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納 米 材 料

 

  1984年,德國著名學者格萊特把6納米的金屬粉末壓制成納米塊,制出了世界上第一塊納米材料,開納米材料學之先河。1990年7月,在美國召開了第一屆國際納米科學技術學術會議,正式把納米材料作為材料科學的一個新分支。
  所謂納米材料,是指由納米顆粒構成的固體材料,其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米,在通常情況下不超過10納米。眾所周知,原子的半徑在10-10米這一量級,而1納米等于10-9米,因此在納米量級內物質顆粒的尺度已經很接近原子的大小。此時,"量子效應"開始影響到物質的性能和結構。由納米顆粒最后制成的材料與普通材料相比,在機械強度、磁、光、聲、熱等方面都有很大的不同,由此人們可制造出各種性能優良的特殊材料。

納米金屬與陶瓷
  納米鐵材料由6納米的鐵晶體壓制而成,較之普通鋼鐵強度提高12倍,硬度提高 2~3個數量級。利用納米鐵材料,可以制成高強度、高韌性的特殊鋼材。
  隨著納米顆粒尺寸的減少,納米材料的熔點會隨著降低。例如,金的熔點在一般情況下是1064℃,加工成10納米左右的粉末之后,熔點降至940℃,如果將其進一步加工至2納米左右,金在33℃就能夠被熔化。這種性質對于加工某些高熔點難成形的陶瓷,非常有用。只要將陶瓷加工成納米粉末,便只需用不高的溫度即可將其熔化并燒結成耐高溫的元件。這對研制新一代高速發動機來說是一大個福音,因為要提高發動機的效率需要提高燃氣的溫度,而這需要能承受超高溫的材料。
  納米材料中的另一大類是納米陶瓷。普通陶瓷具有高強度,但卻沒有足夠的韌性。而納米陶瓷則很好地解決了這一問題,在適當的條件下,納米陶瓷甚至能夠具有超塑性質。這大大拓寬了陶瓷的應用領域。

納米催化劑
  納米材料由眾多尺度很小的微粒構成的,因此其表面積大大增加,表面結構也發生很大的變化。因此,與表面狀態有關的吸附、催化以及擴散等物理化學性質,納米材料與宏觀材料有顯著的區別。納米材料的表面積大、表面活性強,在催化領域中前景良好。
  將納米微粒用做催化劑,是納米材料大顯身手的一個領域。如超細硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑;超細的鉑粉、碳化鎢粉是高效的氫化催化劑;超細銀粉可以為乙烯氧化的催化劑;用超細的Fe3O4微粒做催化劑可以在低溫(270~300℃) 下將CO2分解為碳和水;在火箭燃料中添加少量的鎳粉便能成倍地提高燃燒的效率。

納米碳管
  納米碳管是納米技術研究的一大熱點。這種管子直徑只有1.4納米,僅為計算機微處理器芯片上最細電路線寬的1%。5萬個這種碳管并排起來只有一根頭發絲那么粗,其質量是同體積綱的1/6,強度卻是鋼的100倍。納米碳管將成為未來高能纖維的首選材料,并廣泛用于制造超微導線、開關以及納米級電子線路。

量子元件
  制造量子元件,首先要開發量子箱。量子箱是直徑約10納米的微小構造,當把電子“關”在這樣的箱里,就會因量子效應使電子有異乎尋常的表現,利用這一現象便可制成量子元件。量子元件主要是通過控制電子波動的相位來進行工作,從而它能夠實現更高的響應速度和更低的電力消耗。另外,量子元件還可以使元件的體積大大縮小,使電路大為簡化,因此,量子元件的興起將導致一場電子技術的革命。人們期待著利用量子元件在21世紀初制造出16GB的DRAM,這樣的存儲器芯片足以存放10億個漢字的信息。
 

摘自《新科技啟蒙》

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