生活中最常见纳米技术(纳米技术举十个例子)

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纳米技术(nanotechnology),是大家非常熟悉的概念,也称毫微技术,是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。




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最终目标,是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品 。




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纳米,又称奈米,英文nanometer的译名,简写为nm,它是一种长度单位,相当于十亿分之一米,即1 000 000 000 纳米 = 1 米,约为分子或DNA的大小,或是人类头发丝直径的十万分之一




因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术


随处可见纳米产品 --- 大家最熟悉的应该是CPU的纳米工艺,微处理器行业早已经迈入纳米时代。




过去几十年,在摩尔定律的指导下,芯片中的晶体管数量大约每两年翻一番。晶体管的微缩技术革新,增加了晶体管的密度




每一代晶体管密度的增加,被称为“节点”。每个节点对应于晶体管的大小(以长度表示),允许晶体管密度相对于前一个节点增加一倍。


晶圆厂2019年开始最新5纳米节点的实验生产 --- 预计在2020年实现量产,之前领先的节点是7纳米和10纳米


较小的晶体管消耗更少的功率,随着晶体管密度的增加,单位芯片面积的功耗保持恒定。



一、纳米技术你了解多少?



纳米技术(nanotechnology),也称毫微技术,是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。


纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术


是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。


包含下列四个主要方面:


1、 纳米材料


当物质到纳米尺度以后,大约是在0.1-100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。


如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料



2、 纳米动力学


主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。


理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。


3、 纳米生物学和纳米药物学


如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,dna的精细结构等。


有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。


纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。


4、 纳米电子学


包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。



二、纳米技术三大活跃领域 ,你了解多少?


在资金和政策的共同促进下,中国现在已经是纳米技术领域的主要参与者,科学论文和专利的数量位列全球第一。


中国在纳米技术研究在锂电池开发、绿色印刷和纳米医学三个领域较为活跃



一用纳米技术开发研究锂电池


纳米技术致力于解决传统锂电池领域的哪些重大问题?









1. 体积变化导致活性颗粒和电极的开裂与破碎


新型的高容量电极材料经过多次循环之后,活性颗粒和电极材料会开裂和破碎,影响电学传导,并造成容量降低,最终导致电池失效,大大缩短了电池的使用寿命。




2. SEI膜(固体-电解质中间相)的稳定性


研究人员在锂金属和电解质之间构建一层纳米界面保护层,譬如相互连接的空心碳纳米球。这样,在充放电过程中,SEI膜就随着界面保护层的存在而稳定下来,而不会逐渐变厚。这种策略同时也解决了锂金属负极的枝晶问题。




3. 电子和离子传输


对于颗粒而言,由于传输距离更短,锂离子嵌入/脱嵌过程以及电子传输在纳米颗粒中比在微米颗粒中更快。


对于电极而言,电子和离子的快速传输对于电池的高质量负载量至关重要。主要采用以下三种策略:


· 在金属集流器上构建导电纳米活性材料,譬如自支撑的纳米线阵列,相互连接的中空碳纳米球等;


· 在纳米结构金属集流器表面沉积活性材料。


· 在3D导电网状结构中沉积活性材料。



4. 长距离的电极原子/分子运动


在可重复充电锂电池中,这些高容量电极材料的结构变化和相变使得活性原子/分子长距离扩散严重影响了电池性能。纳米技术解决方案主要还是以物理和化学方式的纳米限域为主。




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二纳米技术用于”绿色印刷“



1. 什么是绿色印刷?


纳米材料绿色制版技术,相当于用数码照相机代替胶卷照相机。传统的激光照排相当于“胶片照相机”,而绿色制版技术就像是“数码相机”。


“简单来说,纳米材料绿色制版原理就是在亲水的版材上打印出亲油的图文区,通过亲油和亲水的差异形成图文区和空白区的差别。制版的版材本身是亲水性质,这使它不沾染油性的油墨;而印刷品上的图文区,则打印上亲油的纳米材料。这样,印版上机印刷时,打印有亲油纳米材料的区域就得到图片和文字,而没有打印的区域还是空白一片。




2. 它与传统印刷相比有什么优势?


纳米科技给印刷技术带来新的突破,不但环保,还可以节约成本。和传统的印刷设备相比,可以节约30%左右的成本。据了解,该项技术的产业化正在稳步推进之中,目前山东等地的报社已经开始利用这项技术大规模印刷报纸。




3. “纳米材料+喷墨技术=绿色环保”


中科院绿色印刷重点实验室的发展目标就是打造一个绿色印刷制造中心,不断加强纳米材料和装备软件两个集成的研究,在墨点扩散与咖啡环的控制、打印线条尺寸形貌的控制以及图案转移水墨平衡的控制这3个印刷的关键技术控制方面实现新的突破,将纳米技术应用到印刷、电子、印染和建材四个领域。





三纳米技术用于医学领域



纳米技术在医学上的运用,给传统医学带来的将是革命性的变化。例如,纳米技术可以用来做微量标志物的检测,使疾病能获得早期诊断;研发的纳米材料可以对疾病进行靶向治疗,让医学诊断和治疗向更精准的方向前进。纳米技术的运用,还创造了许多传统医学不存在的治疗方案,如用DNA做免疫治疗等等。


纳米技术还将在药物研发方面带来革命性变化,例如我们用传统方法寻找抗肿瘤药物非常费时,而运用纳米技术可以一天同时筛选100万种药物,大大缩短了新药的研发周期。






三、纳米技术的潜在风险知多少?


化学元素在极小尺寸的形态下会有特殊的性质,因而它们可能会以意想不到的方式影响环境。


纳米颗粒也许能够以之前不能的方式入侵身体,影响大脑或其他组织器官


日常生活中一般形态下的化学元素不能打破血管、脑屏障,也没有人真正知道当它们以纳米颗粒等形式进入人体后会有什么影响。纳米颗粒的形态可能完全不同于常见的元素形态,这可能导致生命系统完全不知道如何应对它们,甚至直接对它们产生不良反应。





什么是纳米技术





纳米技术是研究和操作的颗粒尺寸在1~100纳米的范围内的科学及工程领域。1纳米相当于十亿分之一米,大约是头发丝的粗细的五万分之一。在这个尺寸范围的颗粒通常有不寻常的性能,所以人们期望这些性能可以在科学、工程、医学和计算机等领域带来巨大效益。





纳米颗粒的特性





据专家介绍,在纳米尺寸下的元素与通常被发现的较大尺寸的元素表现迥异。例如,石墨的性质是众所周知的,即在任何正常情况下石墨是不会被认为是危险的或活性的材料,它在毒理学指标中具有特殊的地位。Rice大学的诺贝尔获奖物理学家Richard Smalley发现的碳纳米管和富勒烯(碳的纳米颗粒),由于其碳原子的排列方式被归类为石墨的一种形式。然而,这些颗粒表现得很不同于石墨,它们可能对生命体产生危害,既具有毒性。





科学家们知道物质会随着它们的颗粒减小而变得更活泼,这是因为其表面积与体积比变得更大,即给定量物质的化学反应发生提供了一个更大的表面。一个很简单的例子是铁元素——铁钉当然不会燃烧,但等量的铁元素在极细的粉末形式下一旦暴露在空气即可自燃。同样,那些通常来说相当惰性的物质,当以纳米颗粒形式在人体内或在环境中可能发生意外的化学反应。




碳纳米管的毒性:无碳纳米管(上)和有碳纳米管(下)情况下的大肠杆菌对比照片




纳米粒子是如何影响生命系统的



对纳米技术危险性的任何评估都是十分复杂的,因为纳米粒子的大小和形状可能会影响其生物活性和毒性。相比于传统形式,纳米颗粒状态的物质与生命体的联系能力增强,因为它们往往可以穿透皮肤,通过肺进入血液,并穿过血管、脑屏障。一旦进入机体,可能发生进一步的生化反应,例如生成自由基损害细胞和DNA。另一个问题是,虽然生命体已有了对自然颗粒的防御(例如人体中抗体等),但纳米技术使得物质“面目全非”,生命体恐怕完全无法识别或对付它们了。





有时,相对于化学性质,光是颗粒的物理性质就可以以意想不到的方式造成危害。石棉就是一个例子。因为它在化学上是相当惰性的,最初被认为是无害的并且被广泛使用。但是,那时的人们万万没想到,当石棉被切断或破碎时产生微小的、漂浮在在空气中可以被吸入的纤维会堆积在肺部,由于其尺寸和形状及它们与肺细胞之间相互机械作用方式,最终导致癌症。





一个科学研究发现,一些种类的碳纳米管和石棉在维度上和形状上十分相似,且在动物身上的实验显示,动物暴露在含纳米管颗粒的环境中,身上会发炎和发生组织损伤。即使导致癌症的现象并没有被发现,但以石棉纤维导致癌症为例,这种关系可能需要几十年以后才会显现出来。在今天,每年有三千人死于由于长期处于含石棉纤维的环境中而导致的癌症。科学家现在提出这些有关于纳米技术的潜在危险的担忧就是希望能够避免未来发生相类似或者更加糟糕的境况。特别是考虑到现在市场对纳米颗粒的需求越来越大,比如说汽车的喷漆,网球拍,化妆品中都会有需要纳米颗粒作为原料。





对纳米颗粒毒理的研究





2004年3月,德州南卫理公会大学的环境毒理学家Eva Oberdörster的一个实验发现,暴露在百万分之0.5这种中等剂量(相比于同样环境中其他污染物的剂量)的富勒烯环境中48小时,鱼类就会产生严重的脑部伤害。在这些鱼类身上也发现了基因变异的迹象,这意味着鱼类整个生理系统都被影响了。在一个最近的实验中发现,富勒烯同样也会杀害海洋食物链中重要的一环——水蚤。





Eva Oberdörste说我们并不能就此下结论说富勒烯也会对人类脑部造成伤害,这还需要进行进一步的实验来证明。我们必须警惕环境中富勒烯的长期积累很可能成为一个潜在的危害,特别是如果进入了食物链的话。早些,在2002年的时候,由生物环境纳米科技中心(CBEN)实施的一些实验表明纳米颗粒会积累在实验动物的体内,还有一些其他的实验发现富勒烯能够穿透土壤被蚯蚓吸收,即有可能通过关系到人类的食物链到达并且积累在人类体中,对人类的身体健康产生危害。





此外,其他一些纳米颗粒对生命体也显示出负面影响。在2002年,加利福尼亚圣地亚哥分校的科学家研究发现叫做量子点的硒化镉纳米颗粒会造成人类的镉中毒。镉是以任何形式进入人体都会对人体造成重大伤害的金属元素,这种小尺寸的颗粒大大增加了镉金属意外进入人体的几率。2004年,英国科学家首次发现金纳米颗粒可以通过怀孕母亲的胎盘进入胎儿体内。还有早在1997年科学家,牛津大学的科学家就发现防晒霜中的纳米颗粒产生的自由基会损害DNA。





未来展望





纳米颗粒具有非常有趣和有用的性质,能为我们带来巨大的好处,但是对于它们可能带来的危害的研究还在进行阶段,而人类已经暴露于含有它们的环境里。


制造含有纳米颗粒的产品的工厂的工人首当其冲。美国职业安全与卫生研究所(NIOSH)报告说,多于两百万的美国人已经暴露于含高含量的纳米颗粒的生产环境中。他们相信这个数字在不远的将来会继续攀升到四百万。不少群体呼吁,在对纳米颗粒的危害进行详尽研究之前应该暂停生产含有纳米颗粒的产品。许多人担忧,巨大的经济效益诱惑和经济竞争压力导致市场上企业不顾工人身体健康生产的行为已经先于有关纳米颗粒对公众潜在危害研究之前。的确,纳米热了这么多年,为了对公众的健康负责、出于严谨的科学态度,我们是不是真的需要停下来先好好想一想?




毫无疑问,纳米技术能为人们的生活带来巨大的改变。我国纳米技术的布局较早,在纳米技术发展的开始阶段就同国际发展保持同步,经过了几十年的快速发展,直至今天依然有着巨大的潜力。纳米技术是二十一世纪科技发展的重点,这不仅是一次技术革命,还会是一次产业革命。



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