什么是纳米技术？

纳米技术是指测量、模拟、操作和生产尺寸小于 100 纳米的材料。

• 什么是纳米技术？
• 纳米技术的好处
• 纳米技术的发展
• 纳米应用技术有哪些？
• 纳米技术的应用行业

什么是纳米技术？

纳米技术是研究材料的性质和结构的技术，其尺寸至少有一个维度在 1 到 100 纳米范围内。

与半导体、光电子和生物技术等应用中使用的特定技术不同，纳米技术是指统一这些技术的应用领域。纳米技术的出现，在各个领域带来了突破常规技术局限的突破。与处于较大质量状态时相比，纳米尺寸的物质将表现出完全不同的物理、化学或生物特性。因此，可以在纳米尺度上生产具有新功能或新物理性质的小物质。有了这项技术，新的组件、仪器或系统就可以使用纳米尺寸的材料来设计。

纳米技术的好处：

纳米技术的使用可以突破某些技术限制。例如，利用纳米技术生产无电阻的量子线，可以降低高密度、大容量电子元器件的发热和能耗。或者，通过故意将特定杂质混合到合金中，可以在复合材料中产生纳米晶体缺陷，从而大大提高纳米薄膜的强度、塑性或耐腐蚀性。

利用纳米科学，已经开发和制造了许多纳米产品：金颗粒的纳米化可以生产具有高催化能力的纳米金催化剂。金是一种可以在纳米尺寸下使用的材料。纳米金颗粒染料可以生产出具有不同特性和颜色的染料。纳米防晒剂可以提高防晒材料的紫外线阻隔效率。观察纳米颗粒和液体之间表面张力的变化导致了防水和防污涂料的开发。利用不同分子力的芯片制造技术被用于开发可以快速检测疾病的生物芯片。

纳米技术的突破帮助创造了为生活带来更多便利的纳米产品。利用纳米技术生产的纳米材料具有重量轻、体积小、能耗低等诸多优点。他们使用更少的材料来实现更好的物理、化学和功能特性。它们减少了环境破坏并提高了可持续性。

纳米技术的发展：

从技术开发到产业应用，纳米技术已成为国际市场的主流。20世纪70年代以来，欧美、日本等研究技术先进国家的科学家纷纷投入纳米技术研究。随着纳米技术的飞速发展，20世纪90年代末，美国政府宣布产、官、学研究单位整合，全力投入纳米技术的研发。德国于1998年成立了纳米技术能力中心，专注于纳米技术的发展。日本于1991年开始投入纳米技术研究，韩国也于2001年开始投入纳米技术研发、设施建设和纳米技术领域的人才培养。

2010年后，投资纳米技术的各国开始转变和调整发展方式。他们在早期发展纳米技术的基础上，逐步将这项技术转化并应用到国防、医学、航空航天等领域的新应用领域。纳米技术发展的投资也越来越专业化和精细化。

纳米应用技术有哪些？

• 纳米晶材料：
  当物质的微观结构微型化时，表面原子与内部物质原子的比例显着增加。界面处的原子行为对物质的性质具有决定性的影响。例如，纳米金属结晶颗粒表现出比较大颗粒更好的强度、硬度、磁性和表面催化性能。具有纳米晶体的陶瓷材料比普通陶瓷材料具有更高的延展性，更不易出现脆性特性。
  由于纳米晶金属强度的增加，在汽车、航空航天和建筑行业的结构材料中具有相当大的应用机会。新型纳米晶钢经常用于汽车产品。纳米晶材料薄膜可以增加表面硬度、减少摩擦、提高耐热性和耐化学性等，可用于汽车、航空航天等行业的机械系统。在生物医学上，纳米晶银具有抗菌作用，而纳米晶钛可用于人工关节。
• 纳米粉：
  纳米粉是纳米材料中种类最多、应用最广泛的一类。纳米粉体制造工艺有固相机械研磨、液相沉淀、溶胶-凝胶、化学气相沉积等。
• 纳米多孔材料：
  此类材料是指孔径小于100纳米的多孔材料。它们以生物膜和沸石的形式存在于自然界中，其表面积高达102 m2/g，具有很高的催化和吸附性能。纳米多孔材料可采用溶胶-凝胶法、光刻法、离子束法等方法制备。纳米多孔膜可以涂有纳米管结构。
  纳米多孔材料可用于开发用于石化行业应用的改进催化剂。由于其孔隙结构，纳米多孔材料在膜过滤、纯化/分离、药物递送、植入装置、基因测序和医学检测等方面具有相当大的应用潜力。纳米多孔薄膜可作为低介电材料应用于半导体行业。纳米多孔硅具有特殊的发光性能，可用作固体激光器的材料。纳米多孔碳具有高电容特性，可用于笔记本电脑、手机甚至电动汽车等电池的开发。
• 纳米纤维和纳米线：
  纳米纤维是指相对较短的纤维，包括碳原纤维、人造聚合物纤维和氧化铝纤维。静电纺丝是一种制造人造聚合物纳米纤维的方法，它可以与纳米粒子或纳米管结合。电子工程中使用的纳米电缆一般由金属或半导体（如硅、锗）等无机材料制成，但也可以由有机聚合物制成。当使用纳米电缆构建复杂的电路系统时，挑战在于保持电缆之间的适当连接。
  纳米纤维可用于增强复合材料和表面涂层。电纺纳米纤维具有更高的强度和更高的表面积，因此适合用作催化应用中纳米粉末的反应床。纳米纤维可以制成具有耐化学性和耐水性、透气性和防污性等特殊性能的织物。纳米纤维可用作医学组织工程的过滤材料和支架材料。它们在药物输送介质、传感器和纳米电机等领域也具有应用潜力。由于其柔性光伏特性和高表面积，它们已被用于开发可穿戴太阳能电池专用薄膜。
• 碳纳米管（CNT）：
  碳纳米管是通过卷曲石墨平面形成的管状材料。有两种类型的碳纳米管结构：单层和多层。碳纳米管制造方法包括电弧放电、激光蒸发/剥离、化学气相沉积、气相生长、电解和火焰产生。碳纳米管具有许多特殊性能，例如高拉伸强度（~100Gpa）、优异的导热性和室温超导性。其导电性随压接方式的不同而不同。它可用于纳米线或纳米半导体。

纳米技术的应用行业：

全球对纳米技术发展的关注点，已从过去以电子电路为中心，逐步向环境、能源、医药、生物技术等行业发展。

1. 环保行业：
   由于工业过程或人类活动产生的各种污染物造成严重的环境污染，威胁地球物种的生存，需要有效的净化方案来解决。因此，各国政府和单位纷纷开发纳米技术应用，如用于空气净化的纳米二氧化钛混凝土、用于净水的碳纳米管网、陶瓷纳米纤维材料、离心纺丝净化水的纳米技术等。中空纤维膜、用于地下水污染治理的纳米铁粒子、用于大气污染检测的纳米传感器、用于水或溶剂过滤的碳纳米膜、生活污水处理纳米膜等，都在用纳米技术推进。
2. 能源行业：
   能源行业纳米技术的发展主要集中在储能方面，包括高性能锂离子电池纳米硅基负极、电动汽车3D电极、石墨烯超级电容器、生物氧化锌电极的开发-电池、金属纳米粒子传感器、石墨烯聚合物电池等氢气检测产品。
3. 生物技术与医疗：
   纳米技术在医疗诊断和治疗领域发展迅速。生物技术的发展包括用于治疗癌症肿瘤的纳米金和纳米粒子的激光加热、抗菌和抗过敏纺织品，以及用于细胞培养和植物的纳米肽凝胶。
   生物医学诊断领域旨在检测、识别和量化人体体液中可帮助早期发现疾病的纳米可识别成分。例如，已经开发出检测人体汗液中毒素的传感器。
4. 电子半导体：
   电子半导体行业是最早关注纳米技术发展的行业之一。半导体材料中纳米电路的不断小型化是世界知名半导体厂商追求的方向。电子应用的发展包括硅纳米薄膜、用于半导体制造的光学元件、用于光学成像的石墨烯激光器、自组装纳米粒子、微电子元件和微芯片、无线设备和可穿戴设备等。
5. 纺织行业：
   纺织行业的纳米技术包括纳米环保纺织工艺技术、高分子喷涂防污纳米技术、二氧化硅纺织防水涂层技术、纺织氧化石墨烯储能技术等。

“传感器”、“薄膜”、“电子元件”和“纺织品”是目前纳米技术的主要应用领域。

纳米技术将成为能源问题的解决方案：

• 应用于水、能源和环境的纳米技术进入大规模生产：纳米技术未来的挑战是如何生产价格合理的纳米材料。由于制造过程缓慢或复杂，这些独特的纳米材料通常非常昂贵。无论是在实验室原型阶段还是量产阶段，如何将功能和性能得到改善的纳米材料集成在一起，将是未来纳米技术应用普及的最大挑战。
• 碳纳米材料商业化后应用快速扩展：未来几年，碳纳米管的制造技术将取得重大进展，尤其是在纯度和结构控制方面，并且由于大规模实现规模经济，成本将降低生产。这些材料普遍用于汽车、航空航天、体育用品等领域，但应用数量正在迅速扩大。
• 绿色能源领域的纳米技术专注于不断提高能量转换效率：纳米材料和纳米结构表面越来越多地用于高度先进的能量存储和转换系统。纳米材料有助于生产和使用更节能的产品。纳米反应技术减少和控制固-固反应。热力学可以极大地提高电池、超级电容器和储氢材料的储能性能。未来，纳米技术将继续提高光电、电化学能源和储能的效率。
• 纳米技术很可能成为解决人类当前面临的能源、资源和环境问题的重要钥匙。用于检测环境问题的传感器、用于解决水污染问题的分离膜、用于能量转换问题的“纳米材料”等纳米产品，未来都可能改变现有产业的面貌和格局。