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略论小尺寸,大世界
略论小尺寸,大世界
摘要:本文简单介绍了纳米科技以及纳米材料的小尺寸带来的特性,并把这些特性所给世人带来的新世界作了一系列描述和展望。
关键字:纳米科技 小尺寸 大世界
1、小尺寸大世界的由来
1959年12月,著名理论物理学家、诺贝尔奖获得者费曼作了“There‘s Plenty of Room at the Bottom” (《在底部还有很大空间》)的报告:“The principles of physics, as far as I can see, do not speak against the possibility of maneuvering things atom by atom.”(翻译为“我认为物理学原理并不排斥通过操纵一个个的原子来制造物质”。)“Put the atoms down where the chemist says, and so you make the substance.”(翻译为“将原子按照规律排布你将可以制造出新的物质”)他还设想了“如果有朝一日人们能把百科全书储存在一个针尖大小的空间并能移动原子,那么这将给科学带来什么?”这正是对纳米科技的预言—小尺寸大世界。
2、纳米科技简介
纳米(nanometer)是一个长度单位,简写为nm。1 nm=10(-9) m=10 埃。
那么纳米究竟是小到什么程度的概念呢?可以做一个简单的比较来体会:一纳米大约相当于一个头发丝的1/50000,可见其细微程度。从原子尺度来讲,氢原子的直径为1埃,所以1纳米等于10个氢原子一个一个排起来的长度。
纳米材料其实早已经被中国古代人所使用了。比如中国古代字画之所以历经千年而不褪色,是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。而中国古代铜镜之所以不容易锈蚀,原因也是因为表面的防锈层是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚的了解而已。这在纳米科技的发展过程中属于不自觉的阶段。
在近十几年中纳米科技从原来的不自觉使用,到自觉地使用和系统的地研究探索,使得纳米材料的研究领域迅速拓宽,内涵不断扩展。目前,普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm,且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。纳米材料的这些奇异性是由于其基本单元的小尺寸及其造成的特殊界面和表面的结构所造成的。
而对于纳米科技的定义一般是面向尺寸在1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题,发展纳米尺度的探测和操纵。纳米科技是由微米科技衍生而来的,它的生产和科研的对象是有更小的尺寸、更深的层次,这是用一种自上而下的(top to down)的方式深入,通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化,而纳米科技未来的目标是(bottom to up) :是指以原子分子为基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从而构筑成具有特定功能的产品,这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。
大体来说纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。以上这七个领域相对独立又相互渗透,其研究方向又包括纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三块。其中纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。 [1]
3、纳米材料特性:小尺寸带来的特性[2-4]
表面效应
纳米材料的表面效应通俗来说就是指其构成单元的小尺寸造成其整体表面积远大于普通材料的特性。我们可以通过计算来说明这个问题。我们假设把物质构成单元的模型简化为一个个互不交叠的小球,设小球半径为r,则小球的表面积为4πr^2,小球的体积为(4/3)πr^3。假设一块物质由小球构成,小球的堆积方式同为最密堆积,则对于这块物质来说不论小球的半径如何变化,只要物质对于小球来说是宏观的,总的小球所占体积和空隙所占体积的比例不变。设总的小球所占体积为V,则其表面积可表示为V/((4/3)πr^3)*4πr^2,化简后可得其总表面积为3V/r。可见当构成物质的小球半径越小,这块物质的总表面积越大。而纳米材料的表面积则非常大,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米。
这样的表面效应引起的是纳米材料的表面活性非常高,从而使得很多纳米材料能成为良好的催化剂和吸附物质的载体。比如以前用木炭作为防毒面具材料,而现在有了一种叫做纳米竹碳的东西,它是经过摄氏1,200度以上高温碳化,使得竹碳微细气孔数量为木炭的6倍多,这样竹碳的吸附力就变得超强,可以吸湿、吸臭、并且吸附化学毒物质,取木炭而代之了。
小尺寸效应
小尺寸效应其实说的是微粒半径缩小的量变最后导致微粒性质及物质宏观性质的质变。比如对晶体来说,微粒尺度小纳米的数量级时,晶体原本宏观的长程有
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