1、納米技術研究與開發的背景
前面(mian)已經(jing)談到(dao),納米(mi)(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學(xue)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)是介(jie)于(yu)微(wei)觀(guan)與宏(hong)觀(guan)之間的(de)(de)(de)(de)介(jie)觀(guan)物(wu)理,關于(yu)納米(mi)(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學(xue)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)的(de)(de)(de)(de)定(ding)義很多,具有代(dai)表性的(de)(de)(de)(de)說(shuo)法有:如英國科(ke)(ke)學(xue)家(jia)阿(a)爾培特.佛朗克(ke)斯教授把(ba)(ba)納米(mi)(mi)(mi)(mi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)定(ding)義為"在0.1-100納米(mi)(mi)(mi)(mi)尺(chi)(chi)度范(fan)圍起關鍵作(zuo)(zuo)用的(de)(de)(de)(de)科(ke)(ke)學(xue)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)領域。"美國"國家(jia)納米(mi)(mi)(mi)(mi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)倡議"(NNI)即(ji)(ji)推薦(jian)采用科(ke)(ke)普(pu)作(zuo)(zuo)家(jia)伊凡(fan).阿(a)莫托在一(yi)本小冊子中(zhong)的(de)(de)(de)(de)提法:"納米(mi)(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學(xue)和納米(mi)(mi)(mi)(mi)技(ji)術(shu)(shu)(shu)(shu)一(yi)般是指,在納米(mi)(mi)(mi)(mi)尺(chi)(chi)度上,則從一(yi)納米(mi)(mi)(mi)(mi)到(dao)幾百(bai)納米(mi)(mi)(mi)(mi)介(jie)觀(guan)范(fan)圍內(nei),所(suo)從事(shi)的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)(zuo)范(fan)疇"。上述(shu)兩種說(shuo)法,總的(de)(de)(de)(de)意思是,把(ba)(ba)它(ta)限定(ding)在納米(mi)(mi)(mi)(mi)尺(chi)(chi)度范(fan)圍內(nei)的(de)(de)(de)(de)物(wu)質組成體系(xi)的(de)(de)(de)(de)運動規律和研(yan)(yan)究(jiu)開發(fa)工作(zuo)(zuo)。我國科(ke)(ke)學(xue)家(jia),即(ji)(ji)主張把(ba)(ba)它(ta)的(de)(de)(de)(de)內(nei)涵再延伸擴張到(dao)由它(ta)所(suo)引發(fa)出的(de)(de)(de)(de)可能(neng)的(de)(de)(de)(de)實際應用領域的(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)開發(fa)工作(zuo)(zuo)。我國納米(mi)(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學(xue)家(jia),國家(jia)重(zhong)點基礎研(yan)(yan)究(jiu)計(ji)劃(973計(ji)劃)納米(mi)(mi)(mi)(mi)材料(liao)和納米(mi)(mi)(mi)(mi)結(jie)構(gou)項目科(ke)(ke)學(xue)家(jia),固體物理研究所張立德研究員作了總結性的定義:"納米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之間的物質組成的體系的運動規律和相互作用,以及可能的實際應用中的技術問題的科學技術。"這個定義既反應了納米科學技術的內涵,又體現了科學技術發展規律的要求,也比較符合中國的實際情況。
1.1 從理(li)(li)論(lun)層面上看,納米(mi)科技(ji)是量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)在實(shi)踐(jian)上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)必(bi)然延伸。我們知道用(yong)(yong)(yong)原(yuan)子模(mo)型(xing)和(he)量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)級概念(nian)合理(li)(li)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)解(jie)釋(shi)金屬(shu)、半(ban)導體(ti)、絕緣體(ti)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)、光、熱、機(ji)械等性(xing)(xing)能(neng),并進(jin)行廣泛的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)業(ye)(ye)化開發(fa),形成(cheng)新興(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)業(ye)(ye),同時(shi)改造各種(zhong)傳(chuan)統(tong)產(chan)(chan)業(ye)(ye)。其中突出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是上個世紀四十年代末(mo)發(fa)明的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)導體(ti),它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)軌跡是半(ban)導體(ti)-集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路-大(da)規模(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路-超大(da)規模(mo)集(ji)成(cheng)電(dian)(dian)路,它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)成(cheng)就很大(da)地推動了(le)信息產(chan)(chan)業(ye)(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)。這是量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)在微(wei)米(mi)空(kong)間尺度上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)輝煌實(shi)踐(jian)和(he)發(fa)展(zhan)。微(wei)米(mi)技(ji)術(shu)(shu)把量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)在微(wei)米(mi)空(kong)間上的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)(yong),同微(wei)電(dian)(dian)子學(xue)、電(dian)(dian)磁學(xue)、光學(xue)、經(jing)典(dian)牛頓力學(xue)有機(ji)地結(jie)合起來(lai),極大(da)地推動了(le)社會生產(chan)(chan)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)發(fa)展(zhan)。量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)本(ben)質特征是微(wei)細粒子的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)粒二像(xiang)性(xing)(xing),而在微(wei)米(mi)技(ji)術(shu)(shu)上所用(yong)(yong)(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要是量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒子性(xing)(xing)電(dian)(dian)子流(liu)(大(da)量(liang)(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)、宏觀(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒子流(liu))。它與傳(chuan)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)經(jing)典(dian)理(li)(li)論(lun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)程應(ying)用(yong)(yong)(yong)相匹配(pei),才形成(cheng)現在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)導體(ti)、計(ji)算(suan)機(ji)、軟件(jian)、網絡通(tong)信等信息產(chan)(chan)業(ye)(ye)。也就是說,這樣龐(pang)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)(chan)業(ye)(ye),僅僅應(ying)用(yong)(yong)(yong)了(le)量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)波(bo)粒二像(xiang)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)一半(ban),即它的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)粒子性(xing)(xing)。另外(wai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)更奇妙的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)波(bo)動性(xing)(xing)還未加考慮。理(li)(li)論(lun)來(lai)源于(yu)實(shi)踐(jian),更在于(yu)指導實(shi)踐(jian),以證明其正確性(xing)(xing),并通(tong)過(guo)實(shi)踐(jian)考驗進(jin)一步修正充實(shi)發(fa)展(zhan)理(li)(li)論(lun),量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)自身發(fa)展(zhan),也必(bi)然如(ru)此。我國(guo)納米(mi)材料(liao)學(xue)家,物理(li)(li)研(yan)究所的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)解(jie)思(si)深研(yan)究員就說:"納米(mi)材料(liao)本(ben)身是將量(liang)(liang)(liang)子力學(xue)效應(ying)工(gong)程化或技(ji)術(shu)(shu)化場合之一,可能會產生全新的物理、化學現象。"
1.2 從(cong)技術(shu)(shu)創新(xin)的發展趨勢來(lai)看,需要更精(jing)致、環境友好、更具有智能化的技術(shu)(shu)創新(xin)。
在牛頓力(li)學(xue)體系的理論指導下(xia),大大地促(cu)進了技術創新活動,促(cu)成了十八世(shi)紀下(xia)半(ban)葉開始(shi)的次工業革命,其創新發明的代表作就是瓦特發明的蒸汽機,這是人類器官的一次飛躍性延伸,它力大無比,顯得龐大粗壯,還有一定的自動控制能力,對當時的人來說,是非常不錯的玩意兒,但對現代人來說是一個傻大黑粗又愚笨的家伙。人們一直在不斷的追求輕、小、簡、廉,現在即更追求更快、更省、智能化、環境友好、可持續發展。
人(ren)類自古以來,創(chuang)新(xin)(xin)思(si)(si)路和方法(fa)基本上(shang)都是由大(da)(da)到小(xiao),由粗(cu)到精,從(cong)石(shi)器(qi)(qi)時(shi)代(dai)-青銅器(qi)(qi)時(shi)代(dai)-鐵器(qi)(qi)時(shi)代(dai)-大(da)(da)機(ji)(ji)器(qi)(qi)生(sheng)產時(shi)代(dai)-現在,概莫(mo)能外。我們祖先為了得到石(shi)器(qi)(qi),需要一(yi)塊大(da)(da)石(shi)頭把它打(da)小(xiao),然后再磨礪(li)成(cheng)(cheng)可用的(de)(de)(de)石(shi)器(qi)(qi),這是由大(da)(da)到小(xiao)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程。我們現在用的(de)(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)制造(zao)也(ye)這樣,開礦山-冶煉-金屬材料-機(ji)(ji)器(qi)(qi)另部件-機(ji)(ji)器(qi)(qi),也(ye)是由大(da)(da)到小(xiao)的(de)(de)(de)過(guo)(guo)程。在這個過(guo)(guo)程中存在著大(da)(da)量的(de)(de)(de)人(ren)類勞動和資源(yuan)的(de)(de)(de)浪費,造(zao)成(cheng)(cheng)了環境危機(ji)(ji)。單(dan)純(chun)由大(da)(da)到小(xiao)(top down)的(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)(xin)思(si)(si)維(wei)和方法(fa)已經面臨挑戰,納米科(ke)學技術的(de)(de)(de)研究(jiu)方法(fa)(approaches),即提出了全新(xin)(xin)的(de)(de)(de)創(chuang)新(xin)(xin)思(si)(si)維(wei)和方法(fa),這里有兩(liang)種方法(fa):
是(shi)繼續沿著古(gu)已有之的(de)"由(you)大到小"(top down)思路和方法干下(xia)去(qu),不(bu)過這里(li)的(de)"小"可(ke)不(bu)是(shi)原有意(yi)(yi)義上(shang)的(de)毫米、微米的(de)小,而(er)是(shi)在(zai)納米尺度(du)(0.1-100nm)上(shang)的(de)小,在(zai)這么"小"的(de)地方出(chu)現(xian)(xian)的(de)景觀同(tong)傳統意(yi)(yi)義上(shang)的(de)毫米、微米尺度(du)上(shang)的(de)出(chu)現(xian)(xian)的(de)景象根本不(bu)同(tong),在(zai)這里(li)真正的(de)發生(sheng)了量子力學上(shang)的(de)波粒二(er)像性(xing)。
現在用(yong)這(zhe)種(zhong)方(fang)(fang)法(top down),可以在宏(hong)觀塊體材(cai)料(如半導(dao)體)上利(li)用(yong)機(ji)械和蝕刻技術制(zhi)造(zao)納(na)米尺度結構。納(na)米材(cai)料的(de)制(zhi)備(bei)的(de)種(zhong)種(zhong)方(fang)(fang)法,還(huan)(huan)是這(zhe)一方(fang)(fang)法。估計(ji)二十一世紀(ji)的(de)前半葉,甚(shen)至更長時間,這(zhe)種(zhong)方(fang)(fang)法還(huan)(huan)起到支柱作用(yong)。但是它(ta)創造(zao)的(de)文明(ming)會是非常輝(hui)煌的(de)。
第二種方(fang)法,就是實現量子(zi)物(wu)(wu)理學(xue)界的(de)(de)奇才費曼(man)所預(yu)言(yan)的(de)(de)那(nei)樣(yang)"物(wu)(wu)理學(xue)的(de)(de)規律不排除(chu)一個(ge)(ge)原(yuan)子(zi)一個(ge)(ge)原(yuan)子(zi)地制造物(wu)(wu)品的(de)(de)可能性"。即"由小到(dao)大(da)"(bottom up)的(de)(de)方(fang)法,人們按需(xu)要(yao)用(yong)(yong)一個(ge)(ge)個(ge)(ge)原(yuan)子(zi)或一個(ge)(ge)個(ge)(ge)分子(zi)組裝創造出有機和無機物(wu)(wu)品。這方(fang)面的(de)(de)創新(xin)工作已取得一些(xie)成(cheng)果(guo),見(jian)諸報(bao)端的(de)(de)不少,但離(li)真正的(de)(de)實用(yong)(yong)還要(yao)走(zou)很長的(de)(de)路。
1.3從技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)通用程(cheng)度來看,納米科學(xue)技(ji)(ji)術(shu)(shu)既是高新技(ji)(ji)術(shu)(shu)的(de)通用性技(ji)(ji)術(shu)(shu),也是各傳統(tong)產業升(sheng)級的(de)通用性基(ji)礎性技(ji)(ji)術(shu)(shu)。
1.3.1信息產業的發展(zhan)方向(xiang)
以信息技術(shu)(產(chan)業(ye))為例,它的(de)(de)基礎是(shi)(shi)半導體集成電路(lu)產(chan)業(ye)。這個產(chan)業(ye)的(de)(de)基礎技術(shu)是(shi)(shi)微米技術(shu),它的(de)(de)技術(shu)創(chuang)新歷程一直曾循著(zhu)摩爾(er)(er)定(ding)律。這個定(ding)律是(shi)(shi)1965年(nian)戈登.摩爾(er)(er)(Gorden.Moore)提出(chu)來(lai)的(de)(de),他指出(chu)集成電路(lu)里晶體管數(shu)量每18個月翻一番。26年(nian)來(lai),現實與(yu)摩爾(er)(er)定(ding)律非常一致。這是(shi)(shi)在(zai)微米尺度上的(de)(de)定(ding)律,科學界普遍認為0.05微米(50mm)是(shi)(shi)現代半導體工藝的(de)(de)極限(xian),Intel公(gong)司的(de)(de)工藝是0.13um(130納米),估計將在10-15年內達到它的極限。要是繼續用微米技術,就很難再前進了,即使能夠逼近它的極限,但這就意味著要花近百億美元,甚至數百億美元,在經濟上是極其不劃算的。因此,半導體工藝要走出它的死胡同,非得另謀出路不可。如果借用量子力學上的"隧道效應"一詞作比喻,那么我們就得在臨近胡同底的時候,開始挖掘一條"隧道"出去,利用量子力學波動的隧道效應開辟新的天地。
這個新天(tian)地就是(shi)納米(mi)技術。所(suo)幸的(de)(de)是(shi),新途徑已(yi)經初露端倪。1998年,IBM公司與(yu)日(ri)本NEC公司合作(zuo),在(zai)(zai)實驗室(shi)里用一(yi)(yi)根(gen)半導(dao)體性的(de)(de)碳納米(mi)管(guan)制成(cheng)了(le)場(chang)效應晶(jing)(jing)體管(guan)。該晶(jing)(jing)體管(guan)的(de)(de)襯(chen)底為(wei)(wei)硅,并作(zuo)為(wei)(wei)柵極,源極和(he)漏(lou)極是(shi)用金作(zuo)的(de)(de),研(yan)究人員用原子力顯微鏡(AFM,Atomic Force Microscope)在(zai)(zai)三個電(dian)極間(jian)(jian)放置了(le)一(yi)(yi)根(gen)碳納米(mi)管(guan)就成(cheng)了(le)場(chang)效應晶(jing)(jing)體管(guan)。這只(zhi)場(chang)效應晶(jing)(jing)體管(guan)的(de)(de)性能不錯,當柵電(dian)壓變動時,源極與(yu)漏(lou)極之(zhi)(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)電(dian)導(dao)變化10 萬倍,是(shi)一(yi)(yi)個說(shuo)的(de)(de)過去的(de)(de)電(dian)子開(kai)關。在(zai)(zai)這之(zhi)(zhi)后,其他研(yan)究單位(wei)也紛(fen)紛(fen)制得在(zai)(zai)原理或結構上有所(suo)不同的(de)(de)晶(jing)(jing)體管(guan)。
最近又傳(chuan)來好消息。今年(2001年)8月,IBM又宣(xuan)布使(shi)用(yong)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan)制成(cheng)(cheng)了(le)輸(shu)入為(wei)"0"時,輸(shu)出為(wei)"1"的(de)(de)(de)"非門(men)(men)(men)器件(jian)"。他們在研(yan)究過程中(zhong),找到了(le)兩項關鍵工藝(yi)(yi)原型(xing)。我們知道(dao),非門(men)(men)(men)器件(jian)是(shi)(shi)由一(yi)(yi)個(ge)(ge)P-型(xing)和(he)一(yi)(yi)個(ge)(ge)N-型(xing)晶體管(guan)(guan)(guan)(guan)拼成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de),但是(shi)(shi)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan)都(dou)是(shi)(shi)P-型(xing)半(ban)導體。IBM的(de)(de)(de)研(yan)究人員想(xiang)了(le)很多(duo)辦法,想(xiang)制得N-型(xing)的(de)(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan),最后他們發現(xian),其(qi)實只要在真空(kong)中(zhong)將(jiang)P-型(xing)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan)加熱,就(jiu)(jiu)(jiu)能(neng)將(jiang)其(qi)變為(wei)N-型(xing)。他們進(jin)一(yi)(yi)步(bu)發現(xian),如(ru)果只加熱碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)端(duan),這一(yi)(yi)端(duan)就(jiu)(jiu)(jiu)變成(cheng)(cheng)N-型(xing),而(er)未加熱的(de)(de)(de)一(yi)(yi)端(duan)仍為(wei)P-型(xing)。這就(jiu)(jiu)(jiu)是(shi)(shi)說,找到了(le)使(shi)一(yi)(yi)根(gen)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan)就(jiu)(jiu)(jiu)能(neng)構成(cheng)(cheng)一(yi)(yi)個(ge)(ge)非門(men)(men)(men)器件(jian)的(de)(de)(de)關鍵工藝(yi)(yi)方法。有(you)了(le)這樣一(yi)(yi)根(gen)碳(tan)(tan)(tan)納(na)(na)(na)米管(guan)(guan)(guan)(guan),用(yong)原子力顯微鏡(AFM)將(jiang)它放到事先做好的(de)(de)(de)基(ji)底(di)上,就(jiu)(jiu)(jiu)制成(cheng)(cheng)了(le)一(yi)(yi)個(ge)(ge)非門(men)(men)(men)器件(jian)。
解(jie)決了(le)P-型變N-型問(wen)題(ti)以后(hou),還存在一個問(wen)題(ti):金(jin)屬(shu)性(xing)(xing)和半導(dao)體(ti)性(xing)(xing)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)是混合(he)在一起的(de)(de)(de)(de)。如(ru)何用簡單的(de)(de)(de)(de)方(fang)法(fa)將兩者分開,就(jiu)成(cheng)為用碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)工(gong)業化生(sheng)產碳(tan)納(na)(na)米(mi)器件必須解(jie)決的(de)(de)(de)(de)另一個難(nan)題(ti)。IBM公司的(de)(de)(de)(de)研究(jiu)人員,將金(jin)屬(shu)性(xing)(xing)和半導(dao)體(ti)性(xing)(xing)二性(xing)(xing)混合(he)的(de)(de)(de)(de)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)放在硅(gui)(gui)片上,再(zai)在碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)層上面印(yin)上金(jin)屬(shu)電(dian)極(ji),并(bing)將硅(gui)(gui)片當(dang)作另一個電(dian)極(ji)。在兩極(ji)間加上電(dian)壓,使半導(dao)體(ti)性(xing)(xing)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)處于"關斷(duan)"狀態,金(jin)屬(shu)性(xing)(xing)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)由(you)于電(dian)流(liu)過(guo)大氧(yang)化燒毀,剩下的(de)(de)(de)(de)就(jiu)是純(chun)凈的(de)(de)(de)(de)半導(dao)體(ti)性(xing)(xing)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)。這(zhe)有可能成(cheng)為大量制備半導(dao)體(ti)性(xing)(xing)碳(tan)納(na)(na)米(mi)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)工(gong)藝原型。
從(cong)這里,我(wo)們可(ke)以看到納米技術(shu)在半(ban)導體(ti)產(chan)業,或者(zhe)說在信息技術(shu)(產(chan)業)的光輝前(qian)程。
1.3.2納米技(ji)術(shu)是生(sheng)物技(ji)術(shu)的基礎性技(ji)術(shu)之一
奇妙、最復雜的莫過于有機物生命體的生物世界了。從原子和分子的角度看,又是那么簡單,這些生靈不過是由碳、氫、氧、氮、鈣、磷、硅、硫、鐵、鈉,再加上一些微量元素所組成,而且它的生、老、病、死、遺傳、變異都是在溫和的自然條件下靜悄悄地進行的,用不著高溫、高壓、高真空……等等的苛刻條件。生物多樣性及其復雜性的來源,不是主要決定于組成它的原子和分子,而是決定于這些原子和分子在納米尺度上的結構,納米尺度上的生命運動規律。
舉一個簡單的(de)(de)例子。我們常吃的(de)(de)藕(ou),生長于(yu)池(chi)塘(tang)的(de)(de)淤泥中(zhong),但它露在水(shui)(shui)面(mian)(mian)上亭亭玉立的(de)(de)蓮(lian)花荷(he)葉卻出污泥而不染,美麗圣潔。荷(he)葉的(de)(de)基本化學成分是(shi)(shi)葉綠素、纖維素、淀粉等多糖類的(de)(de)碳水(shui)(shui)化合物,有(you)(you)豐富的(de)(de)羥(qian)基(-OH)、(-NH)等極(ji)性基團,在自然(ran)環境中(zhong)很容(rong)易吸(xi)附(fu)水(shui)(shui)分或污漬。而荷(he)葉葉面(mian)(mian)都具有(you)(you)疏水(shui)(shui)性,灑在葉面(mian)(mian)上的(de)(de)水(shui)(shui)會自動聚集成水(shui)(shui)珠,水(shui)(shui)珠的(de)(de)滾(gun)動把落在葉面(mian)(mian)上的(de)(de)塵(chen)土污泥粘吸(xi)滾(gun)出葉面(mian)(mian),使葉面(mian)(mian)始(shi)終保持(chi)干凈,這(zhe)就是(shi)(shi)"荷葉自潔效應"。為什么會有這種"荷葉效應",用傳統的化學分子極性理論來解釋,不僅解釋不通,恰恰是相反。從機械學的光潔度(粗糙度)角度來解釋也不行,因為它的表面光潔度根本達不到機械學意義上的光潔度(粗糙度),用手觸摸就可以感到它的粗糙程度。經過兩位德國科學家的長期觀察研究,即上世紀九十年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結構。(讀者有興趣,可參見附錄)。在超高分辨率顯微鏡下可以清晰看到,在荷葉葉面上布滿著一個挨一個隆起的"小山包",它上面長滿絨毛,在"山包"頂又長出一個饅頭狀的"碉堡"凸頂。因此,在"山包"間的凹陷部份充滿著空氣,這樣就在緊貼葉面上形成一層極薄,只有納米級厚的空氣層。這就使得在尺寸上遠大于這種結構的灰塵、雨水等降落在葉面上后,隔著一層極薄的空氣,只能同葉面上"山包"的凸頂形成幾個點接觸。雨點在自身的表面張力作用下形成球狀,水球在滾動中吸附灰塵,并滾出葉面,這就是"荷葉效應"能自潔葉面的奧妙所在。
研究(jiu)表明,這種具有自潔(jie)效應的(de)表面超微(wei)納米結構形貌(mao),不僅存在于荷(he)葉中,也(ye)普遍存在于其它植物中。某些動物的(de)皮毛中也(ye)存在這種結構。
其實植(zhi)物(wu)葉(xie)(xie)面的這種復雜(za)的超微納(na)米(mi)結(jie)構,不僅有利于(yu)自潔,還有利于(yu)防(fang)止對(dui)大量漂浮在大氣(qi)中的各種有害的細菌和真菌對(dui)植(zhi)物(wu)的侵害。另外(wai),更重(zhong)要(yao)的是,為了提(ti)高葉(xie)(xie)面吸收陽光的效率,進而提(ti)高葉(xie)(xie)面葉(xie)(xie)綠體(ti)的光合作用(yong)。
這種(zhong)自(zi)(zi)然界的(de)造(zao)化(hua),是(shi)生物界經過億年的(de)適應性(xing)和(he)變異(yi)性(xing)的(de)自(zi)(zi)然選擇、遺傳進化(hua)而來(lai)的(de)。我們的(de)科學家(jia)從(cong)事(shi)納米科學技術(shu)的(de)研究(jiu)的(de)靈感,很大的(de)成份上來(lai)源(yuan)于對這種(zhong)自(zi)(zi)然造(zao)化(hua)的(de)感應和(he)啟發。
生(sheng)物(wu)學(xue)有其自身的(de)(de)宏觀規律,生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)(ji)術(shu)需要(yao)(yao)對這些規律的(de)(de)深層(ceng)(ceng)次的(de)(de)研究,現在(zai)已經深入到細胞(bao)質(zhi)、DNA、基(ji)因片(pian)段(duan)、蛋白(bai)質(zhi),這些構成生(sheng)命(ming)體的(de)(de)基(ji)本(ben)單(dan)元層(ceng)(ceng)次。這些基(ji)本(ben)單(dan)元的(de)(de)尺度大多在(zai)微米(mi)(mi)(mi)級或以下,其中基(ji)因片(pian)段(duan)、蛋白(bai)質(zhi)即(ji)在(zai)納(na)米(mi)(mi)(mi)級。對這么小的(de)(de)生(sheng)命(ming)體基(ji)本(ben)單(dan)元的(de)(de)觀察、研究、裁減、拼接、轉移,就需要(yao)(yao)納(na)米(mi)(mi)(mi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)的(de)(de)參與。納(na)米(mi)(mi)(mi)科(ke)技(ji)(ji)(ji)同(tong)生(sheng)物(wu)技(ji)(ji)(ji)術(shu)、醫(yi)藥學(xue)的(de)(de)交叉互相滲透,已形成納(na)米(mi)(mi)(mi)生(sheng)物(wu)學(xue)(Nanobiology),納(na)米(mi)(mi)(mi)醫(yi)藥學(xue)(Nanopharmics)。這已經成為納(na)米(mi)(mi)(mi)科(ke)學(xue)技(ji)(ji)(ji)術(shu)工程應用(yong)的(de)(de)熱點領(ling)域(yu)。專(zhuan)家(jia)們普遍看好這兩個(ge)領(ling)域(yu),認為納(na)米(mi)(mi)(mi)技(ji)(ji)(ji)術(shu)很可能在(zai)這里先挖出"金礦"來。
1.3.3納米技術(shu)和(he)納米材料是傳統產業升級換(huan)代的得力助手
對傳統產業來說,企業要在劇烈(lie)的(de)(de)市場競爭中立(li)于不(bu)敗之地,無非是采取兩種方(fang)法:首(shou)先,對于老產品(pin)就(jiu)要不(bu)斷提高其性(xing)能價格比,占據有利的(de)(de)競爭優勢,獲得盡(jin)量多的(de)(de);第二是不(bu)斷創新,以新技術開發(fa)出新產品(pin),市場潮流,開辟出按技術推動型的新市場。納米技術和納米材料及其應用正具有上述兩方面的稟賦優勢。
這(zhe)(zhe)種(zhong)稟賦優勢是(shi)來源于(yu)納米(mi)材料的(de)小尺寸效應、表面效應、量子(zi)尺寸效應。在(zai)(zai)工程技(ji)(ji)術(shu)上采取(qu)各(ge)種(zhong)技(ji)(ji)術(shu)措(cuo)施手段(duan),充分發揮這(zhe)(zhe)些效應在(zai)(zai)宏觀對象上予(yu)以(yi)體現,就可以(yi)在(zai)(zai)源頭上把握傳(chuan)統(tong)產(chan)(chan)(chan)業(ye)各(ge)種(zhong)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)和工藝技(ji)(ji)術(shu)的(de)創新升級。從而提高傳(chuan)統(tong)產(chan)(chan)(chan)業(ye)或產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin)的(de)性能價格比,或以(yi)全新的(de)技(ji)(ji)術(shu)開發出全新的(de)產(chan)(chan)(chan)品(pin)(pin),實(shi)現技(ji)(ji)術(shu)推動市場。迄今為止,大量事實(shi)已(yi)表明(ming),納米(mi)技(ji)(ji)術(shu)在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)兩個方面都有很好的(de)實(shi)際表現和巨大的(de)潛力(li)。這(zhe)(zhe)里不再(zai)一(yi)一(yi)列舉例(li)證,詳(xiang)情(qing)后(hou)述(shu)。
2.國內(nei)外納米技術和(he)納米材料開(kai)發(fa)及應用概況
NNI是(shi)一(yi)項內容極其豐(feng)富而龐大的計劃,主要有以下幾個特點:
· 研發(fa)項目(mu)內(nei)容涉及范圍廣(guang)·
納米材料及制備、納米電(dian)子學(xue)(xue)、醫學(xue)(xue)與(yu)衛生(sheng)、環境與(yu)能源、化(hua)學(xue)(xue)與(yu)制藥業(ye)、生(sheng)物技(ji)術與(yu)農業(ye)、計算機與(yu)信息技(ji)術、國(guo)家(jia)安全等。
· 建立(li)全國性的協調工(gong)作體制·
2.2.2.1納米(mi)材料研究
· 在納米碳(tan)管研究制(zhi)備方面·
自(zi)1991年日本科(ke)(ke)學家飯島發現碳納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)以來,它的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究和(he)制(zhi)備(bei)就(jiu)成(cheng)為(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學家的(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)究熱點(dian)問(wen)題。這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)碳管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)有(you)其結構和(he)奇特(te)的(de)(de)(de)(de)(de)物理、化學特(te)性,有(you)著(zhu)(zhu)非常廣(guang)泛的(de)(de)(de)(de)(de)應用前景(jing),它自(zi)然成(cheng)為(wei)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)科(ke)(ke)學家關注(zhu)的(de)(de)(de)(de)(de)焦點(dian)。碳納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)是(shi)由石墨中的(de)(de)(de)(de)(de)碳原子卷(juan)曲而成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)狀材料,管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)直(zhi)經一般(ban)為(wei)幾納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)到幾十納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi),目前最小(xiao)值已達到0.33nm。由于碳納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)的(de)(de)(de)(de)(de)直(zhi)徑只有(you)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)級,而其軸向(xiang)長(chang)(chang)(chang)度(du)為(wei)微米(mi)(mi)(mi)級,所以長(chang)(chang)(chang)徑比在(zai)103以上(shang)(shang)。因(yin)此(ci)在(zai)碳納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)制(zhi)備(bei)過程(cheng)中一直(zhi)存(cun)在(zai)著(zhu)(zhu)碳管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)混(hun)亂取(qu)向(xiang),互相糾纏成(cheng)束等問(wen)題,中科(ke)(ke)院物理所解思(si)深教授科(ke)(ke)研(yan)小(xiao)組,1996年在(zai)國(guo)際上(shang)(shang)首先(xian)發明了控(kong)制(zhi)多層碳管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan)直(zhi)徑和(he)取(qu)向(xiang)的(de)(de)(de)(de)(de)模(mo)板生(sheng)長(chang)(chang)(chang)方法,制(zhi)備(bei)出離散分布、高(gao)密度(du)和(he)高(gao)強度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)定向(xiang)碳納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan),順利地解決了上(shang)(shang)述難題。1998年合成(cheng)了長(chang)(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)納(na)(na)(na)米(mi)(mi)(mi)碳管(guan)(guan)(guan)(guan)(guan),其長(chang)(chang)(chang)度(du)達到3mm,高(gao)出當(dang)時(shi)長(chang)(chang)(chang)度(du)的(de)(de)(de)(de)(de)百倍。細的納米碳管在2000年先后被我國科學家制造出來。先是物理所的同一小組合成出直徑為0.5nm的碳管,接著香港科技大學物理系利用沸石作模板制備了最細單壁碳納米管(0.4nm)的陣列,緊接著中科院物理研究員彭練矛(同時也在北京大學任職)在單壁碳納米管的電子顯微鏡研究中,發現在電子束的轟擊下,能夠生長出直徑為0.33nm的碳納米管。
清華大(da)學利用碳納(na)米管作模板(ban)成功(gong)的制(zhi)(zhi)備出直徑為3~40mm長度(du)達微米級的發光的氮化(hua)鎵(jia)納(na)米棒,在國(guo)際(ji)上把(ba)氮化(hua)鎵(jia)制(zhi)(zhi)備成一維的納(na)米晶體,并提出碳納米管限制反應的概念。中科院固體物理所成功研究制出納米電纜,有可能應用于納米電子器件的連接。
中科院金屬研究所采用等離子電弧(hu)蒸發法成功地(di)制備出高(gao)質量的單壁碳(tan)納米(mi)管,并(bing)用其儲(chu)存氫,質量儲(chu)氫容量達到4%的高(gao)水平。
· 在(zai)納米金屬,納米無(wu)機(ji)材料方(fang)面·
中科院(yuan)金屬(shu)研究(jiu)所的(de)研究(jiu)小組,發現(xian)納(na)米(mi)金屬(shu)的(de)"奇異(yi)"性能--超塑延展性,納(na)米(mi)銅(tong)在常溫下可延伸(shen)50多倍而"不折不撓",為世界所矚目,被譽(yu)為"本領域(指納(na)米(mi)技術)的(de)一(yi)次突破,它向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的"。
中國科技大學(xue)的(de)科學(xue)家用較低溫度(du)條件(jian)的(de)溶(rong)劑熱(re)(re)合(he)成(cheng)技術,發明了用苯(ben)熱(re)(re)法(fa)制備納(na)米氮化鎵微(wei)(wei)晶的(de)工藝,在300℃左右制成粒徑只有30nm的氮化鎵微晶。該小組還采用非水熱合成制備金剛石粉體,開辟了一條十分有經濟價值的技術路線。
· 在納(na)米有機材料及高分子納(na)米復合材料方面·
化(hua)學(xue)所在高聚(ju)物(wu)(wu)插層復合,分(fen)子電子學(xue)、富勒烯化(hua)學(xue)及(ji)物(wu)(wu)理,二元協(xie)同納米界面(mian)材料(liao)等(deng)方面(mian)取得了領(ling)世人(ren)矚目的(de)業(ye)績,開(kai)發出具有(you)(you)自主知識產權的(de)技術,有(you)(you)些(xie)已開(kai)始進入產業(ye)化(hua)開(kai)發階段。如蒙脫(tuo)土納米插層復合技術的(de)轉移,實現了納米聚(ju)烯烴、聚(ju)酰胺(an)、聚(ju)酯(zhi)等(deng)工(gong)程塑料(liao)和(he)橡膠的(de)產業(ye)化(hua),正推動傳統聚(ju)合物(wu)(wu)產品(pin)的(de)升(sheng)級換代(dai),使我國在納米聚(ju)合物(wu)(wu)領(ling)域(yu)在國際上保(bao)持地位(wei)。國家"973" 納米領(ling)域(yu)科學(xue)家張立德研究員為(wei)此發表評論說(shuo):"納米塑料(liao)將(jiang)是我國希望實現產業化的納米技術之一。"
2.2.2.2納米(mi)器(qi)件研(yan)究(jiu)
在量子(zi)(zi)電子(zi)(zi)器件的研究方面,我國科(ke)學家研究了室溫條件下單電子(zi)(zi)隧道效(xiao)應(ying),單原(yuan)子(zi)(zi)單電子(zi)(zi)隧道結,超高真空STM室溫庫侖阻塞(sai)效(xiao)應(ying)和(he)高性能光電探測(ce)器以(yi)及(ji)原(yuan)子(zi)(zi)夾層(ceng)型(xing)量子(zi)(zi)器件。
清華(hua)大學已研制出100nm級(ji)的MOS器件,還(huan)研制出一(yi)系(xi)列(lie)硅微(wei)(wei)集成傳(chuan)感(gan)器、硅微(wei)(wei)麥克(ke)風、硅微(wei)(wei)馬達、集成微(wei)(wei)型泵等器件,以及基于微(wei)(wei)米(mi)(mi)/納米(mi)(mi)三維(wei)加(jia)工的新技(ji)術與新方法的微(wei)(wei)系(xi)統。
中科院半導體(ti)所(suo)研制了量子阱紅外探測器(qi)和(he)半導體(ti)量子點激光器(qi),物理所(suo)已經研制出(chu)可在室溫下工(gong)(gong)作的(de)單電子原(yuan)型器(qi)件。西安交通大(da)學制作了碳納(na)米管場致(zhi)發射顯示器(qi)樣機,已連續(xu)工(gong)(gong)作了3800小時。
在(zai)有(you)機(ji)(ji)超高(gao)(gao)(gao)密(mi)度信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)(chu)器(qi)的基(ji)礎(chu)(chu)研究(jiu)(jiu)方(fang)面,中科院北京真空物理實驗室(shi)、化學所(suo)和北京大(da)學等(deng)單(dan)位(wei)的學者,在(zai)有(you)機(ji)(ji)單(dan)體薄膜NBPDA上作(zuo)出(chu)點(dian)(dian)陣,1997年(nian),點(dian)(dian)徑(jing)為1.3nm,1998年(nian),點(dian)(dian)徑(jing)為0.7nm,2000年(nian),又達0.6nm,信(xin)(xin)息(xi)點(dian)(dian)直徑(jing)比(bi)國外報(bao)導的研究(jiu)(jiu)結果小了近一個數量級,是(shi)現已實用化的光(guang)盤信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)(chu)密(mi)度的近百萬倍。北京大(da)學采用雙組(zu)份復(fu)合材料(liao)(liao)(liao)(TEA/TCNQ)作(zuo)為超高(gao)(gao)(gao)密(mi)度信(xin)(xin)息(xi)存(cun)儲(chu)(chu)器(qi)件材料(liao)(liao)(liao),得到信(xin)(xin)息(xi)點(dian)(dian)為8nm的大(da)面積信(xin)(xin)息(xi)點(dian)(dian)陣(3um×3um)的優異成(cheng)就。復(fu)旦大(da)學成(cheng)功制備了高(gao)(gao)(gao)速(su)高(gao)(gao)(gao)密(mi)度存(cun)儲(chu)(chu)器(qi)用雙穩態薄膜。并已經初步選擇合成(cheng)出(chu)幾種具有(you)自(zi)主知(zhi)識產權(quan)的有(you)機(ji)(ji)單(dan)分子材料(liao)(liao)(liao),可望作(zuo)為有(you)機(ji)(ji)納米集成(cheng)電路的基(ji)礎(chu)(chu)材料(liao)(liao)(liao)。
從我國(guo)納(na)米(mi)器件(jian)研(yan)(yan)究的情況來,主(zhu)要集中(zhong)在研(yan)(yan)究基礎(chu)較好(hao),設(she)備設(she)施(shi)相對齊全的研(yan)(yan)究院所和高校;如中(zhong)科(ke)院有(you)關研(yan)(yan)究所,北大、清華、復(fu)旦、南(nan)京大學等。由(you)于投(tou)資不足,在硬件(jian)設(she)施(shi)設(she)備條件(jian)技術層次不高的情況下,能取(qu)得這些成績,殊(shu)屬不易(yi)。這些研(yan)(yan)究工作(Approaches)是(shi)"由(you)大到小"(Top down)的工作,因此,總(zong)體上(shang)來說我國(guo)在納(na)米(mi)結構體系(xi)上(shang)的研(yan)(yan)究同(tong)國(guo)外還有(you)較大的差距,特別在"由(you)小到大"(bottom up)的研(yan)(yan)究工作有(you)待實(shi)質性的起動。
2.2.2.3納米結(jie)構的(de)檢測與(yu)表征
90年(nian)代開(kai)始,中(zhong)科(ke)院(yuan)北京(jing)真空物理室和(he)(he)化(hua)學(xue)(xue)所運用(yong)STM進(jin)行(xing)了納(na)米(mi)級及原子(zi)(zi)(zi)級的(de)(de)表(biao)面(mian)加工,在晶(jing)體表(biao)面(mian)先后(hou)(hou)刻寫出"CAS"、"中(zhong)國"和(he)(he)中(zhong)國地圖(tu)等文字和(he)(he)圖(tu)案。中(zhong)科(ke)院(yuan)化(hua)學(xue)(xue)所先后(hou)(hou)研制STM、AFM、BEEM、LT-STM、UHV-STM、SNOM等專用(yong)于納(na)米(mi)區域范圍表(biao)面(mian)的(de)(de)儀(yi)器(qi)設備,并(bing)且有自己(ji)的(de)(de)知識(shi)產權。他(ta)們還開(kai)發了表(biao)面(mian)納(na)米(mi)加工技術,為我國納(na)米(mi)技術的(de)(de)研究(jiu)起到了先導者(zhe)和(he)(he)促(cu)進(jin)者(zhe)的(de)(de)作用(yong),最近他(ta)們在單分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)科(ke)學(xue)(xue)技術以及有機分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)有序(xu)組(zu)裝方面(mian)有了很好的(de)(de)進(jin)展(zhan),并(bing)開(kai)始對分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)器(qi)件進(jin)行(xing)探索性研究(jiu)。中(zhong)國科(ke)技大學(xue)(xue)進(jin)行(xing)了硅表(biao)面(mian)富勒烯(xi)C60單分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)狀態檢(jian)測,為分(fen)(fen)子(zi)(zi)(zi)器(qi)件的(de)(de)研究(jiu)制備提供了一(yi)些基(ji)本數據。
北京大(da)學(xue)自行研(yan)制(zhi)VHU-SEM-STM-EELS聯(lian)用系(xi)統(tong)(tong)和LT-SNOM系(xi)統(tong)(tong)。建立了(le)完整的近(jin)場光學(xue)顯微系(xi)統(tong)(tong)--近(jin)場光譜與常(chang)規光學(xue)聯(lian)用系(xi)統(tong)(tong),并以(yi)此系(xi)統(tong)(tong)研(yan)究了(le)癌細胞的結構形貌。
總之,在納(na)米結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)檢測與表面(mian)(mian)的(de)(de)(de)基礎性(xing)研究(jiu)開拓方(fang)面(mian)(mian)取(qu)得(de)了(le)可喜(xi)的(de)(de)(de)成績,但同先進(jin)國(guo)家(jia)比總體(ti)上還有相當大的(de)(de)(de)差距。由于投資少,硬件(jian)(jian)(jian)設備要求高,這方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)研究(jiu)還只能集中在少數幾個研究(jiu)院所和大學(xue)。由于我國(guo)受制(zhi)于研究(jiu)工作條(tiao)件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)不(bu)足,研究(jiu)力(li)(li)量比較薄弱,在納(na)米結(jie)(jie)構,特別是(shi)納(na)米器件(jian)(jian)(jian)方(fang)面(mian)(mian)的(de)(de)(de)研究(jiu)工作,只能算是(shi)剛起(qi)步。國(guo)家(jia)正在考慮(lv)建(jian)立公用(yong)技術(shu)平臺(tai),建(jian)立相應的(de)(de)(de)資源共(gong)享(xiang)體(ti)制(zhi),組織(zhi)力(li)(li)量進(jin)行(xing)多學(xue)科攻關(guan),突破(po)納(na)米結(jie)(jie)構加工和納(na)米器件(jian)(jian)(jian)的(de)(de)(de)關(guan)鍵技術(shu)。
2.2.3納米材料的產業化
我國納米(mi)材料產(chan)業化開發方面總體上處行(xing)列,有不(bu)少(shao)產(chan)品(pin)的量產(chan)能(neng)力居地位。
· 納米氧化物方(fang)面(mian)·
納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鋅、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鈦、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)硅、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鋯、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鎂、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鈷、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鎳(nie)、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鉻、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)錳、納(na)(na)(na)米氧(yang)化(hua)鐵等。
· 納米金(jin)屬和合金(jin)方(fang)面·
有銀、鈀、銅、鐵、鈷(gu)、鎳(nie)(nie)、鈦、鋁、銀-銅合金(jin)、銀-錫(xi)合金(jin)、銅-鈦合金(jin)、鎳(nie)(nie)-鐵合金(jin)、鎳(nie)(nie)-鈷(gu)合金(jin)等(deng)。
· 納(na)米碳化物(wu)·
有碳(tan)化(hua)鎢、碳(tan)化(hua)硅(gui)、碳(tan)化(hua)鈦、碳(tan)化(hua)鉻(ge)、碳(tan)化(hua)鈮、碳(tan)化(hua)硼等。
·納米(mi)氮(dan)化(hua)物(wu)·
有氮(dan)化(hua)硅、氮(dan)化(hua)鋁、氮(dan)化(hua)鈦、氮(dan)化(hua)硼等(deng)。
2.2.3.2納米材料(liao)的工(gong)業(ye)化規模生產(chan)
我國納米材料的(de)工業化規模生產,這兩(liang)年有(you)(you)突(tu)飛猛(meng)進(jin)的(de)發展勢(shi)頭,走在(zai)前(qian)列。擁有(you)(you)自(zi)主知識產權、令世人矚目。
· 納米碳管工業化生(sheng)產線(xian)·
清華大學(xue)化工系魏飛教授的(de)(de)課題(ti)組(zu),采用納米(mi)(mi)聚團床反應器(qi),能大量制備(bei)多壁碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)的(de)(de)新技術,與南風化工集團股份有限公司合作,成功的(de)(de)實現了15公斤/小(xiao)時的(de)(de)高產量紀錄,這是目前國際上多壁碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)產業化制備(bei)能力(li)的(de)(de)紀錄。如每年連續生產運行8000小時計,該生產設備的生產能力已達到120噸/年。據悉,該技術可在較低溫度下實現純度在80%以上,多種型貌碳納米管可控制,成本低。碳管外徑在4~60納米,內徑在2~20納米,管壁的石墨層可以實現傾斜和平行排列的不同構形的碳管。其技術特點是連續化、能耗低、放大效應小,適合產業化推廣。
· 鈦基(ji)納米粉體材料·
哈爾濱(bin)鑫(xin)科納米(mi)(mi)科技(ji)發展有限(xian)公司的納米(mi)(mi)工程技(ji)術(shu)專家,研究(jiu)開發出采(cai)用磨(mo)球與普(pu)通鈦粉高(gao)速懸(xuan)浮旋轉研磨(mo)機械工藝(yi)路(lu)線(xian)。建成工業化(hua)鈦基納米(mi)(mi)材(cai)料生產線(xian)。并自行研制出配套(tao)的分散(san)劑和保護劑,成功的解決了團聚問題(ti),使產品能在(zai)常(chang)溫(wen)下(xia)長期保存,擁有自主知識產權(quan)。納米(mi)(mi)技(ji)術(shu)專家認為,其產業化(hua)程度(du)之高(gao),在(zai)國(guo)內居水平。該生產線還能生產銅、鐵、鎳等金屬納米粉體材料。
納(na)米(mi)鈦粉可(ke)作耐(nai)(nai)磨、耐(nai)(nai)腐蝕、耐(nai)(nai)沸水(shui)特種涂料(liao)的添加劑(ji)。已在(zai)大慶油田、勝利油田和(he)熱水(shui)內(nei)膽(dan)生產企業等方面及得到成功的推廣(guang)應(ying)用(yong)。添加鈦納(na)米(mi)材(cai)料(liao)的涂料(liao),還具(ju)有(you)(you)神奇的自我修復能(neng)力,可(ke)用(yong)做金(jin)(jin)屬(shu)和(he)非金(jin)(jin)屬(shu)材(cai)料(liao)通(tong)用(yong)的修補劑(ji)。同(tong)時它還具(ju)有(you)(you)"荷葉效應(ying)"的自潔能(neng)力。如吉林通(tong)化葡萄酒廠(chang)熱水(shui)罐內(nei)壁用(yong)其處(chu)理后(hou),5年未發生結垢現象(xiang)。由于(yu)(yu)鈦是(shi)對人(ren)體(ti)植物神經味覺沒(mei)有(you)(you)任何影響的金(jin)(jin)屬(shu),因此其涂料(liao)可(ke)廣(guang)泛應(ying)用(yong)于(yu)(yu)食品工業流程設(she)備(bei)中(zhong)。
最近,該公(gong)司又成(cheng)功(gong)實現用廢(fei)鈦(tai)材料(liao)(liao)(liao)直(zhi)接(jie)轉化(hua)成(cheng)納米材料(liao)(liao)(liao),在性能(neng)不降(jiang)的條件下進一(yi)步降(jiang)低了生產成(cheng)本,將使高級航天材料(liao)(liao)(liao)越來越廣泛地步入民品領域。鈦(tai)基納米材料(liao)(liao)(liao)產業化(hua)項目已列入國家"十五"規劃中(zhong)的納米技術和納米材料(liao)(liao)(liao)發(fa)展綱要。
· 納(na)米碳酸(suan)鈣·
碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)是化工(gong)行(xing)業廣(guang)泛使用的大宗無機化工(gong)原料。我(wo)國碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)年生(sheng)產能(neng)力(li)約280萬噸,年實際生(sheng)產量約220萬噸左右,基本上是普通輕質碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)和活性碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)。納(na)米碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)、納(na)米級活性碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)等高檔次碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)一(yi)直依(yi)賴進(jin)口(kou),碳(tan)酸(suan)(suan)鈣(gai)(gai)行(xing)業內的產品(pin)結構極不合(he)理。
這幾年來,隨著納(na)米(mi)技術的(de)(de)迅速發展,我國(guo)納(na)米(mi)碳酸(suan)鈣(gai)生產(chan)技術很(hen)快形成擁(yong)有自主知識產(chan)權的(de)(de)技術生產(chan)體系,有望根本改度我國(guo)碳酸(suan)鈣(gai)行(xing)業(ye)技術落(luo)后(hou)的(de)(de)面貌。
這里特別值得介紹的(de)是(shi)廣東(dong)廣平化(hua)工(gong)實業有(you)限公司同北京化(hua)工(gong)大學(xue)聯(lian)合(he)開發的(de)超(chao)重力法納(na)米碳酸鈣(gai)工(gong)業化(hua)生產(chan)(chan)線(xian)。該生產(chan)(chan)線(xian)年產(chan)(chan)3000噸納(na)米碳酸鈣(gai),產(chan)(chan)品一次平均粒徑為15~30nm,比表面積62~77m2/g范圍(wei)可(ke)調的(de)多(duo)種(zhong)晶形的(de)納(na)米碳酸鈣(gai),其質量指標處于水平。
該(gai)生產(chan)線的(de)(de)技(ji)術是由北京化工大學研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)(fa)(fa)的(de)(de),是國家"863"計(ji)劃項目(mu)--納(na)(na)米(mi)粉體(ti)超(chao)重(zhong)力法(fa)工業(ye)性(xing)制(zhi)備新技(ji)術的(de)(de)研(yan)發(fa)(fa)(fa)成果。該(gai)技(ji)術基(ji)于(yu)分(fen)子混合與反應(ying)(ying)結晶理論,研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)(fa)(fa)了超(chao)重(zhong)力法(fa)合成納(na)(na)米(mi)粉體(ti)材料的(de)(de)方(fang)法(fa)和相(xiang)應(ying)(ying)的(de)(de)裝備,屬國際。擁(yong)有自主(zhu)知識產(chan)權,已獲得國家發(fa)(fa)(fa)明。它的開發成功,立刻引起了美國道康寧、陶氏化學、德國巴斯夫、拜耳等國際大公司的關注,紛紛前來洽談合作事宜,使我國從納米粉體材料技術進口國轉變為技術出口國。
該生產(chan)線(xian)(xian)已經通(tong)過(guo)生產(chan)驗證(zheng)考核。證(zheng)明其(qi)核心(xin)設(she)備超重力碳(tan)化反應器生產(chan)能力達到3500噸/年,超過(guo)了設(she)計能力。最近(jin)傳來(lai)消息,國家計劃發(fa)展委員會擬在(zai)山西省籌建30000噸/年生產(chan)能力的超重力法納米碳(tan)酸(suan)鈣生產(chan)線(xian)(xian)。
超重力法(fa)納米(mi)(mi)碳(tan)酸鈣技術的大(da)規模工業化生產(chan),是目前(qian)我國納米(mi)(mi)材料(liao)工業化的。
上海華明高技(ji)術(shu)(集(ji)團)有(you)限公(gong)司(國家超細(xi)粉體工程(cheng)中心(xin))開發(fa)的納(na)米(mi)碳酸(suan)鈣(gai)生產(chan)技(ji)術(shu)也頗(po)引人注(zhu)目。該中心(xin)已與(yu)山(shan)西(xi)蘭(lan)化(hua)科(ke)技(ji)創(chuang)業股份有(you)限公(gong)司合作(zuo),成立(li)山(shan)西(xi)蘭(lan)花(hua)華明納(na)米(mi)材料有(you)限公(gong)司,在山(shan)西(xi)省晉城市(shi)建(jian)(jian)設納(na)米(mi)級(ji)超細(xi)活性碳酸(suan)鈣(gai)生產(chan)線,生產(chan)能力為15000噸/年,并已于2001年10月建(jian)(jian)成投產(chan)(一(yi)期)。二期工程(cheng)再建(jian)(jian)一(yi)條15000噸/年生產(chan)線,計劃于2002年建(jian)(jian)成投產(chan)。其技(ji)術(shu)路線是在原有(you)傳統沉淀法基礎上,注(zhu)入創(chuang)新的晶型(xing)納(na)米(mi)化(hua)控制(zhi)技(ji)術(shu),是傳統沉淀碳酸(suan)鈣(gai)生產(chan)技(ji)術(shu)的二次革(ge)命(ming)。
具(ju)有(you)近六十(shi)年輕(qing)質碳(tan)酸鈣(gai)生產(chan)歷史(shi)的(de)湖州(zhou)菱湖化(hua)學廠(chang)(現菱化(hua)集團),自行開(kai)發出納(na)米(mi)級橡塑專(zhuan)用碳(tan)酸鈣(gai),也已具(ju)備2000噸(dun)級生產(chan)能(neng)力,視(shi)市場需求情況,可隨時擴產(chan)到5000噸(dun)。
湖(hu)州湖(hu)化公司,也已建(jian)成年產5000噸的納(na)米碳酸(suan)鈣生產線。
湖州市(shi)浙(zhe)港合資浙(zhe)江(jiang)金豐納(na)米(mi)材料有(you)限公司年(nian)(nian)產5000噸(dun)(dun)(dun)的沉淀(dian)法高純晶型納(na)米(mi)碳酸鈣已于2001年(nian)(nian)7月建成投產,并擬于2002年(nian)(nian)再建二期(qi)20000噸(dun)(dun)(dun)/年(nian)(nian)生產線,屆時年(nian)(nian)產能力將達25000噸(dun)(dun)(dun)/年(nian)(nian)。
· 納(na)米氧化硅工業化生(sheng)產線(xian)·
浙(zhe)江省舟山明(ming)日納(na)(na)米材(cai)料(liao)(liao)有(you)限公司(si)同中(zhong)科院固體物(wu)理所合作,于1997年建成年產(chan)(chan)百噸(dun)級(ji)的(de)納(na)(na)米硅基(ji)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(SiO2-x)工業(ye)化(hua)(hua)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)線。納(na)(na)米硅基(ji)氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)是納(na)(na)米材(cai)料(liao)(liao)的(de)重要(yao)一員(yuan),具(ju)有(you)廣(guang)泛的(de)用途(tu)。該(gai)生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)線生(sheng)(sheng)產(chan)(chan)出的(de)產(chan)(chan)品質量非(fei)常好(hao)。其顆(ke)粒直徑小(為5--15nm),具(ju)有(you)很高(gao)的(de)比表面(mian)積(達640--720m2/g)。
· 納米硅基(ji)陶瓷粉體(ti)·
齊(qi)齊(qi)哈爾超微粉制(zhi)造公(gong)司利用中(zhong)科院(yuan)金屬研究所發明的激(ji)光制(zhi)備納米(mi)粉體(ti)的技術,并在此基礎(chu)上(shang)加以改進,用兩(liang)年時(shi)間完成(cheng)了產(chan)(chan)業化生(sheng)產(chan)(chan)開發,建成(cheng)年產(chan)(chan)2噸的高性(xing)能(neng)(neng)硅基納米(mi)陶瓷(ci)粉體(ti)生(sheng)產(chan)(chan)線。這是(shi)目前產(chan)(chan)能(neng)(neng)的生(sheng)產(chan)(chan)裝置,令美國(guo)同(tong)行刮(gua)目相看。美國(guo)有(you)關公(gong)司生(sheng)產(chan)(chan)能(neng)(neng)力也不過是(shi)日產(chan)(chan)1 公(gong)斤左右。
該廠生產的Si,碳化(hua)硅(SiC),氮化(hua)硅(Si3N4)和混合粉的含氧量(liang)得(de)到(dao)嚴(yan)格控制,粒(li)徑都在(zai)38nm以下,是目(mu)前好的。
·納(na)米(mi)材(cai)料--納(na)米(mi)專用(yong)涂料·
佳隆(long)(煙臺(tai))實業(ye)有限公司電(dian)子(zi)材(cai)(cai)料(liao)廠,原是一家納米材(cai)(cai)料(liao)制備企(qi)(qi)業(ye),也是從事復合納米粉體(ti)研制企(qi)(qi)業(ye),因此具(ju)有納米材(cai)(cai)料(liao)應用開(kai)發(fa)的(de)經驗。該(gai)廠同中科院物理所、科大、南大等單位(wei)合作,瞄準納米材(cai)(cai)料(liao)在電(dian)子(zi)行業(ye)的(de)應用,以電(dian)子(zi)漿料(liao)為突破口,開(kai)發(fa)出(chu)彩電(dian)顯(xian)像管、計算機顯(xian)示器等顯(xian)示終端專用的(de)三防(fang)(防(fang)靜電(dian)、防(fang)眩、防(fang)輻射)涂料(liao),我國的空白,打破了美國、日本等少數國家的壟斷。最近,他們進一步開發出具有節能、環保涂膜玻璃用涂層材料,經這種材料涂敷的玻璃,具有反射紅外線、防紫外線、不結霧等多種功能,市場前景非常好。為此,佳隆(煙臺)實業有限公司于2001年初,對該電子材料廠擴建改造。并被列為國家高技術產業化新材料專項示范工程項目--功能玻璃用納米涂層材料。佳隆(煙臺)實業有限公司為此投資9226萬元予以組織實施。
該項(xiang)目的(de)(de)(de)組織實施,標志(zhi)著國內從單(dan)一(yi)納米(mi)粉體制備(bei)找到某(mou)種關鍵應用領域并形成最終產(chan)(chan)品(pin)化、產(chan)(chan)業化上(shang)的(de)(de)(de)突破。這對當前(qian)我國納米(mi)材料(liao)應用技術跟不上(shang),應用推(tui)廣困難(nan),納米(mi)材料(liao)生產(chan)(chan)企業效益上(shang)不去,有的(de)(de)(de)難(nan)以為繼的(de)(de)(de)尷尬局面(mian),如何(he)找到一(yi)條出路,無疑(yi)是一(yi)個(ge)很(hen)好的(de)(de)(de)范例。
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