纳米材料及其技术的应用前景

冯栋　李甘

摘要：作为一种多种优异性能的功能材料，纳米材料具有广阔的应用前景。文章主要介绍纳米材料的特征，指出纳米技术在各个领域中的应用方式。

关键词：纳米材料；纳米技术；特征；方式

目前，随着生物技术、信息技术以及能源技术等的迅猛发展，社会各个领域对材料的要求越来越高，所以，利用先进的科学技术，开发和利用新型材料，成为提高科技水平的必要途径。

1.纳米材料的特征

1.1纳米材料具有表面效应

纳米微粒的尺寸较小，表面积较大，而且原子在表面上占有很大的比例，而随着粒径的减少，表面积迅速增大，从而使得表面的原子数急剧增加。所以，纳米材料性质的变化，是与纳米粒子的表面原子数、总原子数以及粒径的变化有关的。

1.2纳米材料具有体积效应

纳米粒子的体积效应是指当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或者较短时，周期性的边界条件遭到破坏，内压、磁性、光吸收、热阻、化学活性、熔点以及催化性等特性与宏观颗粒的相比发生了变化，同时，纳米材料的体积效应拓宽了纳米粒子的应用范围。

1.3纳米材料具有小尺寸效应

当超细微粒的尺寸与德布罗意、光波波长以及超导态的相干长度或者投射深度等物理特性尺寸相当或者更小时，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子的密度减小，导致光、声、电磁和热力学等特征都随着尺寸的缩小而发生明显的变化。

1.4纳米材料具有量子尺寸效应

纳米材料的量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子纳米面附近电子能级由准连续变为离散能级，而且，纳米半导体微粒存在着不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，从而出现能隙变宽的现象。比如，超导相向正常相转变、光吸收增加、金属熔点降低等。

2.纳米技术的具体应用方式

2.1纳米技术应用于陶瓷领域

作为三大支柱材料之一，陶瓷材料在日常生活和工业生产中占有重要的地位，但是，传统的陶瓷材料具有质地脆、韧性差、强度低的缺点，应用范围有限，而随着纳米技术的开发和应用，纳米陶瓷成为弥补陶瓷材料缺陷的重要资源。尽管在技术方面纳米陶瓷还存在着诸多的不足，但是其具有室温性能优良、抗弯强度较大、高温力学性能较好等优点，并且已经广泛应用于轴承、切削刀具、和汽车发动机部件等方面，另外，由于纳米陶瓷材料能够适应强腐蚀、超高温等苛刻的环境，所以具有非常广阔的发展空间。

2.2纳米技术应用于微电子学

作为纳米技术的重要组成部分，纳米电子学是根据纳米粒子的量子效应来设计、制备纳米量子器件的一种技术，其最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单原子或者单分子构成的、能够使用于不同室温的各种器件。目前，通过纳米电子学已经成功研制出各种纳米器件。红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管、单电子晶体管以及超微磁场探测器等已经问世，而且，随着碳纳米管的研制成功，纳米电子学的发展速度不断提高，因而，立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念构造电子系统，开发物质潜在储存和处理信息能力的纳米电子学，可以实现信息采集和处理能力的革命性突破，成为信息时代的发展核心。

2.3纳米技术应用于生物工程

分子可以保持物质化学性质不变，所以，作为一种很好的信息处理材料，每一个生物分子本身就是一个微型的处理器，在运动过程中，可以预测方式，进行状态变化，其原理与计算机的逻辑开关相似，因而，可以利用生物分子的特性和纳米技术，设计量子计算机。目前，虽然分子计算机仅仅处于理想阶段，但是，科学家已经考虑利用几种生物分子制造计算机的组件。比如紫红质细菌，它不仅具有很好的稳定性和特异的光、热、化学物理特性，而且其奇特的光学循环可以用于储存信息，来代替计算机信息处理和信息存储的作用。尽管，在未找到具有开关功能的微型器件的情况下，目前尚未出现商品化的分子计算机，但是，纳米计算机的出现，将会突破传统极限，极大地提高单位体积物质的储存和信息处理的能力，促进电子学的发展。

2.4纳米技术应用于光电领域

纳米技术的快速发展，加强了微电子与光电子之间的联系，在光电信息传输、处理、显示、运算和存储等方面，光电器件的性能不断提高。把纳米技术用在现有雷达的信息处理上，可以使其能力提高10倍到几百倍，甚至可以利用纳米技术进行高精度的对地侦察，但是，想要获取高分辨率的图像，则需要依靠先进的数字信息处理技术。因此，在光电领域合理应用纳米技术，成为科学技术发展的重要动力。

2.5纳米技术应用于医学

在纳米技术不断发展的过程中，医学上逐渐引入纳米技术。研究人员发现，生物体内线度在15～20nm的RNA蛋白复合体和多种病毒也是纳米粒子，这些纳米粒子比红血球小，可以在血管中自由流动，因而，假如将超微粒子注入到血夜里，可以通过血管输送到人体各个部位。另外，利用纳米顆粒作为载体的病毒诱导物方式已经应用于临床动物实验之中，并且将服务于人类。此外，科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，检测、诊断身体各个部位，并且实施特殊治疗，来清除心脏动脉脂肪沉积物、疏通脑血管中的血栓甚至吞噬病毒、杀死癌细胞，所以，在不久的将来，高血压、艾滋病和癌症等疑难杂症可能会通过纳米技术得以解决。

2.6纳米技术应用于其它方面

在沟通交流方面，利用纳米技术制成含有纳米电脑的可人一机对话并且具有自我复制能力的纳米装置；利用纳米羟基磷酸钙为原料，制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料；在军事方面，通过昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统，来控制昆虫的飞向，收集敌方情报，可以起到很大的干扰功能。

3.总结

总而言之，纳米材料具有其他材料所无法比拟的优点，具有广阔的发展空间，所以，在科技水平飞速发展的今天，充分发挥纳米技术的应用价值，把纳米技术应用于生物、电子、医药、材料和化工等领域，成为推动科学技术革命的重要动力。