纳米技术，是21世纪的三大技术之一，经过十数年的发展，已经蔚然成风。因为纳米技术的发展，使社会生活的方方面面都在发生变化，有的变化如春雨，润物无声；有的变化则如春雷，如革命，浩浩荡荡，轰轰烈烈。因此，特别整理了纳米技术自肇始至今的51件里程碑大事。1982年首次提出DNA纳米技术：Nadrian Seeman提出DNA纳米技术的概念。虽然大量研究认为，1991年之前，就已经有一些关于碳纳米管的报道。......
2023-06-20
纳米技术与纳米材料的发展及应用
【摘要】：由于格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念，因此纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。纳米科学与技术简称纳米技术，研究结构尺寸在1～100 nm范围内材料的性质和应用。纳米效应是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。图1.1维也纳理工学院使用最快的3D 打印机通过纳米精密加工技术打印出的一辆100层纳米结构微型F1赛车
组成材料的物质颗粒变得很小。那么“小不点”的性质会不会与“大个子”的性质很不相同呢？这便是纳米材料的发现者德国物理学家格莱特（Grant）的最初思路。经过近四年的努力，格莱特终于在1984年制备出了粒径只有几个纳米大小的各种金属、无机化合物与有机化合物的超细粉末。
格莱特在研究这些超细粉末时发现了一些有趣的现象。众所周知，金属具有各种颜色，例如，金是金黄色的，银是银白色的等，而金属以外的材料，如无机化合物和有机化合物也可以带有不同的色彩，瓷器上面的釉历来都是多彩的，由各种有机化合物组成的染料也是鲜艳无比的。但是一旦这些材料被制成超细粉末，则它们的颜色就会统一变成黑色了。正如格莱特想象的那样，“小不点”与“大个子”相比，性能上发生了“翻天覆地”的变化。这是因为，当材料的颗粒尺寸小于光波的波长时，其对光的反射能力将变得非常低，低到约 1%以下，因此我们见到的纳米材料便都是黑色了。
“小不点”的性质变化确实很令人难以置信。美国阿贡国家实验室制备出的一种纳米金属居然使金属从导电体变成了绝缘体，因此，用纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了。由于格莱特的发现已经和正在改变科学技术中的一些传统概念，因此纳米材料将是21世纪备受瞩目的一种高新技术产品。
纳米（nm）和米（m）、微米（μm）等一样，属于长度单位。如单个细菌用肉眼是完全看不见的，但若用显微镜观测，则其直径约为5 μm。例如，一根头发的直径是0.05 mm，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度约为1 nm，即0.000 001 mm。纳米科学与技术简称纳米技术，研究结构尺寸在1～100 nm范围内材料的性质和应用。目前，纳米技术在全球的研究不断升温，并成为最前沿的科研领域之一，它的发展带动了与纳米相关的很多新兴学科，例如，纳米医学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米技术是当今科学技术发展的新领域，使科学家的研究从宏观领域进入微观领域，从微米尺度进入分子和原子级的纳米尺度。
纳米效应是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。例如，原本导电的金属铜，若减小到某一纳米尺度界限，则变成绝缘体；原来不导电的二氧化硅、晶体等，若在某一纳米尺度界限范围内，则开始导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点造成的，因此，纳米材料具有一些普通材料所不具备的性质。量子尺寸效应、表面效应、小尺寸效应及量子隧道效应都是纳米粒子的基本特性。除此之外，纳米材料还有在此基础上的介电限域效应、表面缺陷以及量子隧穿等特性。材料在纳米尺度下会突然表现出与它们在宏观尺度下很不同的特性，这使其独特的应用成为可能。物质在纳米尺度的独特量子和表面现象使纳米科技的应用范围变得非常广泛，而利用这些特性制造的具有特定功能设备的技术统称纳米技术。
迄今为止，研究人员一般把纳米技术分成三种概念。第一种概念是1986年由美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。这一概念可以使组合分子的机器实用化，从而任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限，通过纳米精度的“加工”而人工形成纳米大小的结构的技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构，它们不仅可以将食物转变成能量，而且还能根据其DNA上的信息制造并输出蛋白质和酶。通过将不同物种的DNA重新组合，基因工程师已经学会了如何制造新的纳米装置。
纳米材料在纳米科技中占有极其重要的地位，是纳米科技的研究基础。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米应用技术和纳米测量技术几个方面。其中，纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等）和性能检测技术（包括物理、化学、微结构、电学、磁、热及光学等性能），而纳米加工技术则包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。其中，纳米级的精密加工技术正在向纳米级加工尺寸精度的目标前进，是处于快速发展中的跨学科综合技术。图1.1所示为维也纳理工学院使用世界上最快的3D打印机通过纳米精密加工技术打印出的一辆100层纳米结构微型F1赛车。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年，国际纳米科技指导委员会将纳米技术的研究领域划分为六个分支学科，即纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米生物学、纳米计量学和纳米加工学。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是则是纳米技术研究的最主要内容。
图1.1 维也纳理工学院使用最快的3D 打印机通过纳米精密加工技术打印出的一辆100层纳米结构微型F1赛车
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