纳米技术的应用领域

目前,纳米技术的研究和应用主要在材料与制备、微电子与计算机技术、医药与健康、航天与航空、环境与能源、生物技术和农产品等领域。纳米材料制成的设备重量更轻,硬度更强,使用寿命更长,维护成本更低,设计更方便。纳米材料还可以用来制造具有特定性质的材料或自然界不存在的材料,制造生物材料和仿生材料。

1,纳米是几何尺寸的度量单位,1纳米=百万分之一毫米。

2.纳米技术推动了技术革命。

3.纳米技术制成的药物可以堵塞毛细血管,“饿死”癌细胞。

4.如果在卫星上使用纳米集成器件,卫星会更小,更容易发射。

5.纳米技术是多科学的综合,有些目标需要很长时间才能实现。

6.纳米技术、信息科学技术和生命科学技术是当前科学发展的主流,它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更好。

7.纳米技术可以观察患者体内癌细胞的病理变化和情况,以便医生对症下药。纳米级测量技术包括:纳米级尺寸和位移的精密测量,纳米级表面形貌测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。

一种是光学干涉测量法,利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率。其测量方法包括:双频激光干涉法、光外差干涉法、X射线干涉法、F-P标准工具测量法等。它可用于长度和位移的精确测量,也可用于表面微观形貌的测量。

第二种是扫描探针显微测量技术(STM),其基本原理是基于量子力学的隧道效应。其原理是用非常尖锐的探头(或类似方法)(探头实际上并不与被测表面接触)扫描被测表面,借助纳米级的三维位移定位控制系统测量表面的三维微立体形貌。它主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。

利用这一原理的测量方法包括扫描隧道显微镜(STM)和原子显微镜(AFM)。纳米级加工是指具有纳米级精度的加工技术。

因为原子间的距离是0.1-0.3nm,纳米加工的本质是切断原子间的成键,实现原子或分子的去除,而切断原子间的成键所需的能量必须超过物质原子间的成键能,也就是种植的能量密度非常大。用传统的切割和研磨方法加工纳米级是相当困难的。到2008年,纳米加工已经有了很大的突破。比如用电子束光刻(UGA技术)加工VLSI时,可以实现0.1μm线宽的加工;离子刻蚀可以去除微米级和纳米级的表面材料;扫描隧道显微镜可以移除、扭曲、添加和重组单个原子。纳米粒子的制备方法很多,可分为物理方法和化学方法。

纳米技术制成的服装

真空冷喂料法:通过真空蒸发、加热、高频感应使原料汽化或形成等颗粒,然后淬火。其特点是纯度高,晶体结构好,程度可控,但对技术设备要求高。

物理粉碎法:通过机械粉碎、电火花爆炸等方法获得纳米颗粒。其特点是操作简单,成本低,但晶体产品纯度低,沿晶粒分布不均匀。

机械球磨法:采用球磨法,控制适当的条件,获得纯元素、合金或复合材料的纳米颗粒。其特点是操作简单,成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。

气相沉积法:通过金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点是产品纯度高,粒度分布窄。

沉淀法:在盐溶液中加入沉淀剂反应后,对沉淀进行热处理,得到纳米材料。其特点是简单易行,但纯度低,粒径大,适合于制备载体。水热合成法:在高温高压的水溶液或蒸汽中合成,然后分离、热处理得到纳米颗粒。其特点是纯度高,分散性好,拉伸强度容易控制。

溶胶-凝胶法:金属化合物通过溶液、溶胶、凝胶固化,然后经过低温热处理生成纳米颗粒。其特点是反应物种多,产物颗粒均匀,过程容易控制,适用于氧化物和11-VI化合物的制备。

Hui乳液法:二:不互溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液,在Hui泡沫中成核、团聚、凝聚、热处理后得到纳米粒子。其特征粒子具有良好的单分散性和界面,11-VI半导体纳米粒子多采用该方法制备。

水热合成——在水溶液或蒸汽等流体中高温高压下合成,然后经过分离和热处理得到纳米颗粒。其特点是纯度高,分散性好,粒径容易控制。自1991年Gleiter等人率先制备纳米材料以来,经过10年的发展,纳米材料取得了长足的进步。现在的纳米材料种类繁多,分为金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米高分子材料等等。纳米材料是超颗粒材料,被称为“21世纪的新材料”,具有许多特殊的性质。

比如纳米尺寸的金属粉末烧结而成的材料,强度和硬度都比原来的金属高很多,纳米尺寸的金属实际上已经从导体变成了绝缘体。一般的陶瓷脆弱易碎。而纳米粉体烧结的陶瓷不仅强度高,而且韧性好。纳米材料的熔点会随着超细粉体直径的减小而降低。比如金的熔点是1064℃,但是10nm的金粉熔点降低到940℃,snm的金粉熔点降低到830℃,这样就可以大大降低烧结温度。纳米陶瓷的烧结温度远低于原始陶瓷。纳米催化剂被添加到汽油中。可以提高内燃机的效率。

加入固体燃料可以加速火箭。该药物被制成纳米粉末。可以注射到血管中,顺利进入微血管。目前常规的影像技术只能检测到组织中癌症引起的可见变化,而此时已经有成千上万的癌细胞生成并可能转移。而且即使已经能看到肿瘤,由于肿瘤本身的类别(恶性或良性)和特点,还需要通过活检来确定有效的治疗方法。如果将癌细胞或癌前细胞以某种方式标记出来,就可以用传统设备检测出来,更有利于癌症的诊断。

要达到这个目的,有两个必要条件:一种技术可以特异性识别癌细胞,并使识别出的癌细胞可见。纳米技术可以满足这两点。例如,金属氧化物的表面涂有抗体,该抗体可以特异性识别癌细胞表面上过表达的受体。由于金属氧化物在磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)下会发出高对比度的信号,一旦进入体内,这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体就会选择性地与癌细胞结合,从而使检测仪器能够有效地识别癌细胞。同样,金纳米粒子也可以用于增强内窥镜技术中的光散射。纳米技术可以将识别癌症类型和不同发展阶段的分子标记可视化,这样医生就可以看到传统成像技术无法检测到的细胞和分子。

在与癌症的斗争中,一半的胜利是由于早期发现。纳米技术使癌症的诊断更早、更准确,并可用于治疗监测。纳米技术还可以增强甚至彻底革新组织和体液中生物标志物的筛选。由于各种分子的表达和分布的差异,癌症和癌症之间以及癌细胞和正常细胞之间存在差异。随着治疗技术的发展,在确定治疗方案时,需要同时检测多种癌症生物标志物。纳米粒子,如量子点,可以根据自身大小发出不同颜色的光,可以达到同时检测多种标志物的目的。涂有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点可以与各种癌症生物标志物抗体结合,便于肿瘤学家通过看到的光谱区分癌细胞和健康细胞。由于刻蚀技术在纳米尺度上已经达到极限,组装技术将成为纳米技术的重要手段,受到人们的极大关注。

纳米组装技术是通过机械、物理、化学或生物方法将原子、分子或分子聚集体组装起来,形成功能结构单元。组装技术包括分子有序组装技术、扫描探针原子、分子重定位技术和生物组装技术。有序分子组装是通过分子间的物理或化学相互作用,形成有序的二维或三维分子体系。目前分子有序组装技术及其应用研究的最新进展主要是LB膜的研究和相关特性的发现。生物大分子的识别和组装。蛋白质和核酸等生物活性大分子的组装需要商密度取向,这对于制备高性能生物传感器、开发生物分子器件和研究生物大分子之间的相互作用非常重要。在组装lgG生物大分子的过程中,首次利用抗体活性片段的识别功能来组装活性生物大分子。这一重要进展在生物分子的定向组装方面取得了新的突破。

除上述几种组装外,长链聚合物分子的有序组装、桥联自组装技术以及有序分子膜的应用研究也取得了进展。纳米加工技术还可以用于原子级别的材料加工,使加工技术进入更细致的深度。纳米结构自组装技术的发展将在纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学方面取得突破。

中国在纳米技术领域的科学发现和产业化研究方面具有一定优势。美、日、德等现代国家处于国际第一梯队的前列。虽然近代中国已经建立了一定数量的纳米材料生产基地,但纳米技术的开发和应用也如雨后春笋般涌现,并实现了初步产业化。要实现纳米的大规模低成本工业化生产还有很多工作要做,只有依靠大量的资金和高科技投入才能获得高额的利润回报。纳米生物学是在纳米尺度上研究细胞内各种细胞器的结构和功能。研究细胞内、细胞与整个有机体之间物质、能量和信息的交换。纳米生物学的研究主要集中在以下几个方面。

DNA研究在形态观察、特性研究和基因改造三个方面取得了很大进展。

大脑功能研究

工作的目标是找出人类记忆、思维、语言和学习的高级神经功能和人脑的信息处理功能。

仿生学研究

这是纳米生物学的一个热点研究内容。现在已经取得了很多成绩。这是纳米技术的一个有前途的部分。

世界上最小的马达是生物马达——鞭毛马达。可以像螺旋桨一样旋转带动鞭毛旋转。马达通常由10多个蛋白质群体组成,其结构就像一个人工马达。它由定子、转子、轴承和万向节组成。它的直径只有3nm,转速可高达15r/min,可在1 μ s内完成右转和左转的切换..利用外加电场可以实现加速或减速。旋转的动力来源是细菌中支撑马达的膜内外氮氧离子的浓度差。实验证明。细菌内外的电位差也能驱动鞭毛马达。现代人正在探索设计一种可以通过电位差控制的人造鞭毛电机驱动器。

日本三菱公司开发了一种视网膜芯片,可以模拟人眼处理视觉图像的功能。该芯片基于砷半导体。每个芯片包含4096个传感元件。有望进一步应用于机器人。

有人提议制造像环和棒一样的分子机器。将它们组装成计算机的电路单元。单元尺寸只有Inm,可以组装成超小型计算机,体积只有几微米,可以达到和现代常用计算机一样的性能。

在纳米结构自组装复杂徽机电系统的制造中,一个很大的问题是系统中各种部件的组装。系统越先进越复杂,装配问题就越难解决。蛋白质、DNA、细胞等。自然界中的各种生物都有极其复杂的结构。它们的生成和组装是自动的。如果能够了解和控制生物大分子的自组装原理,人类对自然的认识和改造必然会上升到一个全新的、更高的层次。