納米材料及其技術(shù)的應(yīng)用前景

馮棟　李甘

摘要：作為一種多種優(yōu)異性能的功能材料，納米材料具有廣闊的應(yīng)用前景。文章主要介紹納米材料的特征，指出納米技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用方式。

關(guān)鍵詞：納米材料；納米技術(shù)；特征；方式

目前，隨著生物技術(shù)、信息技術(shù)以及能源技術(shù)等的迅猛發(fā)展，社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系囊笤絹?lái)越高，所以，利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，開(kāi)發(fā)和利用新型材料，成為提高科技水平的必要途徑。

1.納米材料的特征

1.1納米材料具有表面效應(yīng)

納米微粒的尺寸較小，表面積較大，而且原子在表面上占有很大的比例，而隨著粒徑的減少，表面積迅速增大，從而使得表面的原子數(shù)急劇增加。所以，納米材料性質(zhì)的變化，是與納米粒子的表面原子數(shù)、總原子數(shù)以及粒徑的變化有關(guān)的。

1.2納米材料具有體積效應(yīng)

納米粒子的體積效應(yīng)是指當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)或者較短時(shí)，周期性的邊界條件遭到破壞，內(nèi)壓、磁性、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、熔點(diǎn)以及催化性等特性與宏觀顆粒的相比發(fā)生了變化，同時(shí)，納米材料的體積效應(yīng)拓寬了納米粒子的應(yīng)用范圍。

1.3納米材料具有小尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與德布羅意、光波波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或者投射深度等物理特性尺寸相當(dāng)或者更小時(shí)，晶體周期性的邊界條件被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子的密度減小，導(dǎo)致光、聲、電磁和熱力學(xué)等特征都隨著尺寸的縮小而發(fā)生明顯的變化。

1.4納米材料具有量子尺寸效應(yīng)

納米材料的量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子納米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)，而且，納米半導(dǎo)體微粒存在著不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，從而出現(xiàn)能隙變寬的現(xiàn)象。比如，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變、光吸收增加、金屬熔點(diǎn)降低等。

2.納米技術(shù)的具體應(yīng)用方式

2.1納米技術(shù)應(yīng)用于陶瓷領(lǐng)域

作為三大支柱材料之一，陶瓷材料在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位，但是，傳統(tǒng)的陶瓷材料具有質(zhì)地脆、韌性差、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)，應(yīng)用范圍有限，而隨著納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，納米陶瓷成為彌補(bǔ)陶瓷材料缺陷的重要資源。盡管在技術(shù)方面納米陶瓷還存在著諸多的不足，但是其具有室溫性能優(yōu)良、抗彎強(qiáng)度較大、高溫力學(xué)性能較好等優(yōu)點(diǎn)，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軸承、切削刀具、和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件等方面，另外，由于納米陶瓷材料能夠適應(yīng)強(qiáng)腐蝕、超高溫等苛刻的環(huán)境，所以具有非常廣闊的發(fā)展空間。

2.2納米技術(shù)應(yīng)用于微電子學(xué)

作為納米技術(shù)的重要組成部分，納米電子學(xué)是根據(jù)納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)、制備納米量子器件的一種技術(shù)，其最終目標(biāo)是進(jìn)一步減小集成電路，研制出由單原子或者單分子構(gòu)成的、能夠使用于不同室溫的各種器件。目前，通過(guò)納米電子學(xué)已經(jīng)成功研制出各種納米器件。紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管、單電子晶體管以及超微磁場(chǎng)探測(cè)器等已經(jīng)問(wèn)世，而且，隨著碳納米管的研制成功，納米電子學(xué)的發(fā)展速度不斷提高，因而，立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念構(gòu)造電子系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在儲(chǔ)存和處理信息能力的納米電子學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，成為信息時(shí)代的發(fā)展核心。

2.3納米技術(shù)應(yīng)用于生物工程

分子可以保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變，所以，作為一種很好的信息處理材料，每一個(gè)生物分子本身就是一個(gè)微型的處理器，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以預(yù)測(cè)方式，進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理與計(jì)算機(jī)的邏輯開(kāi)關(guān)相似，因而，可以利用生物分子的特性和納米技術(shù)，設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。目前，雖然分子計(jì)算機(jī)僅僅處于理想階段，但是，科學(xué)家已經(jīng)考慮利用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件。比如紫紅質(zhì)細(xì)菌，它不僅具有很好的穩(wěn)定性和特異的光、熱、化學(xué)物理特性，而且其奇特的光學(xué)循環(huán)可以用于儲(chǔ)存信息，來(lái)代替計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。盡管，在未找到具有開(kāi)關(guān)功能的微型器件的情況下，目前尚未出現(xiàn)商品化的分子計(jì)算機(jī)，但是，納米計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，將會(huì)突破傳統(tǒng)極限，極大地提高單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理的能力，促進(jìn)電子學(xué)的發(fā)展。

2.4納米技術(shù)應(yīng)用于光電領(lǐng)域

納米技術(shù)的快速發(fā)展，加強(qiáng)了微電子與光電子之間的聯(lián)系，在光電信息傳輸、處理、顯示、運(yùn)算和存儲(chǔ)等方面，光電器件的性能不斷提高。把納米技術(shù)用在現(xiàn)有雷達(dá)的信息處理上，可以使其能力提高10倍到幾百倍，甚至可以利用納米技術(shù)進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察，但是，想要獲取高分辨率的圖像，則需要依靠先進(jìn)的數(shù)字信息處理技術(shù)。因此，在光電領(lǐng)域合理應(yīng)用納米技術(shù)，成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

2.5納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)

在納米技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，醫(yī)學(xué)上逐漸引入納米技術(shù)。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)線度在15～20nm的RNA蛋白復(fù)合體和多種病毒也是納米粒子，這些納米粒子比紅血球小，可以在血管中自由流動(dòng)，因而，假如將超微粒子注入到血夜里，可以通過(guò)血管輸送到人體各個(gè)部位。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物方式已經(jīng)應(yīng)用于臨床動(dòng)物實(shí)驗(yàn)之中，并且將服務(wù)于人類。此外，科學(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，檢測(cè)、診斷身體各個(gè)部位，并且實(shí)施特殊治療，來(lái)清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物、疏通腦血管中的血栓甚至吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞，所以，在不久的將來(lái)，高血壓、艾滋病和癌癥等疑難雜癥可能會(huì)通過(guò)納米技術(shù)得以解決。

2.6納米技術(shù)應(yīng)用于其它方面

在溝通交流方面，利用納米技術(shù)制成含有納米電腦的可人一機(jī)對(duì)話并且具有自我復(fù)制能力的納米裝置；利用納米羥基磷酸鈣為原料，制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料；在軍事方面，通過(guò)昆蟲作平臺(tái)，把分子機(jī)器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)，來(lái)控制昆蟲的飛向，收集敵方情報(bào)，可以起到很大的干擾功能。

3.總結(jié)

總而言之，納米材料具有其他材料所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展空間，所以，在科技水平飛速發(fā)展的今天，充分發(fā)揮納米技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，把納米技術(shù)應(yīng)用于生物、電子、醫(yī)藥、材料和化工等領(lǐng)域，成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)革命的重要?jiǎng)恿Α?