納米材料及其技術的應用前景

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用前景。文章主要介紹納米材料的特征，指出納米技術在各個領域中的應用方式。

關鍵詞：納米材料；納米技術；特征；方式

目前，隨著生物技術、信息技術以及能源技術等的迅猛發(fā)展，社會各個領域?qū)Σ牧系囊笤絹碓礁撸裕孟冗M的科學技術，開發(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

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的。

1.2納米材料具有體積效應

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

1.3納米材料具有小尺寸效應

當超細微粒的尺寸與德布羅意、光波波長以及超導態(tài)的相干長度或者投射深度等物理特性尺寸相當或者更小時，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，導致光、聲、電磁和熱力學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

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

2.納米技術的具體應用方式

2.1納米技術應用于陶瓷領域

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、強度低的缺點，應用范圍有限，而隨著納米技術的開發(fā)和應用，納米陶瓷成為彌補陶瓷材料缺陷的重要資源。盡管在技術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、抗彎強度較大、高溫力學性能較好等優(yōu)點，并且已經(jīng)廣泛應用于軸承、切削刀具、和汽車發(fā)動機部件等方面，另外，由于納米陶瓷材料能夠適應強腐蝕、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納米技術應用于微電子學

作為納米技術的重要組成部分，納米電子學是根據(jù)納米粒子的量子效應來設計、制備納米量子器件的一種技術，其最終目標是進一步減小集成電路，研制出由單原子或者單分子構成的、能夠使用于不同室溫的各種器件。目前，通過納米電子學已經(jīng)成功研制出各種納米器件。紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管、單電子晶體管以及超微磁場探測器等已經(jīng)問世，而且，隨著碳納米管的研制成功，納米電子學的發(fā)展速度不斷提高，因而，立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念構造電子系統(tǒng)，開發(fā)物質(zhì)潛在儲存和處理信息能力的納米電子學，可以實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，成為信息時代的發(fā)展核心。

2.3納米技術應用于生物工程

分子可以保持物質(zhì)化學性質(zhì)不變，所以，作為一種很好的信息處理材料，每一個生物分子本身就是一個微型的處理器，在運動過程中，可以預測方式，進行狀態(tài)變化，其原理與計算機的邏輯開關相似，因而，可以利用生物分子的特性和納米技術，設計量子計算機。目前，雖然分子計算機僅僅處于理想階段，但是，科學家已經(jīng)考慮利用幾種生物分子制造計算機的組件。比如紫紅質(zhì)細菌，它不僅具有很好的穩(wěn)定性和特異的光、熱、化學物理特性，而且其奇特的光學循環(huán)可以用于儲存信息，來代替計算機信息處理和信息存儲的作用。盡管，在未找到具有開關功能的微型器件的情況下，目前尚未出現(xiàn)商品化的分子計算機，但是，納米計算機的出現(xiàn)，將會突破傳統(tǒng)極限，極大地提高單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力，促進電子學的發(fā)展。

2.4納米技術應用于光電領域

納米技術的快速發(fā)展，加強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、運算和存儲等方面，光電器件的性能不斷提高。把納米技術用在現(xiàn)有雷達的信息處理上，可以使其能力提高10倍到幾百倍，甚至可以利用納米技術進行高精度的對地偵察，但是，想要獲取高分辨率的圖像，則需要依靠先進的數(shù)字信息處理技術。因此，在光電領域合理應用納米技術，成為科學技術發(fā)展的重要動力。

2.5納米技術應用于醫(yī)學

在納米技術不斷發(fā)展的過程中，醫(yī)學上逐漸引入納米技術。研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)線度在15～20nm的RNA蛋白復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，因而，假如將超微粒子注入到血夜里，可以通過血管輸送到人體各個部位。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物方式已經(jīng)應用于臨床動物實驗之中，并且將服務于人類。此外，科學家們設想利用納米技術制造出分子機器人，檢測、診斷身體各個部位，并且實施特殊治療，來清除心臟動脈脂肪沉積物、疏通腦血管中的血栓甚至吞噬病毒、殺死癌細胞，所以，在不久的將來，高血壓、艾滋病和癌癥等疑難雜癥可能會通過納米技術得以解決。

2.6納米技術應用于其它方面

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

3.總結

總而言之，納米材料具有其他材料所無法比擬的優(yōu)點，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)揮納米技術的應用價值，把納米技術應用于生物、電子、醫(yī)藥、材料和化工等領域，成為推動科學技術革命的重要動力。