人類(lèi)自從青銅器時(shí)代的中期以來(lái),就開(kāi)始使用一種銅、鐵或鋼制成的金屬細(xì)線。在形式和名稱(chēng)上納米線與之相似。除了金屬之外,納米線還可以由半金屬或純碳材質(zhì)通過(guò)合成在制造,而不是通過(guò)我們常見(jiàn)的拉伸固體原料來(lái)得到的。它們之間的主要區(qū)別在于尺寸:納米線只有幾微米長(zhǎng),直徑在5到100納米之間。人的頭發(fā)直徑為50,000納米,兩相對(duì)比,頭發(fā)就如圖一條粗大的船繩。
多功能和高性能的組成部分
這種長(zhǎng)結(jié)構(gòu)是在1990年代初期被發(fā)現(xiàn)的。研究人員和材料科學(xué)家很快意識(shí)到了這種長(zhǎng)度的材料的巨大潛力。比如這些微小的碎片被認(rèn)為在電子產(chǎn)品的微型化的進(jìn)程中特別有用,可以從微觀級(jí)提升到納米級(jí)。
納米世界的微小尺寸遵循著異于常規(guī)世界的物理定律。由于電子運(yùn)動(dòng)的速度更快,因此與傳統(tǒng)材料相比,納米線中的電流更易于控制,這是制造新型的微芯片或納米芯片的一個(gè)重要因素。在不遠(yuǎn)的將來(lái),納米線還可以被用于制造功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)和高精度的傳感器,這些都是未來(lái)的醫(yī)療診斷設(shè)備不可或缺。
光伏技術(shù)是一個(gè)非常有前途的應(yīng)用領(lǐng)域。傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電池可以吸收和轉(zhuǎn)換約60%的太陽(yáng)能,而并排封裝的納米線對(duì)太陽(yáng)能的吸收轉(zhuǎn)化效率超過(guò)90%。這種微型結(jié)構(gòu)也可以被用來(lái)聚集和發(fā)射光線,如果安裝在芯片上,就可以用作小型的半導(dǎo)體激光器。
真空泵為納米線創(chuàng)造純凈的生長(zhǎng)環(huán)境
為了彰顯其獨(dú)特性,納米線需要用到超純材料來(lái)生產(chǎn),必須杜絕任何的污染。因此必須借助于真空泵在超高真空下制造。
首先,各種原子或小分子在硅載體基板上發(fā)射。然后,半導(dǎo)體晶體將自組織向上生長(zhǎng),以形成期望的線性結(jié)構(gòu)。該工藝甚至可以用于制造用于特定用途的多層定制半導(dǎo)體納米線,每層都可以處理不同的任務(wù),并擴(kuò)展技術(shù)可能性。這項(xiàng)研究正在實(shí)驗(yàn)室火熱地進(jìn)行中。
經(jīng)典物理學(xué)的定律絕不像我們長(zhǎng)期想象的那樣普遍。當(dāng)研究人員深入到納米級(jí)的微觀世界時(shí),他們驚訝地發(fā)現(xiàn),物質(zhì)縮小到50納米時(shí)會(huì)越過(guò)臨界點(diǎn),若繼續(xù)縮小,物質(zhì)遵循的將是量子物理學(xué)定律。
由于納米顆粒的尺寸非常小,因此表面積比體積大得多。這些相對(duì)較大的表面使納米顆粒更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng),慣性力將失去作用,而表面力(如范德華力)的影響將增加,表面電荷和布朗運(yùn)動(dòng)等熱力學(xué)效應(yīng)也起著重要作用,顆粒越小,這類(lèi)效應(yīng)就越強(qiáng)。
這使得納米顆粒的光學(xué)、磁學(xué)和電學(xué)特性與大顆?;蚬腆w顆粒具有明顯的差異。例如,在納米世界中,黃金會(huì)發(fā)出紅色至深紅色的光澤;納米水滴可以保持穩(wěn)定達(dá)幾個(gè)小時(shí),甚至還可以懸浮在空氣中而不會(huì)揮發(fā);碳納米管具有極強(qiáng)的彈性和抗撕裂性,它們可以傳導(dǎo)熱量,并且可以根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)以最小的損耗傳導(dǎo)電流。
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