材料科学与工程前沿论文.pdf
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1、纳米科学技术 课程名称:材料科学与工程前沿 学生姓名:学号 :班级 :日期 :2020/12/26 纳米 纳米是英文 nano 的译名,是一种长度单位,原称毫微米,确实是 10 的-9 次方米10 亿分之一米,约相当于 45个原子串起来那么长。纳米构造一样是指尺寸在 100 纳米以下的微小构造。从具体的物质说来,人们往往用细如发丝来形容纤细的东西,其实人的头发一样直径为 20-50 微米,并非细。单个细菌用肉眼看不出来,用显微镜测出直径为 5 微米,也不算细。极而言之,1 纳米大体上相当于 4 个原子的直径。假设一根头发的直径为,把它径向平均剖成 5 万根,每根的厚度即约为 1 纳米。纳米科技
2、(英文:Nanotechnology)是一门应用科学,其目的在于研究于纳米尺寸时,物质和设备的设计方式、组成、特性和应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类,美国的国家纳米科技启动方案(National Nanotechnology Initiative)将其概念为“1 至 100 纳米尺寸间的物体,其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。纳米科技是尖端科技,却早就存在身旁。举例来讲,确实是莲花外表的出污泥而不染的特性。莲花外表的细致构造和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内,因此不易吸附污泥尘埃。莲花的出污泥而不染是自然天成,这比人类的任何清洁技术还精湛。这种莲花外表纳米
3、化构造,自我清洁的物理现象,就被称作莲花效应(lotus effect)。纳米科技是学习纳米尺度下的现象和物质的掌控,尤其是现存科技在纳米时的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合,而且被外表效应所掌控,如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等,而惯性和湍流等巨观效应那么小得能够被忽略掉。举个例子,当外表积对体积的比例猛烈地增大时,开起了如催化学等以外表为主的科学新的可能性。微小性的持续探讨以使得新的工具诞生,如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的准确程序,这些设备将使咱们能够精细地运作并生成纳米构造。纳米材质,不管是由
4、上至下制成(将块材缩至纳米尺度,要紧方式是从块材开场通过切割、蚀刻、研磨等方式取得尽可能小的形状例如超精度加工,难度在于取得的微小构造必需准确。或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的构造,要紧方式有化学合成,自组装(self assembly)和定点组装(positional assembly)。难度在于宏观上要抵达高效稳固的质量,都不只是进一步的微小化算了。物体内电子的能量量子化也开场对材质的性质有阻碍,称为量子尺度效应,描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的,但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时,会和它们在巨观时有专门大的
5、不同,例如:不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成能够当催化剂(铂)、稳固的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和外表现象,并因此可能能够有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。纳米科技与其他学科的联姻 纳米科技领域还面临着多种问题。一些研究本来确实是一个专门好的课题,没必要然冠名“纳米的头衔,与“纳米揉合在一路,可能对研究提供了一个有利的思维空间,例如仍 M 公司建造巨磁阻磁头的研究工作。纳米科技要开展成为一门把各类科技完美结合、融为一体的统一的大科技,就必需证明实现各类截然不同的研究领域的联姻大有效途
6、。从事防晒剂纳米粉末研究的科学家与从事 DNA 计算研究的科学家是不是能够有一样的爱好呢?这种彼此结合、扬长避短是有其道理的。半导体量子点确实是这种跨学科综合性研究方针的一个有说服力的证据:量子点最初是为电子器件开发的,但此刻它也用来检测细胞的生物活性。假设是纳米观念能够凝聚为一个统一的整体,它其实就有可能为一场新的工业革命奠定根底。要想取得成功,必需抛弃那些伪科学和狂热的炒作。最重要的是,必需增强根底纳米科技的研究,以确信哪些纳米科技值得去攻关。在这一段漫长的探讨期中,区分哪些是切实可行的科学和技术,哪些是想入非非的幻梦,始终是一项要引发足够重视的任务 纳米科技开展 1990 年 7 月,在
7、美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议;1996 年,在中国召开了第四届纳米科技学术会议。首届1992 年纳米材料会议在墨西哥召开;1994 年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议;1996 年在美国夏威夷召开第三届国际会议;1998 年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议;2000 年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。当前纳米技术的研究和应用要紧在材料和制备、微电子和运算机技术、医学与安康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还能够制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料,
8、制作诞生物材料和仿生材料。纳米是一种几何尺寸的气宇单位,1 纳米=百万分之一毫米。纳米技术带动了技术革命。利用纳米技术制作的药物能够阻断毛细血管,“饿死癌细胞。假设是在卫星上用纳米集成器件,卫星将更小,更易发射。人们把 110kg 的卫星称作“纳米卫星相应的,10100kg 的卫星被称作微米卫星,而更小的卫星,如1kg 的被称作“皮米卫星,乃至有 10100g 的卫星被称作“法米卫星。纳米技术是多科学综合,有些目标需要长时刻的尽力才会实现。21 世纪前 20 年,是开展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能,将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变,或在性能上有
9、较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业,专门是重工业进展改造,将会带来新的机缘,存在专门大的拓展空间。纳米技术在经历了从无到有的开展以后,已经初步形成了规模化的产业。受国际金融危机阻碍,目前纳米材料技术开发和产品销售速度有所减缓。同时由于可能对人类安康和环境存在潜在的负面阻碍,这一产业或许将放慢开展速度,但以后纳米材料市场规模将十分可观。全世界纳米技术与产品的销售额到 2021 年将抵达万亿美元。经济衰退对汽车、建筑和局部电子行业阻碍最大,但估量对安康护理和生命科学可不能造成太大阻碍。在纳米材料中,由于碳纳米管和陶瓷纳米颗粒较多地应用于汽车和建筑行业,因此受经济衰退的阻碍较大。在纳米中间体中受
10、经济下行阻碍最大的,那么是纳米复合材料和涂料领域。与美国和欧洲相较,组合纳米技术的产品销售额在亚太地域增加较快。美国和欧洲占所有纳米材料销售额的 2/3 以上,但到 2021 年这两个地域所占的市场份额均将下降 2-3%。纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学开展主流,它们的开展将令人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好 纳米科技里程碑 1)35 亿年前,首批活细胞显现。细胞内,容纳了众多的纳米生物机械,它们执行各类各样的功能,例如操作遗传物质、提供能量等。2)公元前 400 年,Democ 小 Ms 制造了“atom(原子)那个词,在古希腊语中确实是“不可分割之意。3)1905
11、 年,爱因斯坦发表了一篇论文,估量一个糖分子的直径约为 1nm。4)1931 年,ERuska 与 MKnoH 研制出电子显微镜,它能够实现亚纳米级成像。现代电子显微镜可观看几百个纳米的构造像、原子像。5)1959 年,RFeynman 在他的闻名发言?最底下一层大有开展潜力?中探讨了微型化的前景。6)1968 年,贝尔实验室的 AYCho 和 JArthur 及其同事制造了分子束外延生长术,这种技术能够在外表上沉积出单层原子。7)1974 年,NTanigMchi 制造了“纳米技术那个词,表示公差小于 1m 的机械加工。8)1981 年,GBinM5g 和 HRohrer 制造了扫描隧道显微
12、镜。9)1985 年,RfCurl 和 HWKroto 觉察了富勒烯,直径约为 1nm。10)1986 年,KE0rexler 发表?创世机械?一书,是一本宣传纳米技术的以后主义高作。11)1989 年,阳 M 公司的 DME 秽 er 用单个氰原子写下了代表该公司名字的 3 个字母。12)1991 年,日本 NEC 公司的 SMmio L 和 rma 觉察了碳纳米管 o 13)1993 年,美国北卡罗莱纳大学的 WRobtnett 与洛杉矾加利福尼亚大学的 RSwmiams 设计出一种与扫描隧道显微镜相连的虚拟现实系统,利用者通过它能够看到并触摸原子。14)1998 年,荷兰 Deth 理工
13、大学的 CDekker 小组用碳纳米管制造出一只晶体管。15)1999 年,莱斯大学的 JMTour 和耶鲁大学的 MAReed 证明单个分子能够起分子开关的作用纳米科技的应用与举列 闻名的诺贝尔奖取得者 Feyneman 在 60 年代就预言:假设是对物体微小规模上的排列加以某种操纵的话,物体就能够够取得大量的异乎寻常的特性。纳米材料能够做到这一点。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,纳米技术被公以为是 21 世纪最具有前途的科研领域。纳米材料从全然上改变了材料的构造,为克制材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。其应用要紧表达在以下几方面:在陶瓷领域的应用 随着纳米技术的普
14、遍应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克制陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家以为,如能解决单相纳米陶瓷的烧结进程中抑制晶粒长大的技术问题,那么它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优势。在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手腕,依照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的贮存和处置信息的能力,实现信息搜集和处置能力的革命性冲破,能够从阅读硬盘上读卡机和存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。运算机在普遍采纳纳米材料后,能够缩小成为 掌上电脑。纳米电子学将成为下世纪信息时期的核心。在生物工程上的应用 尽管分子运算
15、机目前只是处于理想时期,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造运算机的组件,其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和专门好的稳固性,而且,其独特的光学循环特性可用于贮存信息,从而起到代替现今运算机信息处置和信息存储的作用,它将使单位体积物质的贮存和信息处置能力提高上百万倍。在光电领域的应用 纳米技术的开展,使微电子和光电子的结合加倍周密,在光电信息传输、存贮、处置、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处置上,可使其能力提高 10 倍至几百倍,乃至能够将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进展高精度的对地侦查。在化工领域的应用 将纳米 Ti
16、O2 粉体按必然比例参加到扮装品中,那么能够有效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子搀杂到化纤制品或纸张中,能够大大降低静电作用。利用纳米微粒组成的海绵体状的轻烧结体,可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的别离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料,用作印刷油墨,制作固体润滑剂等。研究人员还觉察,能够利用纳米碳管其独特的孔状构造,大的比外表每克纳米碳管的外表积高达几百平方米、较高的机械强度做成纳米反映器,该反映器能够使化学反映局限于一个很小的范围内进展。在医学上的应用 利用纳米技术能使药品生产进程愈来愈精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人
17、体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并解决癌细胞或修补损伤组织。利用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能够够通过其中的蛋白质和 DNA 诊断出各类疾病。研究纳米技术在生命医学上的应用,能够在纳米尺度上了解生物大分子的精细构造及其与功能的关系,获取生命信息。科学家们假想利用纳米技术制造出分子机械人,在血液中循环,对躯体各部位进展检测、诊断,并实施特殊医治。在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸,而且粒度均匀散布无团聚的纳米材料,一直是科研工作者尽力解决的问题。目前,纳米技术深切到了对单原子的操纵,通过利用软化学与主客体模板化学,超分子化学相结合的技术,
18、正在成为组装与剪裁,实现分子手术的要紧手腕。在传感器方面的应用 传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步,造价更低、功能更强的微型传感器将普遍应用在社会生活的方方面面。例如,将微型传感器装在包装箱内,可通过全世界定位系统,可对宝贵物品的运输进程实施跟踪监视;将微型传感器装在汽车轮胎中,可制造出智能轮胎,这种轮胎会告知司机轮胎何时需要改换或充气;还有些可经受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内,对发动机的工作性能进展监视。在食物工业领域,这种微型传感器可用来监测食物是不是变质,例如把它安装在酒瓶盖上就可判定酒的状况等。纳米抗血栓中药 用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成份将令人类
19、安康的头号要挟心脑血管疾病取得加倍有效的医治,并将使中国文明的重要组成局部中药走向世界。因为如此的纳米中药将具有一样中药数百万倍的物理活性医治成效,能够畅通无阻地抵达因脂肪堆积而造成的血管栓塞和组织病变部位,并因亲和而与脂肪溶合,同时释放出医治的有效成份,从而使药物的靶向性提高数百万倍。纳米机械人 BJoy 在?Wired?杂志上发表文章,谈到纳米机械人的繁衍失控可能给人类社会造成超级大的要挟,提出应当停顿开展纳米科技。真正的纳米科技专家们是比拟清醒的,要想制造出能够使冷冻的大脑从定格状态下从头复活的纳米机械人,现今的科学技术离这一目标还很遥远。科学家们加倍关注的是,制造纳米尺度的微机械元件,
20、打造较为可能的微米机械人 纳米孔膜 利用二元协同纳米界面技术平台制备的纳米孔膜,将完全解决油漆、涂料的潮摆脱落问题,并可方便地大规模生产带有呼吸作用的纳米防水涂料和带有反渗析作用的纳米超滤膜,这将给人类的日常生活,乃至给海水淡化技术带来革命性转变,从全然上解决人类日趋严峻的缺水问题。纳米修复材料 利用纳米技术还能够新原理和新构造在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料,制作生物材料和仿生材料,并能在材料破坏进程中进展纳米级的损伤诊断和修复。目前,纳米材料在仪器、扮装品、医药、印刷、造纸、电子、通信、建筑及军事等方面都取得愈来愈多的应用。纳米自洁外表处置和涂料 假设是将透明、疏油、疏水
21、的纳米材料颗粒组合在大楼外表或瓷砖、玻璃上,大楼就可不能被空气中的油污弄脏,瓷砖和玻璃也因可不能沾上水蒸气而永久透明。任何粘在外表上的物质,经阳光的照射,都会在纳米涂料的催化作用下,变成能够蒸发的气体或容易被擦掉的物质,建筑物再也不老是脏乎乎的,家庭里的卫浴设备也没必要天天清洗了。将这种纳米颗粒放到织物纤维中去,做成的衣服可不能沾上尘埃,省去很多洗衣服的麻烦。氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色镜的变色速度较慢,用纳米材料做成的变色镜就不一样了,变色速度专门快,用它做士兵的防护激光镜是再好只是了。新型纳米光源和太阳能转换器 用纳米氧化物材料做成广告
22、板,在电、光的作用下,会变得加倍绚丽多彩。半导体纳米材料的最大用途是能够发出各类颜色的光,能够做成超小型激光光源,它还能够吸收太阳光中的光能,把它们直接变成电能。这种技术一旦实现,太阳能汽车、太阳能住宅就会成为现实,到那时,人们居住的环境将加倍漂亮,空气加倍清新。纳米传感器 半导体纳米材料做成的各类传感器可灵敏地检测温度、湿度和大气成份的转变,这在汽车尾气和大气环境珍惜上已取得应用。纳米传感系统能进展病症的初期诊断,利用纳米材料还能制作耐用且人体友好的人工组织和器官、复明和复聪器件,提高病人的生活质量。纳米导向药物和皮肤护理保健品 假设是在人体外部加以导向,可利用纳米药物阻断毛细血管来饿死癌细
23、胞,药物医治的成效会大大提高。纳米颗粒还能够用于人体的细胞别离或细胞染色,也能够用来携带 DNA 进展基因缺点医治。假设是把纳米药物做成膏药贴在患处,药物能够通过皮肤直接被吸收,而没必要针管注射,少去了注射的感染。把不容易被人体吸收的药物或食物,如维生素等做成纳米粉或纳米粉的悬浮液,这种就极易被人体吸收。纳米加工技术 为了纳米科学研究及其功效的应用,第一要能依照人们的意愿在纳米尺度上对材料进展自由地剪裁和安排,这一技术被称为纳米加工技术。事实上,一方面纳米加工技术是纳米材料应用的重要根底,另一方面纳米加工技术中也包括了许多人们尚未熟悉清楚的纳米科学问题。例如说,在一个粗细为几纳米的孔或线里,原
24、子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一样而言,原子运动的自由程为几个微米。在那个长度上,原子发生碰撞、进展热扩散的作用可忽略不计。可是在纳米孔或线内,原子的扩散主假设是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子,一样以为物体之间彼此运动时的摩擦力要紧来源于物体外表的不平整性,即物体外表越滑腻,它们之间的摩擦力越小。在纳米世界里,材料外表很小,彼此之间距离很近,以至于两块材料外表上的原子会发生化学键合而产生对彼此运动的阻力。因此,在纳米世界内,所有的加工技术都必需在原子尺寸的层面上考虑。纳米电子元器件 纳米加工技术能够使不同材质的材料集成在一路,它具有芯片的功能,又能够探测到电磁波、光波包括可见光、
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