第十一章纳米技术与微型机械

1第十一章纳米技术与微型机械本章导读纳米技术是20世纪90年代开始兴起的一门新兴学科，也是21世纪最具前景的技术。纳米技术将成为21世纪的主导技术。纳米技术的出现，标志着人类能够从微米层次深入到分子、原子级的纳米层次，按照人类的意愿操纵单个分子和原子，实现对微观世界的有效控制。微型机械系统是纳米技术在机械电子领域的一个重要分支。本章介绍纳米技术的基本概念、纳米材料的奇异性能、21世纪纳米材料的最新成就和纳米技术的地位；微型机械的发展现状及应用前景。2第一节纳米技术的概念纳米技术是20世纪90年代开始兴起的一门新兴技术，它的出现，标志着人类能够从微米层次深入到分子、原子级的纳米层次，按照人类的意愿操纵单个分子和原子，实现对微观世界的有效控制。纳米技术的兴起将带来一场革命，未来世界将因为纳米技术发生翻天覆地的变化。一、纳米与纳米技术1、什么是纳米？纳米是个音译词，英文为“nanometer”。其本身仅为一个长度单位，即1米的十亿分之一（1纳米＝910米）。就像毫米、微米一样，纳米只是一个尺度概念，本身并没有物理内涵。1纳米大约是10个氢原子紧密排列的长度，比头发的宽度要小8万倍。2、什么是纳米技术？纳米技术是20世纪90年代开始兴起的新技术，其基本含义是在纳米尺寸（1～100纳米）范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排分子、原子而达到创新的目的。从严格意义上来说，“纳米技术”翻译为“纳技术”更为准确，它意味着在分子水平对物体加以控制。表现在长度上是在纳米水平，时间上在纳秒水平，在质量上是在纳克水平。“纳米技术”虽然只强调了长度概念，但也包括时间、质量等方面概念。纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术、纳米材料向各个领域应用的技术、在纳米空间构造一个器件实现对分子、原子的操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。当物质小到纳米尺度时，传统的力学就无法描述它的行为，要用量子力学来描述。人们发现，在1～100纳米的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。由于这一层次介于微观和宏观之间，科学家就把这一尺度范围称为“介3观”。纳米是人类加工精度的顶尖尺度，纳米技术是人类制造技术的终极技术，它对人类的意义甚至要远大于登上月球。之所以把纳米技术称之为人类制造技术的最终技术，是因为分子和原子是保持物质性能的最基本的单元。通过安排分子与原子的制造技术，将使创造新事物的可能性变得无穷无尽。3、纳米科技的构成纳米科技是由一系列既相互关联、又相互独立的学科组成的学科群体，就好比一座大厦，这座大厦主要包括以下部分：①纳米体系物理学；②纳米化学；③纳米材料学；④纳米生物学；⑤纳米电子学；⑥纳米加工学；⑦纳米力学；⑧纳米测量学。这8个学科共同构成了纳米科技大厦。图11－1纳米科技大厦示意图纳米电子学、纳米加工学和纳米生物学就是这座大厦金壁辉煌的屋顶，它们是衡量一个国家纳米科技发展水平的标志。纳米材料学和纳米测量学是这座大厦的两个重要的支柱，它们的发展水平直接关系到纳米技术各个领域的发展。纳米体系物理学、纳米化学和纳米力学是这座大厦的基础，纳米材料学4和纳米材测量学的发展离不开这三门基础学科的发展。这8门学科互相依赖、互相促进、共同发展。纳米科学所研究的领域是人类过去从未涉及的、介于微观和宏观之间的“介观”领域，从而开辟了人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平。这标志着人类的科学技术即将进入一个新时代，即纳米科技时代。以纳米科技为中心的新科技革命必将成为21世纪的主导。二、纳米材料1、什么是纳米材料？当物质小到纳米尺度（1～100纳米）以后，物质的性能就会发生突变，表现出不同于常规材料的特殊性能。这种具有特殊性能构成的材料，即为纳米材料。由此可见，纳米材料必须具备两个特点：一是构成纳米材料的基本单元的三维尺度中至少有一维处于纳米尺度范围；二是纳米材料具有不同于常规材料的特殊性能。只有同时具备这两个特点，这种材料才能被称为纳米材料。也就是说，仅仅是尺度达到纳米而没有特殊性能的材料，不是纳米材料。纳米材料并不是指具体由哪一种物质构成的材料，它代表了一类材料。过去，人们只注意分子、原子，或者宇宙空间，常常忽略了这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前人们没有认识到这个尺度范围的性能。第一个发现它的性能并引用纳米概念的科学家是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法做了超微离子，并通过研究发现：通常导电、导热的铜、银导体做成纳米尺寸后，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，如铁钴合金，如果把它作成大约20～30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，磁性比原来高1000倍。2、纳米材料的分类5按照空间结构的维数来分，纳米材料可以分成三类：零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料。零维纳米材料是指由空间三维尺度均在纳米尺度的纳米颗粒、原子团簇组成的纳米粉体。这类纳米材料可用于高韧性的陶瓷、高效催化剂、隐形飞机的吸波材料、高密度磁性记录材料、抗菌材料、微电子封装材料、太阳能电池材料、传感材料、药物等等。一维纳米材料是指在空间有两维处于纳米尺度的纳米丝、纳米棒、纳米管等。这类纳米材料可作为高强度材料、微型导线、电子探针、微型光纤、储氢材料之用等等。二维纳米材料是指在三维空间中只有一维在纳米尺度的超薄膜、多层膜、超晶格等。这类纳米材料可作为过滤器材料、气体催化材料、光敏材料之用等等。纳米材料大部分都是人工制备的，属于人工材料。纳米材料的奇异特性，已经引起了科学家极大的兴趣。3、纳米材料的奇异性能纳米材料在力学、光学、热学、电磁学以及化学等方面的性质与普通材料有很大不同，这是因为当物质小到一定程度后，只能用量子力学来描述。例如：纳米微粒会表现出小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，这就使得它在化工、电子、医药、能源、军事、航空航天等众多领域具有广阔的应用前景。纳米材料具有如下奇异性能：（1）“轻巧坚韧”——材质轻、强度高、弹性好是纳米材料的一大特性。1991年，日本电气公司（NEC）高级研究员饭岛澄男在制备60C的过程中，发现了一种奇异的纳米材料，即多层管状的碳纳米管。它既可以是导电6的导体，也可以是半导体。由碳纳米管组成的碳纤维理论强度为钢的100倍，密度只有其1/6。直径1毫米的细丝足可以承受20多吨的重量。日本在汽车的前挡泥板塑料中添加了碳纳米管后，如有碰撞弯曲后，它能够自动恢复原状。既有弹性又具极高的强度。在宇航领域，目前人类之所以不能将卫星和飞船送到更远的其它星球上，主要制约因素是由于材质不够轻、强度不够高，导致携带的燃料数量不能太多，如果采用轻质高强的纳米材料，则可以大大减轻卫星和飞船的重量，仪器仪表的重量也会减少，这就给携带更多的燃料带来机会。同时，纳米技术还可以使燃料燃烧的效率和推进力大大提高。如具有高冲量比和高含能的材料：纳米硼纤维、纳米镍丝和颗粒以及纳米级铝粉，都可能在燃料助推上发挥作用。（2）“刚柔并济”——既柔韧，又坚硬是纳米材料的第二大特性。一般来说，硬的东西比较脆，韧的东西又较软。例如：陶瓷具有硬度大、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、耐老化等优点，但却有一个致命的弱点——脆性大，容易碎裂。德国莎尔大学和美国阿贡国家实验室先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在常温下显示了良好的韧性，在180摄氏度下经受弯曲而不产生裂纹。纳米陶瓷克服了陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有了柔韧性和可加工性。高性能纳米复合硅基陶瓷可制成耐高温、耐磨损、耐腐蚀、耐氧化的产品。如：纳米复合陶瓷轴承、化工高温耐磨密封件、纳米复合陶瓷刀具等等。（3）“活泼好动”——反应速度快是纳米材料的第三大特性。随着构成材料的微粒尺寸的减小，材料表面积将急剧增大，表面原子也成倍增加，反应物之间接触的机会也成倍增加，反应速度也成倍增加。因此，纳米材料在催化反应中显示出超强的作用。7通常的金属催化剂如铁、钴、镍、铂等制成纳米微粒后，其催化效果大大提高。颗粒直径为30纳米的镍能够把有机化学中的加氧和脱氧反应的速度提高15倍。最近，日本科学家利用纳米铂作为催化剂负载到氧化钛的载体上，在加入甲醇的水溶液中，通过光照射成功制取了氢，产出率提高了几十倍。纳米微粒很可能给工业生产中的催化应用带来革命性的变革。（4）“胸襟宽广”——具有巨磁电阻效应是纳米材料的第四大特性。纳米材料会出现巨磁电阻效应，所谓巨磁电阻效应是指材料的电阻在一定磁场下会出现急剧减小的现象，减小的幅度比通常的磁性金属和合金材料要大10多倍。根据这一特性，纳米材料可用于制造高效电子元件和高密度信息存储器。1988年，法国科学家发现了巨磁电阻现象。1998年，美国率先将巨磁电阻技术应用于计算机读写磁头上，使现有的计算机读写头全部更新，将磁盘的记录密度一下提高了17倍，并且大大提高了读写速度。仅这一项技术就给美国创造了340亿美元的经济效益，预计2005年将形成500亿美元的市场。目前，计算机的存储量已经相当大了。利用纳米技术制造的高密度存储器和量子磁盘，将使计算机的信息存储的密度在现有的水平上再提高一千到一万倍。在未来的10～20年里，利用纳米技术，计算机的存储量不再以兆（M，610比特/平方英寸）度量，而是以吉（G，910比特/平方英寸）来度量。计算机的存储量将达到1000吉，这是今天我们所无法想象的巨大容量。纳米材料的奇异性能还有很多，很难一一例举。它在光、热、电、磁等方面的物理性质都与常规材料不同。例如：金属纳米材料的电阻随尺寸的减小而增大；纳米材料对红外线、微波有良好的吸收特性；纳米材料具有自清洁作用；纳米材料可以抑止细菌的生长，等等。8随着研究的不断深入，纳米材料的新性能将不断被发现。利用这些新性能，纳米材料可以被用于制造隐形飞机，也可以用作生产抗菌洗衣机。总之，在不久的将来，在我们生活的方方面面都将出现性能奇异的纳米材料的身影。4、纳米材料并不神秘通常人们会认为：纳米技术是一种高新技术，纳米材料是人们利用高技术制造出的一种新材料。其实，这种认识是不准确的。事实上，即使你不懂什么纳米技术，你也可以自己制造一件“纳米技术产品”。例如：用一块玻璃在火焰上方来回移动，玻璃板表面会被烟熏黑，形成一层薄薄的“黑膜”。这就是一件“纳米技术产品”，可用这件产品去观测日食。其实，在我们周围自然存在的纳米颗粒很多。例如：美丽的蓝天上飘着朵朵白云，白云就是由纳米尺度的小水滴形成的；秋雨刚过，大雾弥漫，雾也是由分散在空气中的纳米尺度的小水滴形成的。像这种云、雾、烟、尘等都是在空气中分散了的纳米颗粒。除此之外，还有像牛奶、肥皂泡沫、泥浆等是在水中分散了的纳米颗粒。像珍珠、彩色塑料、某些合金等是在某种固体里分散了的纳米颗粒。由此可见，纳米技术并不高深莫测，也不那么遥远，它只是代表人类认识自然、改造自然的一个更深的层次。9第二节21世纪纳米技术的最新成果及地位2000年初，国际纳米科技出现了快速发展的新势头，主要特点是纳米技术实用化的步伐在加快；各国政府加大了发展纳米技术的投资；国际著名的大公司都纷纷介入纳米技术。权威人士估计，以纳米技术为主导的新产业革命将会提前到来。一、21世纪纳米技术的最新成果近几年，纳米技术领域取得了许多重要的研究成果，下面简单介绍其中的部分成果：1、国外纳米技术新成果美国近几年来，纳米技术研究与产品开发发展迅速。如：医学领域的纳米医药机器人、纳米定向药物载体、纳米在基因工程蛋白质合成中的应用，微电子及信息技术领域的导电聚合物在信息技术中的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器，化工领域的利用纳米材料提高催化剂的效能等都取得了很大进展。2001年，美国英特尔公司研制出目前世界上速度最快、仅有20纳米的硅晶体管。这种晶体管将是英特尔45纳米生产工艺的基础，英特尔公司计划在2007年将这种工艺应用于生产过程中。用来制造这些晶体管的门电路氧化物只有三个原子层厚。10万多个门电路氧化物层堆叠在一起才能达到一张纸的厚度。美国伯克利加利福尼亚大学和劳伦斯国立试验所的研