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纳米科学与技术范文1
关键词：《纳米技术的基础和应用》讲义;CAI课件;教学效果
中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）19-0140-02
一、《纳米技术的基础和应用》课程的现状
纳米技术的发展依靠的是人才的发展，纳米科技人才是纳米技术发展的根本保证。我国一直以来十分重视对纳米科技方面人才的培养。《国家纳米科技发展纲要（2001―2010年）》中明确地提出：要从学校的教育抓起，要重视纳米科技的相关学科建设，择优设立有关于纳米科技的专业，同时在物理、化学、生物、机械、电子学、计算机科学等专业内部，设置有关纳米科技的新课程，重视和保障我国纳米科技的可持续发展。目前，纳米技术的相关教学工作十分活跃，国内许多高校都开设了与纳米技术相关的公共选修课或者专业选修课。在材料类本科专业中，开设有“纳米材料与技术”、“纳米材料”课程，这是当前材料科学领域中重要的专业课程。为弥补专业课程的不足和提供学生自主学习的机会，不少高校还在化学工程与工艺、应用化学、制药工程等专业中开设了“纳米科技导论”选修课程，受到学生的普遍欢迎。
为了让对纳米科技有兴趣的学生了解和认识纳米科技的基本知识、基本概念、基本方法及其应用，我们在桂林电子科技大学大学一年级新生中开设了“纳米技术的基础和应用”通识教育选修课程。这门选修课程推出后，立即受到了广大学生的欢迎，选修本门课的学生人数达到了200人，且仍有相当部分的学生由于受到选课人数的限制未能选上这门课程。实践表明，学生选修“纳米技术的基础和应用”课程的兴趣主要源于对新兴纳米科技知识的求知欲望。目前，在我国的高等院校开设的纳米技术相关课程中，大部分是偏向纳米材料的内容，这些纳米材料类课程一般是作为高年级专业主干课或专业选修课开设。这类课程的开设，一般要求选修的学生具有一定的材料、化学、生物等相关专业知识。对于我校大一新生来说，目前的相关教材和教学内容显然过于深奥。在教学实践过程中，经常有学生发出这样的疑问：“纳米技术这门课这么深奥，我们该如何学呢？以后工作中能用到吗？”
综上所述，我们必须对“纳米技术的基础和应用”这门课程的教学内容、教学模式和教学方法等进行改革。根据教育部“关于推进高等教育面向新世纪教学内容和课程体系改革计划实施工作的若干意见”的指示精神，结合办学定位和人才培养目标，面向大一新生这类特殊的教学对象，本文在《纳米技术的基础和应用》课程中探索了一条切实有效的教学改革之路。
二、新的教学模式和方法在《纳米技术的基础和应用》课程中的应用
（一）教学模式改革的目的
在“纳米技术的基础和应用”课程教学中，结合该课程理论和实践性强的特点，对教学过程中教学要求、教学内容、教学方法、教材建设和考核方法等多个环节进行改革，推动“纳米技术的基础和应用”课程的建设，为将来从事与纳米科技研究及产业相关工作的本科生提供必要的知识准备，以便能快速进入相关领域，满足社会之需求。并力图培养学生的科学思维和创新能力，为培养高层次、综合性、有创新意识和能力的人才奠定基础。
（二）新的教学模式和方法
1.编制新的讲义。目前可供高校教师上课选择的有关纳米技术的相关教材较少，且绝大部分是专业性较强的专业教材。在以往的教学实践中，使用类似的教材，大一学生常常感到接受起来比较困难，影响了教学效果和学生的积极性。因此，有必要针对大一新生，查阅国内外大量与本课程相关的资料，旁征博引，编写纳米技术的相关讲义。该讲义既要比较全面地介绍纳米技术的相关基本概念、理论和应用，又要把握专业深度，体现出专业性和科普性的结合。主要包括：纳米技术概述、扫描隧道显微镜和原子力显微镜、纳米材料、纳米生物与医学技术、纳米机械、纳米电子学等内容。纳米科技的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又与应用密不可分。对于大一新生，在有限的学时内，不可能把纳米技术的方方面面都做个系统讲授，比较可行的做法是将本学科领域最近发生的重要事件纳入讲义，并将这些事件产生的巨大影响加以阐述，让学生真切感受到知识的实用性与社会效应，提高学生的学习积极性，这就对教师的专业综合素质提出了较高的要求。结合大一新生专业基础知识较弱同时对前沿科技比较感兴趣的特点，我们在现有教材的基础上编制了新的讲义，注重趣味性、通俗性、易懂性，提高了对学生的吸引力。
2.CAI课件研制。“纳米技术的基础和应用”课程涵盖面较广、信息量教大，单一的板书教学手段不易满足该课程的教学需要。将现代化多媒体技术应用于课堂教学，利用视听说等手段向学生提供声、像、图、文等综合信息，有利于学生集中注意力。纳米技术的许多知识是微观领域的，单靠语言和文字描述，学生难以理解。通过多媒体技术进行动画模拟，可以使微观知识宏观化，变抽象为具体。因此，必须系统开发研制“纳米技术的基础和应用”课程CAI课件，该课件以科学研究前沿课题形式体现纳米技术领域的最新研究成果，尤其是国内外高校和公司中纳米技术应用的具体实例，激发学生的学习和研究热情。
在新的讲义基础上，为了达到好的教学效果，我们研制了高质量的CAI课件。对于纳米尺度相关问题的研究，采用图像、视频、动画等形式，这就比单纯的文字说明更加具有感染力，也更利于学生接受，有利于调动学生的学习积极性。
3.依托科研项目，实现多种教学手段。目前，依托多媒体等现代化的教学设备，已经实现了板书向PPT教学的转化，但在教学内容上，比较偏重理论，教学手段和教学方法比较单一。《纳米技术的基础和应用》课程对于大一新生来说，属于内容比较陌生，概念抽象，较难理解的课程。如果还是采用传统的课堂教学手段，往往使学生产生畏难情绪，影响课堂效果。针对这种情况，我们采取了依托科研项目，将教材内容和科研项目中相关联的内容联系起来，实现两者的有机结合。具体表现为：在教学内容上，首先讲解基本的知识点和相关概念，用浅显易懂的语言表达出来，让学生容易接受，接着引入科研项目中相关的例子，将课堂讲解的内容在科研项目中的应用进行阐述，便于学生有更切实的直观体验;在教具的准备上，如果条件允许，将科研项目中相关的原理样机、视频、图像等在课堂上进行展示，和教学内容相结合，可以引起学生极大的兴趣和参与感。例如，在《纳米技术的基础和应用》课程中，通过展示微流控芯片的原理样机，启发学生思考芯片的设计和加工流程。通过展示胶囊内窥镜、纳米机器人等最新科研成果，激发学生的科研兴趣和学习热情。另外，通过科研项目，邀请有合作研究的企业技术人员、其他高校合作研究人员等以讲座、培训等形式实现多元化的教学模式，丰富教学方法和教学手段。
4.在教学中发掘出科研前沿新课题。通识教育选修课程的教学目标主要是扩充大学生的知识面，注重知识点的“广度”而非“深度”，因此，应具备科普性、前沿性、实用性与趣味性的特点要求。与此相对应的教学形式和教学方法上也和其他的课程有所区别。在教学形式上，以专题形式展开教学。针对学生所关注的问题，开设各相关专题，例如纳米机器人、生物分子马达、隐形飞机表面的纳米涂层、纳米生物芯片等，来充实教学内容。实施讨论式、启发式的教学方法，激发学生的潜能。比如提出问题：“月亮和地球之间的天梯如何实现？”来引出纳米材料的独特优势;从学生熟悉的例子入手，比如媒体上炒的很热的纳米冰箱、纳米保暖内衣等，引出纳米技术的真正定义。采用多媒体教学手段，不断改善教学质量和效果。
纳米技术是目前国家大力支持的发展项目，各项科研资金投入较大。所以，如何通过教研相长，将教学研究作为科学研究的创新源，从教学中发掘出科研前沿新课题和新领域，是一个值得深入研究的问题，通过为学生进行科学讲座，积极倡导科学精神和创新精神指导学生进行探究性学习，集思广益，提炼出科研前沿课题，同时挖掘学生创造性思维潜力，提高分析和解决工程问题的能力。
三、总结
通过以上新的教学模式和方法在《纳米技术的基础和应用》课堂教学中的应用，有效地提高了课堂教学效果，达到了预期的教学目的。
参考文献：
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[2]姜忠义，成国祥.纳米生物技术[M].北京：化学工业出版社，2003.
[3]李素敏，赵玉涛.关于专业选修课《纳米材料》课程的思考[J]考试周刊，2011，（27）.
纳米科学与技术范文2
摘要：纳米技术为人类带来的便利：纳米技术的发展，不仅可以在治理环境污染方面起到很好的作用，对于有害气体，污水处理，而且对于磁辐射，废弃物等治理方面起到了很大的作用，但是随着纳米技术的逐步发展，人类一味的对技术产生依赖心理，在这种情况下我们要用自己的判断力，增加自己的基本素养，具备独立思维的能力，合理的运用科技的发展为人类服务。
关键词：纳米技术 污水处理 依赖技术 基本素养
中图分类号：N031 文献标识码：A 文章编号：1006-026X（2013）10-0000-02
1.纳米技术的定义
纳米技术是一种创新的技术，它在非常小的范围之内之内，来进行对原子，分子的研究，并利用其来进行发展和创新的一门技术，纳米机器人，纳米马桶，人类通过电子显微镜看到的微观的人体细胞，病毒等等。利用纳米技术制作的材料又与我们经常使用的材料有很大的区别，它发展了吸附等的一系列功能。那么这种新型材料的出现，也将会利用到人类生活的各个方面，带来了技术创新。
2.纳米技术为人类带来的便利
纳米技术的发展为科学技术的发展带动了新的改革，纳米技术的发展也推动了医学、艺术等方面的发展。医学中产生了光学传感设备，对于骨质修复作用产生了重要的作用，同时纳米技术在药物输送方面产生了重要作用，纳米技术在艺术层面也产生了重要的影响，纳米画等作品。纳米技术不仅从技术层面关心人类，而且从人的综合状态中予以提升。
2.1 纳米技术带来了科技层面的改革
例如，纳米技术制作的微型器械，按照人类的操作任意运动，将微小的颗粒，划分成原子或者分子，再按照自己的想法任意拼接，这些器械不仅可以按照人类的想法任意工作，而且具有自我还原的能力。纳米材料是一种新型的材料，这也体现了从认识―实践―认识的客观规律。人类之所以能制作出纳米仪器，利用纳米材料的主要原因是人类对于纳米世界认识的比较深入全面，然后再利用纳米材料制作出纳米设备，这也是令一个再认识―实践―认识的过程，推动了从不断认识到实践的过程，体现出了发展是靠不断运动的哲学道理。
2.2 纳米技术体现了物质和意识的关系
物质决定意识，意识对物质有反作用。人类推动了纳米材料的发展，最主要的原因在于人类对纳米世界有了非常客观的认识，了解了它的运动发展规律，通过人类对于纳米世界的学习和研究，来创造出纳米材料，而这种材料的创造体现了物质决定意识，意识对物质起到了发作用。
2.3 纳米技术同时体现了由量变到质变的一个过程
物质的质变有两种来源，一种形式是量变达到一定程度就会产生质变，质变的另一种形式就是在总量不变的前提下，内部组织自己行的排列与组合，从而产生质变，纳米技术一方面是利用纳米结构的特点而生产的一种纳米材料，另一种就是利用原子，分子中间的距离变化，重新组合，而产生的质变生产的纳米材料，这就体现了由量变到质变的过程，
2.4 纳米技术加强了人们对于排列结构的认识
原子，或分子之间的距离，位置不同就会形成新的不同的物质，纳米技术也就是利用了这一特点，而形成的技术。纳米技术完成了从生物到非生物的跨越，在医学上生产出新的微型仪器，置放在人体中代替，或者弥补人体某些部分脏器的功能，通过改变人体细胞的组织结构，利用纳米技术孕育出新的生命，
3.纳米技术带来的消极影响
纳米就会造成人类社会的危害，人类的想象和发明没有边界，纳米技术的产生就是对原子分子进行重新的排列组合，在这种非常方便的状况下，纳米技术也会生产出任何东西，这是一件可怕的事情，在这种没有节制的的状态下，纳米技术就像病毒一样无限蔓延开来，可以想象一下，我们周围到处存在着纳米仪器，有有利于人类发展的仪器设备，医药用品，也有限制人类发展的纳米病毒，学生利用纳米仪器来应付考试，小偷利用纳米仪器进行偷窃，人人都有纳米设备防身，这是一件多么可怕的事情。
人类如果过度依赖技术，就会将人类和技术之间的关系发生改变，不是技术为人类服务，而是人类对技术的崇拜，人的思想会随着发生改变，产生混乱和偏执，基本理论的缺失。
技术会导致人缺乏用自己的思维，一味的对技术产生依赖心理。有些观点认为纳米技术可以解决任何问题，此观点认为，所有的物质存在方式都是按照自己的规律存在的，万事万物的存在都有自己的规则，相互之间也有自己的的特点，遵循着某种法则，依照纳米技术的原理，人类社会的存在方式也可以任意组合，相互之间可以打乱，再进行新的排列组合，有的观点认为，人的思维，与任何一种社会存在进行排列组合，所有的存在都可以依照纳米技术的存在方式来进行发展，有机界和无机界，非生物和生物，任何物种都可以排列组合，有些组合还没有实现，得依据纳米技术的发展状况，需要进一步学习研究。更有甚者认为人的思维是由大脑控制的，为了改变人的思维方式完全可以像纳米技术那样，将人的大脑细胞与大脑结构重新进行排列组合，这种思想是非常可怕的。
依照这种推论，我们要想让刚种的树苗，瞬间长大，完全可以改变它内部细胞生长结构，要想让刚出生的婴儿长大，改变他的细胞排列结构，要想让养的家禽快速长大，只要改变体内细胞的排列结构，这是一件多么可怕的事情，况且这种言论还没有成立，纳米技术的无限制发展就会对人类社会带来危害，使人的思维发生错乱，
这也是一种拜物的想法，一味的抬高技术的发展，而降低了人的主观能动性，人服务于技术，技术是最高的物质，失去了人在社会中的主导地位，虽然这样的想法没有办法去证明它的合理性，但也很难证明它的不合理性，但是能够确定的是，如果按照这种状况发展下去，人类社会的发展将会被阻挠。
4.面对纳米技术的优劣是该如何解决
根据纳米技术的发展而产生的一些消极理论，我们必须做一些考虑，针对性的提出一些意见，来限制其肆意发展。阻止其危害人类社会。纳米技术的发展一方面促进了人类社会的发展，为人类的医学，艺术，技术各个方面提供了积极地影响，而另一方面纳米技术的肆意发展又导致了人的异化，对人类社会的发展产生了阻碍，这种现象也是不可避免的，事物的发展总是存在这两面的，如果利大于弊，它就是正面的，可继续发展的，如果弊大于利，就要引起人们的反思，那么从纳米技术的发展状况来看，它更多地是造福人类，但是在它为人类带来方便的同时又对社会的发展产生了阻碍。对于这一利大于弊的现状，针对于它的利弊我们一方面要改变人的观念发扬正面的力量；另一方面，应该采取一些相关的政策措施，针对性的阻碍它的负面影响。
4.1 改变人们的观念发扬正面力量
在科技不断发展的今天，从人的本身开始，从知识文化层面，提高人本身的素养，对科学技术重新认识，树立科学的文化精神。只有这样，当新的的技术出现时，就不会出现违背科学文化而出现的不合于人的伦理道德的事情，人类尊重科学知识，但不盲目崇拜，对科学技术的态度，要合理保护。只有这种科学知识观念扎根在人的脑海中，任何消极的观念都不会滋生，另一方面，科学技术的发展的最要的目的，是以为人类共同利益而服务的，我们应该分出什么任务是共同的，这就需要对人类自身修养的提高与丰富，当面对共同利益时，联合起来，共同发展，当科学技术不符合人的共同利益时，人的自我修养自我意识，就可以提醒自己，科学技术的发展危害到人的共同利益时，要知道杜绝其发展，人的思想也是一步一步完善起来的，科学技术也在发展的阶段，虽然人类很难预测科技发展的后果，但由于人类有基本的科学素养，基本的科学文化，人类在面临科学发展的时候，最基本要做到的是科学技术的发展要与人类社会的发展，相互协调。
科学技术是一种被人类用来创造的东西，是人类达到某种目的的手段或者媒介，是人类可以掌控的东西，在这个时候就对创造者有要求，创作发明者本着为人类共同利益的原则，选择性的发展科学技术哲学，纳米技术也一样，当它符合人的共同利益的时候我们大力发展，当它没有边界肆意发展，为社会的发展总成阻碍，危害人类的共同利益，违反公共道德，反人类的基本素养，创造者就要摒弃它，限制其发展，当然在不同的年代，各个国家对于科学技术发展，纳米技术的发展的衡量标准是不一样的，在这个时候，首先纳米技术的发展要符合当时，符合国家的需求，符合人们的共同利益，不能超越人类的道德底线，不同年代，不同国家的国情，科学技术的发展，要和当时国家的人们素质，国庆的发展相互协调，整体性推动人类发展的历史进程。始终不能违反人类的共同需求，和人性发展的基本素质的本质要求。
4.2 纳米技术的发展应从政治、教育、法律等方面来约束和规范
从政治方面国家应该出抬相应的政策引导纳米技术的发展朝向符合国家利益，人民根本利益的方向发展，明确规定杜绝哪些科学技术的发展。最大化的实现人民根本利益的。要杜绝不良技术的发展滋生，不仅仅要依靠政策的导向，严重的情节要依靠法律的武器，彻底消灭不符合人类发展规律的科技发展，有些人为了自己私利，不顾人类发展的根本利益，利用科学技术，发展生产一些危害人类的利益，危害社会健康的一些科技，在这种情况之下，国家的法律应该做出明确的规定，对于这类，危害人类，危害社会发展的行为，予以法律的制裁。目前我们的国家正处于发展中的阶段，以上说的政策导向。和法律法规还需要一个发展过程，科学技术，尤其是纳米技术的发展是一个新型的事物，人类对它的了解是一个非常模糊的状态，所以难免会造成一些违背大众基本文化原则的事情，所以人类要树立这种科技发展的文化观，在每朝每代，社会舆论，难免是人类发展的一个催化剂，我们应该树立正确的舆论导向，人人心里树立正确的和意识，引导科学技术从正确的方向发展，当科学技术，违背大众舆论的时候，人类要积极站出来，对不良的发展想象造成压力，时刻朝向正确健康的方向发展。
结语：纳米技术是一种新型的科学技术，是科技发展的一场革命，它将人类带进了另一个新的先进的世界，它的发展造福了大众，另一个新的光明的世界已经到来，任何事物的发展都有双层的利害关系，纳米技术的发展也如此，人类不能被异化，要树立对科学技术发展的认识和基本素养，并通过政治、文化、法律等一列的约束和导向，使科学技术朝正确的方向发展，造福人类。
参考文献：
[1]阵垮泉.纳米科技探索[M].北京：清华大学出版社，2002.
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[5]王秀丽，王德胜.纳米技术的哲学价值[J].自然辩证法研究：2006，22（4）61-64.
纳米科学与技术范文3
学贯中西 赤心报国促交流
朱教授作为海外留学杰出的归国人才，2003年回国以后，为了适应纳米多学科交叉研究、联合攻关和相应人才培养新需要，他利用自己与澳大利亚和美国材料领域尤其是纳米材料领域科学家有广泛的学术合作关系和学术联系，率先签署了“中国―澳大利亚功能纳米材料联合实验室合作协议”和“昆士兰大学学术合作协议”，创建了我国目前在功能纳米材料前沿领域唯一的中国-澳大利亚功能纳米材料联合实验室，打造了一个由院士、教授、副教授、博士后、博士及硕士生组成的研究团队（包括10余名中国科学院院士和澳大利亚联邦教授院士组成的实验室学术委员会），形成了一个有特色的、多学科交叉的纳米研究国际合作和研究生联合培养（尤其是联合授予博士学位）平台。联合实验室研究方向被集中在当前纳米材料界的热点问题：通过非平衡热力学过程来可控制备、加工、改性、组装纳米结构和器件。以超快过程新效应和纳米尺寸新效应为理论基础，以非平衡热力学过程为工具，将不同材料整合或改性成一个全新的纳米结构或器件，实现其全新功能。
朱教授先后联合澳洲和美国科学家申请合作研究项目10余项，联合培养研究生10余名，邀请澳洲、美国等国知名院士、教授、专家来华访问、讲学、交流、合作20多人次。共计实现了中澳、中美研究人员互访交流合作近100人次，合作申请专利6项，30余篇，相关合作成果被重点推选在2010上海世博会澳大利亚-中国科技周上展示。
联合实验室创建与正式成立引起近100家行业媒体关注与报道，标志着中澳双方合作进入一个新的历史阶段。联合实验室将联合中澳双方实验室技术力量，进一步发挥中澳双方实验室各自的优势和特长，开展纳米科学与技术在生物能源、信息技术、生态环境等领域中前沿战略性的研究与应用，推动和促进物理、化学、材料、生物医学等学科的交叉发展，为发展我国的纳米科学做出贡献。同时在促进亚太地区纳米研究的国际交流与合作上扮演重要角色。
兢兢业业科研方面结硕果
1986年，朱教授在中国科学院固体物理所开始纳米材料研究，是中国为数不多最早开展纳米研究的科学家和国际功能纳米材料领域青年学术带头人之一。亲历了纳米材料科学和技术研究三个发展阶段。在纳米材料设计、制备、改性及纳米结构稳定性方面有二十余年的研究经验。近十五年在澳大利亚国立大学、美国伊利诺大学香槟分校、阿贡国家实验室、杰弗逊国家实验室、Univ of Georgia的纳米科学与工程中心及厦门大学等单位，用多种非平衡方法制备出纳米粒子、纳米膜、纳米孔、多孔硅、纳米球壳有机无机复合结构、纳米线和纳米管及其宏观有序阵列等新型低维纳米结构（多种结构属首次发现），并对各种纳米结构稳定性进行了大量系统的电镜原位和非原位观察。发展了纳米结构亚稳性新理论。工作得到Nature编委重视和许多位国际知名同行专家高度评价。
他认为，纳米结构是一个非平衡的亚稳结构，具有很大不确定性，纳米实验是一个长期的、仍需不断实践的过程，纳米研究不能仅停留在其表面现象或被其表面现象所迷惑，而是要深入系统探究其物理本质。他首次指出现有数学工具和物理概念原理不再适用于非平衡、非线性、非对称有序纳米现象的描述，纳米学科研究本质是对传统学科的不断挑战和突破过程，纳米学科的建立必须是传统学科的一个质飞跃，这个突破飞跃不是依靠个人就能够完成的，需要经过长期甚至几代人学术理论、科研实践的长时间积累。为了能全面系统证明他提出的“纳尺寸（nanosize）”和“纳时间（nanotime）”新概念和建立相应的纳米稳定性新的理论体系，他目前手头已积累大量实验室数据和论文稿件，并没有为了一时的功利和荣誉，而急于发表。
教书育人 桃李满园争天下
回国后，朱教授利用自己双语和国外经历优势, 每学年为厦门大学开设并承担了四门研究生双语课程和一门本科生双语课程。他已先后指导博士后2名、博士生5名（毕业一名）、硕士生10余名（毕业6名）、本科生毕业论文20余名。并在教学方面实现以下改革：1）他提倡培养学生学习兴趣、主动性，强调要授予学生自己得到知识的方法，而不仅是知识的传教；2）他采用中英文相结合的方式讲解，授课形式不仅局限于讲解，而且穿插形式灵活多变的学生自己讲座、提问和讨论；3）他特别注意科研对教学的促进与融合，通过教学研究与自己最新科研成果转换，开发、凝练了内容新颖、方法灵活的开放式创新性本科和研究生实验教学和课程教学方式，自编课件, 把具基础性、研究性、前沿性及学科最新发展成果引入到教学中来。其中, 朱贤方负责的《大学物理实验》课程在2007年获得福建省省级精品课程称号，目前正在积极争取申请国家省级精品课程。
朱教授极推动和参与了厦门大学985工程建设论证申请、凝聚态物理省重点学科建设申请、校院十一五211工程建设论证申请、校纳米学科建设和其他学科建设工作。
另外，他以学术带头人身份申请和组建了厦门大学凝聚态物理国家重点学科、物理系工程硕士、福建省材料重点实验室、材料科学与工程系一级博士和硕士授权点、生物材料系博士和硕士授权点及电子工程系一级博士和硕士授权点、智能型生物医用材料团队及光电子与信息技术创新团队。
精勤不倦的他，而今仍奋战在教育第一线上……
纳米科学与技术范文4
关键词：纳米技术;纳米材料
前言
自从1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支开始，纳米技术便一步一步进入人们的生活。纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm之间的物质组成的体系运动规律和相互作用，以及实际应用中的技术问题的科学技术。从材料的结构层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米技术不是一门单一的新型学科或者技术，它广泛应用于各类学科中，其中在机械工程中的应用对于机械工程学科的技术变革起到了不可估量的作用。纳米技术运用到机械方面尤其是产生了微型机械技术已经成为21世纪研究的核心技术，很多国家在纳米技术上开始了越来越多的研究。
1.关于纳米技术
所谓的纳米技术就是指用单一的分子、原则制造物质的一种科学技术，纳米科学技术已经成为了将很多现代的先进科学技术作为了基础科学技术，并且成为了现代科学和现代技术进行组合的重要产物之一，现代科学主要包括分子生物学、介观物理、量子力学和混沌物理，现代技术主要包括核分析技术、扫描隧道显微镜技术，微电子技术以及计算机技术，纳米技术一定会引发起一系列的全新的科学技术，比如纳米机械学、纳米材科学以及纳电子学等等。
2.微型纳米轴承
在没有纳米技术之前，轴承的体积都很大，因此会有较大的摩擦力，一般都是依靠油减少摩擦力，但减少并不意味着可以避免摩擦力。运用纳米技术开发的微型纳米轴承几乎没有摩擦力，美国科学家研制的这种微型轴承具有两个明显的特点，首先是非常小，该轴承的直径仅有一根头发的万分之一，而运用在机电系统中的其直径更是只有1nm。仅有微型机械的千分之一。其次，几乎没有摩擦力，这种纳米微型轴承的摩擦力比起以往研制的微型轴承，纳米微型轴承的摩擦力都不到其最小值的千分之一。
3.纳米材料运用
合肥大学研制成功了纳米新型陶瓷刀具，这标志着利用纳米材料制作新型金属陶瓷刀具的问世。这项研究史载金属弹词中加入了纳米氧化钛从而细化品粒。因为对于品粒的细化可以增加材料的硬度和甚至断裂任性。同时，这种纳米技术的应用也大大优化了其力学性能，纳米材料加入到传统的金属陶瓷中对其力学性能来说是个很大的提供，刀具的寿命也提高到2倍以上。
4.纳米耐磨复合涂层的应用
由于纳米材料的颗粒之间往往都存在着库仑力、范德华力，有些颗粒甚还与化学键结合，这也就导致了陶瓷的颗粒极其容易团聚，并且颗粒之间越小其进行的团聚就越紧，也就使其应有的性能很难得到充分的发挥，这个问题也就能够通过施加机械能和化学作用这两种力式来进行解决，但是，硬团聚的颗粒之间紧密结合，仅仅通过化学作用是远远不够的，必须要对其辅助很大的机械力，这些机械力主要包括剪切力和撞击力。
5.纳米技术马达
纳米技术马达的最新一代是由一家美国公司生产的，Mano Muscle公司生产这款纳米技术马达首先亮世于中国的深圳，从体积方面测量，新一款的纳米技术马达仅有传统电磁马达体积的二十分之一。其功率能够负载大约四千克的重量，使用寿命更是达到了100万次，性能如此良好，但其长度却不到一根火柴杆的长度。该马达通过采用纳米技术制造的智能材料，将传统的铜、铁、磁等材料替代，因此，新一代的马达相比于传统马达具有许多优点。重量更轻，几乎没有噪音，而制造成本也更低。目前这种微型马达在机械中的运用并不是很广泛，主要运用于汽车的电动车窗方面。
6.纳米磁性液体用于旋转轴的动态密封
通常静态的密封都是采用橡胶、塑料或金属等材料制成的“O”形环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是未能解决的问题，无法在高速、高真空条件下进行动态密封。纳米技术的出现促进了磁性液体密封技术的产生。南京大学已试制成水基、烷基、二脂基、硅油等多种类型的磁性液体。在电子计算机的硬盘转处已普遍采用磁性液体的防尘密封，除此之外磁性液体还可于制造新型剂，巧妙利用磁场原理改善效果。纳米技术在机械工程中的应用举不胜举，通过以上这些新型技术的产生，我们不难看出纳米技术对于机械工程的发展有着深远影响。同时，相对于传统机械工程来说，也正是因为纳米技术有很多优势才能取得这样显著的成果。
6.1纳米磁性液体在旋转轴中应用的尺寸效应
在纳米技术领域，其显著成果之一就是在旋转轴中，对传统的尺寸单位进行了缩小，以前的计量单位级为毫米，而今则是纳米级，而1纳米仅相当于1毫米的百万分之一，如果运用在机械工程之中，那么机械的体积会因为纳米技术的应用而极大的降低，在此基础上就有了微型机械为代表的新型机械的诞生和生产。实际上，这种微型化并不仅仅是单纯意义上的尺度上发生了重大变化，而更多的是指可以成批进行制作生产微传感器、集合微结构、微驱动器、微电路等处置装置于一体的微型机电系统。
6.2 纳米磁性液体在旋转轴中应用的摩擦性能
纳米技术最为显著的一个特征就是其摩擦性能，在机械工程中，特别是结构和尺寸比较大的机械，由于摩擦力的影响，各种轴承对会因摩擦出现损伤，对机械的磨损非常严重。而纳米材料，则几乎处在一种无摩擦的状态，非常好的克服了摩擦的问题。
6.3 纳米磁性液体在旋转轴中应用的材料以及多元化
纳米技术的应用使原材料能够以一种更加微小的形态出现，而且性能强大。其首先不仅改良了传统的材料，同时通过采用纳米科技，更多更新的新材料也不断涌现。磁性液体密封技术证明了磁性液体能够能够被磁场控制的特性，另外在材料的应用过程中，通过向其添加一定的微量元素，还能够使材料获得更好的效果。
7.结语
纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转，显示了其强大的科技含量，但是在其运用中，我们仍有很多方面亟待解决：如何准确表征纳米材料的各种精细结构;怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性;能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时，材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题，我们仍需深入研究，以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。
参考文献：
纳米科学与技术范文5
Abstract: Nano technology research and development is a major breakthrough for technology development and has been applied in all areas of society. Using nano technology in mechanical engineering is its core. Its performance are in many aspects. This article attempts to show off the application of nano technology in this area from examples, and comes to the change of traditional mechanical engineering.
关键词: 纳米技术;纳米材料;摩擦性能
Key words: nano technology;nano-materials;friction properties
中图分类号:TH16 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)29-0143-01
0引言
自从1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支开始,纳米技术便一步一步进入人们的生活。纳米科技是研究由尺寸在0.1~100 nm之间的物质组成的体系运动规律和相互作用,以及实际应用中的技术问题的科学技术。从材料的结构层次来说,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米技术不是一门单一的新型学科或者技术,它广泛应用于各类学科中,其中在机械工程中的应用对于机械工程学科的技术变革起到了不可估量的作用。纳米技术运用到机械方面尤其是产生了微型机械技术已经成为21世纪研究的核心技术,很多国家在纳米技术上开始了越来越多的研究,在机械工程方面对于纳米技术的应用主要有以下几方面。
1微型纳米轴承
传统的轴承体积较大,摩擦力也只能靠来减少,但仍不可避免。美国科学家研制的这种几乎没有摩擦的微型纳米轴承主要有两个特点:第一是微型,他的直径只有一根头发的万分之一,应用在机电系统的微型轴承更是只有1nm,是微型机械的千分之一大小。第二是极小的摩擦力。若轴承体积小,那么套在一起的管子之间的摩擦力便会暴露出微型轴承的弱点,摩擦力大时甚至无法使用。这种纳米轴承与通常制造的微型机械的轴承相比,摩擦力仅为其最小值的千分之一。
2纳米材料运用
合肥大学研制成功了纳米新型陶瓷刀具,这标志着利用纳米材料制作新型金属陶瓷刀具的问世。这项研究史载金属弹词中加入了纳米氧化钛从而细化品粒。因为对于品粒的细化可以增加材料的硬度和甚至断裂任性。同时,这种纳米技术的应用也大大优化了其力学性能,纳米材料加入到传统的金属陶瓷中对其力学性能来说是个很大的提供,刀具的寿命也提高到2倍以上。
3纳米技术马达
新一代的纳米技术马达是由美国Nano Muscle公司生产,这种微型马达首次在深圳面世,该产品体积只有传统电磁马达体积的二十分之一,长度甚至比火柴杆还短,却能负载四千克的重量,寿命可达100万次。这种马达主要是用纳米技术制造的智能材料代替传统的铜线圈和磁铁,因而比传统马达更轻、成本更低,同时噪音很低,可以成为世界上最静音的马达。这种微型马达在机械中运用不多,主要用于玩具和汽车的电动车窗,这项研究也已在深圳进行研发和生产。
4纳米磁性液体用于旋转轴的动态密封
通常静态的密封都是采用橡胶、塑料或金属等材料制成的“O”形环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是未能解决的问题,无法在高速、高真空条件下进行动态密封。纳米技术的出现促进了磁性液体密封技术的产生。南京大学已试制成水基、烷基、二脂基、硅油等多种类型的磁性液体。在电子计算机的硬盘转处已普遍采用磁性液体的防尘密封,除此之外磁性液体还可于制造新型剂,巧妙利用磁场原理改善效果。纳米技术在机械工程中的应用举不胜举,通过以上这些新型技术的产生,我们不难看出纳米技术对于机械工程的发展有着深远影响。同时,相对于传统机械工程来说,也正是因为纳米技术有很多优势才能取得这样显著的成果。
第一,纳米技术的尺寸效应。纳米技术的主要效果之一便是缩小了传统尺寸的单位,将毫米进化为纳米,一纳米相当于十亿分之一米。纳米技术应用在机械中,可以大大降低机械的体积,从而形成了新型机械――微型机械。这种不是传统机械单纯地在尺度上微小型化,而通常是指可以成批制作的集合微机构、微驱动器、微能源以及微传感器和控制电路、信号处理装置等于一体的微型机电系统。他们大部分都是运用纳米技术的成果,因而它远远超出了传统机械的概念和范畴,而是基于现代科学技术,并作为整个纳米科技重要组成部分和用一种崭新的思维方式与技术路线指导下的产物。
第二,纳米技术使材料多元化,应用多元化。纳米技术是原材料形成更微小的形态,功能也更加强大,不仅能改良传统材料,又能源源不断地产生出新的材料。磁性液体密封技术便是证明,利用磁性液体可以被磁场控制的特性,将纳米单位的液体置于磁场之内,从而达到密封的效果。同时在材料运用中可将微量的元素融入到基础材料中,达到更好的效果。纳米复合氧化锆是成功应用在工业上的纳米材料,这种材料提高了材料的耐高温性能和导氧及储氧功能,因此广泛运用于汽车发动机系统中。
第三,纳米材料摩擦性能。纳米技术最显著的特性就是其擦性能,在机械中,各种轴承等都存在着摩擦,但是纳米材料的出现,使得各类机械结构尺寸便小,同时对于过小的零件,摩擦力便显的尤为重要,摩擦力如果相对较大,则零件便会造成磨损。但是纳米技术也同样克服了这一问题,现已出现纳米材料几乎无摩擦的状态。美国科学家研制的这种微型纳米轴承可在运动是无磨损和撕裂,达到了理想的效果。
第四,纳米技术节能效果。纳米技术实现了“小材大用”,带来的又一优势便是节能和环保。在纳米技术的应用中,产生了很多新型材料,它们减少了很多不必要的消耗,使得传统的机械工程中需要的大量材料迅速降低,对于原材料的节约起到了惊人的效果。德国不莱梅应用物理所已研制成功并且申请了一项专利,即用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶,可节省Ag粉50%,用这种导电胶焊接金属和陶瓷,涂层不需太厚,而且涂层表面平整,效果理想。
纳米材料在机械工程中改变甚至颠覆了传统模式的运转,显示了其强大的科技含量,但是在其运用中,我们仍有很多方面亟待解决:如何准确表征纳米材料的各种精细结构;怎样从结构上分析、解释纳米材料的新特性;能否利用某种标准来预测微区尺寸减少到多大时,材料表现出特殊的性能等等。对于这些问题,我们仍需深入研究,以便纳米技术更好地服务于机械工程领域。
参考文献:
纳米科学与技术范文6
关键词：纳米材料；纳米技术；特征；方式
目前，随着生物技术、信息技术以及能源技术等的迅猛发展，社会各个领域对材料的要求越来越高，所以，利用先进的科学技术，开发和利用新型材料，成为提高科技水平的必要途径。
1.纳米材料的特征
1.1纳米材料具有表面效应
纳米微粒的尺寸较小，表面积较大，而且原子在表面上占有很大的比例，而随着粒径的减少，表面积迅速增大，从而使得表面的原子数急剧增加。所以，纳米材料性质的变化，是与纳米粒子的表面原子数、总原子数以及粒径的变化有关的。
1.2纳米材料具有体积效应
纳米粒子的体积效应是指当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长相当或者较短时，周期性的边界条件遭到破坏，内压、磁性、光吸收、热阻、化学活性、熔点以及催化性等特性与宏观颗粒的相比发生了变化，同时，纳米材料的体积效应拓宽了纳米粒子的应用范围。
1.3纳米材料具有小尺寸效应
当超细微粒的尺寸与德布罗意、光波波长以及超导态的相干长度或者投射深度等物理特性尺寸相当或者更小时，晶体周期性的边界条件被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子的密度减小，导致光、声、电磁和热力学等特征都随着尺寸的缩小而发生明显的变化。
1.4纳米材料具有量子尺寸效应
纳米材料的量子尺寸效应是指当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子纳米面附近电子能级由准连续变为离散能级，而且，纳米半导体微粒存在着不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，从而出现能隙变宽的现象。比如，超导相向正常相转变、光吸收增加、金属熔点降低等。
2.纳米技术的具体应用方式
2.1纳米技术应用于陶瓷领域
作为三大支柱材料之一，陶瓷材料在日常生活和工业生产中占有重要的地位，但是，传统的陶瓷材料具有质地脆、韧性差、强度低的缺点，应用范围有限，而随着纳米技术的开发和应用，纳米陶瓷成为弥补陶瓷材料缺陷的重要资源。尽管在技术方面纳米陶瓷还存在着诸多的不足，但是其具有室温性能优良、抗弯强度较大、高温力学性能较好等优点，并且已经广泛应用于轴承、切削刀具、和汽车发动机部件等方面，另外，由于纳米陶瓷材料能够适应强腐蚀、超高温等苛刻的环境，所以具有非常广阔的发展空间。
2.2纳米技术应用于微电子学
作为纳米技术的重要组成部分，纳米电子学是根据纳米粒子的量子效应来设计、制备纳米量子器件的一种技术，其最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单原子或者单分子构成的、能够使用于不同室温的各种器件。目前，通过纳米电子学已经成功研制出各种纳米器件。红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管、单电子晶体管以及超微磁场探测器等已经问世，而且，随着碳纳米管的研制成功，纳米电子学的发展速度不断提高，因而，立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念构造电子系统，开发物质潜在储存和处理信息能力的纳米电子学，可以实现信息采集和处理能力的革命性突破，成为信息时代的发展核心。
2.3纳米技术应用于生物工程
分子可以保持物质化学性质不变，所以，作为一种很好的信息处理材料，每一个生物分子本身就是一个微型的处理器，在运动过程中，可以预测方式，进行状态变化，其原理与计算机的逻辑开关相似，因而，可以利用生物分子的特性和纳米技术，设计量子计算机。目前，虽然分子计算机仅仅处于理想阶段，但是，科学家已经考虑利用几种生物分子制造计算机的组件。比如紫红质细菌，它不仅具有很好的稳定性和特异的光、热、化学物理特性，而且其奇特的光学循环可以用于储存信息，来代替计算机信息处理和信息存储的作用。尽管，在未找到具有开关功能的微型器件的情况下，目前尚未出现商品化的分子计算机，但是，纳米计算机的出现，将会突破传统极限，极大地提高单位体积物质的储存和信息处理的能力，促进电子学的发展。
2.4纳米技术应用于光电领域
纳米技术的快速发展，加强了微电子与光电子之间的联系，在光电信息传输、处理、显示、运算和存储等方面，光电器件的性能不断提高。把纳米技术用在现有雷达的信息处理上，可以使其能力提高10倍到几百倍，甚至可以利用纳米技术进行高精度的对地侦察，但是，想要获取高分辨率的图像，则需要依靠先进的数字信息处理技术。因此，在光电领域合理应用纳米技术，成为科学技术发展的重要动力。
2.5纳米技术应用于医学
在纳米技术不断发展的过程中，医学上逐渐引入纳米技术。研究人员发现，生物体内线度在15～20nm的RNA蛋白复合体和多种病毒也是纳米粒子，这些纳米粒子比红血球小，可以在血管中自由流动，因而，假如将超微粒子注入到血夜里，可以通过血管输送到人体各个部位。另外，利用纳米w粒作为载体的病毒诱导物方式已经应用于临床动物实验之中，并且将服务于人类。此外，科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，检测、诊断身体各个部位，并且实施特殊治疗，来清除心脏动脉脂肪沉积物、疏通脑血管中的血栓甚至吞噬病毒、杀死癌细胞，所以，在不久的将来，高血压、艾滋病和癌症等疑难杂症可能会通过纳米技术得以解决。
2.6纳米技术应用于其它方面
在沟通交流方面，利用纳米技术制成含有纳米电脑的可人一机对话并且具有自我复制能力的纳米装置；利用纳米羟基磷酸钙为原料，制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料；在军事方面，通过昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统，来控制昆虫的飞向，收集敌方情报，可以起到很大的干扰功能。
