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第1页共7页2016年春季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:机电系统新技术概论学生所在院（系）:机电工程学院学生所在学科:机械设计及理论学生姓名:****学号:*****学生类别:考核结果阅卷人第2页共7页纳米科技的研究意义及应用研究报告纳米科技是二十世纪发展起来的交叉学科。有科学家预言，在21世纪纳米材料将是最有前途的材料，纳米技术甚至会超过计算机和基因学，成为决定性技术[1]。纳米尺度介乎宏观和微观之间，白春礼院士从材料角度出发，认为纳米尺度应当定义为0.1nm-100nm；而国际计量委员会从计量学角度出发则将纳米尺度定义为1nm-1000nm。在纳米尺度下，物质的某种物理、化学性质会发生突变，有大量的新现象、新规律有待发现。本文从纳米科技的测量方法、加工技术和纳米技术的应用方面进行概述。1纳米测量方法纳米测量方法，主要可归纳为光学和非光学两大类测量技术[2]。纳米测量学在纳米技术中起着举足轻重的作用，纳米技术的发展离不开纳米测量技术。到目前为止，国内外发展的纳米测量方法种类很多，主要分两大类：一类是以扫描探针显微镜（SPM家族）为代表的非光学测量方法；一类是以各种激光干涉仪为代表的光学测量方法。1.1扫描探针显微镜1981年，IBM公司的物理学家G.Binning和H.Rohrer发明了扫描隧道显微镜（STM），成功的观察到了硅原子结构，在纳米科技发展中具有里程碑意义，使得人类第一次成功地进入原子尺度。扫描隧道显微镜主要是控制与探针和被测试样表面之间距离大小相关的隧道电流，来达到纳米测量的目的。此后，G.Binning在STM的理论基础上又发明了原子力显微镜（AFM），将观察对象由导体、半导体拓展到绝缘体。而在STM和AFM的理论基础上，基于探针在被测试样表面上进行横纵向扫描从而引起相关物理量变化来进行测量的原理，又相继研发了静电力显微镜、电容扫描显微镜等各种系列显微镜。因其均基于探针扫描原理，国际上将此类显微镜统称为扫描探针显微镜（SPM）。目前，SPM已不仅仅局限于观察原子排列了，而已深深渗入微电子技术、生物技术、基因工程、生命科学、材料科学、表面技术等各种尖端科学领域。尤其是用STM成功地实现了对原子的操纵，将使人类从目前的微米尺度上对材料的加工迅速跨入到纳米尺度、原子尺度上的加工。扫描探针显微镜纳米测量需要进一步解决的问题有以下几个方面：（1）探针针尖的工艺研究，包括提高针尖尖度和延长针尖寿命；（2）接触面处的第3页共7页接触距离，是SPM的关键的因素，合理的接触距离既有利于提高分辨率，也有利于延长探针寿命；（3）对于STM，偏置电压的控制也是研究的关键[3]。1.2光学纳米测量方法由于扫描探针显微镜最终还要由一些光学的方法来进行标定和校准，所以光学的纳米测量尤其受到国内外关注。光学纳米测量方法的实现，主要是应用激光干涉原理，包括双频激光干涉仪、激光偏振干涉仪等。干涉仪一般采用光程倍增和锁相放大等技术，在很大程度上提高其分辨度和准确度。目前干涉仪中，双频激光干涉仪应用最为广泛。双频激光干涉仪采用外差干涉的原理，克服了普通单频激光器直流信号漂移的缺点，具有噪声小、抗干扰能力强等优点。激光干涉发展到双频激光干涉系统的阶段，可以说对仪器的性能起了一个飞跃。它结束了仅仅在实验室使用干涉仪的时代，开始真正地将激光干涉系统应用到车间和其它实际操作场地。光学纳米测量方法还需要解决的问题有以下几个方面：（1）条纹细分、光程倍增技术、锁相放大等技术的完善；（2）干涉、衍射图像的计算机处理技术；（3）解决纳米测量环境因素的影响问题，如环境温度的影响、外界振动、电磁干扰的影响等。2微纳米加工技术纳米测量技术的发展及对原子、分子尺度的操纵技术的进步，使得微纳米加工技术成为了可能。无论是集成电路技术，还是微系统技术或者纳米技术，其共同的特征是功能结构的尺寸在微米或纳米范围，因此可以统称为微纳米技术。微纳米技术依赖于微纳米尺度的功能结构与器件，而实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加工技术。微纳米加工技术是一项涵盖门类广泛并且不断发展中的技术，其主要可归纳为三种类型：平面工艺、探针工艺和模型工艺[4]。平面工艺是最早开发的，也是目前应用最广泛的微纳米加工技术。平面工艺具有以下特点：（1）其微纳米结构成型方法主要是曝光方法；（2）平面工艺一般只能形成二维平面结构，或者通过多层二维结构叠加形成准三维结构；（3）平面工艺形成的是整体结构，而不是单个部件。平面工艺主要应用于集成电路制造，主要工艺过程包括：薄膜沉积，包括介质生成和金属沉淀；图形化，包括光刻和刻蚀；掺杂，包括热扩散掺杂和离子注入掺杂；热处理等。探针工艺包括扫描探针显微镜的固态形式的探针，诸如扫描隧道显微镜、第4页共7页原子力显微镜等显微镜的探针工艺，也包括原子束和火花放电微探针等非固态形式的探针。STM或AFM的探针一方面可以直接操纵原子的排列，同时也可以直接在基底材料表面形成纳米量级的氧化层结构或产生电子曝光作用。这些固态微探针还可以通过液体输运方法将高分子材料传递到固体表面，形成纳米量级的单分子层点阵或图形。非固态微探针如聚焦离子束，可以通过聚焦得到小于10nm的束直径，由聚焦离子束溅射刻蚀或化学气体辅助沉积可以直接在各种材料表面形成微纳米结构。探针工艺与平面工艺的最大区别是，探针工艺只能以顺序方式加工微纳米结构；而平面工艺是以平行方式加工，即大量微结构同时形成，因此平面工艺是一种适合于大生产的工艺。但探针工艺是直接加工材料，而不是像平面工艺那样通过曝光光刻胶间接加工。模型工艺则是利用微纳米尺寸的模具复制出相应的微纳米结构。模型工艺包括纳米压印技术、塑料模压技术和模铸技术。纳米压印技术就是其中的一项很有希望的技术，其特点是具有超高分辨率、高产量、低成本。纳米压印最基本的程序包含两个主要步骤：图形复制和图形转移。图形复制是利用含有纳米图形的图章压印到软化的有机聚合物层上，纳米图章可以用其他微纳米加工技术制作。图形复制后是脱模，将“印章”从压印的聚合物中释放。这时形成的纳米图案还只是聚合物图案，还需要把这个聚合物图案转移到衬底材料或其它材料上去。若需要将聚合物图形转移到衬底硅材料上，则可以直接利用聚合物作为刻蚀掩模进行硅刻蚀[5]。3纳米技术的应用物质在纳米尺度下，因为其体积效应、表面效应和光学效应等纳米效应，使得纳米材料表现出具有高强度/硬度、高扩散性、高塑性/韧性、低密度、低弹性模量、高电阻等特性，可应用于高力学性能环境、光热吸收、特殊导体、催化剂、医学等领域。此外，微纳米加工技术的发展，特别是集成电路微纳米加工的发展，大大促进电子器件微型化、一体化。3.1在医学方面的应用纳米技术在医学领域的应用，备受国内外关注，包括医学诊断、药物载体、纳米治疗三方面[6]。医学诊断方面主要包括纳米传感器、纳米标记物和微流控技术等技术。纳米生物传感器是利用纳米材料实现了传感器结构的超微化。纳米传感器具有无可比拟的优越性，而利用纳米材料制成极为灵敏的生物和化学传感器，第5页共7页可以对各种高致病性疫病进行早期诊断。相较普通荧光标记物，纳米材料制成的发光物具有光谱范围广、稳定性好的优点。金、银纳米粒子标记物，在加入荧光染料后，可以更方便的看到特定受体和蛋白发生反应。微流控技术又称微流控全分析系统，通过微纳米加工技术在芯片上构建微流路系统，加载生物样品和反应液后，在压力泵或者电场作用下形成微流路，于芯片上进行一种或连续多种的反应，达到对样品高通量快速分析的目的，该技术应用于免疫分析中，使其具有很强的灵敏性和特异性。传统的给药方式不能达到微量、高效、稳定、靶向等目标，利用纳米颗粒作为药物和基因输送载体，可延长药物作用时间，可达到靶向输送目的，可增强药物效应，减轻毒副反应，可提高药物的稳定性。就目前而言，纳米载体的携带目标主要是具有治疗或研究作用的药物或基因。将DNA、RNA等基因分子或者药物包裹在纳米颗粒的内部或吸附在其表面，然后在其表面偶联特异性的靶向分子，通过靶向分子与细胞表面受体结合，在细胞摄粒作用下将目标基因或药物引入细胞内，从而实现安全有效的靶向性基因治疗或其他作用。纳米靶向治疗在肿瘤治疗方面有较广泛的前景。靶向治疗是利用具有一定特异性的载体，将药物或其他杀伤肿瘤细胞的活性物质选择性地运送到肿瘤部位，把治疗作用或药物效应尽量限定在特定的靶细胞、组织或器官内，而不影响正常细胞、组织或器官的功能，从而提高疗效，减少毒副作用的一种方法。此外，纳米技术在中药领域也有研究意义，主要体现在纳米技术的生物利用度、靶向性，较少用药量，较低毒副作用和缓释功能[7]。抗肿瘤的中药纳米制剂研究主要集中在药效强烈的中药单体成分上，通过纳米化实现降低毒性定向给药的特点；抗感染的纳米中药研究主要集中在生物利用度方面。3.2在化工方面的应用纳米技术在化工领域的应用，主要是利用纳米材料的体积效应、表面效应、光学效应等纳米效应，可应用在催化、涂料、精细化工等方面[8]。纳米材料作为新一代催化剂倍受国内外重视。纳米粒子具有高比表面积和表面能使其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。除了提高催化效率，纳米催化剂可降低有害产物，降低环境污染。在涂料方面，利用纳米技术表面结构的特殊性质，不仅可以提升涂层的防护能力，涂层按其用途可分为结构涂层、功能涂层。结构涂层是指涂层提第6页共7页高了基体的某些性质。功能涂层是赋予基体不具有的性能，从而得到传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬和耐磨涂层，抗氧化、耐热和阻燃涂层，耐腐蚀和装饰涂层等。而功能涂料具有吸收分解有毒有害物质、防静电、屏蔽射线等功能。比如在建筑涂料中加入SiO2，能显著提高涂料的耐火性能[9]。此外，纳米技术在水处理方面也颇具发展前途，主要包括纳米光催化技术、纳滤膜技术、纳米还原性材料和纳米吸附性材料方面[10]。纳米光催化技术是指污染物在光照下，通过催化剂实现分解。光催化纳米材料能够很好的去除水中的有机和无机污染物，光催化纳米材料能将水中的绝大多数有机污染物转化为无污染的物质。膜分离技术作为一种高新清洁生产技术快速发展起来，它是利用膜对混合物各组成选择性渗透的差异，来实现分离、提纯或浓缩的新型分离技术；纳滤膜的电荷效应和筛分效应两个特性决定了其在水处理方面具有独特的作用。纳米还原性材料和纳米吸附性材料则主要利用纳米材料的表面效应和体积效应来提高作用效果。3.3在制造业方面的应用纳米技术对制造业的影响，主要表现在以下方面：（1）纳米技术使得材料学科发生变化。纳米材料近二十年的发展，为制造业从宏观向微观制造的发展提供了可能。（2）纳米技术对制造方法、工艺和手段带来巨大冲击。如前文所述，微纳米加工技术的发展，使得制造业的制造模式、方法发生改变。（3）产品根据需求可以设计成由不同材料构成，减少资源浪费[11]。纳米材料及纳米技术可应用于焊接领域，包括应用于焊接材料和焊接结构[12]。焊丝涂层的主要目的在于防止焊丝生锈，增加焊丝润滑性和导电性。普通焊丝多采用表面镀铜，随着材料强度的提高，过渡到焊缝的Cu元素可能削弱焊缝性能，因而高强钢焊丝尽量避免采用镀铜工艺，这就需要开发新的焊丝涂层工艺。在焊条药皮中加入一定的纳米材料，可以利用纳米材料的体积效应和表面效应，增大药皮组成物与熔滴的接触面积，加快反应速度。此外，在烧结焊剂中加入纳米材料，其体积效应及表面效应使得在低温时各组成物就可充分烧结而不发生分解，同时由于纳米材料优异的活性，可加快烧结过程、缩短烧结时间，从而降低能源消耗。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。纳米陶瓷复合材料具有优良的室温力学性能、抗弯强度、断裂韧性、易加工性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动部件等诸多方面都起着其他材料不可替代的作用。第7页共7页总结随着纳米技术的发展，其应用前景会更加光明，应用领域会更加宽泛。纳米技术涉及到几乎所有技术领域，学科的交叉将会是纳米技术创新工艺与方法的重要源泉。参考文献[1]赵丽娜,王平.纳米材料和纳米技术的应用研究[J].吉林师范大学学报:自然科学版,2006,27(4):39-40.[2]裴雅鹏.纳米