纳米论文（通用8篇）
纳米论文 篇1
纳米材料与纳米技术
学院：自动化学院
专业年级： 2015级物联网工程 学生姓名：梁建业 学号：3115001473
4班 摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要了解纳米材料和纳米技术，介绍它的一些相关的应用及其在国内外的现状，并尝试预测它的发展趋势。与此同时，也共同探讨下其存在的问题。首先，让我们来简单地了解下纳米材料和纳米技术吧！一． 什么是纳米材料？
纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。
按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。
按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料。
按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。
按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等）。
二．什么是纳米技术？
纳米技术（nanotechnology）是指在0.1~100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。其实通俗的讲就是“use little things to finish the big work”。我们在分子原子这样的微小尺度上加工材料，得到一些新型的功能性的高科技产品，他们往往具有相比于一般材料更优良的性能，具有很高的实用价值和研究价值。而将纳米应用到测量等方面，又可以达到高精度的效果，比如扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)的发明等。另外还有：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等方面的应用。
三． 纳米技术的特异性质及其相关的应用。
1.纳米技术的具有的个性效应。
小尺寸效应是指：随着颗粒尺寸的不断减小，当进入纳米量级的时候，颗粒的光、声、电磁和热力学等物理性质将发生根本性变化的一类现象。比如磁性的纳米颗粒的矫顽力异常之高，而且其有很多应用，磁性车票、磁性钥匙、磁性信用卡等都是应用这一性质；又如纳米二氧化钛陶瓷一改传统陶瓷在室温下可弯曲，塑性形变可达到100%，这就克服了传统陶瓷性非常脆的弱点。
量子尺寸效应是指：随着颗粒的尺寸进入纳米量级，电子能级也随之从连续转变为离散的，也就是量子化的了，而且能级间距也发生了分裂。这时纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能有了根本性的转变，例如实验结果表明，纳米银是绝缘体。表面效应是指：伴随着颗粒尺寸的不断减小，颗粒总的表面积大幅度变大，表面原子数急剧上升，与此同时，纳米材料的表面能也急剧变大，这种现象称之为表面效应。由于表面原子活化能大，所以它们具有非常高的活性，很不稳定，就更容易与其他物质结合。我们熟悉的现象：纳米金属微粒在空气中就能够燃烧。
宏观量子隧道效应是指：一些宏观量，例如量子相干器件中的磁通量、纳米颗粒的电导率、超微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应的现象。
2.纳米技术的特殊性质。
（一）力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。
（二）磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
（三）电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
（四）热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。
（五）光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。
（六）生物医药材料应用
纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳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药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。
纳米材料和纳米技术的现状： 一．国内的研究现状：
与国外相比,由于我们自身的某些特殊原因,国内对纳米材料的研究起步晚,确切的应该是20世纪80年代,到现在仅仅三十来年的时间,但在纳米材料其特异性能的诱惑下，在以中科院为龙头的引导下，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，并取得很多重大成果，使我国对纳米材料的研究在总体水平上达到国际先进水平，当然这些成就的取得得益于国家对纳米高端技术的高度重视，近年来纳米材料已经成为社会热点话题，纳米材料的应用研究正如火如荼地进行，我国已经进入了基础研究与应用研究并重的新局面。由于我国纳米材料研究方面已经取得的骄人成果，使我们的研究情况在国际上都占有一定的地位。目前，我国纳米材料研究资助项目，主要以金属和无机非金属材料主，占80%左右，高分子和化学合成材料是另一个重要方向，都有所突破。而纳米结构材料研究集中在纳米晶、纳米粉、纳米薄膜、纳米材料、纳米材料改性、增强增韧、纳米结构和纳米特性研究;纳米功能材料的重点领域为纳米信息材料、纳米环境材料、纳米传感材料、热电光磁环境下的特性研究。信息领域包括纳米信息材料、纳米电子学、纳米器件等，是材料、物理、信息相互交叉、促进的领域。生命领域主要集中资助生物材料及应用，如生物纳米传感、检测等。矿物和岩土介质中纳米颗粒的分布和形成机理及应用研究则是地球科学的主要内容。
二．国外的研究现状：
科学家很早就预言纳米技术将在21世纪科技舞台上扮演重要的角色。日本通产省政府与1990年做出资助两项十年计划的重要决定，分别是量子装置计划和关于原子技术的计划，因此日本也就成为了世界上大规模大投入研究纳米技术的先导国。日本的公司和研究所主要集中研究材料的加工和制造，包括先进的医疗诊断器械和微电子应用方面。纳米技术广泛而细致，包括如纳米颗粒的合成、加工，以及具有纳米结构的材料的制造等。目前，从总体实力上客观评价，在纳米材料合成和组装研究方面美国处于领先地位，欧洲和日本紧随其后；在生物方法以及其实际应用方面，美国和欧洲又要强一点，日本稍逊一点点；纳米分散和涂层方面美国与欧洲相近，日本的研究较晚一些，但日本在纳米装置领域和固体材料方面相当强悍，比美国、欧洲都先进。发展趋势
一．纳米材料的发展趋势
(1)纳米尺度。通过精确地控制尺寸和成分来合成材料单元,制备更轻更强的材料,并具有寿命长、维修费用低等特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的生物材料和仿生材料;由于纳米技术能使物质的物理、化学性能发生根本的改变,如纳米陶瓷硬如钢铁,而纳米钢却能像橡胶那样富有弹性等。所以,纳米技术被认为是21世纪材料技术的发展方向。(2)航天和航空。这方面的研究主要包括:研制低能耗、抗辐射、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试、控制仪器和电子设备;抗热胀、耐磨损的纳米结构涂层材料。(3)国家安全。通过纳米电子器件在信息控制中的应用,使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应;用纳米机械设备控制,国家核防卫系统的性能将大大提高;通过纳米材料的应用,可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐蔽性有很大提高,可用于舰船、潜艇和战斗机等。二．纳米技术的发展趋势(1)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍,并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统。(2)环境和能源。发展绿色能源和环境处理技术,减少污染和恢复被破坏的环境;制备孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体,用以消除水和空气中的污染;成倍提高太阳能电池的能量转换效率。
(3)医学。纳米粒子将使药物在人体内的传输更方便,将来用纳米结构“组装”一种寻找病毒的药物进入人体后,可对艾滋病、癌症、病毒性感冒等进行治疗;在人工器官外涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;研究与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件等。
(4)生物。在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等,在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能,生物仿生化学药品和生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗,测定DNA的基因芯片等。存在的问题： 一．社会危害
纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。二．健康问题
纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。
纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。三．环境问题
主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。四．社会风险
纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。
尽管到目前为止，纳米材料与纳米技术仍然是个饱受争议的话题，对人类的危害还是个未知数，但随着科技的发展,我相信这些问题都将会被妥善解决。纳米的应用领域将不断拓展,将会产生革命性的变革。预计不久的将来,纳米科技将深入到各行各业乃至千家万户,并将成为今后二三十年科技发展的主导技术。
[参考文献] [1]白春礼.纳米科技及其发展前景[J].中国工程咨询, 2000,(4):38-41.[2]夏秦海.纳米技术与环境保护[J].环境保护,2001,(3): 44.[3]张立德.纳米材料研究的进展与我国的对策[J].科技导 报,2000,(10):33-34 [4]百度百科
纳米论文 篇2
关键词：纳米技术,纳米光电子,技术,研究
在以往的微电子技术中, 随着科学技术的不断进步与发展, 通过更多的理论研究研发出了新的领域。纳米技术将真空电子器件具有的电子输运的基本原理和微电子器件的相关技术相互融合, 同时融合了微细加工技术以及一些比较特殊的工艺, 最终成为了如今的新型技术。
一、纳米光电子的相关概念
如今的光电子技术由光电子集成逐渐向新兴的纳米光技术方向逐渐发展。并且纳米光电子在传统的半导体材料的基础上不断演变发展而来, 成为了新兴纳米电子学未来发展的新的趋势。纳米光电子主要是研究在所有纳米结构中各个电子以及光子存在的相互作用。将光电子以及纳米电子的相关技术相互结合共同组成了纳米光电子技术。传统的半导体硅并不具备发光的基本功能, 但是引进了纳米技术以后, 能够发出一种非常耀眼的光, 同时开设了一门新兴的纳米光电子。
二、纳米光电子技术的发展
新时代的纳米电子技术能够快速的制作各种单电子存储, 同时还可以制作一些非常精巧完美的微电子机械以及电机械系统。随着现代纳米技术的不断进步与发展, 集成电路也将成为一种比较先进的半导体器件, 并成为了未来发展的新方向。
如今的信息社会对于所有使用的集成电路具有的集成度的各种要求也逐渐增高, 这就导致人们不断突破尺寸具有的极限途径。在新的社会形势下, 纳米电子以及纳米电子光技术应运而生, 并成为了半导体科学以及各种工程研究的重要领先技术。光电子技术属于电子技术以及光电子技术的结合体。
二十世纪以后, 光电子技术逐渐发展, 并取得了一定的进步。将光电子技术以及纳米技术巧妙的相互融合最终形成了纳米光电子技术, 成为了未来电子技术不断发展的新领域。如今的二十一世纪, 也为光电子技术以及纳米光电子技术发展提供了新的机遇。
三、纳米光电子各个器件的具体分类
3.1 纳米光电技术探测器
如今的纳米光电技术探测器主要是利用纳米光电子的基本材料进而不断发展而来。这种微型的探测器主要由纳米丝以及各种纳米棒共同组成, 例如, 超高灵敏度红外探测器等。
3.2纳米发光器件
引进纳米光电子的相关技术并利用纳米光的基本材料, 利用纳米光刻技术, 最终研制出新兴的纳米发光器件。主要有利用纳米粒子等材料制作完成的一种硅发光二极管, 使用各种纳米尺寸制成的可以实现调谐的纳米发光二极管。
3.3纳米光子器件
纳米量子机构以及量子电路等各种集成技术都蕴含着非常深奥的研究内容。例如, 利用三维光电子自身的晶体天线, 还可以利用光子晶体技术二极管, 以及无损耗产生的光电波, 光开关等, 这些都属于先进的纳米光子器件, 在量子保密通信中的各种重要的关键器件, 都是利用纳米光子器件完成的。
3.4纳米显示器
纳米显示器主要包括碳纳米管显示器, 还有一种碳纳米发生显示器等。如今的纳米电子学还有纳米光子学以及先进的磁学微电子, 自身具有的极限线宽都是70nm, 这种先进的技术通过几十年的研究就完成了。为了能够在最短的时间内完成新兴的器件, 使用单原子具体的操作方式成为重要的研究方向, 并且, 利用这种先进的技术能够制成计算机, 并且能够有效的提升计算机自身的计算能力, 甚至可以提高上千倍, 但是需要使用的功率只有现在计算机的使用功率的百万分之一。如果使用先进的纳米磁学, 计算机具体的信息存储量甚至能够达到上千倍。使用纳米光电子能够提升通信带宽的上百倍。
另外, 除了以上介绍的各种器件, 还可以从广义上分析, 纳米器件还有分子电子器件, 这种器件无论是在材料上还是在使用的原理上都与上述的半导体量子器件存在较大的差异。
四、结束语
综上所述, 以往的各种科学技术为二十一世纪的高科技奠定了良好的基础, 并提供了有效的理论依据。虽然, 如今的纳米电子技术以及纳米光电子技术仍然处于初级发展阶段, 但是, 随着各种纳米技术的不断发展, 以往传统的集成技术早就已经无法适应时代发展的新需求, 这就需要纳米电子技术以及纳米光电子技术的不断发展, 不断满足社会时代发展变化的新的需求, 在新的社会形势下, 这种新兴的技术也终将会逐渐普及并改善人们的生产生活。
参考文献
[2]郭维康.固体纳米电子器件和分子器件.微纳电子技术, 2010;39 (4) :1一8.
[3]程开富.纳米电子l纳米光电子技术.飞通光电子技术, 2012;2 (2) :76一580.
纳米,纳米,大家都爱你 篇3
南北高校各有优势
2011年，北京科技大学、北京航空航天大学、大连理工大学、苏州大学和南京理工大学五所高校开始招收纳米材料与技术专业本科生。五所大学中，北京科技大学、北京航空航天大学和大连理工大学三所北方高校在材料科学上属传统名校，而南方院校苏州大学和南京理工大学把纳米材料成果产业化，形成了自己的特点。
北方三所高校算是材料科学与工程领域传统名校，值得注意的是，它们却均未设置专门的纳米材料研究机构，更多的是依托原有的强势学科，在传统材料研究领域引入纳米科技，寻求突破。
北京科技大学
北京科技大学原名北京钢铁学院，曾被誉为“钢铁摇篮”，其材料科学研究侧重点是金属材料。除了材料学院这个重点学院外，从事材料科学研究的还有新金属国家重点实验室、高效轧制国家工程研究中心、国家材料服役安全科学中心等机构，侧重点也不局限于金属材料，在无机非金属、高分子、生物医药材料等方面亦有建树。
目前，北科大纳米材料课题组主要研究纳米材料制备与表征、纳米材料改性、功能纳米材料等方面。此外，亦有部分老师研究纳米加工、纳米组装、纳米器件等应用方向。
北京航空航天大学
与北科大不同，北航材料学院在北航不属于重点学院，规模较小，师资力量仅百来人，这决定了北航材料学院的研究方向不会太广。作为航天航空院校，北航材料学院也有自己的优势，正在筹建的航空科学与技术国家实验室（航空领域最高级别实验室），它的侧重点在金属材料、树脂基复合材料及失效分析、先进结构材料、新型功能材料等方面。
在纳米材料上，北航材料学院重点关注纳米器件和纳米涂层。材料学院的纳米材料研究发展趋势可能是纳米技术在航天航空领域的应用。
大连理工大学
大连理工大学的材料学院在金属材料、材料加工方面实力强，基于大连的地理位置，材料学院还开设了五年制金属材料工程日语强化班。不过，纳米材料与技术专业并非隶属于材料能源学部，而是化工与环境学部。因而，大连理工大学的纳米材料研究偏化工类，包括纳米粒子合成化学技术、无机纳米功能材料、纳米复合材料等方向。纳米材料与技术专业开设的专业课中，亦有化工原理、基础化学、材料化学等化工类课程。可以说，这是大连理工大学纳米材料与技术专业的一大特色。
与北方三所高校相比，苏州大学和南京理工大学纳米材料与技术专业的发展方向截然不同。两所南方高校均成立多个纳米材料研发机构，在研究方向上，两所高校侧重于纳米材料器件应用，尝试产业化。这些特点可能与江浙一带出现纳米高新技术企业有关。
苏州大学
苏州大学没有材料科学与工程学院，而是材料与化工学部，研究偏向化工，在无机非金属、高分子材料方面实力不错。纳米材料与技术专业并没有开设在材料与化工学部，而是2010年成立的纳米科学技术学院。除了纳米科学技术学院，苏州大学研究纳米材料的机构还有2008年成立的苏州大学功能纳米与软物质研究院、2011年成立的苏州大学-滑铁卢大学苏州纳米科技研究院。其中，以中科院院士李述汤教授领衔组建的功能纳米与软物质研究院已初具规模，它以功能纳米材料和软物质为研究对象，侧重于功能纳米材料与器件、有机光电材料与器件、纳米生物医学技术等，寻求在纳米器件以及新能源、环保、医用等领域的应用。
南京理工大学
南京理工大学由军工学院演变发展而来，其材料科学与工程学院的材料学研究侧重于金属材料及复合材料。不过，南理工是国内最早开展纳米材料与技术研究的大学之一，正筹建纳米结构研究中心，研究侧重点是与纳米结构材料相关的分析、材料力学、电化学性能评估等。由南理工化工系和南京部分企业共同支持的南京市高聚物纳米复合材料工程技术中心，研究侧重点是纳米材料制备、应用、纳米催化聚合反应、纳米复合材料，该中心已与江苏部分纳米企业开展纳米技术产业化合作。此外，南理工还共建了金属纳米材料与技术联合实验室。
其他高校纳米特色
上海交通大学
上海交通大学材料科学与工程学院在各类相关排名中居首，教职工200多人，研究侧重点包括金属材料、复合材料、塑性成形、轻合金精密成型等，在中国是材料科学与工程学子公认的梦想学府。其材料学院也涉及纳米材料，比如，复合材料研究所部分老师从事纳米复合材料研究，微电子材料与技术研究所从事纳米电子材料研究。此外，上海交通大学还成立了微纳科学技术研究院，研究方向为纳米生物医学、纳米电子学与器件。生物医药工程学院也开展纳米材料的可控合成与制备、纳米生物材料等方面的研究。
清华大学
与北京航空航天大学相似，清华大学材料科学与工程系是学校名气大于院系实力，每年有数百人争夺材料系不足30个研究生名额。材料系建有新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室，研究侧重点以陶瓷材料为主，同时涉及磁性材料、复合材料、电极材料和核材料。在纳米材料方面，清华材料系主要研究纳米材料结构、纳米材料合成和微纳米颗粒等。2010年，清华大学成立了微纳米力学与多学科交叉创新研究中心，主要研究微纳米器件、纳米复合材料在电能存储上应用和微纳米设备研发等。
北京大学
北大材料科学与工程系成立于2005年，教职工10余人，成立之初就把材料科学与纳米技术结合起来，欲在纳米材料与微纳器件方面有所突破。此外，北大成立了纳米化学研究中心，教职工7人直博生却达45人，主要研究领域包括低维新材料与纳米器件、纳米领域的基本物理化学问题。
西北工业大学
西工大是西部材料科学与工程实力最强的院校，其材料学院师资队伍近200人，有凝固技术国家重点实验室和超高温复合材料国防科技重点实验室。因此，其研究侧重点在凝固，复合材料和金属材料的实力亦不俗。在纳米材料方面，西工大成立了微/纳米系统研究中心，致力于航空航天微系统技术、微纳器件设计制造技术、微纳功能结构技术。总之，西工大的纳米材料研究可能集中于纳米器件在航天、航空、航海方面的应用。
留学两大国
纳米技术是交叉学科，包括纳米科技、物理、化学、数学、分子生物学等课程。报考纳米专业或方向的研究生在本科一般学的是材料学、材料物理与化学、凝聚态物理、物理化学等。就留学而言，由于纳米材料处于基础研究阶段，容易发表论文；各个国家在纳米材料方面投入大量资金，使得科研经费相对充足，相比于其他专业容易申请奖学金。这两点决定了留学攻读纳米技术专业研究生相对容易。
2000年，美国白宫发布国家纳米技术计划，美国的纳米技术得到飞速发展。总体上看，美国的纳米技术已经处在纳米技术实用化阶段，而其他各国仍处在纳米技术的基础研究阶段。美国各大高校也争相进入纳米材料各个研究领域——
实力强劲的麻省理工学院在太阳能存储、航空材料、燃料电池薄膜、封装材料耐磨织物和生物医疗设备领域的碳纳米管、聚合纳米复合材料等方面成果显著。
加州大学伯克利分校注重于纳米材料在能源、药物、环境等方面的应用，已卓有成效。
哈佛大学则侧重在生物纳米科技，即生物学、工程学与纳米科学的交叉领域。
康奈尔大学已经在纳米级电子机械设备、碳纳米管应用电池、纳米纤维等方面获得突破。
斯坦福大学重在纳米晶的光学性能、输运性能和生物应用，以及纳米传感器、纳米图形技术等。
普渡大学的纳米电子学、纳米光子学、计算纳米技术，尤其是计算纳米技术全球领先。
纽约州立大学奥尔巴尼分校专注于纳米工程、纳米生物科学，其纳米技术研究中心是全球该领域最先进的研究机构。
莱斯大学在纳米碳材料领域成果显著，在学校的研究人员中，纳米材料研究人员的比重约为四分之一，是美国纳米材料研究人员最多的大学之一。
此外，美国有很多研究纳米技术的实验室，它们比较愿意招中国大学生，这一点也值得注意。
日本算是最早开展纳米技术基础及应用研究的国家，早在1981年，日本政府就建立了纳米技术扶持计划。美国公布国家纳米技术计划前，曾派人去日本做调查。日本纳米技术的研发特点是企业界是主力军，它们试图将纳米技术融入到产业中。比如，日本企业纷纷斥巨资建纳米技术研究机构，同时建立纳米材料分厂实现产业化。此外，企业与大学、科研院所合作，开发纳米技术。比如，富士通和德国慕尼黑大学合作，三菱公司和日本京都大学合作。
与美国在纳米技术基础研究和生物工程技术领域领先不同，日本在精细元器件及材料的制造方面独占鳌头，日本对纳米材料研究的投入不断加大，也使得去日本读纳米专业是一个不错的选择。
Tips：何去何从
纳米材料专业毕业生有三大去处。选择留学深造或进高校、研究院从事研发；进入纳米材料行业企业；进入传统材料企业。
目前，高校及研究院是吸纳纳米材料人才的主要场所。以国家纳米中心、中科院苏州纳米所为主，中科院下属研究所需求纳米材料人才也比较可观。总体来说，纳米材料人才在高校和研究院的分布呈现两个区域——以北京为中心,包括中科院下众多研究所及各大高校；以上海为中心,分布在江浙一带的研究所和高校。此外，广州深圳为代表的珠江三角洲也有需求。
中国的纳米材料行业处在将实验室产品市场化、商品化的阶段，分为两种情况。研制与生产纳米粉体、纳米液体的企业相对成熟，规模大。研发生产纳米新能源材料、水处理纳米材料、LED光源材料、生物医药纳米器件、纳米电子器件、太阳能光伏电池、锂离子电池的企业规模小，工作人员一般50人以下。这些企业大多数是自主创业，把自己的研究成果产品化。以后，第二类企业将会越来越受宠。
纳米论文 篇4
我眼中的纳米材料与纳米技术的未来
学 院： 专 业： 班 级： 学 号： 姓 名： 指导老师： 日 期：
我眼中的纳米材料与纳米技术的未来
摘要:
21世纪，纳米材料与纳米技术在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了我了解的纳米材料，包括其基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米技术的未来。
关键词： 纳米材料；性能；应用；纳米技术；
一、纳米材料
1.1纳米材料
纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。
对于纳米材料的研究包括两个方面：
一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；
二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料的纳米修饰与改性。目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。
1.2、材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。（1）纳米陶瓷
利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服
陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属似柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料（2）纳米粉末
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。（3）纳米纤维
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。（4）纳米膜
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。（5）纳米块体
纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
1.3纳米结构
以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的新体系。它不仅具有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性。
Gleiter认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合，纳米材料具有大量界面，晶界原子达15%一50%。可以利用TEM、X射线、中子衍射和一些其它方法来表征纳米材料及其结构。对于纳米材料晶界的结构有三种不同的理论:
[3]（1）Gleiter的完全无序说。这种假说认为纳米晶粒间界具有较为开
放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序，又无短程有序。（2）Seagel的有序说。有序说认为晶粒间界处含有短程有序的结构单元，晶粒间界处原子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的最低状态;（3）叶恒强、吴希俊的有序无序说。该理论认为纳米材料晶界结构受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化。
二、纳米技术
纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段：
第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。
第二阶段(1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料： •
纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，•
纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)，•
纳米复合薄膜(0-2复合)。
第三阶段(从1994年至今)纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。
三、纳米材料的基本性能
2.1力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强 度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。2.2热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。2.3电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。2.4磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
三、纳米材料的主要应用
借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。
3.1特殊性能材料的生产
材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1 200℃～1 311℃。复合材料的烧结 由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备 通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作 3.2生物医学中的纳米技术应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。
3.3纳米生物计算机开发
生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。
科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。
目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影
3.4新的国防科技革命 纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为
3.5其他领域
除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。
四、纳米技术的未来
20世纪80年代开始的纳米技术在90年代获得了突破性进展，其与医学的结合形成了新兴边缘学科———纳米医疗，即在分子水平上利用分子工具和已掌握的关于人体的知识，从事的疾病诊断、医学、预防、保健和改善健康状况等。在认识生命的分子基础上，人们可以设计制造大量的具有奇特功效的纳米装置，它们能够发挥类似于组织和器官的功能;它可以达人体的各处甚至出入细胞，在人体的微观世界里完成畸变的基因修复、扼杀初发的癌细胞、捕捉侵入人体的细菌和病毒、探测机体内化学或生物化学成分的变化、适时地释放药物和人体所需的微量物质、及时改善人的健康状况等特殊使命。纳米技术在医学领域中的普遍应用将使21世纪的医学产生一个质的飞跃。
经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。
纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从 历史的角度看：上世纪70年代重视微米 科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。
五、参考文献
纳米材料论文 篇5
【摘 要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的分类、特性以及纳米材料在催化、涂料、医药等领域的应用，并展望了纳米材料广阔的应用前景。
【关键词】纳米技术；纳米材料；分类；特性；应用；前景
一、纳米科技及纳米材料的涵义
纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
二、纳米材料的分类
按其颗粒组成的尺寸和排列状态，可分为纳米晶体和纳米非晶体。前者指所包含的纳米微粒为晶体，后者由具有短程序的非晶态纳米微粒组成，如纳米非晶态薄膜．
按其结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维的原子团簇和纳米微粒；一维调制的纳米单层或多层薄膜；二维调制的纳米纤维结构；三维调制的纳米相材料。
三、纳米材料的特性
纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与本体材料有明显差异。主要表现在：纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性。当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。这主要是由纳米材料的下列效应引起：小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应。
1、小尺寸效应指当超微粒的尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现新的尺寸效应。陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性和延展性。这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。
2、表面与界面效应指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。
3、当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的特性，称之为量子尺寸效应。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。可使用于制备无机抗菌材料。
4、微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
四、纳米材料的应用
1、在催化方面的应用
催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，主要是在有机物制备方面。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂或钮催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
2、在涂料方面的应用
纳米材料由于其表面和结构的非凡性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。
3、在医药方面的应用
21世纪控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人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，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。
纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质非凡是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。
五、纳米材料的前景
21世纪将是纳米技术的时代，纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
纳米科技论文 篇6
摘 要：纳米科技是近期发展起来的新兴科学领域,它正在化学、物理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成,而且不断有新的发现和突破。本文论述了国内外纳米科技研究现状，阐释了纳米科技发展的过程，同时阐述了纳米科技在工业、医学、通信等方面的实际应用。关键词：纳米科技；纳米材料；纳米通信引言
纳米技术是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界定为1～100nm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。2 中国纳米科技的研究现状
中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20世纪80年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982年发明的扫描隧道显微镜和1986年发明的原子力显微镜(是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入到实质性研究阶段。纳米科技的技术优势
在纳米研究快速发展的基础上,纳米在工业、能源、医学和环境等传统产业中的应用研究也愈加广泛和深入,推动着纳米科技自身的 1 / 3
发展和相关领域的技术进步,主要表现在:(1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新;(2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池,成为未来太阳能电池的主导;(3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料;(4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能;(5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力;(6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探测活细胞中的致癌毒素或追踪癌症药物的效用,可用于化疗监测;(7)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路迈出重要一步。纳米科技的广泛应用
5〃2 纳米科技将在医学更广泛应用
通过纳米级微型探测器可以大幅提高医学诊断和疾病检测精度,同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治疗目前基于发现肿瘤标志物并快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前景。
5〃4 纳米科技在未来通信技术上的应用
通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作用。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。
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参考文献
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纳米论文 篇7
近日,中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张珽研究员团队与新加坡南洋理工大学刘政教授团队合作,并联合南京大学、新加坡科技局先进制造研究所、以及美国杜克大学,通过五方全面合作,在该领域取得突破进展。研究团队通过化学气相沉积法,制备出高质量硫化镉(CdS)超薄纳米片薄膜(厚度2~3纳米,即3~5个晶格厚度)。并通过扫描探针显微镜等原位表征技术,对硫化镉超薄纳米片材料的垂直方向压电性能进行了表征与系统研究,发现超薄硫化镉纳米片在垂直方向具有3倍于体相材料的巨大压电常数(~33pm/V),并且理论模拟很好的验证了这个结论。这些结果为构筑超高精度的驱动器及新型高灵敏压力、位移和应变传感器奠定了重要的理论与实验的基础。
从某种程度上说,仪器的精度决定了人类对物质世界的认知极限,其中高精度的压电材料不可或缺。为一窥原子,需要利用压电材料在亚原子精度上移动探针;为验证小尺度下万有引力的平方反比关系,需要对实验部件精确定位感知;甚至为了“倾听”黑洞的合并瞬间释放出的响彻宇宙的引力波,需要对无数元件严丝合缝的组装定位驱动,消除哪怕一丝一毫的机械偏差。这一切,压电材料功不可没。短期来说,高性能的超薄压电材料对于制造高精度传感器、先进机电元件大有裨益,包括降低尺寸,增加集成度,改造为柔性电子器件等等。长远而言,超薄压电材料甚至可以改变人类对世界的认知。
纳米技术找寻 篇8
纳米是一个长度单位，1纳米=10－9米。纳米技术是在01纳米～100纳米的尺度空间内研究电子、原子、分子的内在运行规律和特性的崭新技术。它的涵盖面十分广泛，包括纳米电子技术、纳米材料技术、纳米机械制造技术、纳米显微技术以及纳米物理学和纳米生物学等不同学科和领域。
纳米技术是世纪之交异军突起的新兴技术，它的出现，标志着人类在改造自然方面进入了一个新的层次，即从微米层次深入到原于、分子级的纳米层次，使人类最终能够按照自己的意愿操纵单个原子和分子，以实现对微观世界的有效控制。专家们认为，正像产业革命、抗生素、核能和微电子技术的出现和应用所产生的巨大影响一样，纳米技术将创造人们想像不到的推动新世纪前进的奇迹。纳米技术的发展不但会开创一个科学技术的新时代，还将会对社会各领域引发重大变革。有人甚至断言，人类迎来的21世纪将是“纳米时代”。
纳米技术一出现，许多国家将其列为“关键技术”范围，投入巨资进行研究开发。纳米技术的研究与开发时间虽然很短，但已取得了令人瞩目的成果，向世人展示了其诱人的发展前景。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地，日本和西欧1997年在这个领域的支出超过了美国。日本、德国、英国、瑞典、瑞士和欧盟都在具体的纳米技术领域创造了中心优势，日本在纳米设备和强化纳米结构领域具有优势，欧洲在分散、涂层和新仪器应用方面处于领先地位。美国目前虽在合成、化学品和生物方面处于领先地位，但是在纳米装置、纳米设备的生产、极精确工程、陶瓷和其他结构材料方面落后于其他国家。
纳米科技发展简史
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。20世纪70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。1974年，科学家唐尼古奇最早使用“纳米技术”一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示出一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的1/6，强度却是钢的l0倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字和1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。l997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量。此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
美国纳米技术的开发情况
美国科学家正试图利用精确控制形状和成分的纳米“砖块”合成出自然界中没有的材料，然后可以把这些材料组装成更轻更强的较大结构，这种结构还可能具有可设计性。美国国家科学和技术委员会发布的一份研究报告描述了这些预计会出现的特种新奇材料的特性。这些材料将具有多种功能，并能够感知环境变化以及做出相应的反应。研究人员预计，还会出现强度是钢铁的10倍的材料、重量只有纸张的1／10的材料、具有顺磁性或者超导电性的材料、透明材料和具有更高熔点的材料。把纳米技术用于存储器，可使整个国会图书馆的信息放入一个只有糖块大小的装置中。
西北大学开发的一种比色传感器，已经成功地探测出发疽和结核杆菌。科学家把探测对象的DNA附加在纳米大小的黄金微粒上，当互补的微粒在溶液中存在时，黄金微粒会紧紧地结合在一起，改变悬浮液的颜色。这种传感器更加简单，且成本只是现有技术的1／10。
美国半导体工业协会制定了一个处理器、传感器、存储器和传输设备的开发路线图，但是这个路线图只延伸到了2010年，并且只达到了大小为100纳米的结构，这比全部是纳米结构的装置要大。这个协会说，科学发现发展成商业上可行的技术需要时间。该协会预计，纳米技术还要再过10年～15年才能成熟。这个估计部分是基于磁阻效应从发现到产品上市所需的时间。1988年，科学家在经过特殊处理的纳米厚的有磁与无磁薄层中发现了巨大的磁阻效应。到1991年，IBM公司展示了简便制造小型样品的能力，到1997年12月就生产出了替代计算机磁头的商业产品。
美国康奈尔大学的一个科研小组最近制成了400架“纳米直升机”，现在正在实验室中对其进行性能实验。这是纳米技术的一个新成果。这些“纳米直升机”之所以被称为“纳米直升机”，是因为它有一个用金属镍制成的螺旋桨，并且利用它的生物分子部件将人体内产生的一种名叫ATP的物质转换成能量，利用这个能量它们可以在人的细胞内“飞翔”和着陆。科学家希望它们能帮助医生清除细胞的缺陷和释放药物。该生物分子部件坐落在一个也是由金属镍制成的柱体上。在实验中发现，该螺旋桨每秒钟可以转8周，而且，令人惊讶的是，只要将上述的镍螺旋桨、生物分子部件和镍柱体等3个部件放在一起，它们就可以在由ATP转换成的能量驱动下自行组装成“纳米直升机”。不过，科学家目前只是在实验室中对其进行性能实验，而且在400架“纳米直升机”中，目前只有五架工作正常。但是参与研制的科学家指出，他们的实验结果已经显示，在人体生物能量的驱动之下，这种三件式的“纳米直升机”能自行组装、维护和修理，这已经是一个大突破了。
尽管美国在纳米研究和开发上仍处于世界领先水平，但是美国的优势最近几年却在下降。1950年，美国的国内生产总值占发达国家总和的40％，开展的研究开发是世界其他国家总和的2倍～3倍。到1997年，美国的国内生产总值只占全世界国内生产总值的27％，开展的研究开发只占世界的40％。美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府将纳米科技基础研究方面的投资从l997年的116亿美元增加到2001年的497亿美元。
中国纳米科技成就卓越
近年来，中国科学家在纳米科技领域屡创佳绩，世界权威科学刊物或者相关国际会议上，中国人频频在纳米领域“露脸”，让世界为之瞩目。1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。l998年，清华大学范守善小组成功地制造出直径为3纳米～50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使中国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。1998年，美国《科学》杂志上刊登了中国科学家的论文。中国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金——从四氯化碳制成金刚石。”近年来，中国科学院物理研究所的解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。l999年上半年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。l999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使中国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。不久前，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能——超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破”，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的。