微米和纳米科技材料

有趣的纳米尺度,尤其是小而强大的纳米技术正在改变我们的生活

纳米技术是科学和工程的一个分支,这是在尺寸小于 100 纳米的单个原子和分子的尺度上,对材料和结构进行操作、生产和应用的技术。

纳米技术是在分子水平上对常规材料进行操作,操作结束后,纳米材料也随之产生。纳米材料由直径小于100纳米单位的纳米颗粒组成。纳米粒子非常非常小,是肉眼看不见的。我们以往知道的大多数传统材料是由大小从微米(1,000纳米)到毫米(100,000 纳米)的颗粒组成。而纳米材料是由大小从1到100纳米的颗粒组成,也就是这些微小的颗粒赋予了这些材料独特的化学、物理和生物学特性。

那么,什么是纳米科学呢?

纳米科学是对纳米尺度结构和材料的研究。纳米是一个非常有趣,非常非常小的测量单位。以下是一些比较示例,我们可以通过这些事例感受下纳米的尺寸。

一厘米有10,000,000 纳米

一张纸大约有100,000纳米厚

一根头发的直径约为80,000到100,000纳米

当传统材料在纳米尺度上进行设计、设计和构造时,它们可以具有非常有趣和有用的特性。例如,碳“纳米管”的强度是钢的100倍,但重量却只是钢的6倍。在分子水平上,纳米材料在化学和结构上与衍生它们的传统材料相同。尽管纳米材料源自与传统材料相同的材料,但它们表现出新的特性,例如增加的强度、耐用性、导电性和耐化学性却表现得异常出色。

虽然在很长的时间里,科学家和工程师一直在通过各种方法去操纵和使用纳米粒子,但直到最近,仍还没有可用的技术来观察纳米粒子的结构。近几十年来,科学家们开发了功率显微镜和其他成像技术,能够显示小到单个原子和分子的粒子。通过在纳米尺度上设计和操作传统材料,材料的传统化学和物理特性可以被彻底改变。例如,传统材料的物理和化学特性,如颜色、耐用性、导电性和反应性,在宏观尺度和纳米尺度之间可能存在很大差异。

纳米科学与纳米技术

纳米科学和纳米技术在提高能源效率、减少浪费和能源消耗、减少空气污染、使表面更清洁以及解决重大健康问题等方面,具有广阔的潜力。纳米技术有望为发展中国家的核心环境和经济问题提供新的解决方案,尤其是与公共卫生、卫生和食品安全相关的问题。纳米材料将比传统材料更小、更轻,但它们将更耐用、更实用,并且需要更少的能源和更少的原材料来制造。

为了帮助解决全球环境挑战,人们正在开发创新的制造方法来生产新的纳米材料和纳米结构。科学家们使用电子束等仪器将小至 25 纳米的特征精确地切割成金属、硅和碳基材料。纳米材料也可以设计为具有独特物理、化学和生物特性的液体涂层。纳米涂层可以通过使液体和气体中的化学物质发生反应来产生纳米纤维、纳米晶体和量子点,其直径可以小于一纳米。

纳米技术已经产生了创新,例如受荷花植物启发的防水防污渍纺织品和制造仅20纳米厚的磁性存储条的计算机硬盘驱动器。现在来自许多不同学科的科学家和工程师将纳米科学原理和技术用于能源、医学、计算机科学和化学工程的高级应用。尽管技术突破很难预测,但纳米科学的未来可能会超越纳米材料的原子组装,转向具有不断发展的特性和多种功能的更大规模的宏观结构。

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