奈米材料發展史

2021-03-04 09:50:44 字數 4399 閱讀 7150

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學號奈米材料是指在三維空間中至少有一維處於奈米尺度範圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構成的材料,這大約相當於10~100個原子緊密排列在一起的尺度。

從尺寸大小來說,通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微公尺以下(注1公尺=100厘公尺,1厘公尺=10000微公尺,1微公尺=1000奈米,1奈米=10埃),即100奈米以下。因此,顆粒尺寸在1~100奈米的微粒稱為超微粒材料,也是一種奈米材料。

  奈米金屬材料是20世紀80年代中期研製成功的,後來相繼問世的有奈米半導體薄膜、奈米陶瓷、奈米瓷性材料和奈米生物醫學材料等。

奈米級結構材料簡稱為奈米材料(nanometer material),是指其結構單元的尺寸介於1奈米~100奈米範圍之間。由於它的尺寸已經接近電子的相干長度,它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且,其尺度已接近光的波長,加上其具有大表面的特殊效應,因此其所表現的特性,例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等,往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。

2.奈米材料的發展歷程

2023年12月29日

理查德費曼(richard feynman)在美國物理學會會議上做了題為「在底部有很多空間」的演講。雖然沒有使用「」奈米這個詞,但他實際上介紹了奈米技術的基本概念。

2023年

日本教授谷口紀男(norio taniguchi)在一篇題為:「論奈米技術的基本概念「的科技**中給出了新的名詞——奈米(nano)。

2023年

格爾德賓寧(gerd binnig)和海因里希羅雷爾heinrich rohrer發明了掃瞄隧道顯微鏡,它使科學家第一次可以觀察並操縱單個原子。

2023年

賴斯大學的研究人員發現了富勒烯(fullerenes)(更為人熟知的名稱是「布基球(buckyballs),由著名未來學家,多面網格球頂的發明人巴克明斯特富勒(r. buckminster fuller)命名,它可以被用來製造碳奈米管,是如今使用最廣泛的奈米材料之一。

2023年

在蘇黎世的ibm研究實驗室中,卡爾文夸特(calvin quate)和克里斯托格柏(christoph gerber)與德國物理學家賓尼(binnig)協作,發明了原子力顯微鏡。它成為在奈米尺度成像,測量和操作的最重要的工具之一,這是奈米技術最核心的部分。

2023年

在加州聖何塞的ibm阿爾馬登研究中心,公司的科學家唐艾格勒(don eigler)和埃哈德施魏策爾(erhard schweizer)使用35個氙原子拼出了ibm公司的標誌,進一步表明了奈米顆粒的可操作性。

2023年

nec公司的飯島澄男(sumio iijima)製造出了碳奈米管。

2023年

白宮的國家科學技術理事會成立了奈米技術的機構間工作組。它的任務是:贊助研討會和研究,以界定奈米科學技術和**其發展前景。

2023年

使用奈米技術的消費類產品開始出現在全球市場。

2023年

美國**柯林頓建立了國家奈米技術計畫,協調聯邦研究和開發工作,提高美國在奈米技術上的競爭力。

2023年

歐盟以奈米論壇的形式,向公眾普及奈米技術知識。

2023年

美國國會制定21世紀奈米技術研究和發展條例。為美國奈米技術計畫提供了法律基礎,建立專案,分配機構的責任,授權籌資水平,以及啟動研究以解決關鍵問題。

2023年12月10日

國家研究委員會批評奈米技術計畫的環境,健康和安全研究戰略;奈米技術計畫回顧後,稱它對國家研究委員會的結論持有異議。

2023年9 月29日

美國環保局陳述了新的研究策略,以更好地了解如何奈米材料對人體健康和環境的潛在危害。它還宣布,某些奈米材料的製造商和使用者必須告知環保局它們的使用計畫。

2023年1月8日

在英國,上議院的科學和技術委員會就奈米技術問題發表了有關奈米技術和食品問題的長篇報告,警告本國的食品工業不要隱瞞奈米技術的使用情況。

2023年3月

美國參議院環境和公共工程委員會繼續為修訂有30年歷史的有毒物質控制法收集證據。美國環保局稱,這將有助於規範奈米材料的商業應用。

奈米技術目前已成功用於許多領域,包括醫學、藥學、化學及生物檢測、製造業、光學以及國防等等。

精確農業是利用重要的作物引數和知識在適當的尺度上優化生產系統管理,根據特定地塊的作物潛在生產能力控制不同的投入水平(如肥料、殺蟲劑、除草劑等)。精確農業的核心是對變化因素進行精確管理,變化因素包括:空間因素、時間因素和**因素。

利用奈米技術生產的微型感測器和監測系統對未來的精確農業產生重大影響。

奈米裝置的乙個重要作用是增加與全球定位系統有關的自主感測器的應用,用於實時監測。這些奈米感測器可以遍布田間,用於檢測土壤養分和農作物生長情況。美國和澳大利亞的一些農場已經在使用這種感測器,它們可以及早檢測到環境的變化,可以為決策者提供準確資訊,幫助農民作出明智的決定,提高農業的生產效率。

20世紀後半葉以來,農業病蟲害的控制經歷了從利用殺蟲劑到傳統方法與生物方法相結合的病蟲害綜合管理系統。將來具有新型的奈米裝置可以運用到農業的智慧型化中,這類裝置可以針對不同的病蟲害採取準確的補救措施,它們可以將所發現的問題及時提醒農民,幫助農民定量、定向地給農作物治病。

運用奈米技術生產的新型農藥更易於溶於水,也可以自然分解為無害成分。科學家們正在研究能夠針對環境變化施肥和施藥的新技術,促進農作物對水、農藥和化肥的高效吸收,以降低汙染,使農業對環境更加友好。奈米技術還有助於提高農作物的產量和營養價值

圖一為營養液奈米殺菌系統

隨著奈米技術的廣泛應用,奈米陶瓷隨之產生,希望以此來克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。許多專家認為,如能解決單相奈米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題,則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優點。

如下圖為新型現代奈米陶瓷電極燈

[1]奈米技術改變了木材的細胞結構並控制細胞的生長,新的細胞和優良的材種產生了。人們對木材的細胞結構、纖維的構造和材種的分類將有乙個新的認識和新的觀念。木纖維的定向重組技術將開發出超高強度的纖維板。

[2]木材在變成奈米顆粒以後,木材的材性發生很大的改變,在細粉狀態下進行木材液化,不僅環保而且成本低,使木材液化真正工業化。

下圖為木材水解為糖後,進一步在水中加熱得到各種顏料和奈米顆粒:

[3]在造紙業機械高得漿率製漿法可以得到完全實現,小造紙的汙染問題得到很好解決。在紙漿中加入奈米新增劑生產出的紙張具有很強的抗靜電,紙的質量明顯提高。

運用奈米技術研發的包裝系統可以修復小的裂口和破損,可以適應環境的變化,並且能在食品變質的時候提醒消費者。此外奈米技術可以改進包裝的滲透性、提高阻隔性、改進抗損和耐熱,形成抗菌表面,阻止食物發生變質。除包裝外,奈米技術對功能食品和互動食品的研發也有很大促進作用,這些食品能夠按照人體需求更有效地提供營養。

這類食品可以暫存人體內,需要時再把營養輸送給細胞,這個領域的關鍵是開發奈米膠囊,把它們存入食品中,用於輸送營養。

奈米技術令產品的包裝煥然一新

衣在紡織和化纖製品中新增奈米微粒,可以除味殺菌。化纖布雖然結實,但有煩人的靜電現象,加入少量金屬奈米微粒就可消除靜電現象。

圖為防靜電工作服

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

圖為世玫瑰奈米抗菌餐具禮盒

住奈米技術的運用,使牆面塗料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面塗上奈米薄層,可以製成自潔玻璃和自潔瓷磚,根本不用擦洗。含有奈米微粒的建築材料,還可以吸收對人體有害的紫外線。

圖為奈米牙刷

圖為奈米玻璃

行奈米材料可以提高和改進交通工具的效能指標。奈米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發動機部件的理想材料,能大大提高發動機效率、工作壽命和可靠性。奈米衛星可以隨時向駕駛人員提供交通資訊,幫助其安全駕駛。

有些科學家設想將蛋白質晶元或基因晶元組裝成尺寸比人體紅細胞還小的奈米機械人,使其具有某些酶的功能,它是奈米機械裝置與生物系統的有機結合,在生物醫學工程中可充當微型醫生,解決傳統醫生難以解決的問題。將這些奈米機械人注入血管內,可按照預定程式,直接打通腦血栓,清潔心臟動脈脂肪沉積物等,達到預防和**心腦血管疾病的目的。

圖為清理血管的奈米機械人

癌症是人類死亡率極高的疾病之一,但以目前的醫療診斷水平,癌症一旦被確診通常已發展到晚期,即已無藥可救或已過最佳**時期。科學家設想,可製造出奈米感測器植入體內,監控早期癌變訊號分子的產生,通過與外界特定的聲訊號或其他訊號的相互作用,將內部訊號轉化為外部訊號。轉貼另外,近年來科學家正嘗試應用奈米技術的新型檢測儀器和診斷試劑,只需檢測少量血液中蛋白質和dna就可診斷出某人患各種疾病的可能性。

國內外研究者正致力於腦腫瘤、肝癌、肺癌、白血病等癌症的早期奈米診斷手段的研究,並取得了一定的成績。

奈米材料由於質輕層薄,具有特殊的光學效能,可實現高吸收、寬頻帶、紅外微波吸收兼顧等要求,是一種非常有發展前途的新型軍用雷達波吸收劑,由它製成的材料在很寬的頻帶範圍內可以逃避雷達的偵查,同時也有紅外隱身的作用,奈米材料已成為隱身材料重點研究方向之一。奈米材料因為具有很高的對電磁波的吸收特性,奈米材料現已受到各主要國家的高度重視,並把其作為新一代隱身材料進行探索與研究。

奈米材料的發展史

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