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淺談納米材料的應用
【摘 要】納米技術是當今世界最有前途的決定性技術。文章簡要地概述了納米材料在力學、磁學、電學、熱學、光學和生命等方面的主要，并簡單展望了納米材料的應用前景。
【關鍵詞】納米材料；納米技術；應用
有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過技術和基因技術的“決定性技術”，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行，美國從2000年啟動了國家納米計劃，國際納米結構材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術有關的國際期刊也很多。
一、納米材料的特殊性質
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散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料所表現的力、熱、聲、光、電磁等性質，往往不同于該物質在粗晶狀態時表現出的性質。與傳統晶體材料相比，納米材料具有高強度——硬度、高擴散性、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、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結助劑、潤滑劑等領域。
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高韌、高硬、高強是結構材料開發應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年，由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因其力學強度一直難以有大的提高。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。
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當代機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時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系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復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比傳統粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數至少比傳統粗晶材料低3個數量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個數量級，從而在光磁系統、光磁材料中有著廣泛的應用。
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由于晶界面上原子體積分數增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發生尺寸誘導金屬——絕緣體轉變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規半導體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現出很好的晶體三極管放大特性。并根據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展，已經成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。
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納米材料的比熱和熱膨脹系數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弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉換為熱能。
（五）光學性質
納米粒子的粒徑遠小于光波波長。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，在光感應和光過濾中廣泛。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。
（六）生物醫藥材料應用
納米粒子比紅血細胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和，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，殺死癌細胞。在醫藥方面，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的輸運更加方便。
二、納米技術現狀
在歐美日上已有多家廠商相繼將納米粉末和納米元件產業化，我國也在國際環境下創立了一（下轉第37頁）（上接第26頁）些影響不大的納米材料開發公司。美國2001年通過了“國家納米技術啟動計劃（National Technology Initiative）”，年度撥款已達到5億美圓以上。美國戰略的重點已由過去的國家通信基礎構想轉向國家納米技術計劃。布什總統上臺后，制定了新的納米技術的戰略規劃目標：到2010年在全國培養80萬名納米技術人才，納米技術創造的GDP要達到萬億美圓以上，并由此提供200萬個就業崗位。2003年，在美國政府支持下，英特爾、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立中心，在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產線。許多大學也相繼建立了一系列納米技術研究中心。在商業上，納米技術已經被用于陶瓷、金屬、聚合物的納米粒子、納米結構合金、著色劑與化妝品、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、納米基礎等多方面處于世界領先地位。歐洲在涂層和新儀器應用方面處于世界領先地位。早在“尤里卡計劃”中就將納米技術研究納入其中，現在又將納米技術列入歐盟2002——2006科研框架計劃。日本在納米設備和強化納米結構領域處于世界先進地位。日本政府把納米技術列入國家科技發展戰略4大重點領域，加大預算投入，制定了宏偉而嚴密的“納米技術發展計劃”。日本的各個大學、研究機構和界也紛紛以各種方式投入到納米技術開發大潮中來。
在上世紀80年代，將納米材料列入國家“863計劃”、和國家基金項目，投資上億元用于有關納米材料和技術的研究項目。但我國的納米技術水平與歐美等國的差距很大。目前我國有50 多個大學20多家研究機構和300多所企業從事納米研究，已經建立了10多條納米技術生產線，以納米技術注冊的公司100多個，主要生產超細納米粉末、生物化學納米粉末等初級產品。
三、前景展望
經過幾十年對納米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的發展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發展。可以預測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學組裝機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機器人、集成生物化學傳感器等將被研究制造出來。
納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，但從的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發達國家。當今重視發展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現騰飛奠定堅實的基礎。整個人類將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革。
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