纳米技术的应用及其前景

第三节　纳米技术的应用及其前景

一、发展纳米科技的意义

1959年，著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼曾预言：“毫无疑问，当我们得以对纳微尺度的事物加以操纵的话，将大大地扩充我们可能获得物性的范围。”还设想，“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子，那么这将给科学带来什么？”这正是对纳米科技的预言。

1993年，因发明扫描隧道显微镜而获得诺贝尔物理学奖的科学家亨利希·罗勒博士说：“我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准，并首先学习和使用它的国家。”

亨利希·罗勒

二、纳米技术制备纳米陶瓷

传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，其应用受到限制，纳米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，具有像金属一样的柔韧性和可加工性。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。

要制备纳米陶瓷，关键需要解决粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100％的韧性形变。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50纳米以下，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无法具备的优点。依照这些特性，人们可以制成摔不碎的陶瓷、防弹玻璃等。

三、纳米技术在微电子学上的应用

纳米电子学是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米电子器件。它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。

（一）纳米电子学的最终目标

纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步缩小，研制出由单原子或单分子构成的能在室温使用的各种器件。目前，已经利用纳米电子学研制成功各种纳米电子器件。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点，在一个针尖上可容纳几十亿个这样的量子点。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微电子机械系统方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。美国普林斯顿NEC研究所和赖斯顿大学的科学家已造出了少量的纳米管，其强度比钢高100倍，重量只有钢的1/6，纳米管很细，5万个纳米管排列起来才只有一根头发丝那么粗，轻而柔软可用作防弹背心。而且纳米管的导电性很可能远远超过铜，是最佳超微导线和超微开关的首选新材料，最终可以用于纳米级的电子线路。

纳米电子器件

（二）碳纳米管技术用于未来芯片设计

英特尔公司正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线，芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题。根据摩尔定律，芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件。然而，缩小连线会增加电阻，降低芯片的性能。芯片厂商在20世纪90年代把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题。遗憾的是，随着芯片尺寸的进一步缩小，这个电阻问题将成为芯片厂商遇到的大问题。碳纳米管导电性比金属要好，有可能成为替代金属连线的解决方案。

英特尔45纳米晶圆与牙签

（三）碳纳米管制造人造卫星的拖绳

在航天事业中，利用碳纳米管制造人造卫星的拖绳，不仅可以为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不会烧毁。用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。

（四）在存储器方面的应用

利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应和很大的隧道磁电阻现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高了30多倍。1997年，美国明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的钴棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存储密度可达620兆比特每平方毫米。

纳米人造卫星拖绳

（五）纳米发光二极管

利用半导体材料制造的发光二极管寿命很长，能耗只有普通灯泡的五分之一，已经应用于交通信号灯等设备。但它们倾向于发蓝光，要得到白光必须经过转换，这便降低了效率。为了解决这个问题，科学家们将半导体材料制造成微小的纳米晶体，这类晶体称为“量子点”，调整其尺寸就能改变它们发出的光的颜色。

（六）纳米技术在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件的性能大大提高。美国桑迪亚国家实验室发现，纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。这种激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。实验发现，纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件。美国麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。

碳纳米管光电池

四、纳米技术在化工领域的应用

（一）纳米粒子作为光催化剂的优点

首先是粒径小，比表面积大，光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合，因此，化学反应活性高。

其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。

利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如二氧化钛做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。

将纳米二氧化钛粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为，其体系中只需含纳米二氧化钛0.5％～1％，即可充分屏蔽紫外线。目前，日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色，而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物，从而降低食品的营养价值。如用添加0.1％～0.5％的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。

（二）分子筛（纳米）反应器

分子筛具有独特的孔状结构，大的比表面积、较高的机械强度，做成纳米反应器，能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和反应中间体的运动，这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。1992年，克雷斯吉等首次采用介孔氧化硅材料为基，利用液晶模板技术，在纳米尺度上实现有机/无机离子的自组装反应。其特点是孔道大小均匀，孔径可以在5～10纳米内连续可调，具有很高的比表面积和较好的热稳定性。使其在分子催化、吸附与分离等过程，展示了广阔的应用前景。

分子筛

同时，这类材料在较大范围内可连续调节其纳米孔道结构，可以作为纳米粒子的微型反应容器。

五、纳米技术在生物学上的应用

每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。

DNA发动机已经研制成功，可用于清理血管。美国南加州大学的阿德尔曼博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题——“哈密顿路径问题”。

细菌视紫红质光循环过程中经历的几种不同中间体的过程

分子计算机目前处于设想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。科学家通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。

六、纳米技术在医学上的应用

生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15～20纳米之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10纳米以下的粒子比血液中的红细胞还要小，因而可以在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，可以作为监测和诊断疾病的手段。

分子机器人

科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。

七、纳米技术在分子组装方面的应用

1996年，IBM公司利用分子组装技术，研制出了世界上最小的“纳米算盘”，算盘架是蚀刻而成的铜槽和铜脊，算珠由球状的碳的同素异形体C₆₀分子构成，槽脊柱只有一个原子高，每个槽内可容纳任意个算珠，算珠由扫描隧道显微镜操纵在铜槽内滑动。理论上纳米算盘储存信息的容量是常规电子计算机存储器的10亿倍。

1999年，美国、中国、法国和巴西科学家用精密的电子显微镜测量纳米管在电流中出现的摆频率时，发现可以测出纳米管上极小微粒引起的变化，从而发明了能称量单个病毒的“纳米秤”。该成果在《Science》发表，这种世界上最小的秤，为科学家区分病毒种类、发现新病毒作出了贡献。

四轮纳米小车

1999年，美国波士顿大学的化学家罗斯·凯利制备出世界上最小的马达，该分子马达由78个原子构成，制备这个极小马达花费了科研人员4年的时间。荷兰和日本科学家研究出了一种由太阳能驱动的分子马达，其在光照作用下，能够连续不断地旋转。分子马达不但能够为未来的分子机械提供动力，而且还可以帮助我们更深入地了解一些具有相似结构的生命有机体，例如肌肉纤维及推动细菌运动的纺织锥形鞭毛。

1999年，美国哈佛大学的研究人员研制出的纳米镊子能抓住直径约500纳米的聚苯乙烯原子团，纳米镊子是在一个圆锥形的直径约100纳米的微型滴管的内外壁沉积金电极制成的，镊子的每个臂则是用一束像葱一样的同心层碳纳米管制作，而这些同心层中的一层用导电的胶粘在每根电极上。

纳米镊子用电操纵，使用它时，在两根电极上加电压，使一根纳米管臂带正电，另一根纳米管臂带负电，通过改变所加电压的大小，可增加或减少镊子之间的吸力（即夹东西的力量）。试验表明，镊子的两臂在电压达到8.5伏时可完全合拢，而加较低的电压时，镊子两臂间可留下一定的间隙。现在制成的实验性纳米镊子，臂的宽度约50纳米、长度约4微米。而如果直接在电极上沉积单层纳米管，就可能生产出足以抓住单个分子的微型镊子。

八、纳米技术在其他方面的应用

纳米机器人

利用先进的纳米技术，在不久的将来，可制成含有纳米计算机的可人机对话并具有自我复制能力的纳米装置，它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面，可把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报。利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”从而可以实现用氢气为燃料驱动无污染汽车。

实践馆：

1.纳米是一个什么单位？纳米科学研究的又是一个怎样的尺度范围？纳米技术研究的内容又包括什么？

2.尝试总结梳理本章内容，将纳米科学与技术的相关内容分享给同学。