高中物理 第一章 分子动理论

高中物理 第一章 分子动理论

‎1.2 测量分子的大小 ‎ 纳米技术简介 ‎　　纳米技术包含下列四个主要方面 第一方面是纳米材料(或称超微粒子，尺度小于100nm的粒子)，包括材料的制备和表征．在纳米尺度下，物质中电子的波动性以及原子的相互作用将受到尺寸大小的影响．如能得到纳米尺度的结构，就可能在不改变物质化学成分的情况下控制材料的基本性质，如熔点、磁性、电容甚至颜色等．纳米材料具有异乎寻常的性能．用超微粒子烧成的陶瓷，硬度可以更高，但不脆裂；无机超微粒子加入到橡胶中后，将粘在聚合物分子的端点上，由此做成的轮胎将大大减少磨损、延长寿命．‎ 第二方面是纳米动力学(nanodynamics)，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统(MEMS)．这主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等. MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺．特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数百微米，而宽度误差只允许万分之一，这种工艺还可用于制作转子直径为400μm的三相电动机，用空气作轴承，转速可达106rad／min—l07rad／min，调向时间小于1μs，用于超快速离心机或陀螺仪等．这方面的研究还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等．虽然此研究目前尚未真正进人纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值．‎ 第三方面是纳米生物学和纳米药物学．有了纳米技术，可以研究生物分子之间的相互作用，研究磷脂、脂肪酸双层平面生物膜和DNA的精细结构等，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料．新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水，但如粒子为纳米尺度(即超微粒子)，则可溶于水．‎ 第四方面是纳米电子学(nanoelectronics)，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光性质与电性质、纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等．‎ 当前电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快、更冷．“更小”是指器件和电路的尺寸更小，对集成电路来说就是集成度更高；“更快”是指响应速度更快；‎ ‎“更冷”是指单个器件的功耗要更小，否则很多器件堆积在一起时，既耗能源，又造成温升．但是，“更小”并非没有限度．以硅集成电路而言，国际上目前已做出的最小线宽是0.13μm(130 nm)．线宽如果小于0.1μm(100 nm)，则量子效应就要显现出来，常用的电路设计方法就不再适用，常用技术也可能会很快达到它们的极限，因此需要迅速更新．这就形成了一个被称为“纳米电子器件”的新领域．‎ 所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点．可能的早期突破，是在超高密度存贮器、超灵敏传感器、医疗诊断用元件、数码信息的高速输入和输出以及平板显示器用的微小电子源阵列等方面．中期目标则为1012位存贮器及1012次／秒的运算器、共振隧道器件以及实时语音识别系统、自主决策系统、虚拟实感训练系统等．‎ 解决纳米电子器件的思路目前可分为两种类型．一种是制备最小线宽为50 nm左右的集成电路，大体上仍延用目前的基本设计制造和测试的思想，但完全不能使用目前常用的光刻、搀杂等集成电路工艺．在材料方面也要进行新的准备，除了需要半导体作为功能材料外，还需要纳米尺寸的导体和介质，细分之要有高阻、低阻，高介电常数、低介电常数，高反射率、低反射率等等区别．它们大多也不能用常规的方法制备．‎ 另一种是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子结构系统(简称“量子器件”)．目前已在试验各种可能的器件模式，如量子点(零维)、量子线(一维)、量子阱(二维)、单电子晶体管、单原子开关等．所用的技术除在线实时控制的分子束外廷(MBE)外，还包括纳米级的刻蚀技术、掺杂元素的定位技术以及寻找更高结构分辨率的成像和分析技术．以上两种方案，都需要用扫描隧道显微镜作为观察和加工的工具．‎ ‎(3)纳米技术的应用前景 纳米技术不纯粹是材料科学的问题，获益的也不仅仅局限在材料科学方面，下列各个领域将因纳米技术的发展而得益．‎ 电子和通讯： 如用纳米薄层和纳米点记录的全媒体存储器、平板显示器和其他全频道通讯工程和计算机用的器件等．对此，美国军方提出的初期指标是：在室温下，比现有的器件运算速度快10~100倍，信息存贮密度大5~100倍，能耗小50倍．将来则要求存贮密度和运算速度都要比现在大或快3——6个数量级，且廉价而节能．‎ 纳米医疗：如新的纳米结构药物、基因和药物的传送系统(可到达身体的指定部位)、有生物相容性的器官和血液代用品、家用早期病情自诊系统、生物传感器、骨头和组织的自生长材料．‎ 化学和材料：如催化剂(提高化工厂燃烧效率，减少汽车的污染)、超硬但不脆裂的钻头及切削工具、用于真空封接和润滑的智能磁性液体、化学或生物载体的探测器和解毒剂等．‎ 能源：这方面的应用有新型电他、使用人工光合作用的清洁能源、量子阱式太阳能电池、氢燃料的安全贮存等等．‎ 制造工业：主要用于微细加工(基于新的显微镜和测量仪器)、新的操纵原子的工具和方法、掺有纳米粒子的块状材料和使用纳米粒子的化学、机械磨削等．‎ 飞机和汽车：如由纳米粒子加强的轻质材料、由纳米粒子加强的轮胎(耐磨且可直接再生)、无须洗涤的外壳油漆、廉价的不燃塑料以及有自修补功能的涂层和纤维等．‎ 航天：如轻型航天器、经济的能量发生器和控制器以及微型机器人等方面的应用．‎ 环境保护：主要用于工业废料污水处理、制备廉价的海水除盐膜等．特别指出，“从原子和分子做起的”由小变大（bottom-up）的工艺（与现有从大块材料开始的制造工艺不同）因无切削、无化学处理，可以减少材料消耗和环境污染．‎