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令人惊异的纳米技术

作者:CONTROL ENGINEERING 高级编辑,Jeanine Katzel2007.01.22阅读 3099

  众所周知CONTROL ENGINEERING China版权所有,“纳米”是个极其微小的单位,但是通过人工操纵这种比分子还小的微观组成控制工程网版权所有,就能增强乃至改变物质的特性,从而戏剧性地衍生出大量新的原材料、方法和产品。

    今天,有关纳米技术的信息无处不在。如果在google上搜索“纳米技术”这个词,你将会发现百万多个相关链接。显而易见地,人们在这个领域投入了大量的关注目光,关于纳米技术的可行性和潜能正日益增强的宣传也被媒体的大肆渲染和科幻小说,比如Michael Crichton的小说Prey,炒得如火如荼、。但是,纳米技术到底是什么呢?更重要的是,它对于自动控制又意味着什么?
  纳米技术并不是个新事物。大英博物馆中有一件名为Lycurgus Cup(莱格拉斯酒杯)的艺术品,它是一个可追溯到四世纪的古罗马雕花玻璃酒杯。由于玻璃内含有金和银的纳米粒子(直径大约70nm),所以当它反射光线的时候,酒杯的颜色会随之改变。罗马人知道他们使用了纳米技术吗?大概不知道,但是这一事实已经成为了纳米材料影响世界几个世纪的最佳例证。

纳米技术
图:FEI公司的工具能够帮助纳米产品开发的人员进行纳米级观测和操作控制工程网版权所有
甚至以亚埃的精度绘制纳米粒子结构图

。这些工具有:(a)Titan 80-300kv扫描/透射电子显微镜(S/TEM) ;(b)用于半导体通孔(金属层与层之间的电导路径)的专用3D透射电子显微镜;
(c)用于趋磁细菌(水生微生物)的专用3D透射电子显微镜;(d)一张搭建在两个金晶之间110位置的纳米桥的高分辨率透射电子显微镜影像(拍摄者C. Kisielowski,NCEM,USA) ;和(e)一张用FEI双电子束(聚焦离子束/扫描电子显微镜)制作和即时拍摄的“通过链”扫描/透射电子显微镜(S/TEM)影像。

  “‘纳米’从物质诞生伊始就一直存在至今。”ARC顾问集团的制造业咨询服务机构副总裁Asish Ghosh说,“技术的更新使得我们能够重新认识、理解纳米技术,这才是纳米技术的“新”的由来。我相信控制工程网版权所有,大约十年以前IBM的扫描隧道显微镜的诞生,使得纳米技术真正开始走向前沿。”
  “利用这种装置,研究人员将硅原子摆成字母‘IBM’形状CONTROL ENGINEERING China版权所有,拍下照片向全世界展示,并宣称,‘这就是纳米技术,一种能够操控个体原子的技术。’随后的研究及其技术的公开,宣告了人类进入了纳米时代,具有了纳米级操控物质的能力。”Ghosh说道。
  不仅是小
  纳米技术通常被认为是研究100纳米以下的微观技术。Nano源自于希腊语中的“侏儒”,指10-9或者一米的十亿分之一。一埃是一纳米的1/10th,原子的直径通常为2到10纳米。而人类头发的直径大约是200,000纳米。
  “很多人常将纳米技术认为是一种使小型化的技术。”Ghosh说,“但其实这是一种误解。纳米并不仅仅意味着更小。纳米是将原子和分子以一定规则组合以达到某种目的。纳米技术是一种操作物质原子和分子的科学,或者说艺术。”
  操作分子的排列能改变物质的根本属性,从而产生出完全不同的效果。Ghosh举例说,“如果将碳原子以某一特定的顺序排列,它们将比原来更加坚固,这样就能制造出比传统球棍更轻更坚固的高尔夫球棍了。”
  Rockwell Automation也对纳米技术有相似的定义。Sujeet Chand博士,高级副总裁、高级技术员兼首席技术官和Ram Pai博士,高级技术实验室主管,共同定义纳米技术为操作、精密定位、度量、建模和创造100纳米以下尺度物质的技术。然而,Pai说:“我想再对这个定义进行一下修改,得加上‘至少在一维空间内’这个限定词。”如此也诞生了一个新的问题:在哪一维的空间内?打个比方说,碳纳米管既可以很长也可以很细,我们该选择哪一种特性呢?这是一个非常重要也值得细细考量的问题。
  “当你进入纳米的世界,”Pai补充说,“表面积/体积比会大幅增加。因此适用于通常微观或宏观世界的物质行为支配法则在纳米世界里是完全行不通的。”
  从实验室到加工厂
  纳米技术刚刚处于胚胎萌芽阶段,还未能广泛地商业化,但已有所发展,一些应用技术已开始逐渐走出实验室,迈开商业加工的脚步了。尖端科技咨询公司Roger Grace Associates的总裁Roger Grace称纳米技术为‘新前沿’。
  “就纳米技术而言我们还处于一个发现和进步的阶段。”Grace说,“我们今天看到的大部分纳米产品都包含有碳纳米管。碳纳米管是目前市场上纳米产品的基本组成元件。”罗克韦尔的Chand和Pai把纳米技术分为三个相对平行的发展方向:
  ■纳米-材料和涂层:“纳米材料目前主要使用在商业产品上,”Chand说,“例如网球、高尔夫球杆和衣服等。在工业领域,纳米材料已被使用在SUV的车侧踏板中来增加其强度。”纳米涂层同样也已经应用在一系列制造工业上,例如用于吸收机电辐射的电气外壳涂层。
  ■纳
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