1959年12月,物理学家理查德·费曼发表了名为“底部充足的空间”的演讲,他的主题是“在微小等级操纵和控制事物的问题” 。在这次演讲中,费曼不满足于在针头上刻字母的技术(这在当时已经是非常前沿的技术了),他问:“我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上?”
他给出了解决这个问题的答案:我们并不是尽量将字母变小去刻字,而是操纵针头的原子本身去形成字母,纳米技术被正式提出 。1990年,首次出现了操纵原子“写出”的字母,一共用了35个原子的英文字母“IBM”,实现了费曼的设想 。
纳米技术的设想出现以来,一直被定义为“明天的世界”,已经有上百部科幻小说描述过它 。但其实,纳米技术的工业革命已经悄悄兴起,在一些领域已经开始大显身手了 。那么,纳米技术究竟有何不同,它将如何改变我们的世界?
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什么是纳米技术?
纳米是长度单位,但是这个单位非常的小,只有一米的十亿分之一 。我们很难感受到1纳米到底有多小,想象一下,一根头发是75000纳米,一条DNA双链差不多是2纳米宽 。
所谓纳米技术,就是在可控制的条件下,改变原子的连接结构以创造一种新的分子 。纳米技术生产不同种类的纳米级材料(由纳米粒子组成),纳米粒子结构尺寸在1~100纳米之间 。
20世纪初人们已开始用蒸发法制备金属及其氧化物的纳米粒子 。20世纪中期人们探索机械粉碎法使物质粒子细化,现在制备纳米粒子的方法主要分为化学方法和物理方法两大类 。
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物理方法一般是“自上而下”的,即通过物理的方法将比较大的物质破坏成纳米级,再将这些纳米级的小单元转化成适宜的纳米粒子 。物理法分为粉碎法和构筑法,其中,粉碎法主要是采用研磨、压碎等方式;构筑法包括气体蒸发法,混合等离子体法等 。
化学法主要是“自下而上”的方法,即通过适当的化学反应(包括液相、气相和固相反应),从分子、原子出发制备纳米颗粒物质 。化学合成法包括气相反应法和液相反应法,其中比较常用的方法有:溶胶凝胶法、氧化还原法、气相分解法、气相合成法等 。
纳米粒子不同凡响的特性
宏观技术将大的物质块以相对粗糙和近似的模式排列以建造微芯片、运动汽车、橡木餐桌和摩天大楼 。而纳米技术则能够操纵单个原子,使人类技术提升到新的层面 。
纳米粒子最重要的不是它的尺寸特别小,而是在纳米级下,物质的性质会有很大的不同 。因为我们面对的是单个的原子或分子而不是成团的物质,在这里,量子效应成了最重要的影响因素 。对于宏观物质来说,不管形状、大小如何,物质的性质不会改变,但是对于纳米级物质来说,面积体积比、相对尺寸改变,物质的性质也会改变 。
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举个例子,纳米粒子通常会有意想不到的光学性质,因为纳米粒子可以限制它们的电子并产生量子效应,比如黄金的纳米粒子在溶液中就会呈现紫红色 。纳米粒子可以形成悬浮液,这是因为颗粒表面与溶剂的相互作用强到足以克服密度差异;如果是非纳米材料,这种相互作用通常会导致材料下沉或漂在液体中 。纳米粒子中不均匀的电子分布会导致磁性,磁性纳米粒子引起了不同学科研究人员的兴趣 。纳米粒子独特的机械性也在许多重要领域得到了应用,这些机械性能包括弹性模量、硬度、应力和应变、粘附力和摩擦力等 。
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