纳米技术在微机械领域中的应用

作者：涟水无线电厂 唐苏亚

欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 摘要：纳米技术是近年发展起来的一门前沿、综合性交叉的新学科。文中概述了世界纳米技术的研究发展计划，简要介绍了纳米材料的制备方法，并给出了纳米技术在微机械领域中的应用。 关键词：纳米材料；纳米技术；微机械；纳米分子电动机 1纳米材料与技术 纳米是一种几何尺寸的量度单位，定义为1×10-9m，略等于45个原子排列起来的长度。纳米材料主要是指材料的几何尺寸在100nm之内、具有特殊性能的材料。纳米材料包括纳米颗粒材料、纳米晶材料和纳米复合材料。 纳米技术是指在纳米尺度（1～100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当一物质被分割至纳米尺度时，量子效应开始影响到物质的性能和结构。由纳米颗粒最终制成的材料与普通材料相比，在机械强度、光、声、热等方面的性能都产生极大的差异。纳米技术的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的这些特性制造出具有特定功能的产品。 2纳米技术的研究发展计划〔1〕 纳米技术的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举行。从此，一门崭新的科学技术—纳米技术正式诞生。 美国：美国国家先进技术研究部（DARPA）的几个计划里把纳米技术作为研究对象。1997年美国政府对该领域的基础研究的资助约为1．16亿美元。从1999年开始，美国政府决定把纳米技术研究列为21世纪前10年11个关键领域之一。2000年2月美国总统克林顿宣布联邦政府将以4．95亿美元优先实施新的“全美纳米科技计划（NNI）”，美国《商业周刊》将纳米技术列入21世纪可能取得重要突破的3个关键领域之一。目前，美国政府已将纳米技术应用于诸多商业化领域，如纳米结构合金、电子元件、微机械制造等。 德国：德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米的科技计划。目前，德国将要实行的两个最大的纳米计划，一是CESAR，该中心位于波恩，由州和联邦政府均摊5000万美元经费，其约1／3的研究是针对纳米科学的；二是位于卡尔斯鲁厄附近的新建的研究碳增强材料的研究所。从1998年开始，科研部拟在德国兴建5个具有竞争力的纳米技术中心，研究范围很广，涉及从分子结构到超精密生产的各个方面。该部还对纳米技术市场进行了预测，估计到2010年将达到1 440亿美元，应用远远超过计算机工业。 英国：英国工程和物理学研究委员会一直资助与纳米技术相关的材料学计划，1994～1999年共投入资金700万美元左右，约100万美元专用纳米粒子研究。 日本：日本近15年来制定了各种计划用于纳米技术的研究，纳米技术投资1．28亿美元，在纳米设备和强化纳米结构领域占很大优势，并早在1992年就开始了微型机械研究计划。主要目的是为能进入管道内进行检修的微型机械，能进入血管内进行检查和手术治疗的微型机器人，生产微型机械零部件的超小型工厂，以确定日本未来在纳米微型机械加工技术方面的领导地位。 法国：法国国家科研中心（CNRS）在约40个物理实验室和20个化学实验室中开展纳米粒子和纳米结构材料研究计划，研究费用约4 000万美元。 瑞士：瑞士联邦纳米研究项目每年投入经费高达6 000万瑞士法郎。料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及少数纳米技术的应用等方面。从20世纪90年代初起，我国就开始了纳米专利的申请，目前有关纳米材料的专利达几十个。科学技术部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门从“八五”、“九五”开始就设立了“攀登计划”项目和相关的重点重大项目，1999年科学技术部又启动了有关纳米材料的“国家重点基础研究”项目。我国通过这些项目对纳米科技领域资助的总经费大约相当于700万美元，与发达国家相比，投入经费相差很大。即便在这种经费十分短缺的情况下，我国的纳米技术研究仍十分活跃，约有5 000名研究人员致力于这一研究领域的研究工作。截止目前，我国已建立纳米材料和技术的生产线10多条，以纳米材料和纳米技术注册的公司近百个，企业家对纳米材料和技术的关注和介入，为纳米技术产业的形成注入新的活力。 3纳米材料的制备〔2〕 纳米材料的制备方法主要有液相法和气相法等。 3．1液相法 液相法制备纳米材料可分为反应沉淀法、溶胶－凝胶法二大类。 反应沉淀法的实质是在某种金属溶液中添加沉淀剂制成另一种盐或氢氧化物，之后热分解而得到该金属的氧化物。若使用两种金属的盐同时沉淀，可得复合的金属氧化物纳米粉，这种方法称为共沉淀法。共沉淀法生产的复合氧化物粉末纯度高，组分均匀。 溶胶－凝胶法是一种借肋于胶体分散体系的制粉方法。由于胶体粒径通常都在几十纳米以下，且十分稳定，可使多种金属离子均匀稳定地分布于其中。胶体经脱水后成为凝胶，从而获得活性极高的纳米粉。 3．2气相法 气相法包括气相反应合成（又称气相沉淀法、CVD法）、气相热分解法和蒸发－凝聚法等。根据不同的反应条件，采用气相化学反应合成法，可生成薄膜、晶须、晶粒颗粒和超细颗粒。气相热分解法可制取Ni粉和Fe粉以及化合物粉末。蒸发－凝聚法则是将原料用电弧或等离子流等加热至高温，使之气化，接着在电弧焰和等离子焰与冷却环境造成的较大温度梯度条件下急冷，凝聚成微粒状物料的方法。用这种方法制成的纳米粉末直径在5×10-8～10×10-8m之间。 4纳米技术在微机械领域中的应用 随着纳米技术应用途径的不断拓宽，微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为两种：一种是通过微加工和固态技术，不断将产品微型化；二是以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。 4．1采用微加工技术制造纳米机械 4．1．1微细加工 日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui型），可实现5轴控制，数控系统最小设定单位是1nm（10-3μm）。该机床设有编码器半闭环控制，还有激光全息式直线移动的全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于坐标轴移动0．2nm，编码器反馈单位为1／3nm，故跟踪误差在±1／3nm以内。直线分辨率为1nm，跟踪误差在±3nm以内。CNC装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服放大器，实现了微细加工。 4．1．2微型机器人 在工业制造领域，微型机器人可以适应精密微细操作，尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人，这种机器人的长度约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米制造技术使这种机器人的体积不断缩小，其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人，该机器人采用了5节闭式连杆机构，实现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25mm，水平方向100mm的拾取动作，所需时间缩短到0．28s。另外，通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了比以往机器人高10％的位置重复精度（±5nm），可适用于精密微细操作。 我国在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业大学研制的这种机器人，其操作精度达到了纳米级，可以应用于分子生物学基因操作，能够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。此外，天津大学在国家863高技术计划的支持下，也研制成功了微型操作机器人，可以用于对微米级的细胞、胚胎、染色体实施操作。中国农业科学院已利用这种机器人成功实行了对植物细胞染色体的切割操作，一些医学科研部门正在利用它进行转基因实验。 4．1．3微型电机 美国俄亥俄州克利夫西卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微型电动机，小到只能在显微镜下才能看得见的程度。德国汽车零件制造商博士公司正在研制纳米技术传感器，这种传感器将为人们提供关于汽车上每个车辆在三维空间中运动的精确信息。当微型传感器探测到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。 4．2采用自组装技术制造纳米机械 4．2．1生物器件 以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦思大学医学院生物分子信息小组，利用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜，这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。 4．2．2纳米分子电动机 美国IBM公司瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不及头发丝的五十分之一的硅原子构成的“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分开后，它们会力图重新组合。当研究人员将带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量的药物传送到身体的需要部位来达到治疗的目的。 5结语 纳米技术是近10多年来逐步发展起来的一门前沿、综合性交叉的新学科，它是现代科学（混沌物理、量子力学、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子技术、分析技术）相结合的产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工业革命。因此，目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米技术的研发进行大量的投入，试图抢占这21世纪科技战略制高点，从而在世界竞争中保持优势。最近，我国政府也明确提出了将新材料和纳米技术的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务，这为我国21世纪初纳米技术的快速发展奠定了重要基础。相信在21世纪，纳米产品将广泛应用于各个领域，它给人类生活方式和生活质量的全面提高所带来的影响将是巨大的。 参考文献： ［1］向春礼．纳米科技及其发展前景［J］．新材料产业，2001（4）：8－11． ［2］王新林．金属功能材料的几个最新发展动向［J］．新材料产业，2001（4）：19－24． ［3］万乃建．21世纪数控技术新面貌［J］．机械制造，2001，15（20：24－26． ［4］杨大智．智能材料与智能系统［M］．天津大学出版社，2000． ［5］贡长生，张克立．新型功能材料［M］．化学工业出版社，2001.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/29/2005)