纳米科技与纳米材料论文

纳米科技与纳米材料论文

　　二○○七年五月

　　纳米科技带给我们的哲学思考

　　摘要：纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工陶瓷材料公司业化，以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性技术体系。纳米科技的发展拓展了人类认识微观世界的能力，可以在微观尺度探索人类和世界的奥秘。但另一方面，我们也应看到纳米技术的不当应用带来的灾难，本文在总结纳米科技的成就基础上运用哲学辨证法思考纳米科技的危害。

　　关键词：纳米科技 哲学反思 解决之道

　　正文

　　1纳米科技及其成就

　　1．1什么是纳米

　　纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。纳米尺度范围的性能表现在小尺寸效应、比表面效应、量子尺寸效应等。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

　　1．2 &nbs工艺陶瓷模具p; 纳米科技

　　纳米科技是指在0.1至100nm

　　纳米材料是究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。

　　4纳米产业发展趋势

　　（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3我眼中的纳米的论文个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。

　　（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到0.1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。

　　(3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。

　　(4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。

　　(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。

　　(6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入WTO后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。

　　纳米科技的发展和纳米材料的不断研制，给我们的生活带来了翻天覆地的变化，极大地改变着我们的生活，但是纳米材料的安全性问题引起人们的关注。

　　对纳米科技的反思

　　从“纳米牙膏”到“纳米护肤霜”，全球目前已有300多种号称使用纳米技术的产品上市了。纳米技术开始走进人们的生活圈。但与此同时，人们对纳米材料可能的、潜在的安全性问题却一直心有余悸。

　　早在3年前，就有几份报告让人对“纳米”这个极具发展前景的新兴技术感到迷惑。在2003年美国化学学会年会上，有3个研究小组发表了纳米材料具有特殊毒性的报告。美国宇航局的研究小组发现碳纳米管会进入小鼠肺泡，形成肉芽瘤，这是肺结核病的典型特征。杜邦公司的一个研究小组也发现了类似的结果。纽约罗切斯特大学的研究者让老鼠在含有直径为20纳米聚四氟乙烯颗粒的空气中待15分钟，大多数实验鼠在随后4小时内死亡，而另一组大鼠暴露在含直径为120纳米颗粒的空气中，则安然无恙。该研究小组在另一项实验中还发现纳米颗粒能够进入大鼠的嗅球，并迁移到大脑。

　　目前，人们关注的纳米技术安全性问题主要集中在：纳米微粒对人类健康的潜在风险和对环境的负面影响。尽管纳米材料毒理的问题现在还说不清楚，但专家都同意需要对纳米科技的潜在风险及其负面影响进行专门研究。

　　纳米技术这个名词的发明者———美国麻省理工学院的埃里克·德雷斯勒早在1986年出版的《创造的引擎》一书中，就详尽描述了操作原子大小物质的各种纳米技术的现状、未来发展潜力和危险。这样他既激起了人们对纳米技术的兴趣，也让许多人对纳米技术的未来忧心忡忡。“纳米技术的危险性远远高出它的益处。”整个90年代，这种论点一直在科学界中广泛存在。2000年底，《发现》杂志曾评出21世纪20大危险，纳米技术与行星撞地球及全球疫病一道，并列为其中之一。那么，在科学家眼中，纳米技术的危险又在哪里呢？这还得从德雷斯勒说起。在他的书中，德雷斯勒设想过一种叫做“装配工”的纳米机械通过原子的抓取和放置，这种人造的分子大小的纳米机械能够像人体内的蛋白质和酶一样，制造出任何东西，比如电视机和电脑———当然，也包括它们自己。科学家们由此开始担心：这些装配工如果能够听从人的善意指挥，固然是一件好事，但如果控制程序出现错误或被人恶意利用，是否会像计算机蠕虫病毒那样无限度自我复制下去，从而覆盖并毁灭整个地球？

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关于纳米技术的论文。

浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用
摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品机械工业中的应用，并研
究预测了纳米技术在未来机械工业中的发展前景。
关键词：纳米技术；微机械；机械工业；发展前景
1纳米技术的内涵
纳米是长度单位，原称“毫微米”，就是
10－9（10亿分之一）米。纳米科学与技术，有
时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1~
100纳米范围内材料的性质和应用。纳米
科技与众多学科密切相关，它是一门体现
多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对
象或工作性质来区分，纳米科技包括三个
研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度
的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技
的基础；纳米器件的研制水平和应用程度
是人类是否进入纳米科技时代的重要标
志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研
究必不可少的手段和理论与实验的重要基
础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为
起点，去设计制造具有特殊功能的产品。
2纳米技术的主要内容
（1）纳米材料包括制备和表征。在纳米
尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性
质）和原子的相互作用将受到尺度大小的
影响，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。
（2）纳米动力学主要是微机械和微电
机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），
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。MEMS使用的是一种类似于集成
电器设计和制造的新工艺。特点是部件很
小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，
而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作
三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪
等。在研究方面还要相应地检测准原子尺
度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚
未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科
学价值和经济价值。
（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云
母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA
的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做
生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪
酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。
有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞
内放入零件或组件使构成新的材料。新的
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。
（4）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。“更快”是指响应速
度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。
但是“更小”并非没有限度。
3纳米技术在机械工业中的应用
3．1纳米技术在微机械领域中的应用
随着纳米技术应用途径的不断拓宽，
微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进
入人体的医疗机械和管道自动检测装置所
需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路
等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其
技术路线可分为两种：一是通过微加工和
固态技术，不断将产品微型化；二是以原
子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行
设计和组装，从而构筑成具有特定功能的
产品。
3．1．1采用微加工技术制造纳米机械
（1）微细加工。日本发那科公司开发的
能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微
型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui
型），可实现5轴控制，数控系统最小设定
单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器
半闭环控制，还有激光全息式直线移动的
全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周
6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于
坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／
3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分
辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC
装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控
制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电
机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服
放大器，实现了微细加工。
（2）微型机器人。在工业制造领域，微
型机器人可以适应精密微细操作，尤其在
电子元器件的制造方面。美国迈特公司的
研究人员最近设计出一种用于组装纳米制
造系统的微型机器人，这种机器人的长度
约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米
制造技术使这种机器人的体积不断缩小，
其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本
三菱公司也开发了一种微型工业机器人，
该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实
现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及
精度完全可以赶上专用机器人。往复上下
方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动
作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采
用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了
比以往机器人高10％的位置重复精度
（±5 nm），可适用于精密微细操作。
我国在微型机器人的研制方面也取得
了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业
大学研制的机器人，其操作精度达到了纳
米级，可以应用于分子生物学基因操作，能
够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微
电子、精密加工等精度要求较高的领域一
显身手。
（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西
卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实
验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制
的微型电动机，小到只能在显微镜下才能
看得见。德国汽车零件制造商博士公司正
在研制纳米技术传感器，这种传感器将为
人们提供关于汽车上每个零部件在三维空
间中运动的精确信息。当微型传感器探测
到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。
3．1．2采用自组装技术制造纳米机械
（1）生物器件。以分子自组装为基础制
造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半
导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选
作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物
分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、
传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇
根韦思大学医学院生物分子信息小组，利
用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光
染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子
集成膜，这是一种可使分子周围的势场得
到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大
学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能
力的中心网络和联想式存储装置。
（2）纳米分子电动机。美国IBM公司
瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研
究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不
及头发丝的五十分之一的硅原子构成的
“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA
链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分
开后，它们会力图重新组合。当研究人员将
带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之
对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就
会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种
力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种
生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型
胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱
动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量
的药物传送到身体的需要部位来达到治疗
的目的。
3．2纳米技术在包装机械领域中的应用
采用纳米材科技术对包装机关键零部
件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳
米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬
度和寿命。
碳纳米管还具有较高的机械强度和较
高的热导率。由于具有非常大的长度—直
径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是
复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低
廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米
陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已
走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机
上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的
自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检
测、空张检测、墨量控制等。
纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的
强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装
和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐
磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和
沸腾干燥床关健部件的表面涂层。
3．3纳米技术在食品机械领域中的应用
纳米SiC、Si
3
N4在较宽的波长范围内
对红外线有较强的吸收作用，可用作红外
吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。
纳米Si
3
N4非晶块具有从黄光到近红外光
的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以
纳米SiO
2
做成的光纤对600 nm以上波长
光的传输损耗小于10 dB／km，以纳米SiO
2
和纳米TiO
2
制成的微米级厚的多层干涉
膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统
的卤素灯相比，可节省15％的电能。
经研究证明，将30～40 nm的TiO
2
分
散到树脂中制成薄膜，成为对400 nm波长
以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材
料，可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。
纳米SiO
2
光催化降解有机物水处理
技术无二次污染，除净度高，其优点是：①
具有很大的比表面积，可将有机物最大限
度地吸附在其表面；②具有更强的紫外线
吸收能力，因而具有更强的光催化降解能
力，可快速将吸附在其表面的有机物分解
掉。这为污水处理量较大的食品企业提供
了有力的技术支持。
介孔固体和介孔复合体是近年来纳米
材料科学领域较引人注目的研究对象，由
于这种材料较高的孔隙率（孔洞尺寸为2～
50 nm）和较高的比表面，因而在吸附、过滤
和催化等方面有良好的应用前景。对纯净
水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了
一个广阔的发展空间。
橡胶和塑料是包装和食品机械应用较
多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑
来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为
黑色，不适宜用在食品机械上。纳米材料的
问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性
橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老
化性能提高3倍，使用寿命长达30年以
上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料
产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程
塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，
限制了它在包装和食品机械上的大范围应
用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改
性，达到工程塑料尼龙－6的性能指标，且
工艺性能好、成本低，可大量采用。
4纳米技术在机械行业中的发展
前景
（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴
承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底
的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。
（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型
模、拉丝模、套筒和热胶道，可有效减少积
料碳化的产生几率。
（3）射出成型时发生的粘模、包封短
射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，
尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润
滑，更是任何金属所无法表现的优异性。
（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于
具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱
模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可
减少脱模剂的使用及模具清理时间。
（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使
塑胶在模具内的流动性大幅提升，特别是
高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚
光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均
有明显的改善。
5结语
综上所述，纳米技术是近十多年来逐
步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的
新学科，是现代科学和现代技术相结合的
产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工
业革命。美国商业通讯公司研究报告称，未
来五年，用于橡胶产品和油墨生产的碳黑
填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今
后几年，全球纳米材料的需求将以2．7％年
增长速度增长，到2010年将达到1 030万
t，所以纳米包装具有较大的市场发展潜
力。过去，我国机械包装工业的一些先进设
备、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术
的出现，将对我国机械包装行业的技术创
新带来新的发展机遇。相信在不远的将来，
纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领
域，它给机械工业带来的变化将是巨大的。
参考文献
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产业，2001（4）
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［J］．微电机，2002（5）
4万乃建．21世纪数控技术新面貌［J］．机械制
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大学出版社，2000