¿Qué es nano?

El nanómetro es una unidad de longitud, que equivale aproximadamente a una cienmilésima parte de un cabello. Los científicos lo definen estrictamente como: 10-9 m. Nano tiene aquí dos significados:

El primero es el concepto de escala espacial. Un nanómetro es una milésima de micrón, aproximadamente una centésima parte del diámetro de un cabello humano, el período de disposición de varios átomos, la mitad del diámetro de una molécula de doble cadena de ADN, lo que indica que es un campo que estudia fenómenos atómicos y moleculares. a escala nanométrica y ciencia y tecnología integrales sobre la relación entre estructura y función.

Otro significado es el concepto de forma de pensar, es decir, las actividades de producción e investigación científica humana se desarrollarán a una escala más pequeña y a niveles más profundos, como por ejemplo desde el nivel de micras hasta el nivel de nanómetros, los objetos de producción pueden volverse más; y más sofisticados. Dispositivos atómicos y moleculares tan pequeños como a nanoescala.

2. El significado del espacio a nanoescala

Se reconoce internacionalmente que 0,1 ~ 100 nm es espacio a nanoescala. Para facilitar el trabajo de investigación, algunas personas consideran el tamaño de 0,1 ~ 1 micrón como un sistema submicrónico y el tamaño de 1 ~ 100 nm como un nanosistema. Un tamaño típico <1 nm es un grupo. El nivel material involucrado en el espacio a nanoescala es un campo intermedio relativamente independiente, ni macroscópico ni microscópico, que se denomina campo de investigación mesoscópico.

3. La importancia de la nanotecnología

La nanotecnología es un campo de investigación científica de nueva frontera que se desarrolló rápidamente a principios de los años noventa.

La nanotecnología se refiere a la preparación, investigación e industrialización de materiales a nanoescala, así como al sistema técnico integral de investigación cruzada e industrialización de materiales a nanoescala.

El nivel material involucrado en el espacio a nanoescala es un campo intermedio relativamente independiente que no es ni macroscópico ni microscópico, llamado campo de investigación mesoscópico.

La nanociencia y tecnología es una disciplina de alta tecnología que estudia los patrones de movimiento, las características y las aplicaciones de electrones, átomos y moléculas en el espacio de 1 a 100 nanómetros. El objetivo final de la nanotecnología es manipular átomos y moléculas individuales para construir dispositivos o productos a nanoescala con determinadas funciones según los deseos de las personas. Obviamente, la nanotecnología no es igual a la ciencia de los nanomateriales, que incluye la nanobiología, la nanoelectrónica, la nanomecánica y, por supuesto, la ciencia de los nanomateriales. Esta es una nueva área de investigación interdisciplinaria.

Cuarto, características de la nanotecnología

1. Deben tener al menos un tamaño comprendido entre 1 nanómetro y 100 nanómetros.

2. Su proceso de diseño debe reflejar la capacidad de manipulación microscópica, es decir, la capacidad de controlar fundamentalmente las propiedades físicas y químicas de las estructuras a escala molecular.

Se pueden combinar para formar estructuras más grandes y tienen excelentes propiedades eléctricas, químicas, mecánicas y ópticas.

5. Trazabilidad de la nanotecnología:

En la primavera de 1905, Einstein le escribió a su colega Konrad Habicht, revelándole que trabajaría en esto para realizar cuatro tareas durante el año, una de las cuales. es medir el verdadero tamaño de las moléculas. En su tesis doctoral presentada el 30 de abril, diseñó un nuevo método para medir el tamaño de las moléculas y estimó que el diámetro de una molécula de azúcar es de aproximadamente 1 nanómetro. Por primera vez, vinculó los nanómetros al tamaño molecular, demostrando la existencia de. moléculas. Éste es uno de los temas que atrajo gran atención en la comunidad física a principios del siglo XX.

En esta tesis doctoral, Einstein ideó un método para medir el tamaño de las moléculas utilizando la constante de Avogadro. Cuando Einstein entregó este artículo a su supervisor, el profesor Alfred Kleiner de la Universidad de Zurich, el profesor se negó a aceptarlo porque era demasiado breve. Einstein tuvo que agregar algunos párrafos antes de que se aprobara el artículo.

Einstein nunca imaginó que su tesis doctoral sería la fuente de la nanotecnología desarrollada un siglo después.

Verbos intransitivos Principales acontecimientos en el desarrollo de la nanotecnología

15 de abril de 1905: Einstein estimó en su tesis doctoral que el diámetro de una molécula de azúcar es de aproximadamente 1 nm.

1959: ¿el físico estadounidense Richard? Feynman predijo por primera vez el auge de la nanotecnología en su discurso titulado "El gran potencial para el desarrollo subyacente".

1982: Se introduce el microscopio de efecto túnel.

1984: el físico alemán H? El equipo del profesor Grant desarrolló con éxito un polvo de metal negro de tamaño nanométrico y nacieron los materiales nanosólidos.

1986: Binig y Basil inventaron el microscopio de efecto túnel y Luska compartió el Premio Nobel de Física de 1986.

1989: Eagle, un científico del Centro de Investigación Almaden de IBM, utilizó con éxito un microscopio de efecto túnel para mover los elementos de neón en la superficie del cristal de níquel, reorganizar un solo elemento y escribió "IBM" en el que 35 átomos de xenón están dispuestos "Tres letras.

1990: Se celebró en Estados Unidos el "Primer Simposio de Nanociencia y Tecnología". Esto marcó el nacimiento oficial de una disciplina emergente: la nanociencia y la tecnología, que vinculaba estrechamente la investigación teórica básica microscópica con la alta tecnología contemporánea. combinar.

199l: Akio Inajima, del Instituto de Investigación Tsukuba de Japón, descubrió los nanotubos de carbono, que son tubos de carbono doblados por átomos de carbono grafíticos. El diámetro oscila entre unos pocos nanómetros y decenas de nanómetros y el espesor de la pared es de sólo unos pocos. nanómetros.

1993: El Laboratorio de Física del Vacío de Beijing de la Academia de Ciencias de China manipuló átomos y escribió con éxito las palabras "100" y "China".

1996: Por el descubrimiento del C60, Cluto, Smalley y Cole ganaron el Premio Nobel de Química.

5 de junio-438 + octubre de 2000: Estados Unidos lanzó la Iniciativa Nacional Nano (NNI).

Agosto de 2000: Lucent Technologies informó en la revista británica Nature que se había fabricado una pinza a nanoescala con ADN. Científicos de la Universidad de Cornell en Estados Unidos han desarrollado el primer dispositivo médico diminuto del mundo que sólo puede verse con un microscopio: un nanohelicóptero que puede penetrar en las células humanas.

Junio ​​2006 5438+0: ¿Berkeley y Lawrence? Investigadores del Laboratorio Nacional Bocelli han creado el láser más pequeño del mundo: un nanoláser montado en un nanocables.

3 de julio de 2001: El "Foro Internacional de Alto Nivel sobre Nanomateriales y Seminario de Aplicación de Tecnología 2001" se inauguró en el Centro Internacional de Convenciones de Nanotecnología de Beijing atrajo la atención de los líderes centrales.

2001 11: Lucent Technologies fabricó el "nanotransistor" más pequeño del mundo a partir de una sola molécula orgánica.

2001 12.20: La revista estadounidense "Science" anunció los diez principales avances del mundo en 2001. Entre ellos, se han logrado muchos logros importantes en el campo de la nanotecnología, ubicándose entre los mejores.

5 de junio de 2002 a octubre de 2002: científicos chinos y alemanes tomaron la iniciativa en la manipulación libre de una única macromolécula biológica a escala nanométrica y escribieron "ADN" utilizando hebras de ADN, que se publicó en el primer número de la revista American Revista "Nano Communications" En la portada del número.

5-438 de junio de 2002 + 28 de octubre: Shanghai celebró el "Seminario de Desarrollo de Nanotecnología de Shanghai 2002", que describió las perspectivas futuras de la nanotecnología de Shanghai.

7. Resultados de la investigación de científicos chinos.

Bai Chunli es uno de los pioneros de la microscopía de efecto túnel en mi país y uno de los científicos influyentes y activos en la comunidad internacional STM. Utilizando esta nueva tecnología, ha realizado contribuciones destacadas en el estudio de estructuras superficiales de sólidos orgánicos y macromoléculas, y es un importante promotor del desarrollo de la nanotecnología en China.

Xie, del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China, tomó la iniciativa de realizar investigaciones sobre nanotubos de carbono en China e inventó un método para el crecimiento direccional de matrices de nanotubos de carbono. El trabajo sobre los nanotubos de carbono ultralargos se publicó en la revista "Nature" y el Financial Times lo informó como la aparición de los nanotubos de carbono largos, creando "los más largos del mundo con 3 mm", que es 1 más largo que los nanotubos de carbono existentes. 2 órdenes de magnitud, y fue calificado como uno de los diez principales avances en investigación básica de China en 1998.

La ductilidad superplástica de los nanometales descubierta por Luco en la Academia de Ciencias de China es la primera observación directa de que el nanocobre puede extenderse más de 50 veces a temperatura ambiente. Esta investigación fue aclamada como un gran avance en el campo de los materiales metálicos y fue nombrada una de las diez noticias científicas y tecnológicas más importantes de China en 2000.

El Instituto Zhang Lide de Física del Estado Sólido de la Academia de Ciencias de China ha desarrollado tecnologías avanzadas de vanguardia, como síntesis autoorganizada, síntesis de plantillas y crecimiento del borde interno de mesoporos, y ha sintetizado con éxito cables coaxiales a nanoescala. El núcleo está compuesto de carburo con un diámetro de sólo 10 nm, que puede utilizarse no sólo para la conexión de futuros dispositivos de alta densidad, sino también como componente de micromáquinas y robots.

Hua, China, pionera en nanoelectrónica. En el campo de la electrónica molecular y las computadoras moleculares, se han desarrollado tres materiales biestables electromecánicos orgánicos únicos que pueden usarse para crear interruptores lógicos moleculares. El tiempo de transición de estos materiales es extremadamente rápido y los cambios de conductancia antes y después del campo eléctrico pueden alcanzar 6,5438 ± 0 millones de veces. Mientras tanto, existen otras láminas, memorias y cables que se utilizan para fabricar dispositivos electrónicos. La investigación sobre estos nuevos materiales con dimensiones en torno a los 50 nanómetros está a la vanguardia mundial.

Por primera vez en el mundo, Fan Shoushan y la Universidad de Tsinghua utilizaron nanotubos de carbono para reaccionar con amoníaco de cultivos oxidados para preparar con éxito nanobarras semiconductoras de GaN unidimensionales con un diámetro de 30 a 40 nanómetros y una longitud. de 25 micras. Esto significa que el método de reacción espacialmente restringido de los nanotubos de carbono se puede utilizar para preparar nanoestructuras unidimensionales de más materiales. Los resultados de la investigación se publican en la revista Science. Nombrada una de las diez principales noticias de ciencia y tecnología en 1998.

Li Mingan, Instituto de Investigación Nuclear de Shanghai, Academia China de Ciencias, 1987, está comprometido con la investigación de la microscopía de sonda de barrido (STM/AFM). A principios de 1989, desarrolló de forma independiente un microscopio de efecto túnel (STM) de producción nacional que alcanzó el nivel avanzado internacional, cooperó con biólogos para llevar a cabo la aplicación de STM en la investigación de la estructura del ADN y presidió la visualización de la sonda de escaneo de ADN y ADN. Estructuras de complejos proteicos. Investigación en microcirugía. Es uno de los primeros promotores de la nanotecnología en China.

Hu Jun de la Universidad Jiao Tong de Shanghai y científicos estadounidenses observaron de forma independiente la estructura de doble hélice del ADN en 1989 y ocupó el primer lugar entre los diez principales descubrimientos científicos y tecnológicos en los Estados Unidos ese año. Durante mi visita a Estados Unidos, inventé el microscopio de poder dieléctrico de barrido (SPFM), estudié las propiedades nanométricas del agua y descubrí por primera vez un nuevo fenómeno natural llamado "hielo a temperatura ambiente". Se han publicado trabajos relacionados en Science y otras revistas. Al mismo tiempo, ha logrado resultados líderes a nivel internacional en la investigación sobre nanomanipulación de macromoléculas biológicas.

8. Nano y la Naturaleza

1 Mariposa

★Pregunta:

Dos físicos de la Universidad de Exeter, Reino Unido cuando estudian la Colores de las alas de una mariposa llamada Papilio, utilizamos instrumentos ópticos avanzados para observar y analizar estos colores, y descubrimos que las alas de esta mariposa eran originalmente amarillas y azules, pero ¿por qué parecen brillantes a simple vista? sobre verde brillante?

★Respuesta:

Resulta que las alas de esta mariposa cola de golondrina gigante están cubiertas de hoyos. Lo más extraño es que estos hoyos sólo se pueden medir en nanómetros, y estos hoyos. son El fondo es amarillo. Mire con más atención: se encuentra que estos pozos también forman una pendiente, pero la pendiente es azul. Cuando la gente lo observa a simple vista, el rayo de luz incide en el fondo del pozo y la luz reflejada desde el fondo del pozo es amarilla, mientras que la luz reflejada desde la pendiente del pozo es azul. Debido a que el hoyo es demasiado pequeño, los rayos de luz reflejados se mezclan y el ojo humano no puede distinguirlos, por lo que se considera verde.

★Aplicación:

Algunos países han aplicado esta nanoestructura a la tecnología antifalsificación de monedas y objetos de valor.

2. Hoja de loto

★Pregunta:

El loto que emerge del barro pero permanece sin mancha no se mojará sin importar el viento o la lluvia, incluso cada gota de agua que cae Todo despertó el hermoso ensueño de la gente. ¿Por qué las hojas de loto pueden permanecer tan limpias?

★Respuesta:

En la fotografía del microscopio electrónico de barrido de la hoja de loto, la estructura de la superficie es claramente visible, y esas nanoestructuras desiguales son la respuesta que estamos buscando. Hay muchos nanoporos en esta hoja de loto. Cuando gotas de agua o de aceite o incluso gotas de líquidos mezclados caen sobre esta interfaz, se formará una capa de película de aire de modo que ni el agua ni el aceite pueden invadir la superficie, lo que da como resultado un maravilloso fenómeno de hidrofobicidad y oleofobicidad.

★Aplicación:

Este es un nuevo tipo de tejido que puede permear el vapor de agua y evitar las gotas de agua. Se ha utilizado durante mucho tiempo en uniformes militares en ambientes cálidos y húmedos. En la Figura 1.3 (membrana microporosa de PTFE), las nanopartículas hidrofóbicas se mezclan dentro de las fibras del tejido.