什么是纳米技术?

什么是纳米技术?

纳米技术是研究材料的性质和结构的技术，其尺寸至少有一个维度在1到100纳米的范围内。

与半导体、光电子学和生物技术等应用中使用的特定技术不同，纳米技术指的是统一这些技术的应用领域。纳米技术的出现使许多领域的技术突破超出了通常的技术限制。纳米级的物质将表现出完全不同的物理、化学或生物特性，而不是当它处于较大的质量状态时。因此，具有新功能或新物理性质的小物质可以在纳米尺度上生产出来。有了这项技术，新的组件、仪器或系统都是用纳米材料设计的。

纳米技术的好处:

纳米技术的使用可以导致某些技术限制的突破。例如，利用纳米技术生产无电阻的量子线可以减少高密度和高容量电子元件的发热和能耗。或者，通过故意将特定杂质混合到合金中，可以在复合材料中产生纳米晶体缺陷，从而大大提高纳米膜的强度、可塑性或耐腐蚀性。

利用纳米科学，开发和制造了许多纳米产品:金颗粒的纳米化可以生产出具有高催化能力的纳米金催化剂。金是一种可以用于纳米尺寸的材料。纳米金颗粒染料可以生产出不同的特性和颜色。纳米防晒剂可以提高防晒材料对紫外线的阻隔效率。观察纳米颗粒和液体之间表面张力的变化导致了耐水和耐污涂料的发展。利用不同分子力的芯片制造技术被用于开发能够快速检测疾病的生物芯片。

纳米技术的突破有助于创造纳米产品，为生活带来更多便利。利用纳米技术生产的纳米材料具有重量轻、体积小、能耗低等优点。它们使用更少的材料来获得更好的物理、化学和功能特性。它们减少了对环境的破坏，提高了可持续性。

纳米技术的发展:

从技术发展到工业应用，纳米技术已经成为国际市场的主流。自20世纪70年代以来，欧洲、美国和日本等拥有先进研究技术的国家的科学家已经投资于纳米技术研究。随着纳米技术的飞速发展，在20世纪90年代末，美国政府宣布了产、政、学研究单位的一体化，全面投入纳米技术的研发。德国于1998年建立了纳米技术能力中心，专注于纳米技术的发展。日本于1991年开始投资纳米技术研究，韩国也于2001年开始在纳米技术领域的研发、设施建设和人才培养方面进行投资。

2010年以后，各个投资纳米技术的国家开始改变和调整他们的开发方法。在纳米技术早期发展的基础上，他们逐渐将这项技术转化并应用于国防、医学、航空航天等领域。从那时起，对纳米技术发展的投资变得越来越专业化和细化。

什么是纳米应用技术?

• 纳米晶体材料:
  当物质的微观结构小型化时，表面原子与内部材料原子的比例显著增加。界面处的原子行为对物质的性质有决定性的影响。例如，纳米金属晶体颗粒比大颗粒具有更好的强度、硬度、磁性和表面催化性能。具有纳米晶体的陶瓷材料具有比普通陶瓷材料更高的延展性，不易出现脆性特征。
  由于纳米晶金属强度的提高，在汽车、航空航天和建筑行业的结构材料中有相当大的应用机会。新型纳米晶钢经常用于汽车产品。纳米晶材料薄膜可以提高表面硬度，减少摩擦，提高耐热性和耐化学性等。它们可用于汽车和航空航天等行业的机械系统。在生物医学中，纳米晶银具有抗菌作用，而纳米晶钛可用于人工关节。
• 纳米粉体:
  纳米粉体是种类最多、应用最广泛的纳米材料之一。纳米粉体的制造工艺包括固相机械研磨、液相沉淀、溶胶-凝胶、化学气相沉积等。
• 纳米多孔材料:
  这种材料是指孔径小于100纳米的多孔材料。它们以生物膜和沸石的形式存在于自然界中，其表面积高达102 m2/g，具有很高的催化和吸附性能。纳米多孔材料的制备方法有溶胶-凝胶法、光刻法、离子束法等。纳米多孔膜可以包覆纳米管结构。
  纳米多孔材料可用于开发用于石化工业的改良催化剂。纳米多孔材料由于其独特的孔隙结构，在膜过滤、纯化分离、药物输送、植入设备、基因测序、医学检测等方面具有相当大的应用潜力。纳米多孔膜可作为低介电材料应用于半导体工业。纳米多孔硅具有特殊的发光性能，可作为固体激光器的材料。纳米多孔碳具有高电容特性，可用于笔记本电脑、手机甚至电动汽车等电池的开发。
• 纳米纤维和纳米线:
  纳米纤维是指相对较短的纤维，包括碳原纤维、人造聚合物纤维和氧化铝纤维。静电纺丝是一种制造人造高分子纳米纤维的方法，它可以与纳米颗粒或纳米管相结合。电子工程中使用的纳米电缆一般由金属或半导体(如硅和锗)等无机材料制成，但也可以由有机聚合物制成。当纳米电缆用于构建复杂的电路系统时，挑战在于保持电缆之间的适当连接。
  纳米纤维可用于增强复合材料和表面涂层。电纺丝纳米纤维具有较高的强度和高的比表面积，因此适合用作催化应用中纳米粉末的反应床。纳米纤维可以制成具有特殊性能的织物，如耐化学和防水、透气性和防污性。纳米纤维可作为医用组织工程的过滤材料和支架材料。它们在药物传递介质、传感器和纳米马达等领域也具有应用潜力。由于其柔性光伏特性和高表面积，它们已被用于开发可穿戴太阳能电池的特殊薄膜。
  
• 碳纳米管(CNT):
  碳纳米管是由石墨平面卷曲而成的管状材料。碳纳米管结构有单层和多层两种。碳纳米管的制造方法包括电弧放电、激光蒸发/剥离、化学气相沉积、气相生长、电解和火焰产生。碳纳米管具有高抗拉强度(~100Gpa)、优异的导热性和室温超导性等特殊性能。其电导率随不同的压接方法而变化。它可以用于纳米线或纳米半导体。

纳米技术的应用行业:

纳米技术发展的全球重点已经从过去的电子电路逐渐发展到环境、能源、医药和生物技术等行业。

1. 环保产业:
   工业过程或人类活动产生的各种污染物对环境造成严重污染，威胁到地球上物种的生存，需要有效的净化解决方案。因此，各国政府和单位开发了纳米技术应用，如用于空气净化的纳米二氧化钛混凝土，用于水净化的碳纳米管网，陶瓷纳米纤维材料，以及用于离心纺丝净水的纳米技术。中空纤维膜、用于处理地下水污染的纳米铁颗粒、用于空气污染检测的纳米传感器、用于水或溶剂过滤的碳纳米膜以及用于卫生污水处理的纳米膜都在纳米技术的推动下取得进展。纳米科学的突破已经扩大了过去产品的限制，并生产出质量更好的净化材料。
2. 能源工业:
   能源行业纳米技术的发展主要集中在储能方面，包括高性能锂离子电池用纳米硅基阳极、电动汽车用3D电极、石墨烯超级电容器、生物电池用氧化锌电极、金属纳米粒子传感器、石墨烯聚合物电池等氢检测产品的开发。
3. 生物技术和医疗保健:
   纳米技术在医学诊断和治疗领域发展迅速。生物技术的发展包括用于治疗癌症肿瘤的纳米金和激光加热纳米颗粒，抗菌和抗过敏纺织品，以及用于细胞培养和植物的纳米肽凝胶。
   生物医学诊断领域致力于检测、识别和量化人体体液中可识别的纳米成分，这些成分有助于疾病的早期发现。例如，已经开发出可以检测人体汗液中的毒素的传感器。
4. 电子半导体:
   电子半导体行业是最早关注纳米技术发展的行业之一。半导体材料中纳米电路的不断小型化是世界知名半导体厂商追求的方向。电子应用的发展包括硅纳米薄膜、用于制造半导体的光学元件、用于光学成像的石墨烯激光器、自组装纳米粒子、微电子元件和微芯片、无线设备和可穿戴设备等。
5. 纺织工业:
   纺织行业的纳米技术包括纳米环保纺织工艺技术、聚合物喷涂防污纳米技术、二氧化硅纺织防水涂层技术、纺织氧化石墨烯储能技术等。

“传感器”、“薄膜”、“电子元件”和“纺织品”是目前纳米技术的主要应用领域。

纳米技术将成为能源问题的解决方案:

• 应用于水、能源和环境的纳米技术进入大规模生产:纳米技术未来的挑战是如何生产价格合理的纳米材料。由于制造过程缓慢或复杂，这些独特的纳米材料通常相当昂贵。无论在实验室-原型阶段还是量产阶段，如何将功能和性能得到改进的纳米材料集成在一起，将是未来纳米技术推广应用的最大挑战。
• 碳纳米材料商业化后应用迅速扩大:未来几年，碳纳米管的制造技术将取得重大进展，特别是在纯度和结构控制方面，并且由于大规模生产实现规模经济而降低成本。这些材料通常用于汽车、航空航天和体育用品领域，但应用的数量正在迅速扩大。
• 绿色能源领域的纳米技术关注于能量转换效率的不断提高:纳米材料和纳米结构表面越来越多地用于高度先进的能量存储和转换系统。纳米材料有助于生产和使用更节能的产品。纳米反应技术减少和控制固-固反应。热力学可以极大地提高电池、超级电容器和储氢材料的储能性能。在未来，纳米技术将继续提高光电化能、电化能和储能的效率。
• 纳米技术可能是解决人类目前面临的能源、资源和环境问题的重要关键。用于检测环境问题的传感器，用于解决水污染问题的分离膜，以及用于能量转换问题的“纳米材料”等纳米产品，未来都有可能改变现有产业的面貌和格局。