纳米技术及其应用论文
8页1、纳米技术及其在机械工业中的应用摘要: 主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微 机械和包装、食品或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传 感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器 等。MEMS使用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。 特点是部件很小,蚀的深度往往要求数十至数百微米,而宽度误 差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机,用于超快速离心机 或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和 微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度,但有很大的潜 在科学价值和经济价值。(3)纳米生物学和纳米药物学,如在云母表面用纳米微粒度的 胶体金固定 DNA 的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物 分子间相互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,DNA的 精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零 件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉, 也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子), 则可溶于水。(4)纳米电子学包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构 的光电性质、纳米电子材料的表征,以及原
2、子操纵和原子组装 等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。“更 快”是指响应速度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。但 是“更小”并非没有限度。 3纳米技术在机械工业中的应用 31 纳米技术在微机械领域中的应用 随着纳米技术应用途径的不断拓宽,微机械的开发在全世界方兴 未艾。例如,进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所需的微 型齿轮、电机、传感器和控制电路等。制造这些具有特定功能的 纳米产品,其技术路线可分为两种:一是通过微加工和固态技术, 不断将产品微型化;二是以原子、分子为基本单元,根据人们的 意愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品。 311 采用微加工技术制造纳米机械(1)微细加工。日本发那科公司开发的能进行车、铣、磨和电 火花加工的多功能微型精密加工车床(FANUCROBO nano Ui 型),可实现 5 轴控制,数控系统最小设定单位是 1nm( 103 M m)。该机床设有编码器半闭环控制,还有激光全息式直线移 动的全闭环控制。编码器与电机直联,具有每周6 400 万个脉冲 的分辨率,每个脉冲相当于坐标轴移动0. 2 nm,编码器反馈单 位为1/3
3、 nm,故跟踪误差在土 1 / 3 nm以内。直线分辨率为1 nm, 跟踪误差在土3 nm以内oCNC装置采用FANUC16i,实现Alnano 轮廓控制。并用FANUCSERVOMOTORa i伺服电机装上高分辨率 检测装置及a i系列伺服放大器,实现了微细加工。(2)微型机器人。在工业制造领域,微型机器人可以适应精密 微细操作,尤其在电子元器件的制造方面。美国迈特公司的研究 人员最近设计出一种用于组装纳米制造系统的微型机器人,这种 机器人的长度约为5mm。研究人员称,假设能利用纳米制造技 术使这种机器人的体积不断缩小,其最终的体积不会超过灰尘的 微粒。日本三菱公司也开发了一种微型工业机器人,该机器人采 用了5 节闭式连杆机构,以实现手臂的轻量化与高刚性,其动作 速度及精度完全可以赶上专用机器人。往复上下方向25 mm,水 平方向100 mm的拾取动作,所需时间缩短到0. 28 s。另外, 通过采用闭式连杆机构与高刚性减速机,实现了比以往机器人高 10%的位置重复精度(土5nm),可适用于精密微细操作。我国 在微型机器人的研制方面也取得了可喜的成绩。据媒体报道,由 哈尔滨工业大学研制
4、的机器人,其操作精度达到了纳米级,可以 应用于分子生物学基因操作,能够对细胞和染色体进行“手术”, 并能在微电子、精密加工等精度要求较高的领域一显身手。(3)微型电机。美国俄亥俄州克利夫西 卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实验室,专门研究纳米技 术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制的微 型电动机,小到只能在显微镜下才能看得见。德国汽车零件制造 商博士公司正在研制纳米技术传感器,这种传感器将为人们提供 关于汽车上每个零部件在三维空间中运动的精确信息。当微型传 感器探测到速度骤减时,就会自动释放安全气囊。3. 1. 2 采用自组装技术制造纳米机械(1)生物器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一 种完全抛弃以硅半导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选作生 物芯片,利用蛋白质可制成各种生物分子器件,如开关器件、逻 辑电路、存储器、传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇根韦 思大学医学院生物分子信息小组,利用细菌视紫红质(简称 BR 蛋白质)和发光染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子集成膜 这是一种可使分子周围的势场得到控制的新型逻辑元件。美国锡 拉丘兹大学也利用 BR 蛋
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