材料与制造

材料与制造涉及材料组成、结构和加工相关知识在应用中的特性和性能的应用。

在过去二十年中， 复合材料 在需要具有优异性能特征的材料的一系列日常应用中，复合材料是一种由两种或多种具有明显不同物理或化学特性的组成材料制成的工程材料。纳米技术已成为制造新型复合材料的关键技术，其性能和性能得到了极大的改善。

虽然仍在使用“自上而下”的制造方法，但纳米技术已经实现了“自下而上”的方法来修改纳米级的材料特性。

纳米制造的经典方法（“自上而下”）是 电子束光刻 （EBL）。在 EBL 中，电子束扫描覆盖有薄膜的表面（称为 抵抗）。光束选择性地去除曝光或未曝光的区域 抵抗。这一过程导致 抵抗 可以通过光刻技术转移到另一种材料上，用于制造非常小的电子设备。EBL 可以生产小于 10 纳米的结构，可用于太阳能电池和其他半导体和光电子设备等应用。

另一种制造纳米图案的方法称为 纳米压印光刻这是一种使用 EBL 等串行技术制作主模具，并将该模具压印到聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 等软聚合物中的工具。该方法已实现 10 纳米的分辨率，可用于制造生物医学设备和小型化学反应器的微通道。

自下而上形成周期性纳米结构的一种有趣方法称为自组装。当某些原子、分子或其他纳米级结构在能量上相互吸引并聚集在一起形成分子水平上的重复图案时，就会发生自组装。这种技术可以比作拼图游戏，拼图块在盒子里乱七八糟地拼在一起后会自行组装起来。你能想象这种情况吗？

通过自组装制造特定纳米结构的一个很好的例子是 碳纳米管 （碳纳米管）。碳纳米管具有优异的机械、电气和光学性能。根据用途，碳纳米管可以制成具有高抗拉强度和高电导率的材料。

近来，碳纳米管被用来增强各种聚合物复合材料的强度，这些复合材料可用作防弹衣、输电线路电缆和纺织品。碳纳米管的弹道电子传输特性使其成为计算机设备互连和液晶显示器 (LCD) 的理想材料。

碳纳米管是由日本物理学家 Sumio Iijima 在研究电弧蒸发合成富勒烯（富勒烯是一种碳分子）过程中留下的沉积物时首次合成的。自此发现以来，人们一直通过控制电弧蒸发工艺的条件来合成碳纳米管。除了这种合成方法外，还可以使用溅射、化学气相沉积和等离子增强化学气相沉积等技术来制造碳纳米管。在每一种加工技术中，碳原子都会聚集在一起并自动组装成碳纳米管的几何形状。

陶瓷材料也可以是纳米结构的，在某些情况下，在某些加工条件下表现出自组装的特征。一般来说，陶瓷是在高温下加工的，通常用于需要能在极端环境下生存的材料的应用中。

虽然数千年来各种陶瓷一直被用作建筑材料（如砖块和石块），但陶瓷制造技术的进步促进了新技术陶瓷的发展。这些材料可用于从微电子到厨房用具等一系列现代应用。例如，由于这些材料具有出色的热性能和电性能，它们可用于高压绝缘体和太空探测器的高绝缘材料。纳米结构玻璃陶瓷复合材料也用于光学设备。总体而言，材料和制造技术利用我们对材料科学的理解来生产最先进的纳米结构材料和相关设备，这些设备具有低制造成本和高性能特征。