纳米技术的用途

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纳米技术的用途范文第1篇

据美国研究部报道，世界上体积最小的电子计算机来自日本，这款计算机的大小大概和一粒骰子大小，而且用途特殊，用于航空航天领域，这款计算机是为外太空环境的检测和研究而研制的。而且，现阶段，日本已经投入使用了这个号称世界上体积最小的电子计算机。而世界上运算速度最快的电子计算机在德国研制，每秒能够达到147.9万亿次浮点运算。现阶段，这款运算速度最快的电子计算机有五十几台在亚洲，有将近三百台在美国，有一百多台在欧洲投入使用。所以这种计算机还是没有得到广泛运用。

二、计算机科学技术的问题

实践是检验真理的唯一标准，计算机科学技术的发展在实践的检验中也发现了许多的问题。现阶段，计算机在社会生产和人们生活的方方面面都有发展，这其中，包括管理、生产、经济和军事等诸多方面。但是任何事物的发展都有有利和不利的一面，即任何事物的发展都存在两面性。在计算机科学技术的实际发展过程中，出现过很多网络安全问题。这给计算机科学技术带来了不容忽视的挑战。

三、计算机科学技术的未来发展趋势

3.1生物计算机技术的发展。20世纪80年代，研发人员利用对超微技术的发展，将其融入到计算机科学发展中，并由此产生了非常大的影响，取得了突破性的成功。研究人员将生物工程技术运用到计算机的核心零件——芯片中，然后构成了一种名为蛋白质分子的生物分子形式的计算机。20世纪90年代，美国的科学家公布了这种新型生物计算机并引起了科学界，生物界的极大轰动，除此之外还公布了一种新型的运算模式。

3.2纳米计算机的诞生和发展。纳米技术在计算机中的应用和发展得益于纳米技术在生活生产中的广泛应用和发展。随着纳米技术不断完善成熟，计算机芯片在保证其稳定性的同时还大大减小了体积。在计算机纳米技术领域的研发中，美国处于领先。它在纳米计算机的各个方面都取得了令人瞩目的成就和突破性的发展。

四、结束语

纳米技术的用途范文第2篇

论文摘要：介绍了纳米磁性材料的用途，阐述了纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类纳米磁性材料的研究和应用现状。

1引言

磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。

2纳米磁性材料的研究概况

纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。

2.1纳米颗粒型

磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。

磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。

纳米磁性药物：磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽，如治疗癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，这样能加强药物治疗作用。

电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

2.2纳米微晶型

纳米微晶稀土永磁材料：稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50MGOe，接近理论值64MGOe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度，易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点，目前正在探索新型的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。

纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。

2.3磁微电子结构材料

巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（SQUIDS）等

磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。

磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。

3展望

纳米技术是本世纪前20年的主导技术，纳米材料是纳米技术的核心，是21世纪最有前途的材料，也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战，纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向，但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究，以全面提高企业的技术水平和竞争能力，在世界民族之林树立中华民族的大旗。

参考文献

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纳米技术的用途范文第3篇

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

1. 在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

2. 在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

3. 在其它精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

4. 在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；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，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

纳米技术的用途范文第4篇

关键词：纳米；涂料；陶瓷；水泥

1 概述

纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次革命。利用纳米材料具有的导电功能可以开发导电涂料，利用纳米材料具有的自洁功能可以开发抗菌防霉涂料，而且利用纳米材料可以到达提高塑料管材的强度等。由此可见，纳米材料在建筑材料领域具有非常广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。

2 纳米技术在建筑材料中的应用

2.1 纳米技术在涂料中的应用

应用在涂料中是纳米材料最有前途的用途之一。利用纳米技术改性提高涂料产品质量，是目前在涂料研究领域中比较活跃的方向。传统的涂料普遍存在悬浮稳定性和触变性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不够等缺陷。纳米材料由于其表面和结构的特殊性， 具有一般材料难以获得的优异性能。借助于传统的涂层技术， 添加纳米材料， 可以获得具有优异性能的复合材料， 使得传统涂层功能改性， 赋予宏观材料许多特殊的前所未有的优良性能， 主要表现在以下几个方面：一是可以提高建筑涂料与建筑物表面的粘结强度、表面硬度和耐磨性，可以增加建筑涂料的柔韧性、延展性机械强度，可以提高涂膜层耐雨水冲刷能力、耐风沙冲刷、侵蚀能力等。当涂料中的颜料颗粒达到纳米级别时，由于比界面很大，具有非常大的结合力，对涂层有一定的增强作用，可以达到提高涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性；二是可以提高建筑涂料涂膜层光洁度及强度和保色性，赋予高分子基建筑涂料微裂痕自修复功能，提高基体的防腐蚀能力，达到表面修饰、装饰的目的。三是可以提高建筑涂料的抗紫外光能力和耐候性，增加涂料的使用年限，可以提高建筑涂料的耐热性、热稳定性，赋予高分子基建筑涂料抗菌、自清洁性和净化空气作用，可以提高外墙涂料的阻燃、隔热等性能。纳米粒子的粒径远小于可见光的波长400～750nm，具有透过作用，从而保证了纳米复合涂料具有较高的透明性，纳米粒子对紫外线具有较强的吸收作用。在外墙建筑涂料中添加TiO2、SiO2等纳米粒子以提高耐候性。纳米氧化锌是一种很好的光催化剂，在紫外光照射下，它能分解有机物质，起到抗菌和除臭作用。将纳米抗菌粉应用于涂料中，可以制得纳米杀菌涂料。

2.2 纳米技术在陶瓷中的应用

陶瓷由于具有较好的耐高温和抗腐蚀性能以及良好的外观性能在工程界得到了广泛的应用，纳米陶瓷和纳米陶瓷基复合材料是当前陶瓷研究的重要发展趋势，但是由于传统陶瓷材料易发生脆性破坏，因而使其应用受到了一定的限制。在陶瓷基体中加入纳米材料，可以极大地改善材料的强度韧性及高温性能， 用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。

近年来国内外对纳米复相陶瓷的研究表明，在微米级基体中引入纳米分散相进行复合，可使材料的断裂强度、断裂韧性大大提高（ 2～4倍），使最高使用温度提高（ 400℃～600℃），同时还可提高材料的硬度和弹性模量，提高抗蠕变性和抗疲劳破坏性能。将抗菌纳米材料掺入陶瓷釉面中或者掺入陶瓷面层中，可以制作抗菌陶瓷釉面砖和卫生陶瓷等，用于墙地面装饰、厨房和卫生间。利用纳米技术生产的多孔陶瓷材料，可以对工业废气进行过滤分离。多孔陶瓷具有很好的耐热、耐化学腐蚀等性能，具有寿命高，不用维修等特点。纳米级复相陶瓷将成为21世纪新材料开发的主要方向。随着纳米技术的高速发展，纳米陶瓷材料的应用将越来越广泛。

2.3 纳米技术在水泥混凝土中的应用

随着我国工业化进程的深入发展和基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为传统的建筑材料，产量和用量都在不断增加，由于普通混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏，针对这一问题，高性能混凝土成为了水泥基复合材料领域中的研究热点。纳米材料具有小尺寸效应、量子效应、表面及界面效应等优异性能，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的优异性能。利用纳米技术开发的新型混凝土可大幅度提高混凝土的强度、施工性能和耐久性能。例如在普通混凝土中掺入纳米矿粉，不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可以改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得到提高，据有关文献报道，当纳米矿粉的掺量为水泥用量的1%～3%，并在高速混拌机中与其他混合料干混（或是制成溶胶由拌合水带入）后， 制备成纳米复合水泥混凝土结构材料，其7d和28d龄期的水泥硬化浆体的强度比未掺纳米矿粉的水泥硬化浆体的强度提高50%，且其韧性、耐久性等性能也得到改善；纳米金属粉末具有很好的电磁波吸收功能，将纳米金属粉末掺入到水泥混凝土中，可以制成具有电磁屏蔽功能的混凝土，在这种纳米隐身复合水泥特别适合于制作军事掩体，使用这种水泥后，可以在很大程度上逃避雷达、红外等信号的搜索，降低或避免军事目标被发现和打击的概率；将XPM水泥外加剂添加到水泥中后，可以使水泥具有很好的防水功能，水泥中掺入这种外加剂后，可以加快水泥诱导期和加速器的水化反应，使气-液-固三相通过过饱和度达到相应的浓度梯度，改善了水泥凝固的三维结构，同时改善水泥混凝土的堆积密度。

3 结语

纳米技术是对未来经济和社会发展将产生重大影响的一种关键性前沿技术，纳米技术在建筑材料中的应用前景将会非常广阔，纳米材料将成为新型建筑材料的发展方向。开发具有新功能的纳米材料和拓宽现有纳米材料在建材中的应用领域，对改造现有传统的建材产品，提高其发展空间和市场竞争力，具有十分重要的意义。

[参考文献]

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纳米技术的用途范文第5篇

[关键词]纳米 光电 测控技术

纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。它主要包括纳米材料、纳米动力学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学等四个方面。纳米级材料工程是指用于纳米技术的材料开发,主要应用于功能织物、医学生物工程、电子工业、催化剂、超微传感器等几个方面。纳米级加工技术纳米加工技术在纳米技术的各领域也起着关键作用,包含机械加工、能量束加工、化学腐蚀以及扫描隧道显微镜加工等许多方法。然而,纳米级的测控技术是制约纳米技术发展的关键。

我国测控领域的科研人员经过四十多年长期探索,不断研究,克服了各种困难,利用光、机、电、算多学科综合,发展了一整套微/纳米光电测控新技术,研制出新一代测控仪器,已经成功地应用于军用、民用很多领域,取得了明显效果。

一、纳米光电测控技术

纳米光电测控技术以纳米计量光栅为核心元件,配以光电转换、信号读取、信号处理以及超精机械,形成各种测量仪器,可直接用于测量或控制长度、位移等多种几何量。具有测量精度高、量程大、环境适应能力强、稳定性好等优点。该项技术主要由传感器和数显装置两部分组成。利用该项技术所生产的产品具有自动求最大值、最小值、峰峰值、公英制转换、置数、打印、复位、自检等功能,同时还具有RS232串行通讯接口,与计算机、单片机等连接后可进行自动测量、自动数据处理和自动控制等优点。纳米测控技术包括纳米级的测量技术和纳米级的定位控制技术两个方面。

1.纳米测量技术

目前,纳米级测量技术的主要发展方向有光干涉测量技术和扫描显微技术等,以表面粗糙度和表面形貌等为测量对象。

(1) 光外差干涉仪

光外差探测是一种对光波振幅、频率和相位调制信号的检波方法,可以对于光强度调制信号。光外差干涉仪是使用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束,通过光电探测器的混频,输出差频信号(受光电探测器频响的限制,频差一般在100兆赫以内)的仪器。被测物体的变化如位移、振动、转动、大气扰动等引起的光波相位变化或多普勒频移载于此差频上,经解调即可获得被测数据的仪器。目前,通常使用的干涉条纹图的测量方法,在进行纳米级测量时有非常大的局限性。因此利用外差干涉测量技术,可以得到0。1nm的空间分辨率,测量范围可达50mm,促进了纳米技术的进一步发展。

(2) X射线干涉仪

X射线干涉仪以非常稳定的单晶硅晶格作为长度单位,可以实现亚纳米精度的微位移测量。

可见光和萦外光的干涉条纹间距为数百纳米,这种间距不易测量。而利用射线的超短波长干涉测量技术,可以实现0。005nm分辨率的位移测量,测量范围可达200μm,是一种测量范围大较易实现的纳米级测量方法。近年来,又产生了X射线形貌测量仪,它采用掠人射角的射线来测量超光滑表面形貌。

(3) 激光频率分裂测长

激光频率分裂的值与分裂元件的位移有关。通过测频率测位移,精度已达到1nm,进一步稳定激光频率可达到0.01nm,测量范围为150μm。

(4) 扫描探针显微(SPM)技术

SPM实际上是一个很大的家族,它包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜、磁力显微镜、激光力显微镜、光子扫描隧道显微镜及扫描近场光学显微镜等等,利用它们可以用来测量非导体、磁性物质,甚至有机生物体的纳米级表面。

扫描探针显微(SPM)技术是在扫描隧道显微镜(STM)发明取得巨大成就的基础上发展起来的各种新型显微镜。它们的原理都是通过检测一个非常微小的探针(磁探针、静电力探针、电流探针、力探针),与被测表面进行不接触各种相互作用(电的相互作用、磁的相互作用、力的相互作用等),借助纳米级的三维位移定位控制系统,测出该表面的三维微观立体形貌,在纳米级的尺度上研究各种物质表面的结构以及各种相关的性质。

扫描探针显微技术(SPM)具有以下特点:(1)具有原子级的高分辨率。STM的横向分辨率可达到0.1nm,垂直表面方向分辨率可达0.01nm,这是目前所有显微技术当中分辨率最高的。(2)可以观察单个原子层的局部表面结构。STM观察的是表面的一个或两个原子层,即几个纳米的局域信息,而不是像光学显微镜和电子束显微镜只能获得平均信息。(3) STM配合扫描隧道谱(STS),可以得到表面电子结构的有关信息,可以通过调节隧道结偏压来观察不同位置电子态密度分布,观察电荷转移的情况,还可以得到电子结构的信息。(4)STM可以实时、实空间地观察表面的三维图像。而不像其他,例如各种衍射方法所得到的只是倒易空间的图像,不是实空间的,而且只有进行 “傅里叶变换”才能得到实空间图像。(5) STM可以在不同条件下工作,例如真空、大气、常温、低温、高温、熔温,不需要特别的制样技术,而且探测过程对样品无损伤,因而扩展了研究对象的范围。(6) STM不仅可用于成像,还可以对表面的原子、吸附的原子或分子进行操纵,从而进行纳米级加工,这是其他技术所不具备的一种功能。

2. 纳米定位控制技术

在纳米级加工与测量中,需要纳米级的三维定位与控制。目前,用一个执行元件来实现大范围的纳米级定位是比较困难的。因此,实际的定位机构多采用大位移用的执行元件和纳米级定位用的执行元件相结合方式来实现。实现三维定位与控制,目前普遍采用压电陶瓷致动器件,它在纳米级的极小范围内,通过控制系统能实现近似的三维驱动。此外,利用电致材料、静电或磁轴承式结构,以及静电致动的高精度定位控制技术,也向纳米级精度发展,也可采用摩擦驱动装置及丝杠定位元件,通过特殊的方法进行纳米级的定位。

二、纳米光电测控技术特点

光电测控技术采用的光电自动测量方法是为适应我国高速发展的测控领域的现状而逐步研究、开发形成的,并以其独特的优点逐步成为当今世界范围内的一种新型、高精度的测试手段。它采用现代高科技手段,测试精度涵盖了微米、亚纳米及纳米领域。

这种新型测控技术,具有许多重要的特点:

(1)首先,它的应用覆盖面特别宽,既可用于微米、亚微米量级,也可用于纳米量级;既可用于传统机械、传统仪器的更新改造,又可用于尖端科技的高层突破;

(2)其次,技术上综合性很强,光、机、电、算容为一体,具备了纯机械、纯电学、纯光学等传统测量技术很难达到的优越性;

(3)再次,它的应用范围特别宽广,军用上,如常规武器的改造提高;航空航天的各种测控等;民用上,传统产业上的更新改造、制造业的技术提高等。

三、最近研究成果

目前世界上已出现了一些能达到纳米量级的测量仪器,但在测量范围和实用性上尚不能完全满足实际要求。中国青旅实业发展有限公司所属标普纳米测控技术有限公司开发的两项科技成果在很大程度上弥补了这一领域存在的不足,对微/纳米测控技术和相关领域的发展起到了促进作用。这不仅表明我国微/纳米光电测控技术处于世界领先水平,而且对解决目前制约我国高新技术、传统制造业发展及新材料研制过程中的计量问题,推动世界精密计量仪器的升级换代也具有重要意义,同时标志着世界微/纳米测控技术向更精微迈进了重要一步。

“纳米测长仪”是一种通用长度传感器,它的研制成功表明长度通用量具已经提高到了纳米量级,并且从静态人工读数发展到数字化自动显示。其数显分辨率达到1纳米,测量重复性(标准偏差)为0.8-1.2nm,在未作误差修正的前提下,10mm测量范围内示值误差优于±0.06μm。与国际上同类仪器相比,它在分辨率、重复性、准确度和短时稳定性等主要技术指标上,都处于国际领先水平。它用途广泛,技术独特,生产成本远低于国外同类产品,推广应用前景广阔。

“量块快速检测仪”是一种新型的量块检测仪器,它成功的将纳米测长仪应用到量块检测上,将直接测量与比较测量结合起来,对名义尺寸10mm及10mm以下的量块实现了直接测量。该仪器测量分辨率达到1nm,直接测量范围10mm,比较测量范围110mm,与国外同类仪器相比,主要技术指标达到了国际先进水平。该仪器还可以与计算机连接通讯,实现数据自动处理,从而提高了量块检验速度,减轻了检测人员的劳动强度。由于其对环境温度不敏感,现有基层计量室不必提高温控要求即可推广使用。该仪器经济实用,适合基层计量室检测三等及三等以下量块。该科技成果在纳米光栅的制造与检测、纳米光栅的信号读取、光电信号的高质量处理和超精机构的加工改进等四方面均具有独创性,集光学、机械、电子、计算机多学科于一体,开发难度大。国内外多家科研单位曾致力于该种仪器的研究,但都没能取得突破性进展。

四、结论与建议

纳米光电测控技术的应用,将极大地促进我国新材料技术的研发,对于各种新型材料的加工、检测及生产高精度新型材料的机械设备的制造等都有着举足轻重的意义。同时,纳米光电测控技术解决了当代高新技术发展在测控方面面临的十分棘手的难题,具有划时代的意义。

参考文献:

[1]曾令儒.纳米技术[J].宇航计测技术,1999,19(5):43-45.