登陆注册
2528300000015

第15章 材料工程的新突破(2)

非晶态合金所具有的超高强度、高硬度、耐腐蚀的性质,使其成为了一种十分理想的刀具和轴承材料。

在国际能源危机的情况下,非晶硅太阳能电池闪耀着更加夺目的光辉。由于太阳能是取之不尽、用之不竭和没有污染的能源,所以对非晶硅的研究也是热潮连连,遍及全球。在1986年以前的十年中,美国已在非晶硅太阳能电池方面投入15亿美元。著名的物理学家英特在第八届国际非晶态会议的闭幕式上说:“我不能预见未来,不能说明究竟在什么时候,太阳能电池将要取代石油!”各种富有特性的非晶态材料已占领了科学、技术、产业的各个领域,它们已成为重要的新型固体材料的大家族。虽然,非晶态科学从理论到实践,还有许多问题尚未解决,但是,关于非晶态材料的许多特性已被人们认识并且付诸应用,在非晶态材料这个广阔的领域内,人们将会开拓出许多新课题、新性能、新材料和新前景。对于非晶态材料的未来,我们也是充满信心,非晶态材料定会成为新世纪中不可或缺的材料。

纳米材料

1959年,诺贝尔奖获得者,美国物理学家查德·费因曼(Richard Pbillips Feynman)曾经提出:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎么样的奇迹?”或许你会说这是一位科学家的异想天开,但随着纳米材料科学的出现、发展与完善,不久的将来它会变成了现实。纳米科学将对人类社会生产力的发展产生深远的影响,有可能从根本上解决人类面临的重大问题,如粮食、健康、能源和环境保护等。

纳米材料是指材料的尺寸处于1~100nm范围内的金属、金属化合物、无机物或高分子的颗粒。这些纳米级的颗粒显示出许多奇异的性能,这些性能与通常的大块材料、单个原子状态的特性均不相同。纳米科学领域,包括纳米技术和纳米颗粒的制备方法,观测它们的奇异特性,各种纳米颗粒合成的纳米固体以及固体内的成份分布及纳米固体的新特性与有关的应用。

早在19世纪60年代,人们在胶体溶液中发现了纳米材料,其直径为1~100nm的粒子。科学家指出,直径小于1nm的颗粒是由100个原子构成,称为原子簇团。固体的纳米材料首先是由德国萨利仑特斯大学的H.格利特教授所领导的研究组在1984年制成,他们是用6nm(纳米)铁粉压成纳米固体。H.格利特于1986年宣称,纳米固体是一种具有奇异结构类型的固体,而且指出,在纳米颗粒的直径为2~10nm的颗粒中,其原子数目一般为100~1000个,其中有50%的体积为按不同方位排列的界面原子。这样组合而成的材料,既不同于晶态,也不同于非晶态。在纳米粉末方面,性质上显现出一系列奇异的物理特性,如金属的纳米粒子并不反光而且吸收光,一般金属粉末在不同程度上都具有反射光的性质,而呈现白色或灰色。而纳米金属粒子都很黑,不反光,说明具有很强的吸光特性。另外,纳米金属粒子的熔点明显的比金属粉末低,如10纳米的铁粉,熔点降低33℃,即从1526.5℃降为1493.5℃。纳米金粉降低27℃,即从1063℃至1036℃。其粒度越细,熔点下降越显著。在光学、电学、磁学、热学等方面均与同类的块体材料不同。而且对于同一物质,即便有同样粒度,也会由于制备方法、所处的环境和测量方法的不同而得到不同的特性。

1982年,G.宾宁格和 H.罗尔发明了扫描隧道显微镜(STM)。这种显微分析技术可以直接观察到原子,为开展纳米材料的研究创造了有利条件。到80年代末,扫描隧道显微镜不仅是一种观测的工具,而且,还可用来排布原子。为此,G.宾宁格和H.罗尔在1986年获得诺贝尔奖。这种扫描隧道显微镜的价格仅为电子显微镜的1/10,但其放大倍数要比电子显微镜大10倍以上。我国的科学家已经成功地制造了这类仪器,而且它已进入了国内某些实验室。

1989年,美国斯坦福大学的阿尔希勒奇在晶态石墨表面搬走了原子因,写下了“Stanford university”的字样。1990年,美国IBM公司的埃格勒博士在零下296℃的Ni表面用35个氢原子排出了“IBM”的字样。1991年,日本电光学有限公司在硅表面上搬走原子写下了“CEOL”(公司的缩写)。1993年12月,中科院北京真空物理实验室的宠世谨教授在硅表面搬走了原子,写下了“中国”的字样。短短几年中,美、日、中三国已掌握了搬动原子的纳米技术,所写下的字母大小是一个标点符号的 1/500000,这标志着人类按需要排布一个个原子的技术已成为可能。查德·费因曼的梦想变成现已为期不远了,科技进入多姿多彩的原子、分子世界的时代已经到来。纳米技术的发展,为开发原子级存贮技术,打下了坚实的基础。假如将某种存贮材料的原子一个个地按预想的方式进行排列,几个原子一组组成一个存贮单元,根据设计的功能,进行合理布局,这样就可以使单位面积(或单位体积)的存贮材料的容量提高几个数量级。这样,飞跃发展的计算机技术更将如虎添翼,超高速的计算机也将随之走入千家万户。

伴随纳米技术的发展,纳米材料的发展也是紧追不舍。一旦纳米材料实现了原子级的布局,就会使人类进入一个崭新的天地。目前,在现有的科学水平上,纳米材料的制备基本上分成两个阶段。首先是纳米颗粒的制备,接着是保持这些纳米颗粒在没有受到污染(包括表面氧化)的条件下用 SGPa(G为千兆帕,即 109帕)的高压将纳米颗粒压缩成纳米固体。为了使纳米颗粒不受污染,纳米颗粒的制备和纳米固体的压制都应在超高真空(10-7 帕)容器中进行。生产纳米颗粒的方法很多,有机械研磨法、物理方法和化学方法。用物理方法制取纳米粉末的设备和非晶态薄膜制备的方法原理相似,都可采用电子束、激光束、高频加热、电阻加热等离子溅射,电子回旋共振等离子溅射等方法,这些方法首先将待加工的材料激发成原子蒸汽再使它们沉淀下来,然后收集粉末,进行压制。这类制备方法能获得较纯净的纳米材料,而且易于控制,但还无法解决大量生产的问题。化学方法制备的纳米颗粒,粒度比较大,且不均匀,连续压制成纳米材料比较困难。工业上已能制备的金属纳米颗粒有:钠、钾、钙、铜、钼、镥、钌、银、钽、钨、锇、铼、铱、金、铊、铂、钯以及部分金属氧化物。

具有丰富多彩的特色的纳米材料的应用为材料科学史增添了更加奇妙的一页,如纳米镍粉或铜锌纳米粉末对某些化合物反应具有极好的催化作用,代替了昂贵的铂金或钯催化剂,即效果好又节约成本。铁的纳米颗粒外面覆盖着一层5~20nm的聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,以控制生物反应,在生物技术和酶工程领域中大有用处。高分子的纳米材料在润滑剂、人工肾脏、高级涂料、各种传感器及功能电极材料方面均有重要应用。纳米材料的磁性功能也是非常突出的,纳米级的磁记录材料能获得很高密度的磁记录特性。纳米材料不仅包括粉状,而且还有纳米级的薄膜和纳米纤维。有超薄膜材料之称的纳米薄膜,制成10nm磁膜或磁带材料,能使其磁性能得到显著的改善,如铁——硼——硅非晶磁膜的磁导率比一般同类成分的磁性材料分别提高10倍。

同类推荐
  • 青少年应该知道的轮船和军舰

    青少年应该知道的轮船和军舰

    本书从轮船和军舰的基本知识入手,着重讲述了它们的发展历史、结构原理、功能作用,同时介绍了它们未来的发展前景,目的是让广大青少年了解在大海上航行的轮船和军舰的基础科技知识,使广大青少年热爱航海、热爱科技。
  • 世界五千年.上

    世界五千年.上

    本书内容包括:“人类文明的起源”、“萨尔贡统一苏美尔”、“巴比伦之王汉谟拉比”、“流离失所的犹太人”等。
  • 趣味科学馆丛书:生态资源大搜索

    趣味科学馆丛书:生态资源大搜索

    生态环境问题不是人与自然的矛盾与冲突问题;而是今天生活在自然中的人与未来生活在自然中的人的关系问题,只要树立现代的科学发展观,人类就一定能够达到诗意般地安居。《生态资源大搜索》是趣味科学馆丛书之一。本书内容包括认识生态系统、地球上的自然资源、地球的生态系统、认识生态因子的作用、生态的作用。《生态资源大搜索》由刘芳编著。
  • 动手做实验丛书--物理实验操作方法运用

    动手做实验丛书--物理实验操作方法运用

    该系列丛书主要介绍动手做实验,本书详细讲解了物理实验操作方法运用。
  • 探索未知-人类生活环境与物理

    探索未知-人类生活环境与物理

    探索未知,追求新知,创造未来。本丛书包括:奇特的地理现象、遗传简介、生活物理现象解读、奥妙无穷的海洋、认识微生物、数学经典题、垃圾与环境、湛蓝浩瀚四大洋、生物的行为、漫谈电化学、数学古堡探险、中国的世界文化遗产、中国古代物理知识、中国三大三角洲、中国的地理风情、多姿的中国地形、认识少数民族医学、悠悠的中国河流等书籍。
热门推荐
  • 碧海颂歌

    碧海颂歌

    (首先说明:本书故事发生在距离地球四万三千五百六十七万光年的MK7-406/50类地行星,和地球没有哪怕五分钱的关系,所以请不要在意一些不需要在意的问题。)核心(core)的出现,改变了世界的海洋格局。生物与电子技术的完美结合,造就了横行大海的钢铁巨兽,在人类的战争史中,从来没有这样一刻,能够如此简单地操纵这样巨大的战争机械,在曾经畏之如虎的大洋上来去自如。于是,随之而来的,就是比起绅士时代残酷百倍,也规模百倍的大战役,还有无比膨胀的,想要统治这个世界,乃至于整个宇宙的野心。能够威胁到人类的敌人,永远只有人类自己——青丘联邦海军总帅,西大洋公约联军司令官奥克莱尔·海默斯。
  • 永世为仇

    永世为仇

    明朝弘治年间,方天一出生便身患重疾,幸遇两位高僧路过援手搭救。但却无法根除顽疾,为保全性命,六岁便遁入空门。因记忆超群,得以遍览经史子集且能过目成诵。一次意外的受伤,在师傅和师叔的启发下,终于悟出了解脱痛苦的方法以及上古书籍中记载的御风而行的绝世武功。在父亲的坚持下,入国子监修习以备科考,其间尽显少年风华,同时也和身边朝夕相处的同窗结下亲如兄弟的友情。雾津渡小船上误撞女扮男装的小尼姑,两人以心相许,开启旷世之恋。又遇黄衫女,为避免和衙内同室操戈,忍痛割爱,却纠缠不清。为朋友,不惜两肋插刀,几乎踏进死亡的门槛。天山上,度过一段与世隔绝的逍遥自在。科举进阶入仕,却无意间开启了尘封百年的世仇,情也,仇也,友也,爱也,将如何决择……
  • 吞星野史

    吞星野史

    这是《吞噬星空》私人改编版(草稿本),纯娱乐,无文笔,无剧情。原文原句重新编排,夹带少许私货。声明,在下并非写手,文笔差是肯定的。发布就是为了占个位置(毕竟放在书评区比较麻烦),所以改编的故事结构也就那么回事,懒得润色,也没能耐润色。有意见的(前提有人看到〈笑〉),随便喷,不接受骂人。
  • EXO之初心难返

    EXO之初心难返

    本小说是,EXO之初心难反的续写。女主是孟曦淼一直秉承人不犯我我不犯人,人若犯我我比杀他的格言,最后却因为一些事情,当上了练习生,她的生活又回怎样呢?
  • 兽女王的奇异之旅

    兽女王的奇异之旅

    奇异的飞车领你到另时空旅行,惊喜惊吓接替冲来,皇城的岑宫,东松的长亭,西骆的牧铃,南渊的莫泊以及北封的原疆,她自创了潇洒的人生,观略了红尘的恋情,却难保不是黄粱一梦。
  • 主天运

    主天运

    别看这本书了,对不住大家,这本书太监了,大家都别看了!我的错,我有罪,我道歉,请大家去看《运营时空》,保证不太监!我以我的人格担保!
  • 冬日暖阳

    冬日暖阳

    凝聚所有温暖与伤痛的暖伤之作,暖伤小天后锦年用过去和现在织就悲歌,用微笑和眼泪讲述离伤。青梅竹马的感情在时间的消磨中变得模糊,细水长流的温暖也渐渐消散。她站在十字路口,却找不到一个有光亮的方向,只有钢琴为伴。年少时的爱恋化为心底最深沉的伤,成长时默默相伴的人成了不可触及的痛。这一年冬阳光温暖,她似乎也看到了未来和光亮。
  • 大唐懒汉

    大唐懒汉

    本书讲的是,现代一名官员穿越到唐朝的故事。
  • 叶少专宠:冷面校草是女生

    叶少专宠:冷面校草是女生

    (新书《他似星辰浩瀚》已经新鲜出炉,你们为什么都不看呢?难道这本书它不香吗?记得关注加收藏啊!)为了一件重要事情,特意女扮男装回国,来到了向英男子学院,第一天就与学校校草给杠上了!不是,是谁说校草是个温柔帅气的人的?明明是个傲娇加腹黑好吗?某校草趾高气昂的看着她,“阮西,给我过来!”阮西抬头,淡淡的看他一眼,“干嘛?”“有件事想要跟你谈一下!”“谈什么?”“谈恋爱!”
  • 末世炮灰穿越记

    末世炮灰穿越记

    王宣宣是一个人全职的家庭主妇,每天送孩子读书,打扫家务,做饭等着他们回来吃,有一天她突然发现自己的老公在外面有了外遇,连孩子都有了,她一时之间不知道该怎么办,去学校接孩子的时候看见一个小女孩站在马路中间一辆车子开了过来,跑上去推开她,自己就没有知觉了,醒来就只知道自己在一个陌生的地方,想知道她怎么样了去看看吧^O^