学基金项目中，投资上亿资金进行了纳米材料科学与技术的研发工作。但目前，我国的纳米技术发展水平与欧美等国的差异仍然较大。目前，全世界已有五十多家企业二十多个研发部门和三百多家企业在进行纳米研发工作，已形成了十余条纳米高新技术产品线，有纳米高新技术申请的企业一百多家，主要产品超细纳米粉、生物.化学纳米粉等初级产品。

4、纳米材料和纳米技术的应用分析

4.1陶瓷增韧

复合陶瓷在一般状态下有一定脆性，但用纳米颗粒压制出的纳米陶瓷材料，能较好的以某种形式刺激金属原子和分子。分析了十多年前人们在扫描的电子显微镜和相关材料领域所获得的实验成果：这种物质变软的关键就在于纳米盒。这是一个将传统纳米制作工艺和现今所说的台式制造技术相结合的未来复印机。假如你需要一部新的蜂窝手机，你可通过网上订购一些专门制造新蜂窝手机的方案。它将告知你进入某个塑料薄膜后，将导电物质加入色粉盒中。纳米盒将把塑料薄膜来回转动，记录物质的形式，然后利用电子指引分子自动装配成电路和天线。下一个过程是，纳米盒使用各种各样的“色粉”添加数字键、喇叭和麦克风，最后再制造外壳。超迷你电脑的普及，如果掌握了生产体积不超过盐粒大小的电脑的技能，世界将会从根本上处于一个新的局面。生产体积如此细小的电脑也将十分方便，嵌在内衣里的计算机会提示用洗衣机应该以多少温度清洗内裤；圆珠笔铅芯上的墨将要耗尽的时刻，镶嵌在笔上的电脑会提示你的笔芯；镶嵌在鞋里的电脑会给车子发出信号，将主人走出去的消息告诉汽车，让汽车座椅调好和反光镜并开启车门。美国朗讯科技集团和英国牛津大学的科研人员报告说，利用DNA基本元件碱基的配对机理，能够用DNA作为能源控制这种镊子的反复开合。研究人员设计出了三种DNA链A、B和C，并运用了碱基配对机制，将A的一零点五与B的一零点五融合，A的一零点五与C的一零点五融合。在A中连接B和C之间的区域上有个活动枢纽，这就形成了一个能够开合的镊子手，但它每条臂都只有约七纳米长。通常情况下，镊子处于完全打开的状态。但因为这种镊子的开合，必须在DNA链D和链E的共同影响下才能完成，于是生物学家就把DNA称作这种镊子的主要燃料。这种镊子并没有实际用来制作纳米机器人，因此目前尚有不少课题有待探索，比如怎样用它钳住所需的物质或分子。

4.2皮米卫星

人类在最近开始了利用小型卫星进行航天领域的研究，在前不久，还发射了一个被认为迄今进入宇宙中的质量最小的实用卫星，它的每枚质量仅有二百二十七克，美国专家则把这些小卫星称为皮米卫星。美国专家分析称，尽管这些人造的成地球卫星都极其细小，其表面也只是卡片大小，但是当其更精确的排列形式进入宇宙后，却能够进行不同的工作。而在不久前升空的这对皮米一号卫星上，已顺利进行了对航天飞行器微型机电系统的试验。据悉，皮米2号运载火箭将有望于今年的晚些时候点火上天。该计划将用于研究太空飞行器的微陀螺仪和微型推进器。人类一直在寻求某种方法让药品在需要它的区域定位并显示疗效，但是纳米技术的发现让它变为可能。最近美国的科研人员已开发了携带药品的芯片，以送达目标所要求的区域。选择性的药品传送方式是利用纳米来指引药品到达目标组织。一个方案就是给纳米尺度的药物微粒喷涂一个高分子，即聚乙烯乙二醇(PEG)。后来人类研究证实，特定的聚乙烯乙二醇的表面特性可使微粒被特异地吸引，不但可以抵达脏器内部，如脾脏，肝脏，甚至还可以抵达诸如骨髓一样的骨髓，而这种研究的方法也将引起传统诊断过程的重大变革。另一个方案的目标点则放在使用磁性微粒来吸引和定位药物，磁性微粒也被考虑用作在肿瘤诊断中的高热诊断。他们能被当成热物，然后再利用外部磁场来推动人体内热物等。

结束语

纳米材料和大纳米科技都给人们展示了一张宏伟而又美好的蓝图，不过大纳米科技毕竟是在0.1-100纳米或者更小的物件上实现的高度精确控制，这也就要求人们对仪器设备的要求以及研究人员的使用都提供了一种巨大的挑战。同时，大多数纳米科技因为能获得更准确的衡量，所以开始使用时都是较慢速度的，制约了大规模试验的机会。再者，对于一种理想的纳米科技来说，它的运用与维护成本都必须降低，并须具有可靠的生产尺度较小且密度更高的纳米结构的生产能力，这在当下是一大难点。所以整体来说，虽然纳米科技已经给人们提供了良好的生活希望，但附带的困难却需要人们努力去克服，才能更好地位的为人类社会发展做出贡献。

参考文献：

[1] 刘嘉丽,邓燕,李秋霞,等. 基于四面体DNA纳米材料的DNA传感器的研制[J]. 分析化学,2022,50(9):1308-1318.

[2] 李宁,赵宝. 纳米材料的科技发展和实际应用[J]. 科技风,2017(10):15.

[3]李健,池全峰,岳也. 纳米材料产业培育与发展对策研究[J]. 江苏科技信息,2016(17):4-7,10.

 

本论文得到基金：肇庆市第二批西江人才创业创新团队项目（用于健康医疗和智能终端的高性能压电材料和器件的研发及其产业化）的资助。

[作者简介] 文理(1975-)，男，广东高州人，本科，主要研究方向为电子材料及电子元器件，职称：高级工程师，职务：总经理。