納米技術的例子和應用
背景——納米技術的特殊之處是什麼
納米技術最吸引人的一個方麵是納米工程和納米製造的規模非常小。考慮這個例子：第一個工作晶體管，由貝爾實驗室約翰·巴丁、Walter Brattain和威廉·肖克利在1947建造的，大約測量了1厘米。如今，邏輯晶體管的密度已經超過了驚人的每平方毫米1億個晶體管。這意味著貝爾實驗室的原始晶體管的相同表麵積現在可以包含超過100億個晶體管！
化學家和生物學家一直在研究天然納米顆粒。想想分子或病毒。毒理學家已經研究了現代人類生活中產生的納米顆粒，比如內燃機排氣中的碳顆粒。早在20世紀20年代，輪胎製造商就在不知不覺中使用納米顆粒（炭黑）來改善輪胎的性能。中世紀的藝術家（不知不覺地）用金納米顆粒來實現教堂窗戶的鮮紅色。你甚至可以說，我們被納米材料包圍，由納米材料構成——畢竟，原子和分子是納米級的物體。那麼，為什麼現在要對“nano”大驚小怪呢？
對小型化的不斷追求導致了原子力顯微鏡和掃描隧道顯微鏡等工具的出現。結合電子束光刻等精細工藝，這些儀器使研究人員能夠有意地操縱和製造納米結構；這是他們以前做不到的。
工程納米材料，無論是通過自上而下的方法（將大塊材料的尺寸減小到納米級模式）還是自下而上的方法（通過原子或分子構建或生長更大的結構），都不僅僅是微型化的進一步步驟。他們已經打破了一個尺寸障礙，在這個障礙之下，固體中電子的能量量子化變得有意義。
所謂的量子尺寸效應描述了粒子尺寸大大減小的固體中電子性質的物理現象。從宏觀到微觀，這種效應並沒有發揮作用。然而，當達到較低的納米尺寸範圍時，它就占主導地位。與宏觀尺度相比，縮小到納米尺度的材料會突然表現出截然不同的特性。例如，不透明物質變得透明（銅）；惰性材料成為催化劑（鉑）；穩定的材料變成可燃物（鋁）；固體在室溫下變成液體（金）；絕緣體變成導體（矽）。
納米尺度的第二個重要方麵是，納米顆粒越小，其相對表麵積越大。它的電子結構發生了巨大的變化。這兩種效應都會大大提高催化活性，但也會導致劇烈的化學反應。
納米技術為工程師和研究人員提供的迷人前景源於這些獨特的量子和表麵現象，物質在納米尺度上表現出來，使新材料和革命性應用成為可能。
令人驚訝的是，許多與納米技術相關的研究都受到了大自然設計的啟發。事實上，自然界充滿了複雜的納米級建築壯舉的例子。是否是結構性色彩；粘附；多孔強度；或者說細菌的導航和運動它們支撐著從細菌到漿果、黃蜂到鯨魚等多種生命形式的基本功能。
納米技術產品和應用示例
納米生物技術是納米技術在生物領域的應用。化學家、物理學家和生物學家都將納米技術視為各自學科的一個分支，他們共同參與的合作也很常見。一個結果是納米生物技術的混合領域，使用生物起始材料、生物設計原理或具有生物或醫學應用。
雖然生物技術涉及包括微生物在內的生物學科的代謝和其他生理過程，但與納米技術相結合，納米生物技術可以在開發和實施生命研究中的許多有用工具方麵發揮至關重要的作用。盡管納米材料與生物學的結合導致了診斷設備、對比劑、分析工具、治療和藥物載體的發展，但生物納米技術的研究仍處於起步階段。
納米電子學是指納米技術在電子元件中的應用。這些組件通常隻有幾納米大小。然而，電子元件越小，製造就越困難。
納米電子學涵蓋各種各樣的設備和材料，其共同特點是它們非常小，以至於物理效應會在納米尺度上改變材料的性質。原子間相互作用和量子力學性質在這些設備的工作中起著重要作用。在納米尺度上，新現象優先於宏觀世界中占主導地位的現象。隧道效應和原子無序等量子效應主導了這些納米器件的特性。
術語“納米塗層”指的是應用於表麵的納米級（即厚度為幾十到幾百納米）薄膜，用於創建或改善材料的功能，如防腐、防水和防冰、減摩、防汙和抗菌性能、自清潔、，耐熱性和抗輻射性，以及熱管理。
納米塗層在航空航天、國防、醫療、海洋和石油行業的應用中具有顯著的優勢，促使製造商將多功能塗層納入其產品中。
不粘納米塗料的一個主要領域是消費品行業。你有沒有因為瓶子裏剩下的番茄醬而沮喪過？不要了！納米塗層不會留下任何廢物：
納米等離子體電子學研究的重點是金屬表麵納米尺度附近的光學現象。在納米等離子體技術中，研究人員通過將自由光子轉化為貴金屬納米結構上的局部電荷密度振蕩（所謂的表麵等離子體），將納米級光聚焦在衍射極限以下（通常是用於觀察樣本的光波長的一半），作為無線電天線的納米級模擬物，通常使用天線理論概念進行設計。
納米傳感器一詞的定義並不明確。大多數定義是指至少一個尺寸小於100納米的傳感裝置，用於收集納米級信息並將其轉換為數據進行分析。
納米傳感器不一定要縮小到納米級，但可以是更大的設備，利用納米材料的獨特特性在納米級檢測和測量事件。例如，在銀或金等貴金屬中，尺寸小於電子德布羅意波長的納米結構會在可見光/近紫外區域產生強烈的吸收，而這在大塊材料的光譜中是不存在的。
納米傳感器已被開發用於檢測氣體、化學和生化變量，以及物理變量和電磁輻射。
如果你想知道納米技術將把我們帶向何方，那就看看納米技術在功能性食品領域的潛在應用吧，通過將生物分子工程化，使其具有與自然界截然不同的功能，開辟了一個全新的研發領域。當然，食品技術專家準備對我們的食品做的事情似乎沒有限製，納米技術將為他們提供一套全新的工具，讓他們走向新的極端。
納米技術為快速、靈敏、可靠和簡單地分離和檢測大腸杆菌和其他病原體提供了替代傳感器平台的機會。基於納米技術的檢測技術包括使用量子點的發光檢測；金屬納米粒子的局域表麵等離子體共振；熒光增強；染料固定化納米顆粒；或者拉曼報告分子固定的金屬納米顆粒。
納米技術有可能提高所有行業的能源效率，並通過新的技術解決方案和優化的生產技術經濟地利用可再生能源生產。納米技術創新可能會影響能源部門增值鏈的每個部分：能源；能量轉換；能量分布；儲能；以及能源使用。
石墨烯已被證明適用於不同類型的電池——氧化還原液、金屬空氣、鋰硫、鋰金屬，更重要的是，鋰離子電池。由於石墨烯可以被化學處理成各種形式，適用於正極和負極，這使得製造具有超高能量密度的所有石墨烯電池成為可能。
在不久的將來，在家具中使用納米材料可能會減少對粘合劑和功能性紡織品的需求。期待看到“智能”家具——在寒冷時自動加熱的家具；當陽光強烈照射時變得不透明；根據需要改變顏色；測量核心身體功能；具有在接觸時被激活的抗菌塗層或自愈塗層，以修複劃痕和輕微損傷；有嵌入式電子設備，例如，當你用完食物時，它會向你發出信號；或者包括改變形狀的形狀記憶合金。
納米技術將在未來的太空任務中發揮重要作用。納米傳感器、大幅改進的高性能材料或高效推進係統隻是幾個例子。
納米技術和納米材料的應用可以在許多化妝品產品中找到，包括潤膚霜、護發產品、化妝品和防曬霜。
汽車行業是材料技術的主要消費者，納米技術有望顯著提高現有技術的性能。應用範圍從現有的油漆質量、燃料電池、電池、耐磨輪胎、更輕但更堅固的材料、窗戶和鏡子的超薄防眩光層到未來的能量收集車身、完全自我修複的油漆、可切換的顏色、變形的皮膚。
水泥基材料的納米工程可以產生卓越或智能的性能。在水泥行業引入納米技術有可能解決一些挑戰，如CO2.排放、抗裂性差、固化時間長、抗拉強度低、吸水率高、延展性低等許多力學性能。
下麵的視頻展示了研究人員如何使用納米矽來加固混凝土：
納米技術在建築行業具有重大影響。已經為這一特定行業開發了若幹應用程序，以提高建築構件的耐用性和性能，提高建築的能效和安全性，方便維護，並提供更高的生活舒適度。
顯示技術可分為三大技術領域；有機LED、電子紙和其他用於顯示靜態圖像的設備，以及場發射顯示器。納米材料和納米製造技術在所有這些方麵都發揮了作用。
納米醫學是
1） 利用工程納米設備和納米結構，從分子水平對所有人類生物係統進行全麵監測、控製、建設、修複、防禦和改進；
2） 利用分子工具和人體分子知識診斷、治療和預防疾病和創傷、緩解疼痛、保持和改善人類健康的科學和技術；
3） 利用分子機器係統解決醫學問題，利用分子知識在分子水平上維持和改善人類健康。
納米技術產品、工藝和應用有望通過節約原材料、能源和水以及減少溫室氣體和危險廢物，為環境和氣候保護做出重大貢獻。因此，使用納米材料可以帶來一定的環境效益和可持續性效應。
在運動設備領域，納米技術提供了許多優勢和巨大潛力，可以改善運動設備，使運動員比以往任何時候都更安全、舒適和靈活。棒球棒、網球和羽毛球球拍、曲棍球棒、賽車、高爾夫球/球杆、滑雪板、飛釣魚杆、射箭等是一些運動設備，其性能和耐用性正在納米技術的幫助下得到改善。
納米技術在運動器材方麵的優勢。（圖片：Wikimedia Commons）
我們還編製了一份納米技術常見問題解答-常見問題列表供您瀏覽。