納米科學技術:納米科技(英文：Nanotechnology)是一門套用科 -百科知識中文網

納米科技

納米科技(英文：Nanotechnology)是一門套用科學，其目的在於研究於納米尺寸時，物質和設備的設計方法、組成、特性以及套用。納米科技是許多如生物、物理、化學等科學領域在技術上的次級分類，美國的國家納米科技啟動計畫(National Nanotechnology Initiative)將其定義為“1至100納米尺寸間的物體，其中能有重大套用的獨特現象的了解與操縱。”

納米科技是尖端科技，卻早就存在身旁。舉例來說，就是蓮花表面的出污泥而不染的特性。蓮花表面的細緻結構和粗糙度大小都在納米尺度的範圍內，所以不易吸附污泥灰塵。蓮花的出污泥而不染是自然天成，這比人類的任何清潔技術還高明。這種蓮花表面納米化結構，自我清潔的物理現象，就被稱作蓮花效應(lotus effect)。

納米科技是學習納米尺度下的現象以及物質的掌控，尤其是現存科技在納米時的延伸。納米科技的世界為原子、分子、高分子、量子點和高分子集合，並且被表面效應所掌控，如范德瓦耳斯力、氫鍵、電荷、離子鍵、共價鍵、疏水性、親水性和量子穿隧效應等，而慣性和湍流等巨觀效應則小得可以被忽略掉。舉個例子，當表面積對體積的比例劇烈地增大時，開起了如催化學等以表面為主的科學新的可能性。

微小性的持續探究以使得新的工具誕生，如原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等。結合如電子束微影之類的精確程式，這些設備將使我們可以精密地運作並生成納米結構。納米材質，不論是由上至下製成(將塊材縮至納米尺度，主要方法是從塊材開始通過切割、蝕刻、研磨等辦法得到儘可能小的形狀（比如超精度加工，難度在於得到的微小結構必須精確）。或由下至上製成(由一顆顆原子或分子來組成較大的結構，主要辦法有化學合成，自組裝(self assembly)和定點組裝(positional assembly)。難度在於巨觀上要達到高效穩定的質量，都不只是進一步的微小化而已。物體內電子的能量量子化也開始對材質的性質有影響，稱為量子尺度效應，描述物質內電子在尺度劇減後的物理性質。這一效應不是因為尺度由巨觀變成微觀而產生的，但它確實在納米尺度時占了很重要的地位。物質在納米尺度時，會和它們在巨觀時有很大的不同，例如：不透明的物質會變成透明的(銅)、惰性的物質變成可以當催化劑(鉑)、穩定的物質變得易燃(鋁)、固體在室溫下變成了液體(金)、絕緣體變成了導體(矽)。

納米科技的神奇來自於其在納米尺度下所擁有的量子和表面現象，並因此可能可以有許多重要的套用和製造許多有趣的材質。

納米技術的套用

科學領域

納米技術已成功用於許多領域，包括醫學、藥學、化學及生物檢測、製造業、光學以及國防等等。本詞條為納米技術套用的總綱，包括如下領域：

1、納米技術在新材料中的套用

2、納米技術在微電子、電力等領域中的套用

3、納米技術在製造業中的套用

4、納米技術在生物、醫藥學中的套用

5、納米技術在化學、環境監測中的套用

6、納米技術在能源、交通等領域的套用

7、納米技術在農業中的套用

8、納米技術在日常生活中的套用

日常生活

衣在紡織和化纖製品中添納米微粒，可以除味殺菌。化纖布挺括結實，但有煩人的靜電現象，加入少量金屬納米微粒就可消除靜電現象。

食利用納米材料，冰櫃可以抗菌。納米材料做的無菌餐具、無菌食品包裝用品已經面世。利用納米粉末，可以使廢水徹底變清水，完全達到飲用標準，納米食品色香味俱全，還有益健康。

住納米技術的運用，使牆面塗料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷磚表面塗上納米薄層，可以製成自潔玻璃和自潔瓷磚，根本不用擦洗。含有納米微粒的建築材料，還可以吸收對人體有害的紫外線。

行納米材料可以提高和改進交通工具的性能指標。納米陶瓷有望成為汽車、輪船、飛機等發動機部件的理想材料，能大大提高發動機效率、工作壽命和可靠性。納米球潤滑添加劑可以在機車發動機加入，起到節省燃油、修復磨損表面、增強機車動力、降低噪音、減少污染物排放、保護環境的作用。納米衛星可以隨時向駕駛人員提供交通信息，幫助其安全駕駛。

醫利用納米技術製成的微型藥物輸送器，可攜帶一定劑量的藥物，在體外電磁信號的引導下準確到達病灶部位，有效地起到治療作用，並減輕藥物的不良的反映。用納米製造成的微型機器人，其體積小於紅細胞，通過向病人血管中注射，能疏通腦血管的血栓。清除心臟動脈的脂肪和沉澱物，還可“嚼碎”泌尿系統的結石等。納米技術將是健康生活的好幫手。

具體套用簡介

納米抗血栓中藥

用親脂型二元納米協同界麵包復的中藥成分將使人類健康的頭號威脅——心腦血管疾病得到更加有效的治療，並將使中國文明的重要組成部分——中藥走向世界。因為這樣的納米中藥將具有普通中藥數百萬倍的物理活性（治療效果），可以暢通無阻地到達因脂肪堆積而造成的血管栓塞和組織病變部位，並因親和而與脂肪溶合，同時釋放出治療的有效成分，從而使藥物的靶向性提高數百萬倍。

納米孔膜

利用二元協同納米界面技術平台製備的納米孔膜，將徹底解決油漆、塗料的潮解脫落問題，並可方便地大規模生產帶有呼吸作用的納米防水塗料和帶有反滲析作用的納米超濾膜，這將給人類的日常生活，甚至給海水淡化技術帶來革命性變化，從根本上解決人類日益嚴重的缺水問題。

納米修復材料

利用納米技術還可以新原理和新結構在納米層次上構築特定性質的材料或自然界不存在的材料，製作生物材料和仿生材料，並能在材料破壞過程中進行納米級的損傷診斷和修復。例如，納米球是一種以多元合金為原料的納米級尺度的球狀原子團簇，能夠吸附在受損的摩擦表面，形成新的超高硬度、極低摩擦係數、抗磨損、耐腐蝕的保護膜，實現潤滑、修復和保護作用，實驗顯示其摩擦阻力僅為普通潤滑劑的1/3。同時，納米球潤滑劑在潤滑和修復的同時，提高了機械密封型，控制燃料和空氣比重，燃料燃燒更充分，增強發動機動力，減少不完全燃燒過程中產生的多種有害氣體污染，實現節能和減排的目的。納米材料在儀器、化妝品、醫藥、印刷、造紙、電子、通信、交通、建築及軍事等方面都得到越來越多的套用。

納米自潔表面處理和塗料

如果將透明、疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或瓷磚、玻璃上，大樓就不會被空氣中的油污弄髒，瓷磚和玻璃也因不會沾上水蒸氣而永遠透明。任何粘在表面上的物質，經陽光的照射，都會在納米塗料的催化作用下，變成可以蒸發的氣體或者容易被擦掉的物質，建築物不再總是髒乎乎的，家庭里的衛浴設備也不必每天清洗了。將這種納米顆粒放到織物纖維中去，做成的衣服不會沾上灰塵，省去不少洗衣服的麻煩。氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色鏡的變色速度較慢，用納米材料做成的變色鏡就不一樣了，變色速度很快，用它做士兵的防護雷射鏡是再好不過了。

新型納米光源和太陽能轉換器

用納米氧化物材料做成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩。半導體納米材料的最大用處是可以發出各種顏色的光，可以做成超小型雷射光源，它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能。這種技術一旦實現，太陽能汽車、太陽能住宅就會成為現實，到那時，人們居住的環境將更加美麗，空氣更加清新。

納米感測器

半導體納米材料做成的各種感測器可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化，這在汽車尾氣和大氣環境保護上已得到套用。納米感測系統能進行病症的早期診斷，利用納米材料還能製作耐用且人體友好的人工組織和器官、復明和復聰器件，提高病人的生活質量。

納米導向藥物和皮膚護理保健品

如果在人體外部加以導向，可利用納米藥物阻斷毛細血管來餓死癌細胞，藥物治療的效果會大大提高。納米顆粒還可以用於人體的細胞分離或細胞染色，也可以用來攜帶DNA進行基因缺陷治療。如果把納米藥物做成膏藥貼在患處，藥物可以通過皮膚直接被吸收，而無須針管注射，少去了注射的感染。把不容易被人體吸收的藥物或食品，如維生素等做成納米粉或納米粉的懸浮液，這種就極易被人體吸收。

納米技術套用前景十分廣闊，經濟效益十分巨大，美國權威機構預測，2010年納米技術市場估計達到14400億美元，納米技術未來的套用將遠遠超過計算機工業。納米複合、塑膠、橡膠和纖維的改性，納米功能塗層材料的設計和套用，將給傳統產生和產品注入新的高科技含量。專家指出，紡織、建材、化工、石油、汽車、軍事裝備、通訊設備等領域，將免不了一場因納米而引發的“材料革命”我國以納米材料和納米技術註冊的公司有近100個，建立了10多條納米材料和納米技術的生產線。納米布料、服裝已批量生產，象電腦工作裝、無靜電服、防紫外線服等納米服裝都已問世。加入納米技術的新型油漆，不僅耐洗刷性提高了十幾倍，而且無毒無害無異味。納米技術正在改善著、提高著人們的生活質量。

納米電子元器件

納米加工技術可以使不同材質的材料集成在一起，它具有晶片的功能，又可以探測到電磁波、光波（包括可見光、紅外線和紫外線等）信號，同時還能執行電腦的指令。如果將這一集成器件安裝在衛星上，可以使衛星的重量大大減小。當前人們已經在考慮用“小鳥”衛星部分地代替現有的衛星系統。如果在衛星上用納米集成器件，“小鳥”衛星將更小，更容易發射，成本也更低。

納米碳管的套用

各國科學家正在努力研究的碳納米管是一種非常獨特的材料。它是石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀“纖維”，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十個納米。

這樣的材料很輕，但是很結實。它的密度是鋼的1/6而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球到月球的電梯，人們到月球定居就很容易了。納米管的細尖極易發射電子，用於做電子槍，可以製成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視製造業新的方向。

納米材料超高物理活性套用

想像一下只包含幾百個或幾千個原子、分子的“納米顆粒”，按照一般的經驗，原子與原子之間的距離為0.2納米左右，由此可以估計出在尺寸為1納米的立方體“顆粒”中，每一邊上只能排列5個原子，總體可容納125個原子，但是其中有98個原子在表面上。我們知道，表面上的原子只受到來自內部一側的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發生反應，也就是說十分活潑。實驗發現，如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒、發生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用做新型火箭的固體燃料，也可用做烈性炸藥。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑，可加快化學反應過程，大大提高化工合成的出產率。

納米高強度材料

如果把金屬納米材料顆粒粉體製成塊狀金屬材料，它會變得十分結實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富於彈性。人們幻想在下一個世紀，總有一天會製造出如此神奇性質的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料製造汽車、飛機或輪船，會使它們的重量減少到1/10。到那時，一輛機車的重量會變成只有20～30千克。人們日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特點。硬是指它可以當做刀具用來切削金屬，脆是指它經不住衝擊。陶瓷的另一個長處是耐高溫，在10000℃的高溫下也不變形。用納米陶瓷粉製成的陶瓷已經表現出一定的塑性。這個問題一旦被徹底解決，會在汽車發動機上大顯身手，徹底甩掉發動機的冷卻系統，使發動機工作在更高的溫度下，汽車將跑得更快、飛機會飛得更高。

納米單電子元器件

把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內，或者在一根非常細的短金屬線內，線的寬度只有幾個納米，就會發生十分奇妙的事情。由於顆粒內的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續具有任意動量的電子狀態，變成只能具有某一動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接結果表現為，在金屬顆粒的兩端加上電壓，當電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原來在巨觀世界內奉為經典的歐姆定律在納米世界就不再成立了。還有一種奇怪的現象，當金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入金屬顆粒內，這就切斷了電流的連續性，這使人們聯想到是否可以發明用一個電子來控制的電子器件，所謂單電子器件。單電子器件的尺寸很小，一旦實現，把它們集成起來做成電腦晶片，電腦的容量和計算速度將提高上百萬倍。

納米雷射器和高密度信息存儲器

實際上，被囚禁的電子並不那么“老實”。按照量子力學的規律，有時它可以穿過“監獄”的“牆壁”逃逸出來，這種現象一方面預示著在新一代晶片中的邏輯單元將不用連線而相關聯，因而需要新的設計才能使單電子器件變成積體電路;另一方面也會使晶片的動作不可控制。歸根結底，在這一情況下電子應被看成是“波”而不是一個粒子。所以儘管電子器件已經在實驗室里得以實現，但是真要用在工業上還需要時間。被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻，是會使材料發出很強的光。“量子點列雷射器”或“級聯雷射器”的尺寸極小，但發光的強度很高，用很低的電壓就可以驅動它們發出藍光或綠光，用來讀寫光碟可使光碟的存儲密度提高好幾倍。如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存儲數據，製成量子磁碟，存儲度可提高成千上萬倍，會給信息存儲技術帶來一場革命。

納米機器人的研發

納米機器人根據分子水平的生物學原理為設計原型，設計製造可對納米空間進行操作的“功能分子器件”，也稱分子機器人；而納米機器人的研發已成為當今科技的前沿熱點。

目前，不少國家紛紛制定相關戰略或者計畫，投入巨資搶占納米機器人這種新科技的戰略高地。《機器人時代》月刊日前指出：納米機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是套用於醫療和軍事領域。

每一種新科技的出現，似乎都包涵著無限可能。用不了多久，個頭只有分子大小的神奇納米機器人將源源不斷地進入人類的日常生活。中國著名學者周海中教授在1990年發表的《論機器人》一文中就預言：到21世紀中葉，納米機器人將徹底改變人類的勞動和生活方式。

納米技術的註解