未來２０年納米技術(shù)的發(fā)展趨勢 - 新能源開發(fā) - 石油人 - Powered by Dis...

sroc 2010-10-25

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2009-7-14 08:05

當前和未來一段時間，納米技術(shù)的學科前沿及優(yōu)先領(lǐng)域主要集中在納米傳感器、納米電力、納米電子、納米材料、納米生物、納米制造和納機電系統(tǒng)技術(shù)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域的發(fā)展趨勢如下。
（１）納米傳感器技術(shù)
在實現(xiàn)傳感器技術(shù)的新性能上，納米技術(shù)有著獨一無二的作用。基于納米傳感器技術(shù)，人們可以在單分子水平上建造傳感裝置，基于納米技術(shù)的傳感和探測新方法將使得探測靈敏性（最小探測極限）和選擇性（探測特定化學制品或過程的能力）達到空前的水平，并且探測此前無法探測的過程和事件的能力也將得到提高。納米傳感器技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括功能金屬納米粒子、功能納米線和納米管、具有納米特性或經(jīng)過表面處理的宏觀材料以及納米結(jié)構(gòu)的機械系統(tǒng)等。目前美、歐、日在該領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位。預(yù)計未來２０年納米傳感器技術(shù)可望完成技術(shù)攻關(guān)并進入廣泛應(yīng)用階段，傳感器平臺的靈敏性和選擇性將得到進一步改善。
（２）納米電力技術(shù)
在過去幾十年里，電池性能的改進沒能與電子或數(shù)字技術(shù)同步。納米技術(shù)的進步將使得電池性能得以全面改進，還將使提供電池應(yīng)用的材料范圍得以擴大。納米電力技術(shù)的主要研究內(nèi)容包括納米合成物電極、納米結(jié)構(gòu)電池等。預(yù)計未來２０年，基于納米技術(shù)的電極設(shè)計和電池構(gòu)造、納米材料和結(jié)構(gòu)在太陽能電池中的應(yīng)用等方面將得到突破和發(fā)展，從而為電池性能、太陽能電池技術(shù)等產(chǎn)生重大影響，為解決微機電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）裝置和納機電系統(tǒng)（ＮＥＭＳ）裝置的供能瓶頸提供重要途徑。
（３）納米電子技術(shù)
納米電子技術(shù)將成為２１世紀信息時代的核心，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件，最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破。目前，利用納米電子技術(shù)已經(jīng)研制成功各種納米器件；單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世；具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子技術(shù)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。納米電子技術(shù)主要研究內(nèi)容包括碳納米管場效應(yīng)晶體管、一維半導體納米線場效應(yīng)晶體管、可在源與漏之間一次一個電子傳輸電流的單電子晶體管設(shè)計、共振隧道二極管等。目前美、日在納米電子技術(shù)領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先地位，預(yù)計未來２０年，納米電子可望進入轉(zhuǎn)化應(yīng)用階段?；诩{米電子技術(shù)制造出的智能化微機電導航系統(tǒng)，可以使制導、導航、推進、姿態(tài)控制、能源和控制等方面發(fā)生質(zhì)的變化，從而使微型導彈更趨小型化、遠程化、精確化。
（４）納米材料技術(shù)
納米材料作為納米科技發(fā)展的基礎(chǔ)與先導已成為當今納米科技中發(fā)展最迅速、最活躍的領(lǐng)域，納米材料與所制作出的組件可以展現(xiàn)以往物理上所預(yù)期但在制作上無法達成的特性。在軍用領(lǐng)域，輕質(zhì)、高性能納米結(jié)構(gòu)材料，納米隱身材料，納米電子材料和器件，生化戰(zhàn)場納米探測材料和凈化材料，以及納米材料在武器裝備上的應(yīng)用探索研究等將是重點開展研究的領(lǐng)域。納米材料在未來軍用信息技術(shù)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，將極大促進武器裝備的信息化發(fā)展，提高傳統(tǒng)軍用裝備材料的性能。目前納米材料技術(shù)主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料的研究，未來２０年納米材料研究工作將主要集中在兩個方面：一是深入開展結(jié)構(gòu)與性能的研究以及廣泛的基礎(chǔ)理論研究，從而不斷提高材料的性能和開發(fā)新型納米材料；二是進一步開展合成工藝研究，降低成本將是納米材料未來需要重點解決的問題。未來２０年，納米材料技術(shù)的總體發(fā)展趨勢表現(xiàn)為由隨機合成向可控合成過渡；由納米單元的制備發(fā)展到通過集成和組裝，制備具有納米結(jié)構(gòu)的宏觀實用材料和元器件；由性能的隨機探索向按照應(yīng)用的需要制備具有特殊性能的納米材料發(fā)展；軍用納米材料技術(shù)將由目前的基礎(chǔ)研究、基礎(chǔ)應(yīng)用研究階段向武器裝備應(yīng)用階段轉(zhuǎn)變，到時將產(chǎn)生大量應(yīng)用有軍用納米材料技術(shù)的新武器、新裝備出現(xiàn)。
（５）納米生物技術(shù)
納米生物技術(shù)的研究不僅有可能促進生物探測方法的改進，也將對生物學的其他方面產(chǎn)生影響，包括外科手術(shù)方法、生物兼容性、診斷、移植甚至修復(fù)等。納米科技同生物技術(shù)互相滲透形成納米生物學已經(jīng)成為納米科學技術(shù)工程應(yīng)用的熱點領(lǐng)域并取得了諸多進展，例如，美國康納爾大學的科學家利用ＡＴＰ酶作為分子馬達，研制出了一種可以進入人體細胞的納米機電設(shè)備－“納米直升機”。納米生物技術(shù)主要研究內(nèi)容包括描述生物過程的光譜工具、仿生人造納米結(jié)構(gòu)、生物分子的分揀和傳感以及受控藥物傳輸?shù)墓δ芗{米結(jié)構(gòu)、可控生物芯片技術(shù)等。目前世界上在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的國家包括美、日等，預(yù)計未來２０年納米生物技術(shù)可望進入轉(zhuǎn)化應(yīng)用階段。
（６）納米制造技術(shù)
微機械的發(fā)展途徑是“由大到小”，即借助大機器做出小機器，再用小機器做出更小的機器；而納米技術(shù)則將沿“由小到大”的方向發(fā)展。納米制造技術(shù)本質(zhì)上是指制造體積不超過數(shù)百個納米的物體，其寬度只有幾十個原子聚集在一起的寬度。納米制造技術(shù)通過“從小到大”的技術(shù)途徑，把原子和分子組裝起來，制造具有特定功能的產(chǎn)品，這種方法需要的材料少，對環(huán)境的污染也少，是人類制造技術(shù)所達到的又一個里程碑，在這一層次里，制造的概念將發(fā)生革命性的改變。目前，納米技術(shù)深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學、超分子化學相結(jié)合的技術(shù)，正在成為組裝與剪裁，實現(xiàn)分子手術(shù)的主要手段。在設(shè)計、制備各種納米器件和裝置方面，當前和未來的研究重點是量子電子器件的研究、分子制造和納米自組裝技術(shù)的基礎(chǔ)研究等。目前美國在該研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，預(yù)計納米制造領(lǐng)域在未來２０年可望進入廣泛應(yīng)用階段，將對制造業(yè)產(chǎn)生全方位的影響。
（７）納機電系統(tǒng)技術(shù)
納機電系統(tǒng)（ＮＥＭＳ）技術(shù)是２０世紀９０年代末、２１世紀初提出的一個新概念。ＮＥＭＳ是特征尺寸在１～１００ｎｍ、以機電結(jié)合為主要特征，基于納米級結(jié)構(gòu)新效應(yīng)的器件和系統(tǒng)。從機電這一特征來講，可以把ＮＥＭＳ技術(shù)看成是微機電系統(tǒng)（ＭＥＭＳ）技術(shù)的發(fā)展。但是，ＭＥＭＳ的特征尺寸一般在微米量級，其大多特性實際上還是基于宏觀尺度下的物理基礎(chǔ)，而ＮＥＭＳ的特征尺寸達到了納米數(shù)量級，一些新的效應(yīng)如尺度效應(yīng)、表面效應(yīng)等凸顯，解釋其機電耦合特性等需要應(yīng)用和發(fā)展微觀、介觀物理。因此，從本質(zhì)上說ＮＥＭＳ技術(shù)已經(jīng)是納米科技的一個重要組成部分和方向。未來２０年，納機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展將使傳感器和執(zhí)行器具有易于多功能化、集成化、可靠性高、壽命長等優(yōu)點，在軍事和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。