前景與展望
對于納米材料的研究盡管十分熱門,但由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,微區(qū)尺寸小,再加上量子效應(yīng)表面效應(yīng)等,對它的研究還不夠深入,因此對其結(jié)構(gòu)形態(tài)特征與材料性能的關(guān)系知道的很少,合成方法大多基于合成宏觀材料上的改進,存在著一定局限性,將來如能借鑒自然界生物材料的合成方法,對納米材料的發(fā)展會有很大的促進作用在對高聚物/納米復(fù)合材料的研究中存在的主要問題是:高聚物與納米材料的分散缺乏專業(yè)設(shè)備,用傳統(tǒng)的設(shè)備往往使納米粒子得不到良好的分散,同時高聚物表面處理有時還不夠理想對于此方面的研究,國外已開展了近二十年,并已有了較為成熟的科研技術(shù)成果,一些大公司已經(jīng)對一些較成熟的高聚物/納米復(fù)合材料逐步商品化
我國納米材料研究起步雖晚但發(fā)展很快,對于有些方面的研究工作與國外相比還處于較先進水平如:漆宗能等對聚合物基粘土納米復(fù)合材料的研究;黃銳等利用剛性粒子對聚合物改性的研究都在學(xué)術(shù)界極有影響;另外,四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程國家重點實驗室發(fā)明的磨盤法超聲波法制備聚合物基納米復(fù)合材料也是一種很有前景的制備手段盡管如此,在總體水平上我國與先進國家相比尚有一定差距但無可否認(rèn),納米材料由于其獨特的性能,使其在增強聚合物應(yīng)用中有著廣泛的前景,納米材料的應(yīng)用對開發(fā)研究高性能聚合物復(fù)合材料有重大意義特別是隨著廉價納米材料不斷開發(fā)應(yīng)用,粒子表面處理技術(shù)的不斷進步,納米材料增強增韌聚合物機理的研究不斷完善,納米材料改性的聚合物將逐步向工業(yè)化方向發(fā)展,其應(yīng)用前景會更加誘人
從九十年代初起,納米科技得到迅速發(fā)展,新名詞新概念不斷涌現(xiàn),像納米電子學(xué)納米材料學(xué)納米機械學(xué)納米生物學(xué)等等
科學(xué)家預(yù)言,納米時代的到來不會很久,它在未來的應(yīng)用將遠遠超過計算機工業(yè),并成為未來信息時代的核心正如我國著名科學(xué)家錢學(xué)森所說的那樣,納米將會帶來一次技術(shù)革命,從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命
科學(xué)家為我們勾勒了一幅若干年后的藍圖:納米電子學(xué)將使量子元件代替微電子器件,巨型計算機就能裝入口袋里;通過納米化,易碎的陶瓷可以變成韌性的,成為一種重要材料;世界上還將出現(xiàn)1微米以下的機器甚至機器人;納米技術(shù)還能給藥物的傳輸提供新的方式和途徑,對基因進行定點等
目前,納米技術(shù)廣泛應(yīng)用于光學(xué)醫(yī)藥半導(dǎo)體信息通訊,一年的營業(yè)額已經(jīng)達500億美元有預(yù)測說,到2010年,納米技術(shù)的市場容量將達14400億美元于細微處見神奇,知微見著的納米技術(shù)將徹底改變目前的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),并且孕育著巨大的商機
納米新材料
有一種水叫"納米水"
"納米水"不是普通的水,它是納米燃油添加劑的俗稱目前主要針對車用柴汽油和燃料油使用,可實現(xiàn)用物理方法解決燃油燃燒的化學(xué)問題北大博雅科貿(mào)有限公司正在大力開發(fā)并致力于產(chǎn)業(yè)應(yīng)用
NAN0牌納米燃油添加劑是北大博雅公司向社會推出的第一個產(chǎn)品,只需要在燃油中以八千分之一的比例添加該產(chǎn)品,就能夠促使燃油燃燒得更加充分,從而實現(xiàn)節(jié)約燃油增加動力減少污染物排放等效果,通過了多家國家權(quán)威檢測單位的檢測,2000年就已經(jīng)投放市場依據(jù)這種技術(shù)和其他相關(guān)技術(shù),該公司還將陸續(xù)向社會推出納米潤滑油等一系列產(chǎn)品
"納米水"的工作原理是:把自由水經(jīng)過納米組裝技術(shù)的處理后,組裝成6納米左右的水顆粒,然后加到連續(xù)的油相當(dāng)中,形成熱力學(xué)穩(wěn)定的納米燃油,讓燃油在燃燒前通過進行水顆粒微爆的二次霧化作用,炸碎燃油霧滴,使之進一步霧化,實現(xiàn)更加充分和均勻的燃燒,達到提高燃油的燃燒效率和機械效率,進而實現(xiàn)提高發(fā)動機動力性能節(jié)省燃油和保護環(huán)境的功效另外,納米水顆粒的微爆作用還能有效地清除發(fā)動機燃燒室內(nèi)的積碳國內(nèi)很多石油銷售公司和加油站都已經(jīng)添加了"納米水"
高分子材料的納米化
現(xiàn)有的高分子化學(xué)反應(yīng)中原子重新排列鍵合的反應(yīng)空間一般都較原子尺寸大得多,因此化學(xué)反應(yīng)是在一非受限空間進行的如果在一有限空間或環(huán)境中,如納米量級的片層中,小分子單體因為與片層分子的物理相互作用而被迫在此受限空間中進行某種方式和程度的排列,然后再發(fā)生單體的聚合時,聚合產(chǎn)物的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既不可能是受限空間的完全復(fù)制,又不同于自由空間中得到的情況我們從這種受限空間的聚合反應(yīng)也許可以提出高分子納米化學(xué)的概念化學(xué)的制備對象從來都是納米量級的原子或分子,但由于其方法不夠精細,不能在納米尺度上實現(xiàn)原子或分子的有目的的精確操縱,因此即使目前可以做到分子的精確設(shè)計也較難實現(xiàn),從而使得化學(xué)合成給人以粗放的感覺高分子的納米化學(xué),就是要按照精確的分子設(shè)計,在納米尺度上規(guī)劃分子鏈中的原子間的相對位置和結(jié)合方式,以及分子鏈間的相互位置和排列,通過納米尺度上操縱原子分子或分子鏈,完成精確操作,實現(xiàn)納米量級上的高分子各級結(jié)構(gòu)的精確定位從而精確調(diào)控所得到的高分子材料的性質(zhì)和功能高分子納米化學(xué)的目的就是實現(xiàn)高分子材料的納米化
高分子材料的納米化可以依賴于高分子的納米合成,這既包括分子層次上的化學(xué)方法,也包括分子以上層次的物理方法利用外場包括溫度場溶劑場電場磁場力場和微重力場等的作用,在一確定的空間或環(huán)境中像搬運積木塊一樣移動分子,采用自組裝自組合或自合成等方法,靠分子間的相互作用,構(gòu)建具有特殊結(jié)構(gòu)形態(tài)的分子聚集體如果再在這種分子聚集體中引發(fā)化學(xué)成鍵,則能得到具有高度準(zhǔn)確的多級結(jié)構(gòu)的高分子通過這種精確操作的高分子合成,可以準(zhǔn)確實現(xiàn)高分子的分子設(shè)計
高分子材料的納米化還可以通過成型加工的方式得以實現(xiàn),即在成型加工過程中控制高分子熔體的流動,調(diào)節(jié)高分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)從而控制使用性質(zhì)高分子材料的納米化研究不僅應(yīng)包括納米化制備方法,還不應(yīng)忽略高分子材料的納米結(jié)構(gòu)的觀察和納米性質(zhì)的測量因為結(jié)構(gòu)和性能決定材料的使用價值而高分子材料的納米化的結(jié)果,是使得表面層上和界面層上的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)出特異性,這部分也是由于在表面和界面的尺寸限制下,高分子材料的相結(jié)構(gòu)和形態(tài)發(fā)生突變所致因此需要開展表面層上和界面層上的相結(jié)構(gòu)相行為及分子鏈動力學(xué)的研究,建立相應(yīng)受限條件下的高分子材料的構(gòu)效關(guān)系采用的研究方法中,計算模擬和掃描探針技術(shù)等都是十分有用的
新型納米催化劑
由中科院固體物理所和蚌埠化工研究所共同承擔(dān)的安徽省科技廳"九五"攻關(guān)項目棗"固載型納米催化劑研制及其在親水性硅油合成中的應(yīng)用"日前全部完成,并于近日通過了專家鑒定專家們認(rèn)為,成果達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平
固載型納米催化劑的研制難度很大,國內(nèi)外尚未見報道3年來,固體所納米中心的科技人員,在經(jīng)過納米功能膜改性的納米多孔小球上,組裝鉑鈀等納米粒子,獲得了一種新型催化劑
以這種固載型催化劑代替氯鉑酸,用于親水性有機硅的合成,能多次回收和多次使用,可降低生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品質(zhì)量該項研究完成了預(yù)定的指標(biāo),其制備技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)催化轉(zhuǎn)化率達98%以上;可用于催化反應(yīng)3次以上;合成產(chǎn)物中重金屬殘留量小于10ppm該固載型納米催化劑的研制成功,解決了親水性有機硅合成的難題親水性有機硅主要用做紡織品的整理劑消泡劑,經(jīng)紡織印染行業(yè)試用,其面料可涵蓋棉毛麻滌混紡等品種,其色彩可拓展至全部色系,經(jīng)處理后的產(chǎn)品有優(yōu)異的柔順性及抗靜電性由于用新工藝合成出親水性硅油,鉑的殘留量大幅度降低,拓展了親水性有機硅的應(yīng)用領(lǐng)域,減少了貴重金屬的使用和排放量,有利于節(jié)約資源,保護環(huán)境,具有積極的社會效益和經(jīng)濟效益
未來世界:納米耳將使你聞所未聞
如果你的耳朵足夠靈敏,你將會聽到自己的身體內(nèi)部發(fā)出巨大的吵鬧聲:
暄鬧的細菌在你的腸胃里舉行鬧宴;你的細胞中的線粒體如同超負(fù)荷運行的發(fā)電站一樣嗡嗡作響,正在自我復(fù)制的脫氧核糖核酸束打開鏈接時所發(fā)出的噪聲像撕裂金屬一般你身體的每一個細小部分都發(fā)出具有獨特鮮明特征的噪音在近處傾聽,你身體內(nèi)部的聲響就像1個走調(diào)的樂隊在交通高峰時刻演奏《時代廣場》
現(xiàn)在想象一下,在所有這一切生物學(xué)暄鬧之中的某個地方,癌細胞已經(jīng)開始分裂在它們蔓延的時候,它們奏出的曲調(diào)如同英國作曲家埃爾加的大提琴協(xié)奏曲的旋律一樣清晰沒有任何人工耳,無論技藝多么高超,其敏銳度足以透過這種細胞的吵鬧聲,聽到癌細胞所發(fā)出的清晰聲音但是,佛拉維奧·諾卡希望改變這一切
諾卡是美國航空航天局噴氣推進實驗室的1位物理學(xué)家兼工程師,他所在的小組研制出了登峰造極的毫微耳的樣品他們希望,這些耳朵最終將會極其微小和極其敏銳,以致能夠僅僅通過兩種細胞所發(fā)出的噪聲就能把它們分辨開來若把這種納米耳注射到你體內(nèi)循環(huán)的血液中,它們可能能像微型聽診器一樣竊聽你的新陳代謝,在患病細胞或者癌細胞蔓延之前發(fā)現(xiàn)它們如果敏銳度足夠高的話,諾卡的納米耳甚至有可能被送到其他行星上偵聽生物,或者辨別出外星海洋中的化學(xué)反應(yīng),所利用的卻不外乎是它們所發(fā)出的喀嚓聲尖叫聲和砰砰聲所組成的"交響樂"
這并非癡人說夢噴氣推進實驗室生命探索中心主任尼爾森說:“當(dāng)微生物四處爬動和進行生物化學(xué)反應(yīng)的時候,它們發(fā)出噪音的方式與1個蒸汽核反應(yīng)堆發(fā)出噪音沒什么兩樣”鞭毛和纖毛,甚至細胞的分裂與呼吸,都發(fā)出清晰的聲音當(dāng)今最先進的傳聲器采用一種彈性膜,遇到聲波它會振動但是,如果你想聽到微生物的竊竊私語,光靠膜是不靈的較大的膜比較重,因此細微的聲音沒有足夠的能量使它們振顫把它們造得較小和較輕也無濟于事,因為膜越小,就越緊,換言之,其敏感度急劇下降
諾卡進行了數(shù)學(xué)運算,意識到微型傳聲器是一條死胡同他得出結(jié)論,解決辦法是模仿大自然的一個訣竅例如在人耳中,耳鼓所接收的聲音經(jīng)過3塊骨頭傳到耳蝸耳蝸內(nèi)部有一排排毛細胞,細胞上部是一簇簇細絲,稱為靜纖毛噪聲振動使耳蝸中的液體活動,使這些靜纖毛飄蕩,就像風(fēng)吹動柳絲一樣靜纖毛每次晃動,都觸發(fā)被大腦理解為聲音的電脈沖諾卡和他的小組得出結(jié)論,碳納米管十分適于作人造靜纖毛,而且納米管比鉆石還耐用,其彈性卻如同人發(fā)一般然而,當(dāng)時碳納米管的制造量極其微小,根本不足以用來制造人工耳就在這時,諾卡結(jié)識了當(dāng)時任多倫多大學(xué)新興科技教授的許竟鳴2000年他們聚到一起,許竟鳴介紹了自己像草皮種植場種草那樣種植碳納米管的新穎方法:將種子播下,向其提供發(fā)芽所需的一切,然后讓大自然來做其余的工作許竟鳴的碳纖毛對于諾卡的小組來說如同雪中送炭在一平方厘米內(nèi)就能種植大約100億根最重要的是,許竟鳴的納米管具有使納米耳靈敏度大大超過人耳纖毛的潛力諾卡說:"耳朵里的纖毛直徑為100納米左右,長度是一兩個微米而我們現(xiàn)在能夠制造直徑只有幾納米長度卻達到60微米的納米管纖毛越長越細,彈性就越大,靈敏度就越高這些裝置在太空中將能夠大行其道,而且在地球上也大有用場
尼爾森說:"有朝一日,我們或許能夠制造一種人工耳蝸,通過監(jiān)聽水中游動的微生物的節(jié)奏來檢驗水質(zhì)"還可將這種人工耳蝸置于人體血液循環(huán)中,作為流動的納米聽診器,專門監(jiān)聽細胞功能失調(diào)
也許要不了多久,我們就會看到諾卡的裝置是否靈驗雖然在醫(yī)生們的出診箱中出現(xiàn)納米聽診器,還需要10年或更長時間,但是諾卡期望在3年內(nèi)擁有樣品
納米耳在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用可能同樣驚人例如,劍橋大學(xué)的化學(xué)家克勒納曼已在探索"偵聽"化學(xué)反應(yīng)聲音的新奇途徑克勒納曼說:"分子水平上的噪聲學(xué)是一個未知領(lǐng)域諾卡還有許多工作要做"諾卡則急于大顯身手他說:"分子水平上的噪聲學(xué)是個完整的,嗡嗡作響的世界,許多問題在等待答案我們的靜纖毛將開始解答這些問題
碳納米管顯示器問世
在普通電壓的驅(qū)動下,一厘米見方硅片上有序列的上億個碳納米管立刻源源不斷的發(fā)射出電子在電子的〃轟擊〃下,顯示屏上〃CHINA〃字樣清晰可見……不久前,我國一個研究小組首次利用碳納米管研制出新一代顯示器樣品
截至目前,空虛顯示器已連續(xù)無故障運行1600個小時,顯示質(zhì)量和性能沒有出現(xiàn)任何衰減專家認(rèn)為,這標(biāo)志著我國在碳納米管應(yīng)用上取得重要突破,并躋身于碳納米管場發(fā)射研究領(lǐng)的世界先進行列,為通用平板顯示器的研發(fā)開辟了新的捷徑
1991年科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了〃超級纖維〃碳納米管近年來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳納米管具有極佳的場發(fā)射性能,有望替代其他材料成為較理想的場發(fā)射顯示器陰極材料,從而拉近了碳納米管和普通百姓的距離
利用這種性能,韓國和日本的專家去年以來先后研制出具有初步顯示功能的實驗品但因碳納米管需要移植,很難保持方向上的一致性,其場發(fā)射性能大打折扣
在〃超級纖維〃領(lǐng)域?qū)嵙Σ蝗醯奈覈茖W(xué)家近年來也開展了相關(guān)研究,并于今年7月取得突破西安交通大學(xué)朱長純教授率領(lǐng)的小組采用新的技術(shù)途徑,引導(dǎo)碳納米管有序定向生長在導(dǎo)電的硅片襯底上,并進而研制出功能完備的場發(fā)射像素管,因純度高,有序性好,場發(fā)射性能也大大提高,在碳納米管平板顯示器的實用化進程中做出了中國人的獨特貢獻
和傳統(tǒng)顯示器比,這種顯示器不僅體積小,重量輕,大大省電,顯示質(zhì)量好,而且響應(yīng)時間僅為幾微秒,從零下45度到零上85度都能正常工作,因此擁有極廣闊的潛在市場前景
碳納米管可制成極好的微細探針和導(dǎo)線性能頗佳的加強材料理想的儲氫材料它使壁掛電視進一步成為可能,并在將來可能替代硅芯片的納米芯片中扮演極重要的角色,從而引發(fā)計算機行業(yè)革命
碳納米材料一直是近年來國際科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一從近期美國《科學(xué)素引》發(fā)表的和碳納米管有關(guān)論文數(shù)看,我國排在美日之后位居世界第三
我國在世界上首次直接發(fā)現(xiàn)納米金屬〃奇異〃性能
發(fā)絲狀的納米銅,室溫下冷軋竟從1厘米左右延伸到近1米,厚度也從1毫米變成20微米……不久前,中科院金屬研究所的一個科研小組,在世界上首次直接觀察到納米金屬材料具備的〃奇異〃性能--室溫下的超塑延展性,從而標(biāo)志著我國納米材料研究再獲新突破
這一發(fā)現(xiàn)得到同行的普遍好評,論文也發(fā)表在世界權(quán)威刊物《科學(xué)》上納米材料〃鼻祖〃德國科學(xué)家格萊特(H·Gleiter)教授認(rèn)為,這項工作是〃本領(lǐng)域的一次突破,它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的〃
傳統(tǒng)金屬材料在加工過程中易出現(xiàn)裂紋甚至發(fā)生斷裂如何使金屬具有超塑性--可承受很大的塑性變形而不斷裂,成為各國科學(xué)家面臨的一道難題十年前,格萊特教授曾預(yù)測:如果將構(gòu)成金屬材料的晶粒尺寸減小到納米量級,材料在室溫下應(yīng)具備很好的塑性變形能力
多年來,盡管預(yù)測得到了計算機模擬結(jié)果的肯定,但各國科學(xué)家的實驗結(jié)果卻令人失望孔隙大密度小被污染等因素使絕大多數(shù)納米金屬在冷軋中易出現(xiàn)裂紋,塑性很差
材料不過關(guān),自然是巧婦難為無米之炊35歲的盧柯研究員領(lǐng)導(dǎo)的小組首先利用新的制備工藝,合成出大量高密度高純度的納米銅,其晶粒尺寸僅有30納米,是常規(guī)銅的幾十萬分之一進一步的冷軋實驗中,他們興奮地觀察到了這種奇異現(xiàn)象:納米銅在室溫下可變形達50多倍而沒有出現(xiàn)裂紋
專家指出,"奇異"性能的發(fā)現(xiàn),縮短了納米材料和實際應(yīng)用的距離,意味著和普通金屬力學(xué)性能完全不同的納米金屬,在精細加工電子器件和微型機械的制造上具有重要價值,材料加工領(lǐng)域的一場革新有望到來
納米材料是當(dāng)前最活躍的科學(xué)前沿之一,各國科學(xué)家都將其作為主攻目標(biāo)進行研究過去十年里,盧柯領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在納米材料領(lǐng)域取得了一系列創(chuàng)造性的成果和發(fā)現(xiàn),被國際權(quán)威人士譽為世界有成就的6個研究組之1,盧柯也成為國際納米材料委員會唯一的中國籍委員專家認(rèn)為,能夠連續(xù)取得世界領(lǐng)先成果,意味著扎根國內(nèi),科學(xué)家是可以躋身國際前沿的
中科院造出神奇"納米布"
人們一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染,現(xiàn)在這種夢想已由中國科學(xué)家實現(xiàn)咋天,中科院化學(xué)所專家宣布研制成功一種不粘油污不粘水的新型納米材料一超雙疏性界面材料使用這種材料的紡織品和建材,不用洗滌,也不染油污這標(biāo)志著中國在納米材料研制方面的又一新突破納米是一種長度單位,一納米等于十億分之一米,大約相當(dāng)于幾十個原子的長度科學(xué)家發(fā)現(xiàn),當(dāng)材料組成的精度達到納米級時,物質(zhì)就能表現(xiàn)出一些新特性,從而為新材料的產(chǎn)生創(chuàng)造條件最具有說明性的例子就是,改變碳原子的排列結(jié)構(gòu),能把廉價的石墨變成價值連城的鉆石因此,納米技術(shù)是當(dāng)今各國科技界競爭的焦點據(jù)中科院化學(xué)所雷江教授介紹,他在日本留學(xué)時首先提出了"二元協(xié)同納米界面材料"這一新概念,即將兩種性質(zhì)不同的粒子組合在一個"界面"上,從而使材料具有新特性超雙疏性界面材料具有超疏水性及超疏油性質(zhì)記者在現(xiàn)場看到,無論怎樣向這種新材料上傾倒油污(包括墨水醬油菜汁),它都纖塵不染它的誕生可使石油工人的衣服不再油漬斑斑,也使生產(chǎn)研制水陸兩用服成為可能如果將這一材料用于建筑物表面,還具有自清潔和防霧防霜效果,可免除人工清洗據(jù)悉,在納米技術(shù)這一21世紀(jì)尖端材料的研究中,我國目前暫居第四位中科院已決定投資5000萬元,將納米研究提高到一個新的水平
納米生物技術(shù)所帶來的新科學(xué)技術(shù)
生物技術(shù)與納米技術(shù)均為現(xiàn)代的重要科技,但是二者之間并非毫不相干隨著時代的進步,近年來各科技領(lǐng)域的研究方向,不論是在材料或裝置方面,均朝向納米層次的大小發(fā)展;而掌握了納米層次的技術(shù)之后,對于蛋白質(zhì)DNA等較大的復(fù)雜分子之觀察測定與應(yīng)用,便能夠有效進行利用納米生物技術(shù)能夠?qū)⒑唵蔚牟牧?/span>,在納米大小的尺度層次上加以組合改造,亦即在納米層次上制作成具備高機能性的零件或系統(tǒng),再將其應(yīng)用到人體上面另一方面,可以將納米大小的微粒子附著在抗癌劑或在肝臟會發(fā)生抗原抗體反應(yīng)的藥物上,以便將藥物精確地輸送到目的地精確藥物輸送系統(tǒng)的開發(fā),基本上是利用粒子的大小與藥物的選擇性反應(yīng),例如將100納米大小的粒子附著在抗癌劑上,一般的血管不會吸收,但是碰到癌組織等異常增殖的地方,便會被吸收而發(fā)揮功效生物芯片則是另一種納米生物裝置,可以分為蛋白質(zhì)芯片與DNA芯片兩大類,可以說是一個小型的完全分析系統(tǒng),利用小小的芯片便能對小量樣品進行分離分析與解析,不但成本低而且速度也快在新藥開發(fā)方面,藉由在納米層次上對蛋白質(zhì)與DNA所作的直接觀察,能夠確立藥物研發(fā)的方向,而且不必經(jīng)過傳統(tǒng)的人體實驗,對于疾病的治療將會帶來相當(dāng)?shù)膸椭?/span>
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