Mechatronics 版 (精华区)

发信人: tigerking (蒙古骑士), 信区: Mechatronics
标  题: 纳 米 技 术 专 题（2）
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月15日21:08:22 星期四), 站内信件

二、纳米技术的学科领域
  纳米技术的发展使新名词、新概念不断涌现，象纳米材料学、纳米机械学、纳米生物
学和纳米药物学、纳米电子学、纳米化学等等，而且仍在不断扩大。现将几个主要的学
科领域介绍如下。
  纳米材料学 观测和研究纳米材料所具有的特殊结构，包括表面粗糙度、表面结构、颗
粒大小、缺陷和材料制备。在纳米尺度下，物质中电子的量子力学性质和原子的相互作
用将受到尺度大小的影响，从而使其具有许多与传统材料不同的物理、化学性质。科学
实验证明一克具有纳米尺寸的微粒，其表面积可达几万平方米，由于表面积增大，活性
就增强；五颜六色的金属，由于吸光能力增加而一律变成黑体，熔点也随之降低。而且
纳米铁材料的断裂应力比常规材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比一般材料快
几千倍；纳米铜材料比常规铜材料的热扩散增强了近一倍。铜到纳米级就不再导电，纳
米铜的膨胀系数比普通铜成倍增加。绝缘的二氧化硅、晶体等，在20纳米就开始导电成
为导体。人们还发现，纳米颗粒的外形会逐渐变化，粒度越小，变化越强；纳米材料中
有大颗粒"并吞"小颗粒的现象，纳米颗粒与生物细胞膜的物化作用很强，因而能被细菌
吞噬而产生特殊的生化效应。正由于纳米材料这些奇特的力、电、光、磁、吸收、催化
、敏感等性能而使之具有广泛而诱人的应用前景。如能得到纳米尺度的结构，就可能控
制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色，而不改变物质的化学成份，最终实现
根据材料的性能要求，设计、合成纳米复合材料。
   纳米动力学 主要是微机械和微电机，或称为微型电动机械系统（MEMS），是指集微
型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整
微型机电系统。用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备
、医疗和诊断仪器等。微电子技术在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米、
纳米结构和系统为目的的微米、纳米技术在此背景下应运而生，人们利用精细加工手段
加工出微米、纳米级结构，组成MEMS，将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅
可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以认识
的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成
所需要的操作。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功
能的元件和系统。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系
统无法完成的任务。例如尖端直径为５微米的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3毫
米大小的能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发
展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、
航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分
广阔的应用前景。
  纳米生物学和纳米药物学 首先要介绍一下DNA芯片。DNA芯片或称作基因芯片实质上是
一种高密度的寡核苷酸（DNA探针）阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻
技术或其它方法将大量特定序列的DNA片段（探针）有序地固化在玻璃或硅衬底上，构成
储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片有可能首次将人类的全部基因（约10万个）集
约化地固化在1平方厘米的芯片上，目前已达到的密度是40万种探针/芯片，每种探针间
的空间尺度是12~20微米。在与待测样品DNA作用后，即可检测到大量相应的生命信息，
包括：基因识别、鉴定、基因突变和基因表达等等。有了纳米技术，还可用自组装方法
在细胞内放入零件或组件构成新的材料。药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数
不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。目前，DNA芯片不作为分
子的电子器件，也不作为DNA计算机用，主要起生命信息的储存和处理的功能。但正是基
于它的对生命信息进行平行处理的原理，利用DNA芯片可快速、高效、同时地获取空前规
模的生命信息，DNA芯片很有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中革命性的新方法。
它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和治疗，极大地提高我们的人口素质和
健康水平。总之，纳米技术在生物学和药物学的深入发展和广泛应用，将开辟一个生命
信息研究和应用的新纪元。
  纳米电子学 包括基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光、电性质，纳米电子材
料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更
快、更冷，也就是说空间体积要小，响应速度要快，单个器件的功耗要少。扫描探针显
微镜就是为实现这一目标而诞生的，作为一种简单、直接而强有力的观察工具，一经问
世立即被用于微电子器件的制造过程中。尤其是扫描探针显微镜中的激光力显微镜，它
能在不接触表面的情况下绘制出电子元件表面图象。基于扫描探针显微镜的纳米刻蚀技
术，可以实现在纳米尺度上制备产品，应用于微电子的工作介质上就有可能制造出高密
度的存储器，其记录密度为目前磁盘的数千倍至上亿倍。通过极小的晶体管和记忆芯片
几百万倍的提高电脑速度和效率，使今天的奔腾Ⅲ处理器显得十分慢了。
  纳米化学 纳米化学是研究物质在在原子级水平上的化学问题，是对此范围内的物质合
成、纳米物质的表征方法、物质所表现的异常行为及其应用等方面的研究。它包括纳米
材料合成方法的研究、纳米复合材料的制备、纳米材料特异性质的尺寸效应及其机理的
研究、纳米材料的表征与检测、纳米仿生材料的研究、纳米催化的研究、纳米材料的工
业化前途等等。其中我们着重介绍纳米催化。催化剂的性能很大程度上取决于它的表面
效应，表面不饱和的性质对它的选择性能有很大的影响。有资料介绍，负载型纳米非晶
态合金是较理想的催化加氢材料。用Ni-B/SiO2非晶态催化剂，催化环戊二烯选择性加氢
制备环戊烯反应，其转换率可达100%，而选择性为96%以上。以溶胶-凝胶法制备的γ-A
l2O3陶瓷膜，可用于超滤，或经过修饰成为催化膜用于膜反应器，实现分离反应一体化
。由于膜表面的酸性，它还可直接作为催化剂用于酸性催化反应。
  

--
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: pe5.hit.edu.cn]