走进神奇的纳米世界

走进神奇的纳米世界

1、 蝴蝶的翅膀为什么会如此鲜艳？蚂蚁为什么能在天花板上倒着行走？

（着好奇心，科学家们把蝴蝶的翅膀和蚂蚁的脚放到显微镜下，让它们变大上亿倍成为纳米级。于是小朋友们看到，原来蝴蝶的翅膀里隐藏了数以千计的亮蓝色小鳞片，鳞片表面上还有一条条小小的突起物；　蚂蚁的脚上则长着十分微小的“脚趾”，正是借助这些“脚趾”才帮助它们平稳地黏在天花板上。）

2、大家都知道荷花“出淤泥而不染”这是为什么呢？（来，纳米技术的身影，荷叶表面有很多纳米级的突起，使水无法附着在上面。林蓓说，现在科学家们也在实验室里研制出了类似的表面材料，它被称为“自清洗”，“这个技术如果运用到生活中，碗和衣服都可以防水防油不沾脏东西，以后大家就不用洗碗洗衣服啦。”）

3、现在的心脑血管疾病是人类的第一大杀手，有８０％的人是死于心脑血管疾病的，就是现在正常死亡的人因病而死的人，应该有８０％是来自于和心脑血管疾病有关的疾病。主要的问题就是富营养之后，带来的血管壁上脂肪的沉积，和毛细血管的堵塞，当然大动脉也能够堵塞，那就是冠心病了。有什么办法能解决这个大题呢？

4、为什么蜜蜂和海龟不会迷路。

5、有候我们真的希望自己能够隐身，真的有隐身衣吗？它是用什么材料制成的呢？

让我们走进奇妙的纳米世界去圆自己的梦想吧。

纳米其实是一种长度单位，具体地说，一纳米等于十亿分之一米的长度，相当于4倍原子大小，万分之一头发粗细；形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。这就是纳米长度的概念。而纳米技术则是指在纳米尺寸范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质。简单说,纳米世界就是一个微观世界, 纳米技术是我们操纵微观世界要使用的技术。与微观世界和宏观世界不同，纳米世界是介于二者之间的一个新奇的世界，这不仅表现为它具有大于微观物质，远小于宏观物质的尺寸，而且表现于它具有独特的物理化学性质，从而开拓独特的应用领域。在纳米尺度下看世界，景观将会天翻地覆。纳米铁粉一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。石墨片容易分层，当石墨片被剥离到仅有一个碳原子的厚度成为石墨烯后，就具有了超出钢铁数十倍的强度。原本导电的铜加工到某个纳米尺度就不导电。而绝缘的二氧化硅等，在某个纳米尺度时开始导电。为什么会有这样的逆转?因为当球形颗粒的尺寸越来越小，它的表面积与体积的比就会越来越大，量变到一定程度就会引起颗粒性质的质变。纳米级的金子还是金灿灿的么?当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，就失去了反射原有富贵的光泽的能力而呈现出五颜六色。一些并不活泼的金属在纳米尺度时，会变得非常活泼，比如非常容易引起爆炸。打个并不非常准确的比方帮助理解，在金属颗粒较大时，金属原子簇拥在一起，活动受限，“伸个懒腰”也很困难，而当到纳米尺度的时候，原先被束缚的化学键就能伸展开“胳膊”，金属原子活泼的天性就被释放出来。

一、独特的物质层次和结构

从尺寸上看，纳米世界包括那些大小在1nm至100nm之间的物质，而且这些物质具有以下特征:第一，它们必须至少有一个维具有1nm到100nm的尺度；第二，它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理性质与化学性质;第三，它们能够组合起来形成更大的结构。从特征来看，一方面，纳米世界与物质的基本结构单元相邻接，但是又不属于微观层次，因为它有稳定的物理化学性质;另一方面，它也不属于宏观世界，因为它有较小的尺寸。正是在这个意义上，人们将纳米世界看做是微观世界与宏观世界之间的中观世界。由于纳米世界的物质具有稳定的物理化学性质，确定了最小的天然结构，从而成为物质微型化过程的最终极限。换句话说，在具有稳定的物理化学性质物质构造层次上，再没有比纳米世界更小的结构了。

二、特的物理化学性质

    当物质的可分性到达纳米尺度的物质世界时，物质的物理化学性质都会发生根本的改变，这种物质在纳米尺度下产生的奇异的物理、化学特性就被称为纳米效应。 (1)表面效应。它是指球型颗粒的比表面积与颗粒直径成反比。当物质的尺寸小于10nm时，其表面原子数会急剧增长，以至于1g纳米颗粒的表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。(2)小尺寸效应。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变，这种变化即为小尺寸效应。对纳米颗粒而言，尺寸变小，同时其表面积增加，一系列新奇的性质将会产生，主要表现为光学、热学、磁学性质发生根本的变化，而这些变化通常都有利于人们对物质的操作和控制。(3)界面效应。纳米材料通常有非常大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使材料具有新奇的界面效应。(4)量子效应。介于原子和大块材料之间的纳米的能带不是连续的而是分裂为分立的能级，能级间的距离随颗粒尺寸的减小而增大，当热能、电场能或磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。

三、米技术将来发展的几个阶段：

1．准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质；

2．生产纳米结构物质；

3．尽可能大量制造复杂的纳米结构物质；

4．造出纳米计算机；

5．研制出能够制造动力源和程序自律化的原件和装置．

四、米科技的科学意义

（1）纳米科技将促使人类认知的革命

首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域， 也是一片新的研究疆。

其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。

(2) 纳米科技将引发一场新的工业革命

纳米技术是80年代初迅速发展起来的前沿学科，它使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小.

五、纳米技术应用

    随着大科学时代的到来，任何一个新兴学科的发展最终都要能给人类社会的发展带来积极的作用，纳米化学也不例外。无论纳米化学如何发展，其最终目的都是研究和制备出有利于人类生存和发展的物质材料，这不仅是纳米化学的立足之本，也是纳米化学发展的动力。由于纳米颗粒具有特殊的量子尺寸效应和表面效应及其活泼的化学性质，使它有了比体相物质更广泛的使用价值。

1：新型材料的生产和制备

通过控制材料单元尺寸和成分，化学家可以制备出更轻、韧性更强、硬度更大、灵敏性更高、使用寿命更长的纳米材料。现在，已能制备和应用的纳米材料有纳米磁性材料、纳米陶瓷材料、纳米生物活性材料、纳米贮氢材料等。由于纳米材料在导电性方面的物质特点，科学家已经看到了它们在微电子领域中的巨大作用，纳米材料将再次给计算机硬件技术带来新的革命。纳米材料的量子尺寸效应表现出来的电学、磁学、光学性质在物理方面的应用更是令人欢欣鼓舞。例如在磁记录材料上的应用，可以大幅度提高存储信息的密度和速度，也可以制备出新一代的微电子元件。化学家和生物学家发现，在生物体系中加入纳米颗粒后能有效地提高仿生体系的寿命与功能，这种性质决定了纳米材料在生物计算机和人工智能方面大有作为。碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100部。轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。如果，用碳纳米管作出绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它作为地球--月球乘人的电梯。

    2：纳米材料对能源利用和环境保护带来无限益处

    在针对环境和能源的高科技中，纳米科技占有很重要的分量，它被广泛用于发展绿色能源、减少污染、恢复己破坏的环境以及废物处理等。如人们可以利用纳米催化材料降解水和空气中的污染物，这是其他技术难以做到的。利用纳米科技可以开发高效价廉的治理汽车恩气、工业废气的净化催化剂。将纳米颗粒填充到废旧材料和塑料中，能增强、增韧废旧塑料并可能使其使用性能超过原来新材料的水平，从而提高原料使用率，变废为宝。近年研制成功的纳米结构燃烧增强剂、助燃剂和净化剂，既可以提高燃烧效率，又可以节省能源。用纳米贮氢材料可以使氢气成为机动车燃料并减少空气污染、节约矿藏资源消耗。纳米阵列体系可以使太阳能转化为电能的效率大大提高。

    3：纳米材料最为重要的用途是可能带来新的医学革命

    进入新世纪，人类在医疗和药物方面面临着新的挑战，例如需要治疗严重危害人们身体的各种传染疾病和多发病，还要抑制细菌和病毒的继续滋生蔓延。当纳米技术与先进生物技术、传统的化学制药相结合时，高效缓释、耙向药物将会相继问世。纳米颗粒特有的电子取出和给予效应所表现出的特殊氧化一还原功能，在人的生命过程中能起到重要的作用。它潮影响自由基、酶等与人类的新陈代谢、长寿、美容的密切关系;量子尺寸的Al2O3，和TiO2对骨细胞的附着力能大大增加与活细胞的结合性能，成为矫形科和牙科手术的良好材料;税用颗粒的生物传感效应和特有的光学效应可制成生物传感器，可以对癌症和其他疾病进械;期检测和诊断，并可检测机体的生理和代谢情况。目前市场上出售的纳米金，对DNA的免疫传感器以及DNA芯片的制作都有广阔的前景，能促进细胞生物鞘和病理学的基础研究。利用纳米材料还可以研究智能医疗设备，降低手术等对人饿器官的直接和间接损坏，如“纳米钳”的使用。纳米技术为人们提供着各种各样的便利：可以制造出人造皮肤，可以制造成透气性极好的衣服且不沾水不沾油，更可以制造出有超塑性的陶瓷，使之具有极强的韧性，不怕摔，不怕碎，坚固无比，还能制造出微型武器、纳米卫星． 最近，美国加州大学圣地亚哥分校和圣巴巴拉分校以及麻省理工大学的科学家们联合开发出一种可在血管中自由游动的纳米虫，它能像导弹一样寻找并直击肿瘤细胞而不会短时间就被身体免疫系统驱逐出血液。

随着纳米技术的发展，许许多多的不可能已经变成了可能，许许多多的可能已经变成了现实．人们真正运用纳米技术已经不是梦想．我希望，将来纳米技术能给我们一个又一个的惊喜．一整个图书馆的信息，可能就被浓缩到一点点大如盒子般大小的芯片．未来的疫苗，可能就是我们平平常常的水果、蔬菜甚至就是最为平常不过的空气．未来的计算机，可能就只有一块小小的橡皮那么大．纳米，已经成了科技的代名词．

六、纳米科技的地位

人们公认影响21世纪的三大科技是：信息技术、生物技术和纳米技术。其中纳米技术又以其突出的交叉性和集成性，影响到信息技术和生物技术的发展，它们三者的交叉、综合将诞生集大成的纳米生物技术或纳米生物信息技术。

在人们极大地提高了获取和处理社会信息的能力之后，便会转向对生命信息的探索。图7中交叉领域即纳米电子学、纳米生物技术等将是今后影响人类社会的制高点，因为它们关系到国家安全、公共卫生和人类的健康和长寿。

七、纳米技术可能带来的危害：

纳米技术生产的产品由于构成微粒的尺寸太小，也可能直接对人体产生威胁。一般的物品拿在手上，由于构成的微粒大小是微米或以上量级的尺寸，不会渗透到人的皮肤细胞内，以致进入血液。但是纳米技术生产的产品，由于构成微粒在纳米量级，完全有可能通过皮肤接触进入人体。如果这种物质有毒的话，人体与之接触将是十分危险的，所以，生产和处理这种纳米产品，其生产厂房、放置措施都将有极其严格的规定。

纳米给我们更加舒适的生活空间，纳米”不是普通的“米”，如今用纳米级的材料所做成的各类物品已经走进我们的家庭，我相信，在不久的将来，随着纳米技术的发展，许许多多的不可能已经变成了可能，许许多多的可能已经变成了现实．只有我们想不到，没有我们做不到。人们真正运用纳米技术已经不是梦想．我希望，将来纳米技术能给我们一个又一个的惊喜．我们将迎来一个新的纳米时代。

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