纳米科技与人类生活

纳米科技与人类生活纳米,是一个十亿分之一米的长度单位。纳米技术是人类首次用单个原子、分子自由排列物质的科学技术。在20世纪发展改变了人类的生活方式,现代信息技术对人们的生活影响巨大,而纳米技术将在21世纪极大地影响人类的生活,继电子技术、现代信息技术等名词成为人们关注的热点后,“纳米”一词逐渐成为新世纪中人们关注的焦点,而且其影响力将大大高于计算机技术对我们的影响,这将会是一种让人意想不到的效果。本文将概述纳米技术在日常生活、医疗保健、能源环保、工业生产、国防建设、百姓的衣食住行等各个领域所取得的应用以及发展前景。一、在日常生活方面，不久的未来，有了防水防油的纳米材料做成的衣服，人们就不用洗衣服了，而且这种衣服穿着很舒服，不是像雨衣那样；用这种材料做成的红旗，即使下雨在室外也依然会高高飘扬。往各种塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石、大楼的玻璃墙、电视机的荧光屏上涂上纳米涂料，都会具有防污、防尘的效果，而且耐刮、耐磨、防火，戴上涂有纳米涂料的眼镜，在寒冷的冬季，人们从室外进入室内，就能避免眼镜上蒙上一层水气。用纳米材料制成的茶杯等餐饮具将不易摔碎，若将抗菌物质进行纳米处理，在生产过程中加进去就能制成抗菌的日常用品，如现在市场上已出现的抗菌内衣和抗菌茶杯等，把纳米技术应用到化妆品中，护肤、美容的效果就会更佳，如何制成抗掉色的口红，可开发出防灼的高级化妆品等。二、在电子信息领域，纳米技术将更会大显身手。纳米技术会将超大规模集成电路的容量、速度提高1000倍而体积缩小1000倍，可以预见，计算机在普遍采用纳米材料后，计算机处理信息的速度将更快、效率将更高，而且将成为真正的“掌上电脑”；二三十年后，纳米让图书馆只有糖块大小；纳米技术将发展出个人随身办公室系统，我们就不必每天上下班了。三、在能源、交通、环保等方面也将大有作为。用纳米材料做成的电池，体积很小却可容纳极大的能量，届时汽车就可像目前的玩具汽车一样，以电池动力在大街上奔驰了。用纳米材料做成的轮胎，将更耐磨、防滑，可减少交通事故，用纳米材料制造出的小型飞机，将使飞机像汽车一样进入家庭，交通阻塞可能成为往事。在环境科学领域将出现功能奇特的纳米膜，这种纳米膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能经过滤而消除污染。四、在医疗方面，纳米级粒子将使药物在人体内传输更加方便，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；在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应；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；有了通过血管进入人体的纳米级医疗机器人，将大大减轻病人手术的痛苦。1.对老人和残疾人的益处高精密和超微型技术已经成功地运用于提高残疾人生活的质量和成功的提高了老年人寿命，许多这些知识技术要归功于军事研究的存在，和成本低廉的大规模生产技术。其中的一些进步如下所述：外部帮助不能用他们双手打字的人，受益于改良的眼睛跟踪技术，这是有航天技术发展而来的，红外线光束用来照射到使用者脸上，然后一个小视频照像机记录了眼睛的位置，眼睛移动引导一个在屏幕上的键盘，在一个特殊字上盯半秒钟，能使其打字。命令如保存和打印文件由看屏幕上的特殊的地方来实现，而且系统能控制家务用具部分，取暖器，开关半导体和电视。另一种系统是一个头罩，包括一个传感器，能测量脑电讯号和轻微的肌肉运动，是由飞行员发展而来的，这些信号转化为数字信号传入计算机，分为大约十二个在屏幕上显示的读数，使用者知道怎样引导他们的脑波和做出轻微的肌肉运动来控制在屏幕上的读数。失明者也从传感器到帮助，而且传感器越来越小和可靠，一个研究计划是用传感器测量离人最靠近物体的距离的超级拐杖（还在雏形中），拐杖有一个马达和驾驶的多方位的超声传感器。使用者能控制快乐拐杖的手柄，告诉拐杖他往那边走，拐杖会顺从带领使用者绕过障碍。一个空中交通控制规化系统是基于航天技术来发展一个能在人群中自动驾驶的轮椅。它用声纳传感器和激光来计算周围事物的位置和速度。每一秒周围的环境被画出用于引导轮椅。坐轮椅的人选择方向和速度其它由轮椅完成。2.移植纳米技术的一些特殊的用途是用多学科方法来提高移植中的破坏性疾病痛苦的减轻，纳米技术据称能有使老人和病人完全恢复的领域--一个智能的修复工具的领域，一些设备现在正在被研究：包括角网膜移植；一些人随着年龄的增大视网膜被破坏。研究正在寻找一种方法，连接一个信号处理的光传感器列，监视光线的进入。想象中，这种模型将存在于眼睛外面，或许是一副眼镜。它能把信号传递到移植的视网膜表面的接收器，接收器是通过微接触和视神经链接（中枢神经）这还有许多问题如生物适应性信号传输和微接触的行式。听觉移植今天所用的听觉移植和能达到的可能被认为是最初的和技术含量最低的设备现在的耳蜗移植，电子系统包括超过22电级（和视网膜几千甚至更多的移植完全的相反），不和耳神经直接连接，关键是如何提高电级--神经中枢的连接。骨髓移植在美国和欧洲，大量的研究已经取得初步成功。脑骨移植现在有一些设计来提高与脑相关的疾病的情况，主要通过供应生化物和监视效果。比如在帕金生氏症中病兆的减轻。可持续性纳米技术被认为是一个社会可持续发展的重要技术（SMALLEY，1995）比如超轻物质的发明会导致能量，燃料和材料节约。太阳电池提高会导致可循环能量的更好的部署。新的电池和燃料细胞技术将提供更有效的能量储存。绝缘材料的提高也会导致高节能3.对环境的好处小的数量：大规模的纳米生产技术→越小的产品→每件产品花费更小的材料的能量带来更少的污染.更少资源。产品所含资源的减少，以近些年已提上社会日程，纳米技术将是实现这个目标的关键技术，纳米结晶微粒能在肉眼可眼部分产生，更加牢固和机械承压，耐高热，而且只需一小部分资源，新的处理技术，运用超低温度，在元件制造过程中使能量消耗最小。这种材料和处理过程今天已运用于碳硅氧化等式在热电厂电导陶瓷灯丝。更少的污染。纳米技术的趋势会对更清洁的工业生产产品做贡献，主要是通过减少产品的原料和能量的使用。这些趋势包括在电子和精密技术的小型化和设计出在纳米基础上的新型的催化方法。催化提高了化反应的效率和特性。新型高强度的材料的设计能节省原材料和能量，特别在交通部分。同时，新型的纳米材料致力于太阳能电池的运用。更值得考虑的是分子设计材料的前景，它能最终能产生通过某种分子重组循环任何产品的方法。4.更好生产和储存的能量除了光电技术已经详细阐述外，纳米技术也在提高循环电池的表现上起重要作用，特别是通过分子电化学表现的研究。将来的研究将放到把塑料做为材料和致力于把氢气储存在纳米管内作为发电机。科学家手扶的是普通玻璃，右边是自净玻璃五、在能源方面的研究作用1.节能方面：纳米技术是从原子和分子开始制造材料和产品的技术。这种从小到大的制造方式需要的材料较少，造成污染程度低。在我国已有微马达，微传感器等纳米微机电系统元件问世．由于纳米技术导致产品微型化，使所需资源减少。不仅可以达到“怔消耗．高效益”的可持续发展目的．而且成本低廉。可以预测，未来资源浪费、造价昂贵的大型机械设备会逐步淘汰，以实现资源消耗的“零增长”。2．储能方面：物理和化学方法储氢孺昂贵的设备．而碳纳米材料可以提供一种有效而清洁的储氢方式。这种材料如果用于燃料电池汽车中的储氢材料．可以有效避免空气污染或排放温室气体．碳纳米管和纳米纤维即使在室温下也能很好的吸收氢，每个颗粒都是一个微小的吸氢“海绵”。这种材料具有广阔的应用前景，可用来制造燃料电池汽车中的氢容器。添加燃料时只需将汽车驶入加油站，将空的氢容器注椭氢．美国再生能源实验室的赫宾是该领域的带头人，他认为主要与碳纳米材料的表面结构有关。麻省理工学院的德雷斯尔豪斯及其同事所从事的研究支持这一观点，井特其成果发表在近期的《科学》上。美国能源部的计算结果表明，碳材料只要储存其自重65％的氢就可使燃料电池汽车。具有实用价值.设定两个加油站间的距离是500公里，即310英里我国科学家也正在积极系统地研究纳米碳管的储氢、吸波和场发射特性，力争使碳纳米管材料和器件实用化.3.能量转换方面：由于存在介观物质的小尺寸效应，当金属被细分到小于光波波长的尺寸时，金属超微颗粒对光的反射串很低，通常低于1％，大约几微米的厚度就能完全消光．利用这一特殊的光学性质，可以制造高效率的光热，光电转换材料，以很高的效率转变为热能或电能．从某种意义上说.纳米技术的出现极有可能改变能源消费与环境保护之间长期存在的矛盾。4．监测环填污染在近期的《科学》杂志上介绍，斯坦福大学的研究人员发现碳纳米管可以用于探测有毒的二氧化氮和氨气，有毒的氮氧化物(NOx)和氨气(NH3)可导致酸雨和温室效应，因此在大气中的含量必须适时监测。现有监测技术成本高，不便移动作业，所需温度高。与现有检测仪器不同的是，利用纳米技术研制的探测器是由两端连接着金属导线的纳米碳管组成。该探测器可以在室温下用于监测氮氧化物和氨气(NH、浓度，造价低廉，并且体积微小，只3um长，仿佛是用微芯片进行化学分析的“芯片实验室”。对于该研究，弗吉尼亚海洋研究所的化学家艾丽丝·安德森和美国环保局的化学工程师威摩姆里纳克都认为该技术对二氧化氮．氨气等进行监测很有价值，例如，测量燃煤工厂中这两种气体的浓度可以监删除污系统的有效性．5．霉谈蚋米催化剂的综合利用除了前文提到过的，纳米材料的比表面积大，表面活性中心多，为其做催化剂提供了必要条件，国际上已杵纳米材料作为第四代催化剂进行了研究与开发。纳米材料的催化剂在环保领域的应用还有以下几个方面。例如，纳米氧化锌可作为光催化剂，在紫外光的照射下．它能分解些有机物质，实现抗菌和除臭．这一性质已被广泛应用于纤维，化妆品、陶瓷、玻璃，建材和环境工程等行业中。又如，30nm的镍用作环辛二烯加氢催化剂时，选择性为210,而传统的镍催化剂其选择性只有24。再如、用纳米Fe2o3作为催化剂．可以在较低的温度(270-300C)下分解CO2，经纳米材料催化的石油中硫的含量小于0.01％。这些催化剂的使用不仅节约了能源，提高能源的综合利用率，也减少了因为能源消耗所带来的环境问题，并进一步使废气等有害物质再利用成为可能。纳米技术在环境与能源领域的潜在突破还有：●用纳米机器人和智能系统进行环境和核辐射废料的管理：●用纳米过滤材料分肉核燃料处理中的同位素：●纳米流体提高核反应堆的冷却效率：●用纳米粉末清除污染，●用于清洁能源的人工光合作用系统：●用于新一代高效率太阳能电池的分子级晶体层．尽管纳米技术的研究取得很大的进展，但仍有许多问题有待进一步探索和解决，如纳米材料的微观结构还需深入细致的研究与确证；纳米材料制备过程中的结构控制及其性能稳定等方面也有许多丁作要做，这些大都是纳米技术实现工业化应用的基础。纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术。