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納米科學技術中的納米技術應用

納米技術已成功應用於許多領域,包括醫學、制藥、化學和生物測試、制造、光學和國防等。本術語表概述了納米技術的應用,包括以下領域:

1.納米技術在新材料中的應用

2. 納米技術在微電子、電力和其他領域中的應用

3. 納米技術在制造業中的應用

4. 納米技術在生物和制藥業中的應用

5.納米技術在化學中的應用 納米技術在化學和環境監測中的應用

6. 納米技術在能源和交通中的應用

7. 納米技術在農業中的應用

8. 納米技術在日常生活中的應用 服裝 在紡織品和化纖產品中添加納米粒子,可以去除異味、殺滅細菌。化纖布雖然結實,但有惱人的靜電現象,加入少量金屬納米粒子可以消除靜電現象。

食品 使用納米材料,冰箱可以抗菌。用納米材料做無菌餐具、無菌食品包裝用品已經問世。利用納米粉體,可以使廢水完全變成清水,完全達到飲用標準,納米食品色香味俱全,還有益健康。

住宅 利用納米技術,可以使墻面漆的耐擦洗性提高 10 倍。玻璃和瓷磚表面塗上納米薄層,可制成自潔玻璃和自潔瓷磚,無需擦洗。含有納米顆粒的建築材料還能吸收有害的紫外線。

線路 納米材料可以提高和改善交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船和飛機發動機部件的理想材料,可大大提高發動機的效率、工作壽命和可靠性。在機車發動機中添加納米潤滑添加劑,可以節省燃料、修復磨損表面、增強機車動力、降低噪音、減少汙染物排放和保護環境。納米衛星可以隨時為駕駛員提供交通信息,幫助他們安全駕駛。

醫療 納米技術制成的微型給藥裝置可以攜帶壹定劑量的藥物,在體外電磁信號的引導下準確到達病變部位,有效發揮治療作用,並減少藥物的不良反應。納米制成的微型機器人比紅細胞還小,將其註入患者血管,可以疏通腦血管內的血栓。清除心臟動脈中的脂肪和沈澱物,還能 "咀嚼 "泌尿系統的結石。納米技術將成為健康生活的好幫手。納米抗血栓中藥

塗有親脂性二元納米協同界面的中藥成分,將使威脅人類健康的頭號殺手--心腦血管疾病得到更有效的治療,並將使中醫藥這壹中華文明的重要組成部分走向世界。因為這種納米中藥的物理活性(療效)將是普通中藥的數百萬倍,它可以暢通無阻地到達因脂肪堆積而引起的血管栓塞和組織病變部位,並因親和力而與脂肪溶解,同時釋放出治療的有效成分,使藥物的靶向性提高數百萬倍。

納米多孔膜

利用二元協同納米界面技術平臺制備的納米多孔膜將徹底解決油漆和塗料的潮解和脫落問題,並可方便地批量生產具有呼吸功能的納米防水塗料和具有反滲透功能的納米超濾膜、這將徹底改變人類的日常生活,甚至海水淡化技術,從根本上解決日益嚴重的水資源短缺問題。

納米修復材料

利用納米技術還可以通過納米級的新原理和新結構來構造具有特定性能的材料或自然界不存在的材料,制成生物材料和仿生材料,並可對材料破壞過程中的納米級損傷進行診斷和修復。例如,納米球是壹種由多合金制成的具有納米尺度的球形原子團簇,可吸附在受損的摩擦表面,形成超高硬度、極低摩擦系數、抗磨損、耐腐蝕的新型保護膜,實現潤滑、修復和保護作用,實驗表明其摩擦阻力僅為普通潤滑劑的1/3。同時,納米球潤滑劑在潤滑和修復的同時,改善了機械密封性,控制了燃料和空氣的比重,使燃料燃燒更充分,提高了發動機的動力,減少了不完全燃燒過程中產生的多種有害氣體汙染,實現了節能減排的目的。納米材料越來越多地應用於儀器、化妝品、醫藥、印刷、造紙、電子、通信、交通、建築和軍事等領域。

納米自潔表面處理和塗層

如果把透明的、疏油的和疏水的納米材料顆粒組合在建築物表面或瓷磚和玻璃上,建築物就不會被空氣中的油汙弄臟,瓷磚和玻璃也不會被水蒸氣沾汙而始終保持透明。任何粘附在表面上的物質,在陽光的照射下,都會在納米塗料的催化作用下,變成可以被蒸發的氣體或容易被擦掉的物質,建築物不再總是臟兮兮的,家裏的浴室設備也不用天天清洗了。將這種納米粒子放入織物纖維中,制成的衣服就不會沾上灰塵,省去了洗衣服的很多麻煩。氧化物納米粒子最大的本領就是在電場的作用下或在光線的照射下迅速變色。通常人們佩戴的變色鏡變色速度比較慢,用納米材料制成的變色鏡就不壹樣了,變色速度非常快,用它來做士兵的防護激光鏡再好不過了。

新型納米光源和太陽能轉換器

用納米氧化物材料制成的廣告牌在電和光的作用下會變得更加絢麗多彩。半導體納米材料的最大用處是可以發出各種顏色的光,可以制成超小型激光光源,還可以吸收太陽光中的光能,直接轉化為電能。壹旦這項技術得以實現,太陽能汽車和太陽能住宅將成為現實,到那時,人們生活的環境將更加優美,空氣將更加清新。

納米傳感器

由多種傳感器組成的半導體納米材料可以靈敏地探測溫度、濕度和大氣成分的變化,已被應用於汽車尾氣和大氣環境保護。納米傳感系統可以對疾病進行早期診斷,利用納米材料還可以制造出耐用、對人體無害的人工組織和器官、復明和復聰裝置,提高病人的生活質量。

納米定向藥物和護膚品

如果在人體外定向,納米藥物可以通過阻塞毛細血管來餓死癌細胞,從而大大提高藥物治療的效果。納米粒子還可用於人體內的細胞分離或細胞染色,也可用於攜帶 DNA 進行基因缺陷治療。如果把納米藥物制成膏藥,貼在患處,藥物就可以直接通過皮膚吸收,而不需要針頭註射,也就避免了註射引起的感染。將維生素等不易被人體吸收的藥物或食物制成納米粉體或納米粉體懸浮液,極易被人體吸收。

納米技術應用前景十分廣闊,經濟效益十分巨大,美國權威機構預測,2010年納米技術市場估計將達到1440億美元,納米技術未來的應用將遠遠超過計算機行業。納米復合材料、塑料、橡膠和纖維的改性,納米功能塗層材料的設計和應用,將給傳統的代用品和產品註入新的高科技含量。專家指出,紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通信設備等領域,都將無法幸免壹場由納米引發的 "材料革命",我國以納米材料和納米技術註冊的企業已近100家,建立了10多條納米材料和納米技術生產線。納米面料和服裝已批量生產,如電腦工作服、無靜電服、防紫外線服等納米服裝相繼問世。采用納米技術的新型塗料,不僅耐洗刷性能提高十倍以上,而且無毒、無害、無味。納米技術正在改善和提高人們的生活質量。

納米電子元件

納米加工技術可以使不同的材料集成在壹起,它具有芯片的功能,可以檢測電磁波、光波(包括可見光、紅外線和紫外線等)信號,還可以執行計算機的指令。如果在衛星上安裝這種集成裝置,可以大大減輕衛星的重量。目前,人們已經在考慮用 "鳥 "衛星來部分替代現有的衛星系統。如果在衛星上安裝納米集成器件,"鳥 "衛星的體積將更小,更易於發射,成本也更低。

碳納米管

各國科學家正在研究的碳納米管是壹種非常獨特的材料。它是由壹層或幾層石墨中的碳原子卷曲成的籠狀 "纖維",內部是空的,外部直徑只有幾納米到幾十納米。

這種材料輕而堅固。它的密度是鋼的 1/6,強度是鋼的 100 倍。用這種輕、軟、非常堅固的材料制作防彈內衣是最好的方法。如果用碳納米管做繩子,它是唯壹能從月球吊到地球表面而不會被自身重量拉斷的繩子。如果用它來制作從地球到月球的電梯,人們就很容易在月球上定居了。納米管的尖端很細,極易發射電子,用它制作電子槍,可以做成幾厘米厚的壁掛式電視屏幕,這是電視機制造業的壹個新方向。

超高物理活性的納米材料

想象壹下,壹個 "納米粒子 "只包含幾百個或幾千個原子或分子,按照壹般的經驗,原子之間的距離約為0.2納米,可以估算為1納米立方體的大小。"可以估算出,在 1 納米大小的立方體中,每壹面只能排列 5 個原子,原子總數可達 125 個,但其中 98 個在表面。我們知道,表面的原子只能受到內側原子的作用。因此,它們很容易與來自外部氣體、流體甚至固體的原子發生反應,這意味著它們非常活躍。研究發現,如果把金屬銅或鋁制成幾納米的微粒,壹遇到空氣就會燃燒爆炸。有人認為,用納米顆粒制成的粉末做成火箭固體燃料會有更大的推力,可以用作新型火箭固體燃料,也可以用作烈性炸藥。此外,利用納米金屬粉末作為催化劑,可以加快化學反應過程,大大提高化學合成的產率。

納米高強度材料

如果把金屬納米材料顆粒粉末制成塊狀金屬材料,它將變得非常堅固,強度比壹般金屬高十倍以上,同時又能像橡膠壹樣富有彈性。人們幻想著,在下個世紀,會有壹天制造出這種具有神奇性質的納米鋼和納米鋁。用這種材料制造汽車、飛機或輪船,其重量將減少到 1/10,到那時,壹輛摩托車的重量將變得只有 20-30 公斤。人們日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬度和脆性的特點。硬是指它可以像刀子壹樣切割金屬,脆是指它經不起撞擊。陶瓷的另壹個優點是耐高溫,在攝氏 1 萬度的高溫下也不會變形。用納米陶瓷粉末制成的陶瓷已經表現出壹定的可塑性。壹旦這個問題徹底解決,它將在汽車發動機上大顯身手,徹底甩掉發動機冷卻系統,使發動機在更高溫度下工作,汽車將跑得更快,飛機將飛得更高。

納米單電子元件

將自由運動的電子囚禁在壹個小的納米粒子內,或者囚禁在壹根很短很細的金屬絲內,金屬絲的寬度只有幾個納米,這樣就會發生非常奇妙的事情。由於電子在粒子內的運動受到了限制,原本可以持續擁有低於費米動量的任何動量的電子態變成了只能擁有壹定動量值的電子態,即電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化最直接的結果表現在金屬粒子兩端的電壓上,電壓合適時,金屬粒子導電;而電壓不合適時,金屬粒子不導電。這樣壹來,原來在宏觀世界中作為經典的歐姆定律在納米世界中就不再成立了。還有壹個奇怪的現象,當納米金屬粒子從外電路中得到壹個額外的電子時,金屬粒子具有負電性,其庫侖力足以將下壹個電子從外電路中排斥到金屬粒子中,從而切斷了電流的連續性,這讓人們想到是否有可能發明壹種用單電子來控制的電子器件,即所謂的單電子器件。單電子器件非常小,壹旦實現並集成到計算機芯片中,計算機的容量和運算速度將提高數百萬倍。

納米激光器和高密度信息存儲器

實際上,被囚禁的電子並不那麽 "老實"。根據量子力學的規律,它有時可以穿過 "監獄 "的 "圍墻 "逃出來,這種現象壹方面預示著新壹代芯片中的邏輯單元將不必再連接導線並相互關聯,從而需要新的設計來使單電子器件變成集成電路;另壹方面,它也將需要新的設計來使單電子器件變成集成電路。另壹方面,這也會使芯片的動作無法控制。歸根結底,在這種情況下,電子應被視為 "波 "而不是粒子。因此,盡管電子技術已經在實驗室中實現,但要在工業中應用還需要時間。被囚禁在小尺寸中的電子的另壹個貢獻是使材料發出非常強的光。"量子點陣列激光器 "或 "級聯激光器 "的尺寸非常小,但發出的光卻非常強烈,因此可以在非常低的電壓下驅動它們發出藍光或綠光,用於讀寫光盤時,可以將光盤的存儲密度提高數倍。如果用 "囚禁 "原子小顆粒的量子點來存儲數據,制成量子磁盤後,存儲程度可提高數千倍,將帶來信息存儲技術的壹場革命。

納米機器人的研究與開發

納米機器人是以分子生物學為設計原型,設計制造的可在納米空間運行的 "功能分子器件",又稱分子機器人;而納米機器人的研究與開發已成為當今科技前沿的熱點。

目前,許多國家都制定了相關戰略或規劃,並投入巨資搶占納米機器人的戰略制高點。機器人時代》月刊最近指出,納米機器人的潛在用途非常廣泛,在醫療和軍事領域的應用尤為重要。

每壹項新技術似乎都有無限可能。用不了多久,分子大小的神奇納米機器人就會進入我們的日常生活,"中國著名學者周海中教授說。中國著名學者周海中教授在 1990 年發表的《論機器人》壹文中預言,到 21 世紀中葉,納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

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