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sroc 2010-10-25

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納米技術主導第四次產業(yè)革命

發(fā)布時間：2003-1-6 文章出處：

　　有科學家認為，納米科學和工程最有可能在未來產生突破性成就，正像70年代微電子技術產生信息革命一樣，納米科學技術將成為下一世紀信息時代的核心。
　　納米（nanometer）是物理長度單位，用um表示，lnm等于10億分之一米，通常所說的納米尺度在1-100nm之間，納米微粒度必須用電子顯微鏡放大才能看見單個納米微粒的大小和形貌。
　　當物質被“粉碎”到納米級并制成納米材料后，在物理性能和化學性質上會發(fā)生巨變，如原本導電的銅，到廣納米級就不導電了；納米級陶瓷改變脆件，變得不怕摔，還可以彎曲。納米材料在光、電、熱、磁性等方面發(fā)生的變化及具有的吸收、催化、吸附等許多新特性，徹底改變了目前的產業(yè)結構。
　　從1959年美國物理學家費曼提出納米技術的基礎理論至今，這一新興技術已經被許多國家列為21世紀的關鍵技術之—。研究領域涉及納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征。
　　200O年納米技術對全世界GDP貢獻為4000億美元。美國前總統(tǒng)克林頓的科技顧問聶蘭于2002年3月發(fā)表講話時提到，2010年納米技術對美國GDP的貞獻將達到1萬億美元；而日本經濟團體聯(lián)合會預測，2010年納米技術在日本國內市場規(guī)模約達到27.3萬億日元，納米技術成為第四次產業(yè)革命的主導技術不容置疑。
　　納米技術引發(fā)全球關注
　　納米技術風波已沖擊各領域，實現(xiàn)成果現(xiàn)涉及環(huán)保、醫(yī)藥、生物、信息處理、航空與交通及傳統(tǒng)產業(yè)，并引發(fā)全球關注。
　　美國策略
　　美國1991年把納米技術列為“政府關鍵技術”及“2005年戰(zhàn)略技術”，2001年度聯(lián)邦預算的5億美元用于國家納米技術計劃，將“納米技術戰(zhàn)略”與“21世紀信息技術戰(zhàn)略”井列作為最優(yōu)先的研究開發(fā)重點領域。2002年投入6.79億美元，2003年預計投入達7.30億美元。
　　2000年，美國打破廣常規(guī)的做法，把過去個別部門對納米技術的支持進行集成，變成一個國家行為，并制定了“國家納米技術發(fā)展計劃”（NNI），核心是要加強聯(lián)邦政府對國家納米科技發(fā)展的引導與支持，并通過高等院校、產業(yè)界和國家實驗室這三大類渠道完成。
　　NNI計劃把長期的納米科學與工程基礎研究放在重要位置，通過基礎研究，建立對納米科學的基本認識，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新過程和新工具。重點研究領域為納米生物、納米結構與量子控制、納米元器件與系統(tǒng)結構、納米過程與環(huán)境及多現(xiàn)象模型與模擬，其次為納米應用技術與產品開發(fā)。
　　美國政府對納米科技的高度重視，尤其是NNI計劃的出臺，更加劇了全球納米科技競爭，輿論普遍認為，這是美國繼上個世紀在微電子技術領域獨領風騷之后，為下一次以納米科技為先導的工業(yè)革命中繼續(xù)占據科技制高點而來取的又一重要行動。
　　歐盟計劃
　　20O2年10月7日，歐盟委員會在布魯塞爾發(fā)表新聞公報提到，歐盟將于2003年建立納米技術工業(yè)平臺，推動納米技術在歐盟成員國的應用，使工程師、材料學家、醫(yī)療研究人員、生物學家、物理學家和化學家能夠協(xié)同作戰(zhàn)，把納米技術應用到信息技術、化妝品、化學物質和運輸領域，生產出更清潔、更安全、更持久和更“聰明”的產品，同時減少能源消耗和廢物。
　　歐盟計劃在ZOO3-20O6年期間投資7億歐元于納米技術的科研工作，通過建立納米技術工業(yè)平臺和增加納米技術研究投資，盡快趕上美國的水平。
　　亞洲發(fā)展
　　2001年，亞洲經濟比較發(fā)達的國家和地區(qū)紛紛制定了發(fā)展納米技術的計劃。
　　韓國投巨資發(fā)展納米顯示器件和納米材料，20O1年更和瑞典一同成為世界上對納米技術投入增長速度最快的國家；臺灣省投入了15O億臺幣大力發(fā)展納米材料和技術，特別結合IT產業(yè)需求的納米技術重點發(fā)展。
　　印度在2O世紀9O年代中期，大力發(fā)展軟件產業(yè)而獲得巨大成就，一躍成為世界上僅次于美國的軟件產業(yè)大國。最近，印度決定投巨資發(fā)展納米技術，聲稱“要像抓計算機軟件產業(yè)那樣大力發(fā)展納米技術”。
　　日本1991年開始實施為期10年、耗資2.25億美元的納米技術研究開發(fā)計劃，通產省決定從2O01年起實施為期7年的“材料納米技術計劃”，每年投資額為50億日元。
　　中國關注科技新熱點
　　全球納米技術開發(fā)和產業(yè)應用熱潮一浪高過一浪，中國在這個大趨勢下也不甘落后，已經將納米科技提高到戰(zhàn)略高度，不僅在“863”、“973”等計劃中有所體現(xiàn)，還設立了國家納米專項計劃，將納米科技轉變成造福于民的產業(yè)。
　　在2002年初，國家納米科技協(xié)調指導委員會成立，組織專家起草了中國納米科技發(fā)展綱要，提出要開展納米專項研究，建立技術平臺和核心實驗室，在全國布局納米技術工程示范中心，建立示范產業(yè)，并輻射相關產業(yè)。
　　科技部調研報告透露：截至2001年5月，全國共有323家納米企業(yè)，其中以“納米”字樣注冊的企業(yè)共57家，社會投入資會約3O億人民幣，全國納米生產線已經建成3O多條。
　　報告還顯示，目前已形成以北京、上海和深圳為中心的三大納米材料及納米技術產業(yè)帶，經濟實力雄厚的華東。華北和華南地區(qū)的納米材料占全國納米企業(yè)的8O％左右，納米材料的主要應用領域已涵蓋廣紡織、塑料、陶瓷、涂料、橡膠等。中國的納米產業(yè)已經進入了起步階段，具有良好的發(fā)展前景和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?
　　但是，無可否認納米技術在產業(yè)化過程中仍然面臨發(fā)展障礙，納米產業(yè)的產出效益并未隨著投資熱情的增長和更多資金投入而增加；一些企業(yè)打著納米品牌販賣“偽納米”產品，擾亂了市場秩序，也扼殺了“納米”的美好聲譽，重復轉讓和初級產品過剩也給納米產業(yè)化蒙上陰影。
　　從整體發(fā)展來看，中國的納米技術與國外相比還有較大差距，特別是缺乏自有核心技術，研究方面的論文數(shù)量雖然排行世界第二位，但申請專利的數(shù)量卻排在第25位以后。
　　中國大多數(shù)企業(yè)是生產型企業(yè)，科技產業(yè)化接口往往處于產業(yè)化鏈條中靠后的環(huán)節(jié)；而科研院所無力完成從實驗室成果到產業(yè)化的系統(tǒng)化工作，接口選擇靠前，科技轉化接口不暢，已成為納米技術產業(yè)化道路上的障礙。
　　中科院副院長、國家納米科技指導協(xié)調委員會首席科學家白春禮認為，我們現(xiàn)在還不能說納米時代已經來臨，人們對納米科技的關注是必要的，任何科技發(fā)展沒有國家、政府和企業(yè)的支持都發(fā)展不起來。
　在全球納米技術開發(fā)浪潮下，中國國家經貿委于20O2年中發(fā)布了《近期工業(yè)行業(yè)發(fā)展導向》，強調今后中國將加強納米材料應用開發(fā)，使中國成為世界納米生產大國和強國。
　　《近期工業(yè)行業(yè)發(fā)展導向》提出，中國將大力推動超重力技術在納米材料制備領域的應用，在繼續(xù)完善納米碳酸鈣工業(yè)化生產的同時，加快超重力技術在納米氫氧化鋁、納米氫氧化鎂、納米二氧化硅、納米碳酸鋇等產品的應用，擴大國內納米材料的應用領域和應用水平。
　　納米之于紡織
　　紡織業(yè)是納米技術的一個重要產業(yè)應用領域，由于納米微粒奇異的表面效應和體積效應，由此產生納米材料與常規(guī)材料不同的物理化學性質：抗紫外線、吸收可見光和紅外線、抗老化、高強度和韌性、良好的導電和靜電屏蔽效應、很強的抗菌除臭功能以及吸附能力等等。納米技術在紡織生產鏈的上、下游都取得了令人滿意的效果。
　　功能化纖維應用領域
　　將具有特殊功能的納米材料與紡織原料進行復合，便可制成各種功能纖維，具有殺菌、自清潔、阻燃和紅外線吸收等作用。
　　目前，在纖維業(yè)納米技術主要有兩大領域：一是納米纖維的研究。納米纖維是指纖維直徑小于10O納米的超微細纖維，這種纖維長度可達千米，能把納米世界和宏觀世界連接起來，理論上可以支持“納米機”排列，纖維越細，比表面積越大，過濾效果也更好；另一領域是將納米微粒直接加入到纖維中去，采用性能不同的納米微粒，開發(fā)抗菌、阻燃、防紫外、遠紅外、負離子、抗靜電、電磁屏蔽等各種功能性產品。
　　納米纖維的制備一類是用分子技術。如采用單管或多管納米碳管束的制備，從石墨的電弧化過程中陰極的沉積而制得單碳原子鏈纖維，也可由樣板碳化法得到。另一類是用紡絲法制得，如聚合物噴射靜電拉伸紡絲法、海島型多組分紡絲法和單螺桿混抽法，纖維直徑可達10-100納米之間。
　　將超細微粉在紡絲或聚合時加入到化學纖維中去，是開發(fā)功能性纖維的途徑之一，目前使用較多的添加材料有氧化鋅、氧化鋁、氧化鋯、氧化硅、氧化鈦、氧化鎂及含銀、銅等離子的微粒。
　　然而，納米技術及納十材料畢竟是一門新興技術，人們對各種微粒的性能還有待進一步深入了解。解決納來技術的三大難題：破碎、團聚、分散技術有待進一步提高。對于納米制成品的性能檢測、產品標難還有待進一步完善。
　　納米試劑
　　應用主要集中在抗菌、防臭方面，并在抗靜電、紅外、紫外光的吸收方面得到提升。
　　大多數(shù)有機抗菌、防臭劑存在著耐熱性差、易揮發(fā)、易分解產生有害物質，安全性較差等缺點，為此，以納米TiO₂為主的無機抗菌、防臭劑被廣泛應用于紡織纖維中。
　　納米TiO₂在紫外線照射下能自行分解出自由移動的帶負電的電子(e^-)和帶正電的空穴（h⁺），形成空穴——電子對，吸附溶解在TiO₂表面的氧俘獲電子形成O^-2，而空穴則將吸附在TiO₂表面的OH和H₂O，氧化成HO、生成的原子氧和氫氧自由基有很強的化學活性。特別是原子氧能與多數(shù)有機物反應（氧化），同時能與細菌內的有機物反應，生成CO₂。和H₂O,從而在短時間內就能殺死細菌，消除惡臭和油污。化纖的衣物和地毯由于靜電摩擦產生放電效應，同時易吸灰塵，給使用帶來諸多不便。一些操作平臺、船艙焊接等最怕因靜電產生火花而引起爆炸，納米微粒為解決化纖制品的靜電問題提供了一個新的途徑。
　　在化纖制品中加入少量的納米微粒，如將0.1-0.5％的納米TiO₂、Cr₂O₃，ZnO、Fe₂O₃。等具有半導體性質的粉體摻入到樹脂中，就會產生良好的靜電屏蔽性能，大大降低其靜電效應，制品的表面電阻值可達到10Ω，大大提高了它的安全系數(shù)。
　　太陽光對人體有傷害的紫外線主要在30O-400nm波段，最近研究表明。納米TiO₂、ZnO、SiO₂、Al₂O₂、Fe₂O₃和納米云母都有在這個波段吸收紫外線的特征。如果將少量納米微粒添加到化學纖維中，會產生紫外線吸收現(xiàn)象，有效地保護人體免受紫外線的損傷。
　　人體釋放的紅外線在4-16um的中紅外頻段，在戰(zhàn)場上如果不對這一頻段的紅外線進行屏蔽，就很容易被靈敏的中紅外探測器所發(fā)現(xiàn)。尤其在夜間人體安全將會受到威脅，因此研制具有對人體紅外線進行屏敝的衣服是很有必要的。
　　某些納米微粒如納米Al₂O₃、TiO₂、SiO₂和Fe₂O₃的復合份體與高分子纖維結合，對中紅外波段有很強的吸收性能及很好的屏蔽作用。另一重要特性是添加納米材料的纖維動人體紅外線有很強的吸收作用，可以增加保暖性，減輕衣服重量約30%。
　　美國FirsTex開發(fā)戶用于棉紡織品樹脂整理的Perfin系列的納米助劑、該助劑是一種有機化臺物，粒子在1-100nm之間，對環(huán)境友好，與其他化學品有很好的相容性，并可在現(xiàn)有的設備L應用，成本經濟。它用于棉織物的hMDHEU樹脂整理，可提高織物耐久壓燙整理的性能，與單用DMDHEU樹脂整理比較，強力損失可降低15％，并可減少游離甲醛。此外，它還具有其他附加功能。如吸臭功能等。該技術已獲得美國棉花公司的認可，并已申報了美國專利。
　　紡織器材拓寬應用
　　紡織器材在紡織領域中量大面廣，在經長期日夜生產運行后，需要更換磨損的零配件，才能使設備正常運行，確保紡織品的質量恒定。提高紡織器材的擋次和使用壽命一直是研究課題，也是紡織、化纖廠減少機物料消耗、延長機械裝備維修保養(yǎng)周期的希望。
　　納米技術的出現(xiàn)為這一希望提供了巨大的空間。目前上海已有專業(yè)單位生產制造納米級陶瓷的紡織器材，如納米陶瓷細紗機用鋼領、無梭織機上用剪刀、化纖紡絲機用導紗鉤等等。其中“納米陶瓷鋼領”的轉速已可達到35000轉/分，且溫升低、耐高溫、強度高、摩擦系數(shù)小，具有自潤滑性、耐磨損、低粗糙度；“納米陶瓷剪刀”則適應所有的工作環(huán)境，尤其在噴水、噴氣織機及空氣捻接器上使用，不卷刀、不磨損、不生銹。
　　紡織后整理
　　中國已經開發(fā)出一種納米材料技術，使油和水無法與材料的表面直接接觸。用這種技術生產的布料加工成的服裝不需要水洗，因而可以大大節(jié)約用水、減輕對水環(huán)境的污染。
　　經過這種技術處理過的紡織材料（棉、麻、絲、毛、絨、混紡、化纖等）不僅具有防水、油的功能，也防墨水、萊果汁、醬油等液體，紡織物還具有了殺菌、防輻射、防霉等特殊效果。
　　紡織材料用這種技術處理后，原有織物的纖維強度、染料親和性、耐洗滌性、透氣性、皮膚親和性、免燙性等性能保持不變。
　　這些技術將改變人們用洗滌劑洗衣的習慣，衣服基本不需要水洗，即使洗也只需要用水一種即可，可以大量節(jié)水，減少洗滌廢水排放對環(huán)境的污染。
　　到目前為止，紡織領域中制備的幾種納米材料及納米復合材料都表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，因此，有系統(tǒng)地研究和開發(fā)新型的納米材料和納米復合材料極具實際意義。
　　隨著納米粒子生產成本的降低、功能性納米粒子品種的增多，納米材料和納米復合材料將在紡織及其它工業(yè)中獲得廣泛的應用，前景遠大。(摘自《中國紡織及成衣》)

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