神通廣大的納米材料-鄭州市第一〇二高級中學

·脾氣暴躁、易燃易爆的納米金屬顆粒
　　納米材料是納米科學技術(shù)最基本的組成部分。現(xiàn)在可以用物理、化學及生物學的方法制備出只包含幾百個或幾千個原子、分子的“顆?！?。這些“顆?！钡某叽缰挥袔讉€納米。如果按照一般的經(jīng)驗，原子與原子之間的距離為0．2納米左右?？梢怨烙嫵鲈诔叽鐬?納米的立方體“顆粒”中，“立方顆粒”的每一邊上只能排列5個原子，總體可容納125個原子，但是其中98個原子在表面上。眾所周知，表面上的原子只受到來自內(nèi)部一側(cè)的原子的作用。因此，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應(yīng)，也就是說十分活潑。實驗上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。有人認為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。另外，用納米金屬顆粒粉體作催化劑，可加快化學反應(yīng)過程，大大地提高化工合成的產(chǎn)率。

　　　　　
　　具有晶體管開關(guān)作用的芯片工作原理：當柵極上加以適當電壓時，關(guān)閉芯片電流中斷（見詳圖左）：當柵極開通時，電流流過中間的溝道（見詳圖右）。溝道越短開關(guān)時閏越短運行速度越快。

　　·材料世界中的大力士──納米金屬塊體
　　如果把金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結(jié)實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。人們幻想在下一個世紀，總有一大會制造出具有如此神奇性質(zhì)的納米鋼材和納米鋁材。用這種材料制造汽車、飛機或輪船，會使它們的重量減少到1／10?？梢韵胂?，一輛摩托車的重量會變成只有20－30公斤，一個女中學生會輕易地將它扛上樓去。

　　·剛?cè)岵募{米陶瓷
　　人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫奶债Y材料具有硬而脆的特點。硬是說它可以做刀具切削金屬，脆是說它耐不住沖擊，甚至一摔就碎。陶瓷的另一長處是耐高溫，在1000℃的高溫下也不變形。現(xiàn)在，用納米陶瓷粉制成的陶瓷已經(jīng)表現(xiàn)出一定的塑性，這個問題一巳被徹底解決，會在汽車發(fā)動機上大顯身手，徹底甩掉發(fā)動機的冷卻水套，使發(fā)動機工作在更高的溫度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。納米陶瓷粉體作為涂料的添加劑已得到廣泛的應(yīng)用，這些特種涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防塵和耐磨的性能?！　　ど谱冾伾募{米氧化物材料　　氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色眼鏡含有一種光敏鹵化物材料，但是變色的速度慢。用納米氧化物材料做成的變色鏡就不一樣了。用它做成士兵防護激光槍的眼鏡是再好不過了。還有將納米氧化物材料作成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩。

　　·法力無邊的半導體納米材料
　　半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能。這種技術(shù)一旦實現(xiàn)，太陽能汽車、太陽能住宅就會使人們居住的環(huán)境更加美麗，空氣更加清新。利用特種半導體納米材料使海水淡化在中東已得到應(yīng)用；半導體納米材料作成的各種傳感器，可靈敏的檢測出溫度、濕度和大氣成分的變化，在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護上已得到應(yīng)用。

　　·納米藥物和納米保健食品
　　把不容易被人體吸收的藥物或食品，如維生素等作成納米粉或納米粉的懸浮液極易被吸收。如果把納米藥物做成膏藥貼在患處，藥物可以通過皮膚直接被吸收，而無須注射，省去了注射的感染。

　　目前，納米材料在食品、化妝品、醫(yī)藥、印刷、造紙、電子、通訊、建筑及軍事等方面都得到越來越多的應(yīng)用。

被囚禁的電子和未來的電子學器件

　　把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個納米，會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，原來可以在費米動量以下連續(xù)地具有任意動量的電子狀態(tài)，變成只能具有某些動量值，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接的結(jié)果表現(xiàn)在，當在金屬顆粒的兩端加上電壓，電壓合適時，金屬顆粒導電；而電壓不合適時，金屬顆粒不導電。這樣一來，原本在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)就不再成立了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當金屬納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，金屬顆粒具有了負電性，它的庫侖力，足以排斥下一個電于從外電路進人金屬顆粒內(nèi)，切斷了電流的連續(xù)性，這使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控制的電子器件，所謂單電子器件。單電于器件的尺寸很小，一旦實現(xiàn)，把它們集成起來做成電腦芯片，電腦的容量和計算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是像人們所設(shè)想的那么簡單。起碼有兩個方面的問題向當前的科學技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。實際上，被囚禁的電子可不是那么“老實”，按照量子力學的規(guī)律，有時它可以穿過“監(jiān)獄”的“墻壁”逃逸出來，一方面在新一代芯片中似乎不用連線而相關(guān)聯(lián)在一起，當然，需要新的設(shè)計才能使單電子器件變成集成電路。另一方面也會使芯片的動作不可控制。歸根結(jié)底，在這一世界中電子應(yīng)被看成是“波”而不是一個粒子。所以盡管單電子器件已經(jīng)在實驗室用得以實現(xiàn)，但是真是要用在工業(yè)上，還需要假以時日。

1、大塊固體材料中的電子可以自由地在固體內(nèi)運動電子之間相互碰撞使它們的運動速度達到熱平衡。
2、在納米顆粒內(nèi)的電子數(shù)目大大地減少，所有的電子被囚禁在一個深勢阱內(nèi)，只能占據(jù)不同的能量狀態(tài)。3、庫侖阻塞現(xiàn)象：納米顆粒上有了一個電子后電子的庫侖力阻擋下一個電子。只有這一電子逃逸后下一個電子才能到納米顆粒上。

電子云的波

　　被限制在納米尺寸的電子被“墻壁”往復發(fā)射形成的波。