纳米科技将成为下一世纪信息时代核心
| 日期：05-03-21 15:23:21 编辑：亚洲纺织联盟网 |
有科学家认为，纳米科学和工程最有可能在未来产生突破性成就，正像70年代微电子技术产生信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。 纳米（nanometer）是物理长度单位，用nm表示，1nm等于10亿分之一米，通常所说的纳米尺度在1~100nm之间，纳米微粒度必须用电子显微镜放大才能看见单个纳米微粒的大小和形貌。 当物质被“粉碎”到纳米级并制成纳米材料后，在物理性能和化学性质上会发生巨变，如原本导电的铜，到了纳米级就不导电了；纳米级陶瓷改变脆性，变得不怕摔，还可以弯曲。纳米材料在光、电、热、磁性等方面发生的变化及具有的吸收、催化、吸附等许多新特性，彻底改变了目前的产业结构。 从1959年美国物理学家费曼提出纳米技术的基础理论至今，这一新兴技术已经被许多国家列为21世纪的关键技术之一。研究领域涉及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。 2000年纳米技术对全世界GDP的贡献为4000亿美元。美国前总统克林顿的科技顾问聂兰于2002年3月发表讲话时提到，2010年纳米技术对美国GDP的贡献将达到1万亿美元；而日本经济团体联合会预测，2010年纳米技术在日本国内巿场规模约达到27.3万亿日元，纳米技术成为第四次产业革命的主导技术不容置疑。纳米技术引发全球关注 纳米技术风波已冲击各领域，实现成果现涉及环保、医药、生物、信息处理、航空与交通及传统产业，并引发全球关注。美国策略 美国1991年把纳米技术列为“政府关键技术”及“2005年战略技术”，2001年度联邦预算的5亿美元用于国家纳米技术计划，将“纳米技术战略”与“21世纪信息技术战略”并列作为最优先的研究开发重点领域。2002年投入6.79亿美元，2003年预计投入达7.30亿美元。 2000年，美国打破了常规的做法，把过去个别部门对纳米技术的支持进行集成，变成一个国家行为，并制定了“国家纳米技术发展计划”（NNI），核心是要加强联邦政府对国家纳米科技发展的引导与支持，并通过高等院校、产业界和国家实验室这三大类渠道完成。 NNI计划把长期的纳米科学与工程基础研究放在重要位置，通过基础研究，建立对纳米科学的基本认识，发现新现象、新过程和新工具。重点研究领域为纳米生物、纳米结构与量子控制、纳米元器件与系统结构、纳米过程与环境及多现象模型与仿真，其次为纳米应用技术与产品开发。 美国政府对纳米科技的高度重视，尤其是NNI计划的出台，更加剧了全球纳米科技竞争，舆论普遍认为，这是美国继上个世纪在微电子技术领域独领风骚之后，为下一次以纳米科技为先导的工业革命中继续占据科技制高点而釆取的又一重要行动。欧盟计划 2002年10月7日，欧盟委员会在布鲁塞尔发表新闻公报提到，欧盟将于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用，使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学物质和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和废物。 欧盟计划在2003~2006年期间投资7亿欧元于纳米技术的科研工作，通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资，尽快赶上美国的水平。亚洲发展 2001年，亚洲经济比较发达的国家和地区纷纷制定了发展纳米技术的计划。 韩国投巨资发展纳米显示器件和纳米材料，2001年更和瑞典一同成为世界上对纳米技术投入增长速度最快的国家；台湾省投入了150亿台币大力发展纳米材料和技术，特别结合IT产业需求的纳米技术重点发展。 印度在20世纪90年代中期，大力发展软件产业而获得巨大成就，一跃成为世界上仅次于美国的软件产业大国。最近，印度决定投巨资发展纳米技术，声称“要像抓计算器软件产业那样大力发展纳米技术”。日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划，通产省决定从2001年起实施为期7年的“材料纳米技术计划”，每年投资额为50亿日元。中国关注科技新热点 全球纳米技术开发和产业应用热潮一浪高过一浪，中国在这个大趋势下也不甘落后，已经将纳米科技提高到战略高度，不仅在“863”、“973”等计划中有所体现，还设立了国家纳米专项计划，将纳米科技转变成造福于民的产业。 在2002年初，国家纳米科技协调指导委员会成立，组织专家起草了中国纳米科技发展纲要，提出要开展纳米专项研究，建立技术平台和核心实验室，在全国布局纳米技术工程示范中心，建立示范产业，并辐射相关产业。 科技部调研报告透露：截至2001年5月，全国共有323家纳米企业，其中以“纳米”字样注册的企业共57家，社会投入资金约30亿人民币，全国纳米生产线已经建成30多条。 报告还显示，目前已形成以北京、上海和深圳为中心的三大纳米材料及纳米技术产业带，经济实力雄厚的华东、华北和华南地区的纳米材料占全国纳米企业的80%左右，纳米材料的主要应用领域已涵盖了纺织、塑料、陶瓷、涂料、橡胶等。中国的纳米产业已经进入了起步阶段，具有良好的发展前景和巨大的发展潜力。 但是，无可否认纳米技术在产业化过程中仍然面临发展障碍，纳米产业的产出效益并未随着投资热情的增长和更多资金投入而增加；一些企业打着纳米品牌贩卖“伪纳米”产品，扰乱了巿场秩序，也扼杀了“纳米”的美好声誉，重复转让和初级产品过剩也给纳米产业化蒙上阴影。 从整体发展来看，中国的纳米技术与国外相比还有较大差距，特别是缺乏自有核心技术，研究方面的论文数量虽然排行世界第二位，但申请专利的数量却排在第25位以后。 中国大多数企业是生产型企业，科技产业化接口往往处于产业化链条中靠后的环节；而科研院所无力完成从实验室成果到产业化的系统化工作，接口选择靠前，科技转化接口不畅，已成为纳米技术产业化道路上的障碍。 中科院副院长、国家纳米科技指导协调委员会首席科学家白春礼认为，我们现在还不能说纳米时代已经来临，人们对纳米科技的关注是必要的，任何科技发展没有国家、政府和企业的支持都发展不起来。 在全球纳米技术开发浪潮下，中国国家经贸委于2002年中发布了《近期工业行业发展导向》，强调今后中国将加强纳米材料应用开发，使中国成为世界纳米生产大国和强国。 《近期工业行业发展导向》提出，中国将大力推动超重力技术在纳米材料制备领域的应用，在继续完善纳米碳酸钙工业化生产的同时，加快超重力技术在纳米氢氧化铝、纳米氢氧化镁、纳米二氧化硅、纳米碳酸钡等产品的应用，扩大国内纳米材料的应用领域和应用水平。纳米之于纺织 纺织业是纳米技术的一个重要产业应用领域，由于纳米微粒奇异的表面效应和体积效应，由此产生纳米材料与常规材料不同的物理化学性质：抗紫外线、吸收可见光和红外线、抗老化、高强度和韧性、良好的导电和静电屏蔽效应、很强的抗菌除臭功能以及吸附能力等等。纳米技术在纺织生产链的上、下游都取得了令人满意的效果。功能化纤维应用领域 将具有特殊功能的纳米材料与纺织原料进行复合，便可制成各种功能纤维，具有杀菌、自清洁、阻燃和红外线吸收等作用。 目前，在纤维业纳米技术主要有两大领域：一是纳米纤维的研究。纳米纤维是指纤维直径小于100纳米的超微细纤维，这种纤维长度可达千米，能把纳米世界和宏观世界连接起来，理论上可以支持“纳米机”排列，纤维越细，比表面积越大，过滤效果也更好；另一领域是将纳米微粒直接加入到纤维中去，釆用性能不同的纳米微粒，开发抗菌、阻燃、防紫外、远红外、负离子、抗静电、电磁屏蔽等各种功能性产品。 纳米纤维的制备一类是用分子技术。如釆用单管或多管纳米碳管束的制备，从石墨的电弧化过程中阴极的沉积而制得单碳原子链纤维，也可由样板碳化法得到。另一类是用纺丝法制得，如聚合物喷射静电拉伸纺丝法、海岛型多组分纺丝法和单螺杆混抽法，纤维直径可达10～100纳米之间。 将超细微粉在纺丝或聚合时加入到化学纤维中去，是开发功能性纤维的途径之一，目前使用较多的添加材料有氧化锌、氧化铝、氧化锆、氧化硅、氧化钛、氧化镁及含银、铜等离子的微粒。 然而，纳米技术及纳米材料毕竟是一门新兴技术，人们对各种微粒的性能还有待进一步深入了解。解决纳米技术的三大难题：破碎、团聚、分散技术有待进一步提高。对于纳米制成品的性能检测、产品标准还有待进一步完善。纳米试剂 应用主要集中在抗菌、防臭方面，并在抗静电、红外、紫外光的吸收方面得到提升。 大多数有机抗菌、防臭剂存在?耐热性差、易挥发、易分解产生有害物质，安全性较差等缺点，为此，以纳米TiO2为主的无机抗菌、防臭剂被广泛应用于纺织纤维中。 纳米TiO2在紫外线照射下能自行分解出自由移动的带负电的电子(e-)和带正电的空穴(h+)，形成空穴-电子对，吸附溶解在TiO2表面的氧俘获电子形成O-2，而空穴则将吸附在TiO2表面的OH和H2O，氧化成HO。生成的原子氧和氢氧自由基有很强的化学活性，特别是原子氧能与多数有机物反应(氧化)，同时能与细菌内的有机物反应，生成CO2和H2O，从而在短时间内就能杀死细菌，消除恶臭和油污。 化纤的衣物和地毯由于静电摩擦产生放电效应，同时易吸灰尘，给使用带来诸多不便。一些操作平台、船舱焊接等最怕因静电产生火花而引起爆炸，纳米微粒为解决化纤制品的静电问题提供了一个新的途径。 在化纤制品中加入少量的纳米微粒，如将0.1～0.5 %的纳米TiO2、Cr2O3、ZnO、Fe2O3等具有半导体性质的粉体掺入到树脂中，就会产生良好的静电屏蔽性能，大大降低其静电效应，制品的表面电阻值可达到10Ω，大大提高了它的安全系数。 太阳光对人体有伤害的紫外线主要在300～400 nm波段，最近研究表明，纳米TiO2、ZnO、SiO2、Al2O2、Fe2O3和纳米云母都有在这个波段吸收紫外线的特征。如果将少量纳米微粒添加到化学纤维中，会产生紫外线吸收现象，有效地保护人体免受紫外线的损伤。 人体释放的红外线在4～16 um的中红外频段，在战场上如果不对这一频段的红外线进行屏蔽，就很容易被灵敏的中红外探测器所发现，尤其在夜间人体安全将会受到威胁，因此研制具有对人体红外线进行屏敝的衣服是很有必要的。 某些纳米微粒如纳米Al2O3、TiO2、SiO2和Fe2O3的复合粉体与高分子纤维结合，对中红外波段有很强的吸收性能及很好的屏蔽作用。另一重要特性是添加纳米材料的纤维对人体红外线有很强的吸收作用，可以增加保暖性，减轻衣服重量约30 %。美国FirsTex开发了用于棉纺织品树脂整理的Perfin系列的纳米助剂。该助剂是一种有机化合物，粒子在1~100nm之间，对环境友好，与其它化学品有很好的兼容性，并可在现有的设备上应用，成本经济。它用于棉织物的DMDHEU树脂整理，可提高织物耐久压烫整理的性能，与单用DMDHEU树脂整理比较，强力损失可降低15%，并可减少游离甲醛。此外，它还具有其它附加功能，如吸臭功能等。该技术已获得美国棉花公司的认可，并已申报了美国专利。纺织器材拓宽应用 纺织器材在纺织领域中量大面广，在经长期日夜生产运行后，需要更换磨损的零配件，才能使设备正常运行，确保纺织品的质量恒定。提高纺织器材的挡次和使用寿命一直是研究课题，也是纺织、化纤厂减少机物料消耗、延长机械装备维修保养周期的希望。纳米技术的出现为这一希望提供了巨大的空间。目前上海已有专业单位生产制造纳米级陶瓷的纺织器材，如纳米陶瓷细纱机用钢领、无梭织机上用剪刀、化纤纺丝机用导纱钩等等。其中“纳米陶瓷钢领”的转速已可达到35000转/分，且温升低、耐高温、强度高、摩擦系数小，具有自润滑性、耐磨损、低粗糙度；“纳米陶瓷剪刀”则适应所有的工作环境，尤其在喷水、喷气织机及空气捻接器上使用，不卷刀、不磨损、不生锈。纺织后整理 中国已经开发出一种纳米材料技术，使油或水无法与材料的表面直接接触。用这种技术生产的布料加工成的服装不需要水洗，因而可以大大节约用水、减轻对水环境的污染。 经过这种技术处理过的纺织材料（棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等）不仅具有防水、油的功能，也防墨水、菜果汁、酱油等液体，纺织物还具有了杀菌、防辐射、防霉等特殊效果。 纺织材料用这种技术处理后，原有织物的纤维强度、染料亲和性、耐洗涤性、透气性、皮肤亲和性、免烫性等性能保持不变。 这些技术将改变人们用洗涤剂洗衣的习惯，衣服基本不需要水洗，即使洗也只需要用水一冲即可，可以大量节水，减少洗涤废水排放对环境的污染。纳米产品 伯林顿环球于2001年推出4种由Nano-Tex, LLC研制的纳米产品，分别是 nano-pel、nano-care、nano-dry和nano-touch。 Nano-Tex专门研发应用于各种工业的纳米技术，伯林顿工业持有该公司51%的股份。 纳米是一个极细的单位，一纳米等如1/10亿米。将纳米技术应用到纺织品上，相当于将一层分子结构附加在织物上，从而改善织物的外观和手感、赋予织物特殊的性能，却不破坏织物的内在结构。纳米技术的功能十分多元化，例如nano-touch是通过把每根人造纤维裹上一层以纳米技术制成的纤维素，使人造纤维的表面拥有棉布的柔软，同时保持人造纤维本身耐用的特性。” nano-pel的“pel”指repellent（抗污），即在人造纤维布料附加一层以纳米技术制成的分子结构，形成一层隐形的屏障，使水份或污渍不能渗透入织物。由于这层分子结构极为微细，使织物可保持透气和耐用的特性。nano-care与nano-pel的原理和功能相近，但nano-care加添了防皱的功能，并应用在棉布上。 nano-dry是应用于人造纤维，例如尼龙（nylon）和聚酯 （polyester），其原理是在每根人造纤维裹上一层nano-net网状结构，织物可以像天然纤维一般，把水份带到及散发在织物表面，加快蒸发速度，使织物保持干爽。 到目前为止，纺织领域中制备的几种纳米材料及纳米复合材料都表现出优良的性能，因此，有系统地研究和开发新型的纳米材料和纳米复合材料极具实际意义。 随着纳米粒子生产成本的降低、功能性纳米粒子品种的增多，纳米材料和纳米复合材料将在纺织及其它工业中获得广泛的应用，前景远大。
