納米科學技術(shù)

納米科技(英文：Nanotechnology)是一門應用科學，其目的在于研究于納米尺寸時，物質(zhì)和設(shè)備的設(shè)計方法、組成、特性以及應用。納米科技是許多如生物、物理、化學等科學領(lǐng)域在技術(shù)上的次級分類，美國的國家納米科技啟動計劃(National Nanotechnology Initiative)將其定義為“1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大應用的獨特現(xiàn)象的了解與操縱。”

納米科技是尖端科技，卻早就存在身旁。舉例來說，荷葉表面的細致結(jié)構(gòu)和粗糙度大小都在納米尺度的范圍內(nèi)，所以不易吸附污泥灰塵。這種荷葉表面納米化結(jié)構(gòu)，自我清潔的物理現(xiàn)象，就被稱作荷葉效應(lotus effect)。

納米科技是學習納米尺度下的現(xiàn)象以及物質(zhì)的掌控，尤其是現(xiàn)存科技在納米時的延伸。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合，并且被表面效應所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等，而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。舉個例子，當表面積對體積的比例劇烈地增大時，開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。

微小性的持續(xù)探究以使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結(jié)合如電子束微影之類的精確程序，這些設(shè)備將使我們可以精密地運作并生成納米結(jié)構(gòu)。納米材質(zhì)，不論是由上至下制成(將塊材縮至納米尺度，主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到盡可能小的形狀（比如超精度加工，難度在于得到的微小結(jié)構(gòu)必須精確）。

或由下至上制成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結(jié)構(gòu)，主要辦法有化學合成，自組裝(self assembly)和定點組裝(positional assembly)。難度在于宏觀上要達到高效穩(wěn)定的質(zhì)量，都不只是進一步的微小化而已。物體內(nèi)電子的能量量子化也開始對材質(zhì)的性質(zhì)有影響，稱為量子尺度效應，描述物質(zhì)內(nèi)電子在尺度劇減后的物理性質(zhì)。

這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產(chǎn)生的，但它確實在納米尺度時占了很重要的地位。物質(zhì)在納米尺度時，會和它們在巨觀時有很大的不同，例如：不透明的物質(zhì)會變成透明的(銅)、惰性的物質(zhì)變成可以當催化劑(鉑)、穩(wěn)定的物質(zhì)變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液體(金)、絕緣體變成了導體(硅)。

納米科技的神奇來自于其在納米尺度下所擁有的量子和表面現(xiàn)象，并因此可能可以有許多重要的應用和制造許多有趣的材質(zhì)。

納米科學技術(shù)納米科學技術(shù)

納米科學與技術(shù)主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 。

納米科學技術(shù)納米科技

納米科學技術(shù)是在0.1nm~100nm尺度空間內(nèi)，研究電子，原子和分子運動規(guī)律與特性的高技術(shù)學科。納米科學技術(shù)涵蓋納米物理學，納米電子學，納米材料學，納米機械學，納米制造學，納米顯微學，納米計量學，納米化學，納米生物學，納米醫(yī)學。納米科學技術(shù)是現(xiàn)代物理學與先進工程技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上誕生的，是基礎(chǔ)研究與應用探索緊密聯(lián)系的新興高尖端科學技術(shù)。

納米科學技術(shù)納米加工技術(shù)

為了納米科學研究及其成果的應用，首先要能按照人們的意愿在納米尺度上對材料進行自由地剪裁和安排，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。實際上，一方面納米加工技術(shù)是納米材料應用的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中也包含了許多人們尚未認識清楚的納米科學問題。比如說，在一個粗細為幾納米的孔或線里，原子的擴散就與宏觀世界里的擴散大不一樣。一般而言，原子運動的自由程為幾個微米。在這個長度上，原子發(fā)生碰撞、進行熱擴散的作用可忽略不計?？墒窃诩{米孔或線內(nèi)，原子的擴散主要是靠與孔壁的碰撞來完成的。再舉一個例子，一般認為物體之間相互運動時的摩擦力主要來源于物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力越小。在納米世界里，材料表面很小，相互之間距離很近，以至于兩塊材料表面上的原子會發(fā)生化學鍵合而產(chǎn)生對相互運動的阻力。因此，在納米世界內(nèi)，所有的加工技術(shù)都必須在原子尺寸的層面上考慮。2100433B

納米科學技術(shù)科學領(lǐng)域

納米技術(shù)已成功用于許多領(lǐng)域，包括醫(yī)學、藥學、化學及生物檢測、制造業(yè)、光學以及國防等等。本詞條為納米技術(shù)應用的總綱，包括如下領(lǐng)域：

1、納米技術(shù)在新材料中的應用

2、納米技術(shù)在微電子、電力等領(lǐng)域中的應用

3、納米技術(shù)在制造業(yè)中的應用

4、納米技術(shù)在生物、醫(yī)藥學中的應用

5、納米技術(shù)在化學、環(huán)境監(jiān)測中的應用

6、納米技術(shù)在能源、交通等領(lǐng)域的應用

7、納米技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應用

8、 納米技術(shù)在日常生活中的應用

納米科學技術(shù)日常生活

衣 在紡織和化纖制品中添納米微粒，可以除味殺菌。化纖布挺括結(jié)實，但有煩人的靜電現(xiàn)象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現(xiàn)象。

食 利用納米材料，冰箱可以抗菌。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經(jīng)面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，完全達到飲用標準，納米食品色香味俱全，還有益健康。

住 納米技術(shù)的運用，使墻面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面涂上納米薄層，可以制成自潔玻璃和自潔瓷磚，根本不用擦洗。含有納米微粒的建筑材料，還可以吸收對人體有害的紫外線。

行 納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發(fā)動機部件的理想材料，能大大提高發(fā)動機效率、工作壽命和可靠性。納米球潤滑添加劑可以在機車發(fā)動機加入，起到節(jié)省燃油、修復磨損表面、增強機車動力、降低噪音、減少污染物排放、保護環(huán)境的作用。納米衛(wèi)星可以隨時向駕駛?cè)藛T提供交通信息，幫助其安全駕駛。

醫(yī) 利用納米技術(shù)制成的微型藥物輸送器，可攜帶一定劑量的藥物，在體外電磁信號的引導下準確到達病灶部位，有效地起到治療作用，并減輕藥物的不良的反映。用納米制造成的微型機器人，其體積小于紅細胞，通過向病人血管中注射，能疏通腦血管的血栓。清除心臟動脈的脂肪和沉淀物，還可“嚼碎”泌尿系統(tǒng)的結(jié)石等。納米技術(shù)將是健康生活的好幫手。

納米科學技術(shù)具體應用簡介

納米抗血栓中藥

用親脂型二元納米協(xié)同界面包覆的中藥成分將使人類健康的頭號威脅——心腦血管疾病得到更加有效的治療，并將使中國文明的重要組成部分——中藥走向世界。因為這樣的納米中藥將具有普通中藥數(shù)百萬倍的物理活性（治療效果），可以暢通無阻地到達因脂肪堆積而造成的血管栓塞和組織病變部位，并因親和而與脂肪溶合，同時釋放出治療的有效成分，從而使藥物的靶向性提高數(shù)百萬倍。

納米孔膜

利用二元協(xié)同納米界面技術(shù)平臺制備的納米孔膜，將徹底解決油漆、涂料的潮解脫落問題，并可方便地大規(guī)模生產(chǎn)帶有呼吸作用的納米防水涂料和帶有反滲析作用的納米超濾膜，這將給人類的日常生活，甚至給海水淡化技術(shù)帶來革命性變化，從根本上解決人類日益嚴重的缺水問題。

納米修復材料

利用納米技術(shù)還可以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破壞過程中進行納米級的損傷診斷和修復。例如，納米球是一種以多元合金為原料的納米級尺度的球狀原子團簇，能夠吸附在受損的摩擦表面，形成新的超高硬度、極低摩擦系數(shù)、抗磨損、耐腐蝕的保護膜，實現(xiàn)潤滑、修復和保護作用，實驗顯示其摩擦阻力僅為普通潤滑劑的1/3。同時，納米球潤滑劑在潤滑和修復的同時，提高了機械密封型，控制燃料和空氣比重，燃料燃燒更充分，增強發(fā)動機動力，減少不完全燃燒過程中產(chǎn)生的多種有害氣體污染，實現(xiàn)節(jié)能和減排的目的。納米材料在儀器、化妝品、醫(yī)藥、印刷、造紙、電子、通信、交通、建筑及軍事等方面都得到越來越多的應用。

納米自潔表面處理和涂料

如果將透明、疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或瓷磚、玻璃上，大樓就不會被空氣中的油污弄臟，瓷磚和玻璃也因不會沾上水蒸氣而永遠透明。任何粘在表面上的物質(zhì)，經(jīng)陽光的照射，都會在納米涂料的催化作用下，變成可以蒸發(fā)的氣體或者容易被擦掉的物質(zhì)，建筑物不再總是臟乎乎的，家庭里的衛(wèi)浴設(shè)備也不必每天清洗了。將這種納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不會沾上灰塵，省去不少洗衣服的麻煩。氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色鏡的變色速度較慢，用納米材料做成的變色鏡就不一樣了，變色速度很快，用它做士兵的防護激光鏡是再好不過了。

新型納米光源和太陽能轉(zhuǎn)換器

用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩。半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型激光光源，它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能。這種技術(shù)一旦實現(xiàn)，太陽能汽車、太陽能住宅就會成為現(xiàn)實，到那時，人們居住的環(huán)境將更加美麗，空氣更加清新。

納米傳感器

半導體納米材料做成的各種傳感器可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護上已得到應用。納米傳感系統(tǒng)能進行病癥的早期診斷，利用納米材料還能制作耐用且人體友好的人工組織和器官、復明和復聰器件，提高病人的生活質(zhì)量。

納米導向藥物和皮膚護理保健品

如果在人體外部加以導向，可利用納米藥物阻斷毛細血管來餓死癌細胞，藥物治療的效果會大大提高。納米顆粒還可以用于人體的細胞分離或細胞染色，也可以用來攜帶DNA進行基因缺陷治療。如果把納米藥物做成膏藥貼在患處，藥物可以通過皮膚直接被吸收，而無須針管注射，少去了注射的感染。把不容易被人體吸收的藥物或食品，如維生素等做成納米粉或納米粉的懸浮液，這種就極易被人體吸收。

納米技術(shù)應用前景十分廣闊，經(jīng)濟效益十分巨大，美國權(quán)威機構(gòu)預測，2010年納米技術(shù)市場估計達到14400億美元，納米技術(shù)未來的應用將遠遠超過計算機工業(yè)。納米復合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能涂層材料的設(shè)計和應用，將給傳統(tǒng)產(chǎn)生和產(chǎn)品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設(shè)備等領(lǐng)域，將免不了一場因納米而引發(fā)的“材料革命”我國以納米材料和納米技術(shù)注冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術(shù)的生產(chǎn)線。納米布料、服裝已批量生產(chǎn)，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術(shù)的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術(shù)正在改善著、提高著人們的生活質(zhì)量。

納米電子元器件

納米加工技術(shù)可以使不同材質(zhì)的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探測到電磁波、光波（包括可見光、紅外線和紫外線等）信號，同時還能執(zhí)行電腦的指令。如果將這一集成器件安裝在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量大大減小。當前人們已經(jīng)在考慮用“小鳥”衛(wèi)星部分地代替現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng)。如果在衛(wèi)星上用納米集成器件，“小鳥”衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射，成本也更低。

納米碳管的應用

各國科學家正在努力研究的碳納米管是一種非常獨特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十個納米。

這樣的材料很輕，但是很結(jié)實。它的密度是鋼的1/6而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結(jié)實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球到月球的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細尖極易發(fā)射電子，用于做電子槍，可以制成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視制造業(yè)新的方向。

納米材料超高物理活性應用

想像一下只包含幾百個或幾千個原子、分子的“納米顆?！保凑找话愕慕?jīng)驗，原子與原子之間的距離為0.2納米左右，由此可以估計出在尺寸為1納米的立方體“顆?！敝?，每一邊上只能排列5個原子，總體可容納125個原子，但是其中有98個原子在表面上。我們知道，表面上的原子只受到來自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應，也就是說十分活潑。實驗發(fā)現(xiàn)，如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒、發(fā)生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用做新型火箭的固體燃料，也可用做烈性炸藥。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學反應過程，大大提高化工合成的出產(chǎn)率。

納米高強度材料

如果把金屬納米材料顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想在下一個世紀，總有一天會制造出如此神奇性質(zhì)的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料制造汽車、飛機或輪船，會使它們的重量減少到1/10。到那時，一輛摩托車的重量會變成只有20～30千克。人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫奶沾刹牧暇哂杏捕嗟奶攸c。硬是指它可以當做刀具用來切削金屬，脆是指它經(jīng)不住沖擊。陶瓷的另一個長處是耐高溫，在10000℃的高溫下也不變形。用納米陶瓷粉制成的陶瓷已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性。這個問題一旦被徹底解決，會在汽車發(fā)動機上大顯身手，徹底甩掉發(fā)動機的冷卻系統(tǒng)，使發(fā)動機工作在更高的溫度下，汽車將跑得更快、飛機會飛得更高。

納米單電子元器件

把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個納米，就會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續(xù)具有任意動量的電子狀態(tài)，變成只能具有某一動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接結(jié)果表現(xiàn)為，在金屬顆粒的兩端加上電壓，當電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界就不再成立了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內(nèi)，這就切斷了電流的連續(xù)性，這使人們聯(lián)想到是否可以發(fā)明用一個電子來控制的電子器件，所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，一旦實現(xiàn)，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計算速度將提高上百萬倍。

納米激光器和高密度信息存儲器

實際上，被囚禁的電子并不那么“老實”。按照量子力學的規(guī)律，有時它可以穿過“監(jiān)獄”的“墻壁”逃逸出來，這種現(xiàn)象一方面預示著在新一代芯片中的邏輯單元將不用連線而相關(guān)聯(lián)，因而需要新的設(shè)計才能使單電子器件變成集成電路;另一方面也會使芯片的動作不可控制。歸根結(jié)底，在這一情況下電子應被看成是“波”而不是一個粒子。所以盡管電子器件已經(jīng)在實驗室里得以實現(xiàn)，但是真要用在工業(yè)上還需要時間。被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻，是會使材料發(fā)出很強的光?！傲孔狱c列激光器”或“級聯(lián)激光器”的尺寸極小，但發(fā)光的強度很高，用很低的電壓就可以驅(qū)動它們發(fā)出藍光或綠光，用來讀寫光盤可使光盤的存儲密度提高好幾倍。如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存儲數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存儲度可提高成千上萬倍，會給信息存儲技術(shù)帶來一場革命。

納米機器人的研發(fā)

納米機器人根據(jù)分子水平的生物學原理為設(shè)計原型，設(shè)計制造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”，也稱分子機器人；而納米機器人的研發(fā)已成為當今科技的前沿熱點。

目前，不少國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米機器人這種新科技的戰(zhàn)略高地。《機器人時代》月刊日前指出：納米機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用于醫(yī)療和軍事領(lǐng)域。

每一種新科技的出現(xiàn)，似乎都包涵著無限可能。用不了多久，個頭只有分子大小的神奇納米機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。中國著名學者周海中教授在1990年發(fā)表的《論機器人》一文中就預言：到21世紀中葉，納米機器人將徹底改變?nèi)祟惖膭趧雍蜕罘绞健?

納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。1993年，國際納米科技指導委員會將納米技術(shù)劃分為納米電子學、納米物理學、納米化學、納米生物學、納米加工學和納米計量學等6個分支學科。其中，納米物理學和納米化學是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。

納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來的新興科技，其最終目標是人類按照自己的意識直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技以空前的分辨率為我們揭示了一個可見的原子、分子世界。這表明，人類正越來越向微觀世界深入，人們認識、改造微觀世界的水平提高了前所未有的高度。有資料顯示，2010年，納米技術(shù)將成為僅次于芯片制造的第二大產(chǎn)業(yè)。

納米科技nanotechnology）

納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子制造物質(zhì)的技術(shù)。

從迄今為止的研究狀況看，關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念。第一種，是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機器》一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機器實用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)未取得重大進展。

第二種概念把納米技術(shù)定位為微加工技術(shù)的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級的加工技術(shù)，也使半導體微型化即將達到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即便發(fā)展下去，從理論上講終將會達到限度。這是因為，如果把電路的線幅變小，將使構(gòu)成電路的絕緣膜的為得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術(shù)。

第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來，生物在細胞和生物膜內(nèi)就存在納米級的結(jié)構(gòu)。

納米科技包括納米生物學、納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米化學等學科。從包括微電子等在內(nèi)的微米科技到納米科技，人類正越來越向微觀世界深入，人們認識、改造微觀世界的水平提高到前所未有的高度。我國著名科學家錢學森也曾指出，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命。

雖然距離應用階段還有較長的距離要走，但是由于納米科技所孕育的極為廣闊的應用前景，美國、日本、英國等發(fā)達國家都對納米科技給予高度重視，紛紛制定研究計劃，進行相關(guān)研究