納米材料及其應用前景

文章來源:[db:出處] 時間:2011-04-14 00:00:00

納米材料及其應用前景
1 引 言
    諾貝爾獎獲得者Feyneman在六十年代曾經預言:如果我們對物體微小規模上的排列加以某種控制的話,我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性,就會看到材料的性能產生豐富的變化。他所說的材料就是現在的納米材料。
    納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇,小于通常的微粒,一般為100~102nm。它包括體積分數近似相等的兩個部分:一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結構,后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結構。
    1984年德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形,燒結得到納米微晶塊體,從而使納米材料進入了一個新的階段。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議,正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。從材料的結構單元層次來說,它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。在納米材料中,界面原子占極大比例,而且原子排列互不相同,界面周圍的晶格結構互不相關,從而構成與晶態、非晶態均不同的一種新的結構狀態。
    在納米材料中,納米晶粒和由此而產生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序,通常大晶體的連續能帶分裂成接近分子軌道的能級,高濃度晶界及晶界原子的特殊結構導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變。納米相材料跟普通的金屬、陶瓷,和其他固體材料都是由同樣的原子組成,只不過這些原子排列成了納米級的原子團,成為組成這些新材料的結構粒子或結構單元。其常規納米材料中的基本顆粒直徑不到100 nm,包含的原子不到幾萬個。一個直徑為3 nm的原子團包含大約900個原子,幾乎是英文里一個句點的百萬分之一,這個比例相當于一條300多米長的帆船跟整個地球的比例。
  納米材料研究是目前材料科學研究的一個熱點,其相應發展起來的納米技術被公認為是21世紀最具有前途的科研領域。

2 納米材料的特性
2. 1 納米材料的表面效應

  納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。如下圖所示:
             
                     表面原子數與粒徑的關系

  從圖中可以看出,粒徑在10nm以下,將迅速增加表面原子的比例。當粒徑降到1nm時,表面原子數比例達到約90%以上,原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數增多,表面原子配位數不足和高的表面能,使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來,故具有很高的化學活性。

2. 2 納米材料的體積效應
  由于納米粒子體積極小,所包含的原子數很少,相應的質量極小。因此,許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明,這種特殊的現象通常稱之為體積效應。其中有名的久保理論就是體積效應的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態看作是受尺寸限制的簡并電子態,并進一步假設它們的能級為準粒子態的不連續能級,并認為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關系為:
         δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3 
  其中 N為一個金屬納米粒子的總導電電子數,V為納米粒子的體積;EF為費米能級
隨著納米粒子的直徑減小,能級間隔增大,電子移動困難,電阻率增大,從而使能隙變寬,金屬導體將變為絕緣體。

2. 3 納米材料的量子尺寸效應
  當納米粒子的尺寸下降到某一值時,金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級;并且納米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級,使得能隙變寬的現象,被稱為納米材料的量子尺寸效應。在納米粒子中處于分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質,如高的光學非線性,特異的催化和光催化性質等。當納米粒子的尺寸與光波波長,德布羅意波長,超導態的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時,晶體周期性邊界條件將被破壞,非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小,導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常。如光吸收顯著增加,超導相向正常相轉變,金屬熔點降低,增強微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質,可以改變顆粒尺寸,控制吸收邊的位移,制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料,用于電磁波屏蔽、隱型飛機等。
  由于納米粒子細化,晶界數量大幅度的增加,可使材料的強度、韌性和超塑性大為提高。其結構顆粒對光,機械應力和電的反應完全不同于微米或毫米級的結構顆粒,使得納米材料在宏觀上顯示出許多奇妙的特性,例如:納米相銅強度比普通銅高5倍;納米相陶瓷是摔不碎的,這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結構,可望得到諸如高強度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規模復合材料等新一代材料,為克服材料科學研究領域中長期未能解決的問題開拓了新的途徑。

3 納米技術的應用及其前景
3.1 納米技術在陶瓷領域方面的應用

  陶瓷材料作為材料的三大支柱之一,在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。但是,由于傳統陶瓷材料質地較脆,韌性、強度較差,因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用,納米陶瓷隨之產生,希望以此來克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國材料學家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。
  所謂納米陶瓷,是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷,這就需要解決:粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制,團聚體的控制和分散。塊體形態、缺陷、粗糙度以及成分的控制。
  Gleiter指出,如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成,則能夠在低溫下變為延性的,能夠發生100%的范性形變。并且發現,納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優良的韌性,在180℃經受彎曲而不產生裂紋。許多專家認為,如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題,從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷,則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統陶瓷無與倫比的優點。上海硅酸鹽研究所在納米陶瓷的制備方面起步較早,他們研究發現,納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經室溫循環拉伸試驗后,在納米3Y-TZP樣品的斷口區域發生了局部超塑性形變,形變量高達380%,并從斷口側面觀察到了大量通常出現在金屬斷口的滑移線。 Tatsuki等人對制得的Al2O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗,結果發現伴隨晶界的滑移,Al2O3晶界處的納米SiC粒子發生旋轉并嵌入Al2O3晶粒之中,從而增強了晶界滑動的阻力,也即提高了Al2O3-SiC納米復相陶瓷的蠕變能力。
  雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決,但其優良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性,使其在切削刀具、軸承、汽車發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用,并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用,具有廣闊的應用前景。

3. 2 納米技術在微電子學上的應用
  納米電子學是納米技術的重要組成部分,其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件,它包括納米有序(無序)陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小,研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。
  目前,利用納米電子學已經研制成功各種納米器件。單電子晶體管,紅、綠、藍三基色可調諧的納米發光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經問世。并且,具有奇特性能的碳納米管的研制成功,為納米電子學的發展起到了關鍵的作用。
  碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成,徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制,表現出典型的量子限制效應,而在軸向上則不受任何限制。以碳納米管為模子來制備一維半導體量子材料,并不是憑空設想,清華大學的范守善教授利用碳納米管,將氣相反應限制在納米管內進行,從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部,加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應生長出Si3N4納米線,其徑向尺寸為4~40nm。另外,在1997年,他們還制備出了GaN納米線。1998年該科研組與美國斯坦福大學合作,在國際上首次實現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長,它將大大推進碳納米管在場發射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規模集成電路,超導線材等領域。
  早在1989年,IBM公司的科學家就已經利用隧道掃描顯微鏡上的探針,成功地移動了氙原子,并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管,它通過控制單個電子運動狀態完成特定功能,即一個電子就是一個具有多功能的器件。另外,日本的NEC研究所已經擁有制作100nm以下的精細量子線結構技術,并在GaAs襯底上,成功制作了具有開關功能的量子點陣列。目前,美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件,由激光驅動,并且開、關速度很快。
  美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件,在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。此外,若能將幾十億個量子點連結起來,每個量子點的功能相當于大腦中的神經細胞,再結合MEMS(微電子機械系統)方法,它將為研制智能型微型電腦帶來希望。
  納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段,按照全新的理念來構造電子系統,并開發物質潛在的儲存和處理信息的能力,實現信息采集和處理能力的革命性突破,納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。

3. 3 納米技術在生物工程上的應用
  眾所周知,分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料,每一個生物大分子本身就是一個微型處理器,分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化,其原理類似于計算機的邏輯開關,利用該特性并結合納米技術,可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法,有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”,使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。
  雖然分子計算機目前只是處于理想階段,但科學家已經考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件,其中細菌視紫紅質最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩定性,并且,其奇特的光學循環特性可用于儲存信息,從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個光循環過程中,細菌視紫紅質經歷幾種不同的中間體過程,伴隨相應的物質結構變化。Birge等研究了細菌視紫紅質分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調諧激光束,將信息并行地寫入細菌視紫紅質立方體,并從立方體中讀取信息,并且細菌視紫紅質的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。
  到目前為止,還沒有出現商品化的分子計算機組件。科學家們認為:要想提高集成度,制造微型計算機,關鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學已經利用細菌視紫紅質蛋白質制作出了光導“與”門,利用發光門制成蛋白質存儲器。此外,他們還利用細菌視紫紅質蛋白質研制模擬人腦聯想能力的中心網絡和聯想式存儲裝置。
  納米計算機的問世,將會使當今的信息時代發生質的飛躍。它將突破傳統極限,使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍,從而實現電子學上的又一次革命。

3. 4 納米技術在光電領域的應用
  納米技術的發展,使微電子和光電子的結合更加緊密,在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面,使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現有雷達信息處理上,可使其能力提高10倍至幾百倍,甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛星上進行高精度的對地偵察。但是要獲取高分辨率圖像,就必需先進的數字信息處理技術。科學家們發現,將光調制器和光探測器結合在一起的量子阱自電光效應器件,將為實現光學高速數學運算提供可能。
  美國桑迪亞國家實驗室的Paul等發現:納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數幾個狀態上,而低音廊效應則使光子受到約束,直到所產生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。其結果是激光器達到極高的工作效率,而能量閾則很低。納米激光器實際上是一根彎曲成極薄面包圈的形狀的光子導線,實驗發現,納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發射出的光子的量子行為,從而影響激光器的工作。研究還發現,納米激光器工作時只需約100微安的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內。在這一尺度上,此結構的光子狀態數少于10個,接近了無能量運行所要求的條件,但是光子的數目還沒有減少到這樣的極限上。最近,麻省理工學院的研究人員把被激發的鋇原子一個一個地送入激光器中,每個原子發射一個有用的光子,其效率之高,令人驚訝。
  除了能提高效率以外,無能量閾納米激光器的運行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發射激光,這類裝置可以實現瞬時開關。已經有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關,適合用于光纖通信。由于納米技術的迅速發展,這種無能量閾納米激光器的實現將指日可待。

3. 5 納米技術在化工領域的應用
  納米粒子作為光催化劑,有著許多優點。首先是粒徑小,比表面積大,光催化效率高。另外,納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前,大部分不會重新結合。因此,電子、空穴能夠到達表面的數量多,則化學反應活性高。其次,納米粒子分散在介質中往往具有透明性,容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。目前,工業上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑,用于廢水處理(含SO32-或 Cr2O72-體系),已經取得了很好的效果。
  用沉淀溶出法制備出的粒徑約30~60nm的白色球狀鈦酸鋅粉體,比表面積大,化學活性高,用它作吸附脫硫劑,較固相燒結法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高。
  納米靜電屏蔽材料,是納米技術的另一重要應用。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹脂摻加碳黑噴涂而成,但性能并不是特別理想。為了改善靜電屏蔽材料的性能,日本松下公司研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料,由于具有較高的導電特性,因而能起到靜電屏蔽作用。另外,氧化物納米微粒的顏色各種各樣,因而可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色,這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性,而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。
  另外,如將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中,則可以有效地遮蔽紫外線。一般認為,其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%,即可充分屏蔽紫外線。目前,日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。紫外線不僅能使肉類食品自動氧化而變色,而且還會破壞食品中的維生素和芳香化合物,從而降低食品的營養價值。如用添加0.1~0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品,既可以防止紫外線對食品的破壞作用,還可以使食品保持新鮮。將金屬納米粒子摻雜到化纖制或紙張中,可以大大降低靜電作用。利用納米微粒構成的海綿體狀的輕燒結體,可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機化合物等的分離和濃縮,用于電池電極、化學成分探測器及作為高效率的熱交換隔板材料等。納米微粒還可用作導電涂料,用作印刷油墨,制作固體潤滑劑等。
  用化學共沉淀法得到ZnCO3包覆Ti(OH)4粒子,在一定溫度下預焙解后,溶去絕大部分包覆的ZnO粉體,利用體系中少量的ZnTiO3(ZnTiO3與TiO2(R)的晶體結構類似)促進了TiO2從銳鈦型向金紅石型的轉化,制得粒徑約20~60nm的金紅石型二氧化鈦粉體。用紫外分光光度計進行了光學性能測試,結果發現此粉體對240~400nm的紫外線有較強的吸收,吸收率高達92%以上,其吸收性能遠遠高于普通TiO2粉體。另外,由于納米粉體的量子尺寸效應和體積效應,導致納米粒子的光譜特性出現“蘭移”或“紅移”現象。在制備超細鋁酸鹽基長余輝發光材料時,用軟化學法合成出的超細發光粉體的發射光譜的主峰位置,較固相機械混合燒結法制備的發光粉體蘭移了12nm。余輝衰減曲線表明,該法合成出的發光粉體,其余輝衰減速度相對固相法合成出的發光粉體要快得多,這些都是由于粉體粒子大幅度減小所致。
  研究人員還發現,可以利用納米碳管其獨特的孔狀結構,大的比表面(每克納米碳管的表面積高達幾百平方米)、較高的機械強度做成納米反應器,該反應器能夠使化學反應局限于一個很小的范圍內進行。在納米反應器中,反應物在分子水平上有一定的取向和有序排列,但同時限制了反應物分子和反應中間體的運動。這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應的方向和速度。科學家們利用納米尺度的分子篩作反應器,在烯烴的光敏氧化作用中,將底物分子置于反應器的孔腔中,敏化劑在溶液中,這樣就只生成單重態的氧化產物。用金屬醇化合物和羧酸反應,可合成具有一定孔徑的大環化合物。利用嵌段和接技共聚物會形成微相分離,可形成不同的“納米結構”作為納米反應器。

3. 6 納米技術在醫學上的應用
  隨著納米技術的發展,在醫學上該技術也開始嶄露頭腳。研究人員發現,生物體內的RNA蛋白質復合體,其線度在15~20nm之間,并且生物體內的多種病毒,也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小,因而可以在血管中自由流動。如果將超微粒子注入到血液中,輸送到人體的各個部位,作為監測和診斷疾病的手段。科研人員已經成功利用納米SiO2微粒進行了細胞分離,用金的納米粒子進行定位病變治療,以減少副作用等。另外,利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物已經取得了突破性進展,現在已用于臨床動物實驗,估計不久的將來即可服務于人類。
  研究納米技術在生命醫學上的應用,可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系,獲取生命信息。科學家們設想利用納米技術制造出分子機器人,在血液中循環,對身體各部位進行檢測、診斷,并實施特殊治療,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動脈脂肪沉積物,甚至可以用其吞噬病毒,殺死癌細胞。這樣,在不久的將來,被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解,從而將使醫學研究發生一次革命。

3. 7 納米技術在分子組裝方面的應用
  納米技術的發展,大致經歷了以下幾個發展階段:在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒,合成塊體。研究評估表征的方法,并探索納米材料不同于常規材料的特殊性能。利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能,設計納米復合材料。目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結構材料的研究。雖然已經取得了許多重要成果,但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關。如何合成具有特定尺寸,并且粒度均勻分布無團聚的納米材料,一直是科研工作者努力解決的問題。目前,納米技術深入到了對單原子的操縱,通過利用軟化學與主客體模板化學,超分子化學相結合的技術,正在成為組裝與剪裁,實現分子手術的主要手段。科學家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型,使納米顆粒能在該模型內生成并穩定存在,則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發生。
  1992年,Kresge等首次采用介孔氧化硅材料為基,利用液晶模板技術,在納米尺度上實現有機/無機離子的自組裝反應。其特點是孔道大小均勻,孔徑可以在5~10nm內連續可調,具有很高的比表面積和較好的熱穩定性。使其在分子催化、吸附與分離等過程,展示了廣闊的應用前景。同時,這類材料在較大范圍內可連續調節其納米孔道結構,可以作為納米粒子的微型反應容器。
  Wagner等利用四硫富瓦烯的獨特的氧化還原能力,通過自組裝方式合成了具有電荷傳遞功能的配合物分子梭,具有開關功能。Attard等利用液晶作為穩定的預組織模板,利用表面活性劑對水解縮聚反應過程和溶膠表面進行控制,合成了六角液晶狀微孔SiO2材料。Schmid等利用特定的配位體,成功地制備出均勻分布的由55個Au原子組成的金納米粒子。據理論預測,如果以這種金納米粒子做成分子器件,其分子開關的密度將會比一般半導體提高105~106倍。
  1996年,IBM公司利用分子組裝技術,研制出了世界上最小的“納米算盤”,該算盤的算珠由球狀的C60分子構成。美國佐治亞理工學院的研究人員利用納米碳管制成了一種嶄新的“納米秤”,能夠稱出一個石墨微粒的重量,并預言該秤可以用來稱取病毒的重量。
  李彥等以六方液晶為模板合成了CdS納米線,該納米線生長在表面活性劑分子形成的六方堆積的空隙水相內,呈平行排列,直徑約1~5nm。利用有機表面活性劑作為幾何構型模板劑,通過有機/無機離子間的靜電作用,在分子水平上進行自組裝合成,并形成規則的納米異質復合結構,是實現對材料進行裁減的有效途徑。

3. 8 納米技術在其它方面的應用
  利用先進的納米技術,在不久的將來,可制成含有納米電腦的可人—機對話并具有自我復制能力的納米裝置,它能在幾秒鐘內完成數十億個操作動作。在軍事方面,利用昆蟲作平臺,把分子機器人植入昆蟲的神經系統中控制昆蟲飛向敵方收集情報,使目標喪失功能。
  利用納米技術還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料,可制作人的牙齒、關節等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中,并通過一定的機制來激發藥劑的釋放,則可控藥劑有希望變為現實。另外,還可利用碳納米管來制作儲氫材料,用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制高靈敏度的磁傳感器;利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料,都是很具有應用前景的技術開發領域。

4 納米技術在國內的研究情況及取得的成果
  納米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術,其潛在的重要性毋庸置疑,一些發達國家都投入大量的資金進行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心,日本文教科部把納米技術,列為材料科學的四大重點研究開發項目之一。在德國,以漢堡大學和美因茨大學為納米技術研究中心,政府每年出資6500萬美元支持微系統的研究。在國內,許多科研院所、高等院校也組織科研力量,開展納米技術的研究工作,并取得了一定的研究成果,主要如下:
  定向納米碳管陣列的合成,由中國科學院物理研究所解思深研究員等完成。他們利用化學氣相法高效制備出孔徑約20納米,長度約100微米的碳納米管。并由此制備出納米管陣列,其面積達3毫米×3毫米,碳納米管之間間距為100微米。
  氮化鎵納米棒的制備,由清華大學范守善教授等完成。他們首次利用碳納米管制備出直徑3~40納米、長度達微米量級的半導體氮化鎵一維納米棒,并提出碳納米管限制反應的概念。并與美國斯坦福大學戴宏杰教授合作,在國際上首次實現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。
  準一維納米絲和納米電纜,由中國科學院固體物理研究所張立德研究員等完成。他們利用碳熱還原、溶膠—凝膠軟化學法并結合納米液滴外延等新技術,首次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。
  用催化熱解法制成納米金剛石,由中國科學技術大學的錢逸泰等完成。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反應,以此制備出了金剛石納米粉。
  但是,同國外發達國家的先進技術相比,我們還有很大的差距。德國科學技術部曾經對納米技術未來市場潛力作過預測:他們認為到2000年,納米結構器件市場容量將達到6375億美元,納米粉體、納米復合陶瓷以及其它納米復合材料市場容量將達到5457億美元,納米加工技術市場容量將達到442億美元,納米材料的評價技術市場容量將達到27.2億美元。并預測市場的突破口可能在信息、通訊、環境和醫藥等領域。
  總之,納米技術正成為各國科技界所關注的焦點,正如錢學森院士所預言的那樣:“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發展的特點,會是一次技術革命,從而將是21世紀的又一次產業革命。”
 

上一條:國務院辦公廳關于2011年部分節假日安排的通知

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