纳米科技
——基于老师的纳米科技课程
纳米技术，作为将来新产业革命的一门科学技术，现在已经得到了广泛关注。
简介
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21 世纪将是纳米技术的时代,随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在诸多领域将会得到日益广泛的应用,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。本文主要介绍纳米材料，纳米科技的基本概念，分类以及各种纳米科技在机械领域的应用。阐述纳米技术的发展趋势。
纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术，即纳米材料。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米材料的用途很广，主要用途有：医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用为作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。 环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。 机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等 。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：
第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。
第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。
纳米科技的发展
其发展历史可分为下面几个阶段。
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；
1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。
1990年，纳米技术有了关键突破。IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。 著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”。
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；
1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元； 我国纳米技术的研究始于80年代，纳米材料研究起步较早，其次是纳米材料和结构的表征，纳米器件以及纳米药物。在国家科技部、中国科学院、国家自然基金委员会和国家教育部等部门的大力支持下，起动了国家级重大项目10多项，地方政府和企业家的介入，纳米实用化技术和纳米材料应用技术得到了有效发展。目前已有几百家公司参与了纳米材料技术的研发，已有一些产品开始进入市场。过去的10多年，在纳米材料的制造技术取得了长足进步，在国际上有一定地位。
近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”，其间涌出了像“安然纳米”等一系列以纳米科技为代表的高科技企业。
纳米科技的应用
纳米科技的利用非常广泛，尤其在机械方面的应用，给机械的发展输入了心的血液！ 纳米技术在微机械领域中的应用及其广泛。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。纳米技术在微机械领域中的应用主要分为两种：1；采用微加工技术制造纳米机械（1）微细加工。（2）微型机器人。（3）微型电机。；2 采用自组装技术制造纳米机械（1）生物器件。（2）纳米分子电动机。
纳米技术在包装机械领域中的应用也进入关键时期。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。
纳米技术在机械行业中的发展前景非常广阔。
（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。
纳米技术的高速发展对机械行业产生了巨大的影响，首先是纳米材料近10 年的迅速发展，为机械行业从宏观向微观制造发展提供了可能。目前纳米粉(即纳米颗粒)、纳米复合材料、纳米结构材料体系，创造了很多新材料，为电子、生物、能源、信息新产品的开发，提供了可能，这就给机械行业带来了广泛的市场前景，需要从事制造的科学工作者去研究如何发挥新材料的特性，根据市场需求，设计制造出新产品。特别是我国纳米材料的研究处于国际先进水平，在某些领域还处于前列，这更为我国在新的产业革命竞争中提供了制胜的机遇。其次，纳米技术还对制造方法，工艺与手段带来巨大冲击。以往的制造模式 是从大往小去做产品，以去除工艺为主。现在，有可能从小往大去做产品，可以从纳米尺度往上增加去做零件或产品。以往是以硬物质为主，现在软物质也占重要地位。软物质就是以微弱作用力就可改变其形状与特性的物质。随着纳米技术在各个领域的深入研究，将会有更多更新的制造方法工艺和手段的出现。
“展望”纳米新生活：我认为最具有发展前景的是纳米机器人。在发生战争是具有特殊使命的纳米间谍被散播到敌方或竞争对手中去，它们的任务是侦察敌情和搜集情报。当然，在治病时纳米机器人也会大显身手。这些机器人比血红细胞还要小，它们各司其职：有的负责监视病情，有的负责向特定的部位传输药物，有的则负责清除病毒、血栓、垃圾等有害物质。在制造某些精密的东西时，纳米机器人也会贡献自己的一份力量，把一切的不可能变为现实。
结束语
随着时间的发展，纳米技术在人类的生活会越来越广泛，人们在探索纳米世界的过程中也会发现各种各样的奇异事件，我相信，在纳米技术的帮助下，人类社会会因此变得更加美好，但是也会出现一系列的问题，只有各国互相理解，互相帮助，趋利避害，纳米科技才能真正的造福人类。
