Recopilación de información Características y causas de los nanomateriales Posibles aplicaciones de los nanomateriales

Nanotecnología

Ding Fuquan

Prólogo

1. Conceptos básicos de nanómetros y nanotecnología

2, Diez. años de desarrollo de la nanotecnología

3. "Nano fiebre"

4. Aplicación de la nanotecnología

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Nanotecnología: uno de los tres mosqueteros de alta tecnología del siglo XXI

Prólogo

La era de la transición humana de la economía industrial a la economía del conocimiento resulta ser la del siglo XX. siglo En el cambio de siglo y el siglo XXI. Por tanto, el siglo XX fue un siglo en el que la economía industrial estuvo muy desarrollada, y el siglo XXI es un siglo en el que la economía del conocimiento está en auge. Las características básicas de la economía del conocimiento indican que la economía humana, e incluso toda la sociedad humana, sufrirán muchos cambios profundos en el siglo XXI. La sostenibilidad del desarrollo económico empujará a la humanidad hacia una nueva era de civilización. El conocimiento humano no es sólo una “reordenación” del conocimiento material para que pueda desarrollarse plenamente. También se seguirán desarrollando los conocimientos sobre la reestructuración del "espíritu humano".

Hoy en día, se está produciendo una ola de desarrollo de nanotecnología en todo el mundo. Esta es otra manifestación del progreso científico humano, otra oportunidad para desarrollar una nueva economía y otra gran oportunidad para que los seres humanos creen milagros tecnológicos. Por lo tanto, las fuerzas científicas y tecnológicas de varios países se han reunido en este gran campo de batalla para el desarrollo de la nanotecnología. Alinea tu formación, establece tu posición y lucha en este campo de batalla. Algunas personas dicen que se trata de una batalla feroz y sin humo y una competencia mundial en el campo de la alta tecnología. Su contenido científico y tecnológico y su grado de brillantez superarán cualquier logro científico y tecnológico humano.

1. Conceptos básicos de nanómetro y nanotecnología

“Nano” es la traducción del inglés namómetro. Otro dicho es que la palabra "nano" proviene del vocablo latino "NANO", que significa "enano". Un nanómetro es una unidad de medida, una unidad de longitud. Las sustancias construidas a partir de nanomateriales son sustancias diminutas que no se pueden ver ni tocar.

1 nanómetro, es decir, 1 nm=10-9m, que es una milmillonésima parte de un metro, equivale aproximadamente a la longitud de 45 átomos encadenados, o en otras palabras, 1 nanómetro equivale aproximadamente a 4 átomos de diámetro. Si comparas 1 ma 1 nm, equivale a comparar el tamaño de la Tierra con una canica de vidrio. El diámetro de un cabello humano es de aproximadamente 80 μm (micra), es decir, 80.000 nm. Si el tamaño de escritura de un carácter chino es de 10 nm, se pueden escribir 8.000 palabras en el diámetro de un cabello, lo que equivale a un largo científico. capacidad de papel.

La llamada nanotecnología es una disciplina emergente que estudia sustancias o estructuras con una escala de 1~100nm. Se refiere a la manipulación directa de átomos, moléculas o grupos atómicos según la voluntad humana a través de ciertos micro-. métodos de procesamiento. Ciencia y tecnología que reorganiza y combina grupos moleculares para formar nuevas sustancias o estructuras a nanoescala, estudia sus propiedades y, por lo tanto, crea nuevos dispositivos funcionales, máquinas y otras aplicaciones.

Se puede ver que la tarea principal de la nanotecnología es preparar nanomateriales o estructuras a nanoescala a través de diversos medios, como la tecnología de microfabricación y la tecnología de sondas de escaneo; en segundo lugar, con la ayuda de muchas tecnologías avanzadas de observación y medición; instrumentos para estudiar diversas características de nanomateriales preparados o estructuras a nanoescala y, finalmente, llevar a cabo aplicaciones relacionadas basadas en sus propiedades especiales. Por tanto, hasta cierto punto, los nanomateriales, la tecnología de nanoprocesamiento y fabricación, y la tecnología de medición y caracterización nanométrica constituyen tres tecnologías de apoyo muy importantes para el desarrollo de la nanotecnología. Los campos del desarrollo de la nanotecnología incluyen principalmente: física de nanosistemas, química de nanosistemas, nanomateriales, nanoelectrónica, nanofotónica, nanomecánica, nanofabricación, caracterización nanométrica y nanomedicina, etc.

2. Diez años de desarrollo de la nanotecnología

La búsqueda de la novedad y el progreso es el motor de la civilización humana. La nanotecnología formó un campo temático independiente en la década de 1990. En 1990 se celebró la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología (Nano I) en Baltimore, EE.UU., y se creó un organismo permanente, el Comité Asesor, que es uno de los miembros.

El comité dividió el alcance de la investigación de la nanotecnología en seis partes.

Clasificación de Nanodisciplinas

Nanoelectrónica

Nanofísica

Nanoquímica

Nanobiología

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Nanomaquinaria

Nanomedición

La segunda Conferencia Internacional de Nanotecnología (Nano Ⅱ) se celebró en Moscú en agosto de 1993, y la cuarta se celebró en Beijing en 1996. La Conferencia Internacional sobre Nanotecnología (Nano IV). En el año 2000 se celebró en Alemania la Sexta Conferencia Internacional de Nanotecnología (Nano VI).

3. “Nano Heat”

La nanoelectrónica juega un papel protagonista o protagonista en la nanotecnología porque es la próxima generación del desarrollo de la microelectrónica. Hoy en día, la industria líder en los países desarrollados es la industria electrónica basada en la microelectrónica, y ya no es el acero, los materiales, la energía, los productos químicos y el transporte. En la actualidad, los gobiernos y las empresas de todos los países desarrollados están invirtiendo fuertemente en la investigación y el desarrollo de la nanotecnología, tratando de alcanzar las alturas dominantes de la tecnología estratégica en el siglo XXI. En enero de 2000, el Presidente Clinton de los Estados Unidos dijo en un discurso en el Instituto de Tecnología de California: "Manipularemos la materia a nivel atómico y molecular. Imaginemos la posibilidad de un material que sea 10 veces más fuerte que el acero y pese sólo seis veces mayor que el acero. Uno; comprimir toda la información de la Biblioteca del Congreso en un dispositivo del tamaño de un terrón de azúcar; detectar tumores cuando solo tienen unas pocas células de tamaño".

18 de enero de 2001. China ha establecido el Comité Directivo y Coordinador de Nanotecnología de China para formular planes para el desarrollo de la nanotecnología de China. En la actualidad, el país ha planeado inicialmente establecer dos centros de I+D (bases de innovación en nanotecnología) en el norte y el sur, en Beijing y Shanghai.

Las principales tareas actuales para el desarrollo de la nanotecnología en nuestro país son: ① Fortalecer la investigación básica y el trabajo básico en la vanguardia de la nanotecnología; ② Romper una serie de tecnologías clave que son esenciales para el desarrollo de la nanotecnología; ③ Desarrollar aplicaciones de nanomateriales y dispositivos y cultivar industrias relacionadas; ④ Construir infraestructura nacional de nanotecnología y bases de investigación y desarrollo.

El Ministerio Nacional Alemán de Ciencia y Tecnología predijo en 1996 el mercado de la nanotecnología en 2010, estimándolo en 1,44 billones de dólares.

IV. Aplicación de la Nanotecnología

(1) Nanomateriales

1. Definición de Nanomateriales y Nanoestructuras

A grandes rasgos, se entiende por nanomateriales. a materiales que tienen al menos una dimensión en el espacio tridimensional en el rango de nanoescala (1~100 mm) o están compuestos de ellos como unidades básicas. La nanoestructura se refiere a un sistema unidimensional, bidimensional o tridimensional construido o ensamblado a partir de unidades básicas a nanoescala de acuerdo con ciertas reglas.

Los nanomateriales y las nanoestructuras son los objetos de investigación más dinámicos en el campo de la investigación de nuevos materiales en la actualidad y tienen un impacto muy importante en el desarrollo económico y social futuro. También son los componentes más activos e importantes de la nanotecnología. parte más cercana a la aplicación.

2. Características de los nanomateriales

(1) Efectos de superficie y de interfaz

Esto se refiere a la relación entre el número de átomos en la superficie de las partículas de nanocristales y el número total de átomos. El cambio en las propiedades causado por la disminución del tamaño de las partículas y el fuerte aumento del tamaño de las partículas. Por ejemplo, cuando el diámetro de la partícula es de 10 nanómetros, la partícula contiene 4000 átomos y los átomos de la superficie representan 40; cuando el diámetro de la partícula es de 1 nanómetro, la partícula contiene 30 átomos y los átomos de la superficie representan 99; La razón principal es que el diámetro disminuye y el número de átomos en la superficie aumenta. Para otro ejemplo, cuando los diámetros de partícula son 10 nm y 5 nm, las áreas superficiales específicas son 90 m2/g y 180 m2/g respectivamente. Una superficie específica tan alta provocará algunos fenómenos extremadamente extraños, como nanopartículas metálicas que se queman en el aire, nanopartículas inorgánicas que absorben gas, etc.

(2) Efecto de tamaño pequeño

Cuando el tamaño de las nanopartículas se relaciona con la longitud de onda de la luz, la longitud de onda de De Broglie de los electrones de conducción, la longitud de coherencia del estado superconductor, la profundidad de transmisión y otros tamaños de características físicas. Cuando es equivalente o menor, su límite periódico se destruye, de modo que su sonido, luz, electricidad, magnetismo, termodinámica y otras propiedades muestran fenómenos "novedosos".

Por ejemplo, las partículas de cobre se vuelven no conductoras cuando alcanzan tamaños nanométricos; las partículas aislantes de sílice se vuelven conductoras a 20 nanómetros. Por poner otro ejemplo, los cuchillos fabricados con materiales poliméricos y nanomateriales son más duros que los productos de diamante. Utilizando estas características, la energía solar se puede convertir en energía térmica y eléctrica con alta eficiencia. Además, se puede aplicar a componentes sensibles a los infrarrojos, tecnología furtiva de infrarrojos, etc.

(3) Efecto del tamaño cuántico

Cuando el tamaño de la partícula alcanza el nivel nanométrico, el nivel de energía electrónica cerca del nivel de Fermi se divide del estado continuo en niveles de energía discretos. Cuando el espaciamiento de los niveles de energía es mayor que la energía térmica, la energía magnética, la energía electrostática, la energía magnetostática, la energía de los fotones o la energía de condensación del estado superconductor, aparecerá el efecto cuántico del nanomaterial, haciendo así su efecto magnético, óptico, acústico y térmico. Las propiedades eléctricas, eléctricas y superconductoras cambian. Por ejemplo, existe una especie de nanopartícula metálica que absorbe la luz con mucha fuerza. Si se introduce una milésima parte de esta partícula en 1,1365 kilogramos de agua, el agua se volverá completamente opaca.

(4) Efecto túnel cuántico macroscópico

La capacidad de las partículas microscópicas para atravesar barreras potenciales se denomina efecto túnel. La magnetización de las nanopartículas también tiene un efecto de túnel. Estas pueden atravesar la barrera de potencial del sistema macroscópico y cambiar. Esto se llama efecto de túnel cuántico macroscópico de las nanopartículas.

3. Aplicación de los nanomateriales

Las numerosas ventajas de los nanomateriales se pueden aplicar en una amplia gama de campos, como dispositivos optoelectrónicos, sensores sensibles, tecnología sigilosa, catálisis y almacenamiento de información. Ha sentado las bases para aplicaciones en industrias como la construcción, productos químicos, textiles, automóviles y protección del medio ambiente. Por ejemplo, las nanocerámicas tienen las características de superplasticidad, resistencia a altas temperaturas, buena resistencia al desgaste, alta dureza y transmisión de luz, que pueden usarse como "cascos" en la fabricación de huesos artificiales, cerámicas, cuchillos, rodamientos cerámicos y sismómetros piezoeléctricos. , y naves espaciales, pueden producir "copas de vino irrompibles" o "cuencos irrompibles", etc. El nanoplástico es un plástico novedoso de alta resistencia y que no envejece. Su dureza es de 4 a 6 veces más fuerte que la del acero al carbono y su gravedad específica es solo 1/4 de la del acero. Tiene buena transmisión de luz y no sufre desnaturalización. Por ejemplo, si un coche está hecho de nanoplásticos, su peso es sólo 1/4 del de un coche hecho de acero. También existen los llamados nanometales, vidrio microporoso, nanodiamantes, materiales nanomagnéticos, nanocompuestos, materiales nanosuperconductores, etc.

(2) Nanocomputadora

La computadora es un invento importante de la humanidad en el siglo XX. Debido a la aparición de los nanomateriales y la nanotecnología, una nueva generación de computadoras respaldadas por tecnología de nanoestructuras y ensambladas a partir de nanomateriales será una de las invenciones científicas y tecnológicas más importantes del siglo XXI.

El componente central de una nanocomputadora es un nanochip. Existen los llamados chips de proteínas y chips de ADN. Este tipo de chip de proteína es de tamaño pequeño y tiene una alta densidad de componentes, que alcanza de 1015 a 1016 por centímetro cuadrado, que es de 3 a 5 órdenes de magnitud mayor que la de los circuitos integrados de chips de silicio. Su capacidad de almacenamiento puede alcanzar mil millones. veces mayor que el de los ordenadores normales. Los chips de ADN, también conocidos como chips genéticos, pueden contener 10 mil millones de bits en un chip milimétrico unidimensional y pueden funcionar a una velocidad de 10 picosegundos (una cien milmillonésima de segundo), que es casi un millón de veces más rápido que las computadoras existentes. La actualización continua de los chips de computadora hará que las computadoras sean más inteligentes, al tiempo que aumentará la velocidad de Internet y promoverá en gran medida el desarrollo del comercio electrónico, la televisión de alta definición y las comunicaciones inalámbricas.

Con el apoyo de nuevos nanochips, las computadoras a nanoescala incluyen las llamadas computadoras superconductoras, computadoras químicas, computadoras ópticas y computadoras biológicas (entre ellas, las computadoras de ADN son muy rápidas y sus cálculos en unos pocos días son equivalente a la cantidad total de cálculos de todas las computadoras del mundo desde su aparición), computadoras cuánticas (cuyos componentes básicos son átomos y moléculas), computadoras neuronales (que usan muchos microprocesadores para imitar la estructura neuronal del cerebro humano y usan una gran cantidad de redes distribuidas paralelas para formar una computadora neuronal (computadora, también conocida como cerebro artificial).

(3) Nanoarmas

Las aplicaciones militares de la nanotecnología se concentran principalmente en dos categorías: sistemas de nanoinformación y sistemas de nanoataque.

Nano sistema de información se refiere al sistema de transmisión, almacenamiento, procesamiento y detección de información con la nanotecnología como núcleo. Los principales que se están desarrollando actualmente incluyen:

1. Microavión espía. Con sólo 15 centímetros de largo, puede volar continuamente durante al menos una hora y la distancia de vuelo puede alcanzar más de diez kilómetros.

Realiza reconocimientos, recopila información de inteligencia y actúa como centinela latente. También podrá hacerse tan grande como una abeja pequeña en el futuro.

2. Avión de bolsillo con control remoto. Es un dispositivo volador a control remoto de menor tamaño que un naipe. El avión está equipado con sensores ultrasensibles que no sólo pueden oler los gases de escape diésel sino que también toman fotografías infrarrojas claras por la noche. Puede transmitir la información de inteligencia más reciente adquirida a una base a 200 kilómetros de distancia.

3. "Hierba espía". En realidad, es una red distribuida de microsensores en el campo de batalla que parece hierba y está equipada con sensores, cámaras e instrumentos de reconocimiento electrónico sensibles.

4. Nanosatélites. Como dispositivos a bordo se utilizan componentes de detección inercial, transductores, componentes de radiofrecuencia, componentes ópticos, sistemas de energía y varios chips centrales de sensores fabricados con maquinaria microelectrónica y tecnología nanoelectrónica, lo que puede reducir en gran medida el tamaño y el peso de los satélites. Peso inferior a 100 gramos. La esencia de los nanosatélites es un sistema de estructura de satélite distribuido, que se puede organizar en grupos locales o constelaciones distribuidas. Este sistema distribuido puede evitar el daño causado por la falla de un solo satélite y mejorar la capacidad de supervivencia y la estabilidad del sistema aeroespacial. Este tipo de satélite puede lanzar cientos o incluso miles de satélites a la vez con un pequeño vehículo de lanzamiento.

5. Identificador de amigos o enemigos de alto rendimiento.

6. Sensor de alarma de agente de guerra química tóxica.

Sistema de nanoataque. Se trata de un arma de ataque inteligente en miniatura fabricada con nanotecnología. Existen los llamados sistemas de desactivación electrónica de microrobots, plataformas para insectos, "hormigas soldados", "bichos robóticos", misiles "mosquitos" y bombas con "punta de aguja" (cuyo tamaño es sólo 1/5000 de la punta de un alfiler). ).

El uso generalizado de estas microarmas en combate reemplazará o derrotará a los sistemas de armas fuertemente armados que alguna vez dominaron y fueron formidables. El llamado pez pequeño se come al pez grande.

Estos microguerreros se clasifican según sus servicios militares, incluidos los llamados microejército, microfuerza aérea y micromarina (nanotorpedos, nanominas, nanomisiles, nanobombas, nanoradares, submarinos profundos). -detectores de buceo, vehículos aéreos no tripulados) Lancha rápida de reconocimiento de superficie, microsubmarino de reconocimiento, etc.), microejército espacial. Debido a las ventajas obvias de que las nanoarmas sean ultraminiaturas e inteligentes, atacar el sistema nervioso del enemigo debe ser el objetivo preferido de las nanoarmas. El enorme poder de guerra desatado por las nanoarmas puede "paralizar repentinamente" el sistema de macrocombate del enemigo, obligándolo a sucumbir a la presión de guerra causada por las microarmas.

¿Cómo será la guerra en el siglo XXI? ¿Cómo cambiará el campo de batalla? ¿Cómo prepararse para la guerra? Esta es una cuestión importante relacionada con las estrategias nacionales generales y las estrategias de desarrollo de la defensa nacional de varios países. Por lo tanto, la predicción científica de posibles guerras y patrones de campo de batalla en el siglo XXI se ha convertido en una forma importante para que los países de todo el mundo busquen la seguridad nacional. La base principal para las predicciones previas al estudio es el rápido desarrollo de la tecnología microelectrónica actual.

La competencia estratégica en el futuro será la competencia entre la tecnología de hardware y la tecnología de software.

(4) Nanoindustrialización

Utilizar la nanotecnología para fabricar máquinas - micromáquinas. Aunque este tipo de micromáquina es de tamaño extremadamente pequeño, tiene "todos los órganos internos". Tiene un cerebro (computadora y controlador), manos y pies (sensores y actuadores) y una fuente de energía. Es el producto de la síntesis o fusión de diversas tecnologías como maquinaria, electricidad, magnetismo, luz, química, computadoras, control automático, tecnología de detección y procesamiento de información.

Por ejemplo, utilizar miles de robots muy baratos, pequeños y sencillos para cosechar cultivos es como un enjambre de langostas que "cosechan" un cultivo más rápido que utilizar una cosechadora grande.

Cuando el cable subterráneo se rompe, miles de microrobots pueden arrastrarse a lo largo del cable. Cuando llegan al extremo roto, levantan sus patas delanteras y las colocan en el extremo roto. Los robots se convierten entonces en el eslabón de conexión, que queda permanentemente en el cable.

(5) Nanoagricultura

(6) Nanomedicina y sistemas de atención sanitaria

La aplicación de la nanotecnología permitirá la clonación de genomas, animales y células y artificiales Se han logrado avances en muchos campos de la medicina, incluidos los órganos, la creación de vida y la superación del cáncer.

(7) Una nueva industria de servicios

En el siglo XXI, con el desarrollo y la popularización de la nanotecnología, nacerá una nueva industria de servicios de nanoproductos. Traerá un nuevo espacio de vida y trabajo para la humanidad.

1. Una película del nanomundo más emocionante

El nanomundo, al igual que los mundos macro y meso, tiene actividades de diversas sustancias microscópicas. Además, los tipos y contenidos de las actividades son más coloridos. Es posible si la gente quiere ver un documental sobre el "duelo" entre gérmenes y robots moleculares que los matan. Se pueden colocar innumerables cámaras moleculares en los vasos sanguíneos para su transmisión o filmación en vivo. Su autenticidad es mayor que la de las caricaturas biónicas de personas reales generadas por computadora.

El uso de esta forma de nanopelícula también puede ayudar a las personas a diagnosticar enfermedades y observar el tratamiento de los pacientes.

2. Nano TV

En el siglo XXI aparecerán pantallas LCD de gran tamaño fabricadas con nanomateriales tan finos como el papel. Este tipo de televisor tiene alta definición, no emite radiación y tiene un bajo consumo de energía. Su material de visualización está compuesto de materiales especiales a nanoescala y todos los aparatos eléctricos del televisor utilizan nanocomponentes.

3. Materiales de nano noticias

4. Hermosa música natural

Hay muchas melodías sonoras hermosas en la naturaleza, como el canto de los pájaros y los cuervos de las gallinas. , ríos rugientes, etc. En el diminuto mundo nanométrico, también hay hermosas y hermosas melodías musicales producidas por el movimiento de moléculas y átomos de diversas sustancias.

5. Publicación de Nanodisc

Un disco óptico de 3 pulgadas puede almacenar cientos de miles de millones de caracteres. Si se utilizan nanotubos de carbono biológicos, la capacidad de almacenamiento será mayor y podrá alcanzar 1T (billón) de caracteres, lo que equivale al número de palabras de 10 millones de libros.

6. La nanociencia en la hostelería

V. Conclusión

La nanotecnología es un arma de doble filo.

Existe un tipo de nanomaterial que, debido a su pequeño tamaño, queda suspendido en el espacio o en líquido debido al movimiento browniano a temperatura y presión normales, el llamado comportamiento de dispersión flotante. Por lo tanto, al utilizar este tipo de material se debe prestar especial atención a esta característica flotante, de lo contrario provocará contaminación y daños al medio ambiente y al cuerpo humano. Debido a que los nanomateriales son tan pequeños que pueden ingresar fácilmente al cuerpo humano a través de varios canales, como el sistema respiratorio, los rasgos faciales e incluso los folículos pilosos de la piel, son una contaminación más dañina que el polvo en el aire y no deben ser si se toman a la ligera, de lo contrario pueden ocurrir. Habrá desastres naturales más graves que el cáncer, el SIDA, la enfermedad de las vacas locas, etc., que dañan a los seres humanos. Por supuesto, existen otros peligros potenciales. ¿Qué pasa si los nanobots se olvidan de dejar de replicarse? Sin algún tipo de señal de alto incorporada, es muy probable que se produzca un desastre. Los nanorobots que se replican rápidamente pueden propagarse por el cuerpo más rápidamente que las células cancerosas, desplazando al tejido normal, etc.

Sin embargo, no podemos dejar de comer por asfixia. Aunque los expertos en nanotecnología no descartan estos peligros, creen que se pueden combatir.

La nanotecnología traerá un futuro infinitamente mejor a la humanidad.

Referencias

1. Escrito por Xue Zengquan. Exploración de la nanotecnología. Beijing: Tsinghua University Press, 2002

2. Guangdong: Economic Press, 2001

3. Gu Ning, Fu Degang, Zhang Haiqian, etc. Nanotecnología y aplicaciones Beijing: People's Posts and Telecommunications Press, 2002

4. Dong et al. Nanotechnology and Nanoweapons. Military Yiwen Press, 2001

5. Li Fengsheng et al. Tecnología y aplicaciones de compuestos nano/micrométricos, Beijing: National Defense Industry Press, 2002. 6. Zhang Yulong et al. Nanotecnología y nanoplásticos Beijing: China Light Industry Press, 2001