未来２０年纳米技术的发展趋势 - 新能源开发 - 石油人 - Powered by Dis...

2009-7-14 08:05  当前和未来一段时间，纳米技术的学科前沿及优先领域主要集中在纳米传感器、纳米电力、纳米电子、纳米材料、纳米生物、纳米制造和纳机电系统技术等领域，这些领域的发展趋势如下。 （１）        纳米传感器技术 在实现传感器技术的新性能上，纳米技术有着独一无二的作用。基于纳米传感器技术，人们可以在单分子水平上建造传感装置，基于纳米技术的传感和探测新方法将使得探测灵敏性（最小探测极限）和选择性（探测特定化学制品或过程的能力）达到空前的水平，并且探测此前无法探测的过程和事件的能力也将得到提高。纳米传感器技术的主要研究内容包括功能金属纳米粒子、功能纳米线和纳米管、具有纳米特性或经过表面处理的宏观材料以及纳米结构的机械系统等。目前美、欧、日在该领域处于国际领先地位。预计未来２０年纳米传感器技术可望完成技术攻关并进入广泛应用阶段，传感器平台的灵敏性和选择性将得到进一步改善。 （２）        纳米电力技术 在过去几十年里，电池性能的改进没能与电子或数字技术同步。纳米技术的进步将使得电池性能得以全面改进，还将使提供电池应用的材料范围得以扩大。纳米电力技术的主要研究内容包括纳米合成物电极、纳米结构电池等。预计未来２０年，基于纳米技术的电极设计和电池构造、纳米材料和结构在太阳能电池中的应用等方面将得到突破和发展，从而为电池性能、太阳能电池技术等产生重大影响，为解决微机电系统（ＭＥＭＳ）装置和纳机电系统（ＮＥＭＳ）装置的供能瓶颈提供重要途径。 （３）纳米电子技术 纳米电子技术将成为２１世纪信息时代的核心，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件，实现信息采集和处理能力的革命性突破。目前，利用纳米电子技术已经研制成功各种纳米器件；单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世；具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子技术的发展起到了关键的作用。纳米电子技术主要研究内容包括碳纳米管场效应晶体管、一维半导体纳米线场效应晶体管、可在源与漏之间一次一个电子传输电流的单电子晶体管设计、共振隧道二极管等。目前美、日在纳米电子技术领域处于国际领先地位，预计未来２０年，纳米电子可望进入转化应用阶段。基于纳米电子技术制造出的智能化微机电导航系统，可以使制导、导航、推进、姿态控制、能源和控制等方面发生质的变化，从而使微型导弹更趋小型化、远程化、精确化。 （４）纳米材料技术 纳米材料作为纳米科技发展的基础与先导已成为当今纳米科技中发展最迅速、最活跃的领域，纳米材料与所制作出的组件可以展现以往物理上所预期但在制作上无法达成的特性。在军用领域，轻质、高性能纳米结构材料，纳米隐身材料，纳米电子材料和器件，生化战场纳米探测材料和净化材料，以及纳米材料在武器装备上的应用探索研究等将是重点开展研究的领域。纳米材料在未来军用信息技术领域的广泛应用，将极大促进武器装备的信息化发展，提高传统军用装备材料的性能。目前纳米材料技术主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究，未来２０年纳米材料研究工作将主要集中在两个方面：一是深入开展结构与性能的研究以及广泛的基础理论研究，从而不断提高材料的性能和开发新型纳米材料；二是进一步开展合成工艺研究，降低成本将是纳米材料未来需要重点解决的问题。未来２０年，纳米材料技术的总体发展趋势表现为由随机合成向可控合成过渡；由纳米单元的制备发展到通过集成和组装，制备具有纳米结构的宏观实用材料和元器件；由性能的随机探索向按照应用的需要制备具有特殊性能的纳米材料发展；军用纳米材料技术将由目前的基础研究、基础应用研究阶段向武器装备应用阶段转变，到时将产生大量应用有军用纳米材料技术的新武器、新装备出现。 （５）纳米生物技术 纳米生物技术的研究不仅有可能促进生物探测方法的改进，也将对生物学的其他方面产生影响，包括外科手术方法、生物兼容性、诊断、移植甚至修复等。纳米科技同生物技术互相渗透形成纳米生物学已经成为纳米科学技术工程应用的热点领域并取得了诸多进展，例如，美国康纳尔大学的科学家利用ＡＴＰ酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备 －“纳米直升机”。纳米生物技术主要研究内容包括描述生物过程的光谱工具、仿生人造纳米结构、生物分子的分拣和传感以及受控药物传输的功能纳米结构、可控生物芯片技术等。目前世界上在该领域处于领先地位的国家包括美、日等，预计未来２０年纳米生物技术可望进入转化应用阶段。 （６）纳米制造技术 微机械的发展途径是“由大到小”，即借助大机器做出小机器，再用小机器做出更小的机器；而纳米技术则将沿“由小到大”的方向发展。纳米制造技术本质上是指制造体积不超过数百个纳米的物体，其宽度只有几十个原子聚集在一起的宽度。纳米制造技术通过“从小到大”的技术途径，把原子和分子组装起来，制造具有特定功能的产品，这种方法需要的材料少，对环境的污染也少，是人类制造技术所达到的又一个里程碑，在这一层次里，制造的概念将发生革命性的改变。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学、超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。在设计、制备各种纳米器件和装置方面，当前和未来的研究重点是量子电子器件的研究、分子制造和纳米自组装技术的基础研究等。目前美国在该研究领域处于领先地位，预计纳米制造领域在未来２０年可望进入广泛应用阶段，将对制造业产生全方位的影响。 （７）纳机电系统技术 纳机电系统（ＮＥＭＳ）技术是２０世纪９０年代末、２１世纪初提出的一个新概念。ＮＥＭＳ是特征尺寸在１～１００ｎｍ、以机电结合为主要特征，基于纳米级结构新效应的器件和系统。从机电这一特征来讲，可以把 ＮＥＭＳ 技术看成是微机电系统（ＭＥＭＳ）技术的发展。但是，ＭＥＭＳ 的特征尺寸一般在微米量级，其大多特性实际上还是基于宏观尺度下的物理基础，而ＮＥＭＳ的特征尺寸达到了纳米数量级，一些新的效应如尺度效应、表面效应等凸显，解释其机电耦合特性等需要应用和发展微观、介观物理。因此，从本质上说ＮＥＭＳ技术已经是纳米科技的一个重要组成部分和方向。未来２０年，纳机电系统技术的发展将使传感器和执行器具有易于多功能化、集成化、可靠性高、寿命长等优点，在军事和民用领域有着广泛的应用前景。