納米技術(shù)在應(yīng)用級(jí)發(fā)展前景

張瀟

摘?要：納米技術(shù)作為科技創(chuàng)新的產(chǎn)物，因其研究?jī)?nèi)容的新穎性和研究范圍的廣泛性而倍受世人關(guān)注。納米技術(shù)是基礎(chǔ)學(xué)科與先進(jìn)工程技術(shù)的結(jié)晶，它的發(fā)展為各門基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展提供了一個(gè)嶄新的技術(shù)界面，并將引起材料、信息、生物等領(lǐng)域的革命性變化。本文試從納米技術(shù)的相關(guān)理論介紹、納米技術(shù)的應(yīng)用以及發(fā)展前景三方面論述了納米技術(shù)。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù);納米技術(shù)的應(yīng)用;發(fā)展前景

引言

納米科技是20世紀(jì)80年代末、90年代初才逐步發(fā)展起來的前沿、交叉性新興學(xué)科領(lǐng)域，其基本概念是由已故美國(guó)著名物理學(xué)家——被認(rèn)為是愛因斯坦之后最睿智的理論物理學(xué)家理查德·費(fèi)因曼，在1959年發(fā)表了一個(gè)題為《底部有很大空間》的演講中提出的。此后，其之發(fā)展迅猛令世人震驚。它的迅猛發(fā)展將在21世紀(jì)促使幾乎所有工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生一場(chǎng)革命性的變化。

1 納米技術(shù)的相關(guān)理論概述

1.1 納米技術(shù)與納米材料

納米技術(shù)是研究尺寸在1一100納米（nm）之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的技術(shù)問題的科學(xué)技術(shù)。納米材料是指三維空間尺度中至少有一維處于納米量級(jí)（1一100nrn）的材料，是由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子組成的新一代材料。

1.2 納米材料的制作方法

納米材料制備方法很多，大致分三類：氣相法、液相法、固相法。國(guó)內(nèi)已在納米材料制備方面取得突破，而影響納米材料應(yīng)用的瓶頸是納米材料的分散和穩(wěn)定。納米材料分散穩(wěn)定性是十分重要的問題，尤其是對(duì)粒徑小、比表面積大、表面能高的納米粉末而言。利用納米粉體對(duì)表面活性劑或聚合物的吸附特性而使納米粉體表面改性，如改變粉體表面潤(rùn)濕性質(zhì)、電性質(zhì)及空間穩(wěn)定作用等，這是提高其分散穩(wěn)定性的有效手段。

2 納米技術(shù)的應(yīng)用

2.1 納米技術(shù)在軍事電子領(lǐng)域中的應(yīng)用

我國(guó)第一架衛(wèi)星就是利用納米技術(shù)研發(fā)的，納米偵察衛(wèi)星是使用納米元器件、按納米加工方法組裝而成的、質(zhì)量小于10 kg的衛(wèi)星。納米衛(wèi)星一般比麻雀略大，擁有十分強(qiáng)大的運(yùn)算能力，數(shù)十顆甚至數(shù)百顆納米衛(wèi)星相連接可以織成“天網(wǎng)”，即納米衛(wèi)星偵察系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)全球地毯式覆蓋偵察，在軍事上則能實(shí)現(xiàn)高空偵察無“死區(qū)”。納米飛行偵察系統(tǒng)是一種微型化的飛行器，它可攜帶各種探測(cè)設(shè)備，具有信息處理、導(dǎo)航（帶有小型GPS接收機(jī)）和通信能力。其主要功能是秘密部署，到敵方信息和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近監(jiān)視敵方情況，同時(shí)也可對(duì)敵方雷達(dá)、通信等電子設(shè)備實(shí)施有效干擾。它可以附著在建筑物或設(shè)備上起監(jiān)聽作用，也可以直接將敵方目標(biāo)的位置坐標(biāo)傳送到我方的導(dǎo)彈或炮兵發(fā)射基地，并引導(dǎo)精確制導(dǎo)武器實(shí)施攻擊。

2.2 納米技術(shù)在遺傳育種中的應(yīng)用

納米技術(shù)結(jié)合轉(zhuǎn)基因技術(shù)在培育新品種方面取得了突破性的進(jìn)展。通過納米技術(shù)先將DNA染色體全部分解為單個(gè)基因，然后根據(jù)需要進(jìn)行組裝，轉(zhuǎn)基因整合成功率幾乎可達(dá)100%。研究成果表明，科研人員可以讓單個(gè)DNA分子鏈展現(xiàn)出其內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)，并可以操縱它實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)性能改進(jìn)，進(jìn)而形成納米結(jié)構(gòu)或圖形，使人類得以在更小的世界范圍內(nèi)、更深的層次上探索生命的奧秘。

2.3 納米技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放環(huán)保方面的應(yīng)用

新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力，是普通凈水劑的10～20倍。通過納米孔徑的過濾裝置，還能除去水中的細(xì)菌，使水分子、礦物質(zhì)以及微量元素被保留下來，處理后即可以飲用。用光催化劑處理有機(jī)污染物的廢水是最有前途的、最有效的處理手段，也是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。納米技術(shù)的出現(xiàn)為大氣凈化提供了新的途徑。其中，納米技術(shù)對(duì)空氣中20nm和水中20nm的污染物的清除能力是其它技術(shù)不可替代的。在燃煤中加入納米級(jí)助燃催化劑，可幫助煤充分燃燒，提高能源利用率，防止有害氣體產(chǎn)生。研究表明，納米鈦酸鈷還可在發(fā)動(dòng)機(jī)汽缸內(nèi)發(fā)揮催化作用，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生及排放一氧化硫和氮氧化物，使汽車尾氣無需處理。此技術(shù)對(duì)我國(guó)船舶發(fā)動(dòng)機(jī)有很好的應(yīng)用前景。

3 納米技術(shù)的前景展望

3.1 材料和制備

在納米尺度上，通過精確地控制尺寸和成分來合成材料單元，制備更輕、更強(qiáng)和可設(shè)計(jì)的材料，同時(shí)具有長(zhǎng)壽命和低維修費(fèi)用的特點(diǎn);以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料、生物材料和仿生材料。實(shí)現(xiàn)材料破壞過程中納米級(jí)損傷的診斷和修復(fù)。

3.2 微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)

納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率將提高100萬倍，并實(shí)現(xiàn)兆兆比特的存儲(chǔ)器（提高1000倍）;研制集成納米傳感器系統(tǒng)。

3.3 環(huán)境和能源

發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境;制備孔徑1nm的納孔材料作為催化劑的載體，有序納孔材料和納米膜材料（孔徑10一100nm）用來消除水和空氣中的污染;成倍地提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。

3.4 醫(yī)學(xué)與健康

納米技術(shù)將給醫(yī)學(xué)帶來變革。納米級(jí)粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)人人體后，可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織;在人工器官外面涂上納米粒子可預(yù)防移植后的排斥反應(yīng);研究耐用的與人體友好的人工組織、器官?gòu)?fù)明和復(fù)聰器件;以及研究疾病早期診斷的納米傳感器系統(tǒng)。

3.5 生物技術(shù)

在納米尺度上按照預(yù)定的對(duì)稱性和排列制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等，在納米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化學(xué)藥品和生物可降解材料的研制;動(dòng)植物的基因改善和治療，測(cè)定DNA的基因芯片等。

3.6 航天和航空

納米器件在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅是增加有效載荷，更重要的是使耗能指標(biāo)成指數(shù)的降低。這方面的研究?jī)?nèi)容還包括：研制低能耗、抗輻照、高性能計(jì)算機(jī);微型航天器用納米集成的測(cè)試、控制儀器和電子設(shè)備;抗熱障、耐磨損的納米結(jié)構(gòu)涂層材料。

3.7 國(guó)家安全

由于納米技術(shù)對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的廣泛滲透性，擁有納米技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)和廣泛應(yīng)用這些技術(shù)的國(guó)家，將在國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和國(guó)防安全方面處于有利地位。通過先進(jìn)的納米電子器件在信息控制方面的應(yīng)用，將使軍隊(duì)在預(yù)警、導(dǎo)彈攔截等領(lǐng)域快速反應(yīng);通過納米機(jī)械學(xué)，微小機(jī)器人的應(yīng)用，將提高部隊(duì)的靈活性和增加戰(zhàn)斗的有效性;用納米和微米機(jī)械設(shè)備控制，國(guó)家核防衛(wèi)系統(tǒng)的性能將大幅度提高;通過納米材料技術(shù)的應(yīng)用，可使武器裝備的耐腐蝕、吸波性和隱蔽性大大提高，可用于艦船、潛艇和戰(zhàn)斗機(jī)等。

4 結(jié)論

綜上所述，納米技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，其發(fā)展前景十分廣闊。正如錢學(xué)森院士所預(yù)言的：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的特點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”加強(qiáng)納米科技的研發(fā)工作，把納米技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，不僅能給我國(guó)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，更能加強(qiáng)我國(guó)的國(guó)防安全工作。