纳米技术的神奇世界

一目了然 纳米技术定义 实际应用 标准的讨论 商业化的问题 栏: 实用纳米:能量收集 实用纳米:半导体、微显示器 实用纳米:基于碳纳米管的环氧树脂

关于纳米技术的大量信息令人难以置信。如果你在谷歌上搜索这个主题，你会发现超过一百万个条目。人们对这一领域的兴趣是毋庸置疑的，在媒体炒作和迈克尔·克莱顿(Michael Crichton)的小说等科幻小说的推动下，人们对这一领域的可能性和潜力的讨论与日俱增猎物．但纳米技术究竟是什么?更重要的是，这对自动化和控制意味着什么?

纳米技术并不新鲜。大英博物馆有一件艺术品叫做莱库尔格斯杯，这是一种罗马玻璃笼杯，可以追溯到4世纪。由于杯子中含有金和银的纳米颗粒(每个晶体约70纳米)，它会在反射光线时改变颜色。罗马人知道他们在使用纳米技术吗?也许不是，但纳米材料已经影响世界几个世纪了。

ARC advisory Group负责制造咨询服务的副总裁高希(Asish Ghosh)说，Nano从一开始就存在了。“新技术的发展是一种新的理解，一种由于技术进步而成为可能的新的可视化。我相信，推动纳米技术走向前沿的是大约10年前IBM的扫描隧道显微镜的发展。

“研究人员用这个设备移动硅原子，形成字母‘IBM’，拍下照片，然后向全世界展示，说:这就是纳米技术:操纵单个原子。”This development and subsequent publicity led to an awakening in the ability to make things happen at the nanoscale,’ Ghosh says.

不仅仅是小

纳米技术通常被定义为100纳米以下的任何东西。纳米-来自希腊单词“侏儒”，意思是10-9，或一米的十亿分之一。1埃是1纳米的十分之一。原子一般是2到10纳米。人类头发的直径约为20万纳米。

高希说:“很多人混淆了纳米技术和微型化。“这不一样。Nano不仅仅意味着更小。它是把原子和分子以有序的方式放在一起做某事。纳米技术是在原子或分子尺度上操纵物质的艺术和科学。”

操纵分子赋予它们不同的性质。结果，他们的行为或表现就不一样了。例如，高希说，“如果你以某种顺序排列碳原子，它们会比常规原子强得多。有了它们，你就能制造出比传统高尔夫球杆更结实或更轻的高尔夫球杆。”

罗克韦尔自动化对该术语的定义类似。高级副总裁、先进技术和首席技术官Sujeet Chand博士和先进技术实验室主任Ram Pai博士将纳米技术定义为操作、精确放置、测量、建模和创造亚百纳米级物质。不过，帕伊说，“我会修改这个定义，至少增加一个维度。”问题是:在哪个维度?例如，碳纳米管可以很长也可以很窄。这一特点很重要，必须加以考虑。

“当你降到纳米级，”Pai补充道，“表面积与体积比会大幅增加。因此，纳米尺度下控制物质行为的物理定律与微观或宏观尺度下的物理定律明显不同。”

从实验室到工厂

纳米技术是一个萌芽阶段的领域。它还没有广泛商业化，但正在取得进展，已经可以从实验室到晶圆厂找到应用。高科技咨询公司Roger Grace Associates总裁格雷斯(Roger Grace)把纳米技术称为“一个新领域”。

“我们正处于纳米技术的发现和发展过程中，”格蕾丝说。“我们今天看到的大多数纳米产品都涉及碳纳米管。它们是目前销售的许多纳米产品的基石。”

罗克韦尔的昌德和派认为纳米概念将在三个平行阶段迅速发展:

• 纳米材料和涂料。昌德说:“我们看到纳米材料目前主要用于商业领域，比如网球、高尔夫球杆和服装。”在工业方面，我们看到它们被用于suv的跑板，以增强它们的强度。”纳米-coatings are also found in a variety of manufacturing applications, such as coating electrical enclosures to absorb electromechanical radiation.

• 纳米传感器。纳米传感器在工业自动化方面有很大的潜力。好处包括更高的准确度和精度。预计它们将能够检测出少量的毒品、有害物质、有害气体等。一些公司正在研究检测癌症的传感器，以及在人类面临危险之前对空气中有害颗粒做出反应的传感器。许多纳米器件已经投入市场。(见“2006传感器博览会:纳米技术传感器在产品中的展示”控制工程在线新闻，www.globalelove.com/article/CA6337950.html)。

• 电子学。据报道，纳米技术有可能将处理器速度提高一倍。昌德说:“迈向纳米级，不仅会让我们拥有更小的封装，还会带来更高的性能。”它将帮助我们在更低的水平上嵌入电子设备。”

纳米级及以下的操作工具正在同时开发。这些设备让工程师和科学家看到结构、排列和界面，这些决定了可能与纳米产品的创造相关的特性。FEI公司的电子显微镜、聚焦离子束系统和混合设备是帮助纳米技术和纳米技术产品的研究人员和生产者在纳米尺度上观察和操作的工具。

FEI公司全球营销副总裁马特·哈里斯(Matt Harris)用一些例子来阐述。半导体行业多年来一直在使用纳米技术工具进行实时过程控制和过程诊断。它让他们做核心研究，然后把研究发展成成熟的工艺技术。透射电子显微镜能够对材料、材料特性和结构进行核心研究，以帮助确定适合其工艺的材料、涂层和材料分层。它们是否具有特定类型硅的正确晶体结构?在一定的工艺条件下，氧化硅层是否足够厚?

“生产线上基于纳米的在线设备进行质量控制。晶圆通过一个测量特定层厚度的系统运行。如果在公差范围内，晶圆通过。如果不是，则反馈到上游，使生产参数和产品恢复正常。”

在制药和化学工业中也存在潜在的应用。哈里斯说，纳米颗粒正在被研究以更有效地给药，并被用于开发创建产品的流程和QC机制，以确保产品在给定应用中对给定药物的耐受范围内。他补充说，在化学工业中，研究人员正在寻找能够更有效地催化反应并使过程更高效的粒子。

一条漫长而曲折的路

尽管有这些积极因素，仍有一些因素阻碍着纳米技术的推广。国际FEI的哈里斯认为，缺乏标准是一个主要原因。他说，在缺乏标准的情况下，行业很难开展贸易、实施有效的质量控制方法或进行良好的风险评估。纳米粒子已经应用于燃料添加剂、油漆、化妆品、轮胎、高尔夫球、棒球棒等领域。纳米技术产品是否存在风险?”

当然有。ARC的高希说:“假设你制造了一种纳米银或纳米碳，它们的性质与普通的传统碳或银完全不同。它会对人的皮肤产生什么影响?如果有人误食了会发生什么?我们不知道这将如何影响他们。制定标准的工作正在进行中，但目前仍是一个相当模糊的话题。

Frost & Sullivan的技术洞察分析师拉胡尔·纳亚尔(Rahul Nayar)也认为有必要制定标准。他指出:“没有人真正知道纳米粒子能做什么。”“碳纳米管已经被证明，在一定条件下，会导致大鼠肺部病变。在其他情况下，已发现毒性。”This industry needs some regulation, he says, but at the same time cautions that too many regulations could choke off progress. ‘A balance between safeguards and advancement needs to be maintained,’ he warns.

国际FEI的哈里斯说，行业和政府需要合作来做出这些决定。他看到事实上的标准在此期间产生。“碳纳米管是纳米技术最早的应用之一，目前正被应用于各种生产应用，从半导体到油漆和涂料。他说，随着正式标准的制定，碳纳米管生产商将为这些产品制定标准。

纳米技术发展的另一个障碍是缺乏低成本、大批量复制的工具。罗杰·格雷斯说:“我们需要在纳米制造技术上进行投资和努力，为制造设备或产品创造可重复的、低成本的组件。”“我们需要将纳米世界、微观世界和宏观世界连接起来，这样才能提供一些实用的东西。”

换句话说，纳米技术需要商业化。格蕾丝说，纳米技术无可否认有很大的吸引力，但它必须是实用的。真正的挑战在于制造。为了创造可行的、具有成本效益的解决方案，我们需要能够操纵纳米颗粒和纳米材料进行高通量制造。如果解决方案过于昂贵和/或难以与外部世界连接，它们将无法实现。”

请继续关注

纳米技术的未来会是什么样子?FEI的哈里斯用最近的市场数据来回答这个问题。他说，一项特定技术持续增长的关键条件是私人投资的增长。公共投资可以让事情开始，但私人增长才能让事情继续下去。在纳米技术领域，私人投资现已超过公共投资，预计这一趋势将继续下去。这是其长期生存能力的一个指标。

罗克韦尔的派和昌德为这些说法补充了数字。他们说，目前的数据显示，每年大约有50亿美元投入到全球纳米研究中。预计2006年这一水平将达到60亿美元。

Frost & Sullivan公司的纳亚尔说，纳米技术是如此基础，任何行业都不会受到它的影响。“它的主要好处将是性能的显著提升和成本的显著降低。”在短期内，纳米技术将改善现有的应用，但在未来，它将导致新的产品和发展。”

哈里斯说，纳米技术可以使物体轻10%，效率提高5%，或亮度提高15%。罗杰·格雷斯补充说，当你把东西变得更便宜、更轻、更可靠时，“每个人都是赢家。”

在线额外

纳米资源:众多资源中的少数
与纳米技术主题相关的在线资源的数量和范围实际上是无限的。这里有15个有趣的例子。

1. ActionBioscience.org关于纳米技术的文章;

2. 国家职业安全与健康研究所(NIOSH)的纳米技术；

3. 负责任纳米技术中心;

4. 《环境防御》的纳米技术背景材料;

5. 纳米技术来自美国食品和药物管理局;

6. 远见纳米技术研究所

7. 纳米技术如何发挥作用；

8. ASME纳米技术研究所;

9. 纳米技术研究所;

10. CNTech:威斯康辛大学麦迪逊纳米技术中心;

11. Nanotechnology.com;

12. 现在纳米技术；

13. 纳米技术新闻、产品和信息;

14. 国家标准与技术研究所的纳米技术;和

15. 纳米科学技术研究所．

实用纳米:能量收集

用纳米级颗粒配制的专用润滑剂将磁铁和非磁铁表面之间的摩擦降低到可以忽略不计的水平，比两个聚四氟乙烯表面之间的摩擦低50倍。这项技术由罗克韦尔科学公司(RSC)的纳米技术研发部门开发，目前正被用于从人体运动、海浪和许多其他来源的随机运动中获取电能。

电能是利用法拉第原理产生的，与“震动充电”手电筒的原理相同。晃动手电筒会使磁铁在线圈上移动，从而产生电流给电容器充电。纳米技术的发展使磁体可以在几乎无摩擦的表面上移动，允许磁体在线圈上来回反弹多次，并通过振动能量产生更多的电能。

RSC已将该技术用于生产手持设备的电源充电器。根据美国国防部高级研究计划局(DARPA)的一个项目，RSC目前正在开发一种波浪能量收集装置(如图所示)，该装置将安装在海洋数据监测浮标上，以取代寿命有限的电池组。

实用纳米:半导体、微显示器

Kopin公司的新一代GAIN-HBT (GaAsInN HBT)晶圆是一种基于纳米技术的产品，用于批量生产数千万个手机功率放大器。晶体管通过关键参数提高功率放大器性能，以降低工作电压，提高射频性能，并改善温度稳定性。

该产品采用纳米工程基础层，允许功率放大器在更大的温度范围内保持性能，并有可能实现更高的功率效率。晶体管基层的带隙工程除了镓(Ga)和砷(As)之外，还加入了逐渐变化数量的铟(In)和氮(N)。铟和氮的加入降低了低电压操作的带隙能量，逐渐变化的成分创造了一个内部电场，以实现更高的速度。通过精确控制50纳米厚层内四种元素的组成，实现了性能的提高。

实用纳米:基于碳纳米管的环氧树脂

碳纳米管(CNTs)，有时也被称为巴克管，是一种圆柱形碳分子，其特性使其在各种纳米技术材料和应用中具有潜在的用途。它们的特性包括超强的强度和电特性，使它们成为高效的热导体。它们是当今最常用的纳米技术材料之一。

在碳纳米管产品中，Zyvex Corp.的环氧树脂浓缩物系列将几种行业标准的环氧树脂与多壁或单壁纳米管或碳纳米纤维混合，以提高电导率和导热率，并提高机械强度。

Zyvex的专利Kentera技术(一种碳纳米材料的非共价改性)在与纳米材料结合时，可以剥离、分散并粘附在宿主材料上，从而将改进的性能融入宿主聚合物中。复合材料制造商可以从一系列配方选项(产品中碳纳米管的数量)中进行选择，以满足材料设计和价格参数。这张场发射表面SEM(扫描电子显微镜)图像显示了采用Kentera技术加载的2.5 wt%聚氨酯薄膜复合材料。CNTs以白色纤维的形式保留在基体中。

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