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阅读 6729 次 历史版本 0个 创建者:Ruby (2011/4/20 11:11:42)  最新编辑:Ruby (2011/4/20 11:11:42)
納米
拼音:Nà Mǐ (Na Mi)
英文:nanometer
同义词条:nm
  
用電子顯微鏡拍攝的納米纖維。照片由哈佛大學韓國留學生Gang Seong-hun拍攝
用電子顯微鏡拍攝的納米纖維。照片由哈佛大學韓國留學生Gang Seong-hun拍攝
 
  納米(nm)如同釐米、分米和米一樣,是度量長度的單位,一納米等於十億分之一米,將一納米的物體放到乒乓球上,就像一個乒乓球放在地球上一般。納米科技就是一門以0.1至100納米這樣的尺度爲研究對象的前沿科學。

  從尺寸大小來說,通常產生物理化學性質顯着變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下,即100納米以下,因此定義:顆粒尺寸在1~100納米的微粒稱爲超微粒材料,也是一種納米材料。納米金屬材料是20世紀80年代中期研制成功的,後來相繼問世的有納米半導體薄膜,納米陶瓷、納米瓷性材料、納米生物醫學材料等。

  

換算單位


  1,000,000,000納米 = 1 米(m)
  1,000,000納米 = 1 毫米(mm)   
  1,000納米 = 1 微米(μm)
 

納米簡介


  納米是一種幾何尺寸的度量單位,1納米爲百萬分之一毫米,即1毫微米,也就是十億分之一米。略等於四十五個原子排列起來的長度。納米結構通常是指尺寸在100納米以下的微小結構。

  自從掃描隧道顯微鏡發明後,世界上便誕生了一門以0. 1至100納米這樣的尺度爲研究對象的前沿學科,這就是納米科技,其實就是一種用單個原子、分子制造物質的科學技術。納米科技以空前的分辨率爲人類揭示了一個可見的原子、分子世界,它的最終目標是直接以原子和分子來構造具有特定功能的產品。
 

納米科技影響力

 
  從90年代初起,納米科技得到迅速發展,新名詞、新概念不斷湧現,像納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米生物學等等。納米科技是信息和生命科學技術能夠進一步發展的共同基礎,將對人類未來產生深遠影響。
 

納米電子器件

  以納米技術制造的電子器件,其性能大大優於傳統的電子器件: . 工作速度快,納米電子器件的工作速度是硅器件的1000倍,因而可使產品性能大幅度提高。功耗低,納米電子器件的功耗僅爲硅器件的1/1000。信息存儲量大,在一張不足巴掌大的5英寸光盤上,至少可以存儲30個北京圖書館的全部藏書。體積小、重量輕,可使各類電子產品體積和重量大爲減小。
納米金屬塊體
  納米金屬塊體
 

納米金屬塊體


  將金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料,強度比一般金屬高十幾倍,又可拉伸幾十倍。用來制造飛機、汽車、輪船,重量可減小到原來的十分之一。
 

納米陶瓷


  用納米陶瓷顆粒粉末制成的納米陶瓷具有塑性,爲陶瓷業帶來了一場革命。將納米陶瓷應用到發動機上,汽車會跑得更快,飛機會飛得更高。
  

納米氧化物材料


  納米氧化物顆粒在光的照射下或在電場作用下能迅速改變顏色。用它做士兵防護激光鎗的眼鏡再好不過了。將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。
 

納米半導體材料


  納米半導體材料可以發出各種顏色的光,可以做成小型的激光光源,還可將吸收的太陽 光中的光能變成電能。用它制成的太陽能汽車、太陽能住宅有巨大的環保價值。用納米半導體做成的各種傳感器,可以靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化,在監控汽車尾氣和保護大氣環境上將得到廣泛應用。
  

納米藥物


  把藥物與磁性納米顆粒相結合,服用後,這些納米藥物顆粒可以自由地在血管和人體組織内運動。再在人體外部施加磁場加以導引,使藥物集中到患病的組織中,藥物治療的效果會大大提高。還可利用納米藥物顆粒定向阻斷毛細血管,“餓”死癌細胞。納米顆粒還可用於人體的細胞分離,也可以用來擕帶DNA治療基因缺陷症。目前已經用磁性納米顆粒成功地分離了動物的癌細胞和正常細胞,在治療人的骨髓疾病的臨床實驗上穫得成功,前途不可限量。
  

納米加工技術


  在納米尺寸的世界中按照人們的意願,自由地剪裁、構築材料,這一技術被稱爲納米加工技術。納米加工技術可以使不同材質的材料集成在一起,它既具有芯片的功能,又可探測到電磁波(包括可見光、紅外線和紫外線等)信號,同時還能完成電腦的指令,這就是納米集成器件。將這種集成器件應用在衛星上,可以使衛星的重量、體積大大減小,發射更容易,成本也更便宜。可以讓納米技術走入百姓生活。
 
  

技術概念

 

第一種


  從迄今爲止的研究狀況看,關於納米技術分爲三種概念。第一種,是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創造的機器》一書中提出的分子納米技術。根據這一概念,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構。這種概念的納米技術未取得重大進展。
  

第二種


  第二種概念把納米技術定位爲微加工技術的極限。也就是通過納米精度的“加工”來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術,也使半導體微型化即將達到極限。現有技術即便發展下去,從理論上講終將會達到限度。這是因爲,如果把電路的線幅變小,將使構成電路的絕緣膜的爲得極薄,這樣將破壞絕緣效果。此外,還有發熱和晃動等問題。爲了解決這些問題,研究人員正在研究新型的納米技術。
塗覆了納米改性硅橡膠塗層的陶瓷絕緣子照片
塗覆了納米改性硅橡膠塗層的陶瓷絕緣子照片
  

第三種


  第三種概念是從生物的角度出發而提出的。本來,生物在細胞和生物膜内就存在納米級的結構。所謂納米技術,是指在0.1~100納米的尺度里,研究電子、原子和分子内的運動規律和特性的一項嶄新技術。科學家們在研究物質構成的過程中,發現在納米尺度下隔離出來的幾個、幾十個可數原子或分子,顯着地表現出許多新的特性,而利用這些特性制造具有特定功能設備的技術,就稱爲納米技術。
  

綜合概念


  納米技術是一門交叉性很強的綜合學科,研究的内容涉及現代科技的廣闊領域。   納米科技現在已經包括納米生物學、納米電子學、納米材料學、納米機械學、納米化學等學科。從包括微電子等在内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。我國着名科學家錢學森也曾指出,納米左右和納米以下的結構是下一階段科技發展的一個重點,會是一次技術革命,從而將引起21世紀又一次產業革命。   雖然距離應用階段還有較長的距離要走,但是由於納米科技所孕育的極爲廣闊的應用前景,美國、日本、英國等發達國家都對納米科技給予高度重視,紛紛制定研究計劃,進行相關研究。
  

應用案例

 

納米賽車


  美國萊斯大學的科學家2010年1月6日表示,他們開發出了寬度僅爲人體頭髮直徑1/50000的“納米賽車”,其性能超過了過去人們研發的同類“納米車”。研究人員認爲,新開發的“納米賽車”有望加快人們穫得未來新一代分子機器的步伐。相關研究成果發表在近日出版的美國化學會《有機快報》雙周刊上。

  萊斯大學化學系、機械工程和材料系、R.E.斯莫利納米科技研究所以及電子和計算機系的科學家群策群力打造了該賽車。研究人員詹姆斯·托爾和凱文·克里認爲,組建可預期的分子機器的關鍵在於改進控制小分子運動的能力。他們同時也表示,控制由分子組成的某些納米機器在未來可能在計算機電路和其他電子部件制造中發揮作用。

  早在2005年,托爾曾設計和組建出“納米車”,其中包括以“巴基球”(“巴基球”是由60個碳原子構成的納米級球狀分子,具有很多新奇特性,在納米技術研究中廣受科學家重視)爲車輪的“納米轎車”。該“納米轎車”不過3納米至4納米見方,不到頭髮絲直徑的2萬分之一,卻擁有完整的底盤、輪軸和車輪。托爾等人當時預計,未來這種車輛可以用來運輸分子,生產複雜的材料或藥物,成爲“納米生產”中的有用工具。

  在熱或電場梯度的環境下,“納米轎車”能在金材料表面行駛。但是,人們對“納米轎車”的控制具有局限性,這導致其難以得到廣泛應用,主要的限制因素是缺乏可用來研究“納米車”運動範圍和能力的納米量級工具。

  托爾等人新開發的“納米賽車”解決了以往“納米車”存在的部分問題。該車前端具有更小的軸和用特殊材料制成的更易滾動的車輪;後輪雖然也是用“巴基球”做成,但其軸更長,從而提高了“納米賽車”的抓地力。與普通“納米車”相比,經過改進的“納米賽車”能夠在更低的溫度下行駛,且更加靈活。科學家表示,“納米賽車”爲人們穫得更理想的分子機器鋪平了道路。

  2009年6月24日,由中國科學院基礎局和計劃局組織同行專家,對國家納米科學中心、中國科學院過程工程研究所及中國電力科學研究院合作完成的“新型電力防污閃納米複合室溫硫化硅橡膠(RTV)材料”進行了鑒定。

  與會專家聽取了項目組的研發報告、技術實施及查新報告、經濟社會效益和測試報告,對鑒定資料進行了審查,考察了實驗現場,並對報告的内容進行了質詢後,專家組認爲該項目開發了層狀類水滑石結構顆粒的一步合成法新工藝,合成出納米針狀摻雜α-FeOOH、Mg-Ca-Ce複合氧化物,提高了RTV塗層材料的耐老化性能和使用壽命;通過多尺度納米顆粒的複配、不同表面效應耦合,大大提高了RTV塗層的附着力、疏水遷移性、電氣性能、力學性能等綜合性能;形成了納米顆粒表面設計、分散技術與複合工藝等系列核心技術,實現了新型防污閃納米複合RTV材料制備工藝的放大。中試樣品通過了中國電力工業電力設備及儀表質量檢驗測試中心的第三方檢測,所檢十七個型式試驗項目全部達到或優於行業標准DL/T627-2004的要求,成本性能明顯優於國内外同類產品。
  

嵌段共聚物納米膜能過濾水中細菌


  據美國物理學家組織網近日報道,美國科學家使用嵌段共聚物合成出一種新式的納米膜,該膜可過濾掉飲用水中的細菌。科學家認爲,這種納米膜或可解決一個多年懸而未決的全球健康問題:如何將細菌從飲用水中隔離開。該研究發表在《納米快報》雜志上。

  水分子和細菌非常微小,人的裸眼無法看到,科學家一般以納米爲單位來標注其大小。但在顯微鏡下,水分子和細菌的大小則迥然不同。單個水分子的直徑遠遠小於1納米,而大多數細菌的大小則有幾百納米。

  紐約州立大學水牛城分校的化學家紮維德·羅紮耶夫領導的研究小組,使用嵌段共聚物合成出一種新式納米膜,該納米膜含有直徑約爲55納米的孔隙,這種孔隙的大小足以讓水分子成爲“漏網之魚”,但細菌卻無法通過;而且,嵌段共聚物擁有的特殊屬性能讓孔隙平均分布於該納米膜上。

  羅紮耶夫表示,商用膜在孔隙密度或孔隙大小的一致性方面都存在局限,但新式納米膜上的孔隙分布均勻,孔隙的大小也整齊劃一,該膜可作過濾膜使用。並且,這個直徑爲55納米的孔隙是迄今爲止科學家使用嵌段共聚物制造出的最大的孔隙。增大孔隙會增加水流、降低成本、節省時間。另外,直徑爲50納米到100納米的孔隙也足夠小,任何細菌都無法通過。

  新納米膜擁有的特殊屬性要歸功於其原始材料嵌段共聚物。嵌段共聚物由化學結構不同且較短的聚合物交替構成。這兩個聚合物會相互排斥,但在另一端會緊緊依附在一起形成一個聚合物。當許多嵌段共聚物混雜在一起時,它們之間的相互排斥力會讓它們采用一種有規則的、交替的模式集合在一起。這個自我組裝過程最終得到的結果就是一個由兩類不同聚合物組成的固體納米膜。

  爲了讓該納米膜上的孔隙平均分布,羅紮耶夫團隊移除了其中的一種聚合物。孔隙相對較大是因爲組成原初嵌段共聚物的分子具有類似於試管刷狀的獨特結構。
  

具可彎曲摺叠性紙質鋰電池問世


  電池是各種便擕式電子產品的重要卻又惱人的部件。尤其碰到大而且重的電池,讓設備的移動性更差,而較小的電池,又會導致設備性能降低或電池壽命變短。不過,現在斯坦福大學開發的新型鋰離子電池或將讓這一切變得更加便捷:新型的超薄可充電電池已經可以制作在一張紙上,從此變得輕型,靈活,就像普通的A4紙一樣方便。
一張可摺叠的紙質鋰電池
一張可摺叠的紙質鋰電池

  來自斯坦福大學的一位材料科學家將薄膜碳納米管塗在另一張表層含有金屬的鋰化合物納米管上。這些很薄的雙層薄膜放在普通紙張的兩面,紙張既是電池的支撑結構,同時也起到分離電極的作用。鋰作爲電極,而碳納米管層則是電流集合管。這樣以來,電池僅有300微米厚,而且節能效果比其它電池更好。這也並非一次性的電池,經過300多次循環充電測試,性能仍然令人滿意。更讓人興奮的是,這種電池生產難度不高,比其他瘦身電池的方法更加容易投入商用化。

  雖然目前這種電池還不太成熟,也可能並非所有移動設備的最理想配件,但它們可能在未來大有用處,如智能化包裝,電子標籤應用以及電子紙產品等領域。
  

南非利用納米技術制造出簡便的水淨化袋


  南非斯泰倫布什大學的研究人員近日發明了一種方便擕帶、簡單易用、環境友好的可淨化水的產品。它外表看上去與普通的袋裝泡茶一樣,但一旦浸入水中,它不是散發出茶葉的芳香,而是強力吸附水中的各種雜質和有害物質。簡單的說,隻需將它塞在水壺(瓶)口,從壺中流出的就是可以飲用的幹淨水。研究人員表示,這種高科技、低成本、易處理的水過濾袋將在未來幾個月内實現商品化。

  斯泰倫布什大學理學院院長、微生物學家尤金?克盧迪教授說,18個月前,他在訪問該校技術轉讓公司時,該校化學與聚合物科學系的尤金?斯密特博士向他介紹利用電紡絲技術(electrospinning)可制造納米尺寸的超細纖維,他當時就想這是否可以用於污染水的淨化。他的研究小組與該校微生物學系研究人員及該校聚合物專家們一起,經過多次試驗,終於用可生物降解的材料制造出外形和尺寸與市面上現成的如意波斯茶(Rooibos,南非當地產的一種袋裝泡茶)一樣的“茶葉袋”,其内裝的“茶葉”是内部塗敷薄薄一層生物殺菌劑的微細的納米管,可以殺死所有致病微生物。哪怕是污染最嚴重的水,經過濾袋過濾後,都可以變成100%安全的飲用水。克盧迪說,他們用被病原體高度污染的河水做實驗,過濾出來的水是完全幹淨的。過濾袋是一次性的,用後即扔掉,在水壺(瓶)口塞入一個新的過濾袋,即可進行下次過濾。

  克盧迪認爲,缺乏足量的、安全的、可負擔得起的水供應嚴重影響了包括窮人、老年人、艾滋病人和兒童在内的非洲弱勢人群的生活。目前世界上已報告的霍亂病例中90%出現在非洲,有大約3億非洲人不能穫得安全的飲用水。這個“茶葉袋”集他們多年在水處理淨化、納米技術和食品微生物學方面的研究成果於一體,目的是爲居住在遭污染河流附近的人們提供一種簡單的方法來穫得幹淨的飲用水,也爲那些戶外運動和登山愛好者提供了一個選擇。

  南非標准局目前正在對該產品進行測試,克盧迪希望在穫得批准後,盡快向有關社區推廣該產品。
  

高效存儲氫的納米複合材料研制成功

  據美國物理學家組織網近日報道,美國科學家設計出了一種新的儲氫納米複合材料,它由金屬鎂和聚合物組成,能在常溫下快速吸收和釋放氫氣,這是氫氣儲存和氫燃料電池等領域取得的又一個重大突破。

  上世紀70年代,人們開始將氫氣看成化石燃料的替代品並對其寄予厚望,因爲氫氣燃燒後得到的副產品隻有水,而其他碳氫化合物燃料燃燒後會噴射出溫室氣體和有害污染物。另外,同汽油相比,氫氣的質量更輕,能量密度更大且來源豐富。

  但氫氣要想作爲燃料替代汽油,就必須解決兩大難題:如何安全且密集地存儲,以及如何更容易穫得。最近幾年,科學家一直嚐試解決這兩個問題。他們試着將氫氣“鎖”在固體中;試着在更小的空間内存儲更多氫氣,同時讓氫氣的反應性很低――要讓氫氣這種易揮發的物質保持穩定,低反應性非常重要。然而,大多數固體隻能吸收少量氫氣,同時,還需要對整個系統進行極度地加熱或冷卻來提升其能效。

  現在,美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家設計出了一種新的納米儲氫複合材料,其由金屬鎂納米離子散落在一個聚甲基丙烯酸甲酯(同樹脂玻璃有關的聚合物)基質組成。新材料在常溫下就能快速地吸收和釋放氫氣,在吸收和釋放氫氣的循環中,金屬鎂也不會氧化。

  研究人員詹弗•厄本表示,這項研究表明,在設計納米複合材料中,他們能夠突破基本的熱力學和動力學障礙,讓物質很好地結合在一起;而且也能有效地平衡新複合材料中的聚合物和納米金屬粒子,從而爲其他能源研究領域解決相關問題提供借鑒。

  厄本和同事克里斯蒂安•基思洛維斯基使用美國能源部下屬的國立電子顯微鏡中心的TEAM 0.5顯微鏡觀察到了散落在聚合物内的單個鎂納米晶體。TEAM 0.5顯微鏡是全球功能最強的電子顯微鏡,能在0.5埃(大約是碳原子尺寸的三分之一,也是原子尺度研究的一個關鍵尺寸)分辨率下直接觀察和分析納米結構。使用該顯微鏡,研究人員也能追蹤到“瑕疵”――晶體内的不規則排序和原子空白,據此,科學家能以前所未有的精度和准確度理解新儲存材料中的氫原子行爲。

  基思洛維斯基說:“使用TEAM 0.5顯微鏡,可以證實這種材料中存在着氫氣,並可以直接給新材料中的氫原子陣列直接拍照,讓我們更好地觀察氫原子的行爲。”
 

中科院研制長效抑菌複合材料


  據2011年3月報道,中國科學院上海應用物理研究所物理生物學實驗室和香港城市大學的研究人員研制出一種具有長效抑菌功能的納米銀/硅納米線複合材料。

  銀及其化合物作爲一類抑菌材料已被廣泛用於日常生活,而納米級銀粒子作爲銀家族里的一種納米抑菌材料備受青睞。然而,納米銀容易團聚,在光照下容易氧化而導致抑菌性降低。這種不穩定性極大限制了其在醫學領域的應用。

  上海應用物理所黄慶和樊春海研究員與香港城市大學李述湯教授等合作利用一種新型的一維半導體納米材料——硅納米線作爲基材,采用氫飽和硅納米線的高還原能力在硅線表面原位還原銀鹽,形成納米銀/硅納米線複合材料。該複合材料的協同效應使得納米銀顆粒的分散性提高,特别是其光照穩定性顯着提高。

  據介紹,這種複合材料顯示出優良的抗菌性能,例如1%的納米銀/硅納米線懸液(體積比)可以將格蘭仕陰性菌和陽性菌的生長期延遲約20小時,而10%的懸液則完全抑制了細菌的生長。而且,這種複合材料對哺乳動物細胞產生的細胞毒性很小。該複合材料的制備方法簡單且環保。進一步的研究表明,當這種複合材料被制備成膜之後,依然可以發揮強抑菌性,這爲醫學和環境應用奠定了基礎。

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