納米材料與納米技術在計算機網絡系統中的應用分析

黃偉光 宋冰梅 陳濤

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210094）

納米材料與納米技術在計算機網絡系統中的應用分析

黃偉光 宋冰梅 陳濤

（南京理工大學材料科學與工程學院，江蘇南京 210094）

納米材料具有獨特的表面效應、體積效應和量子尺寸效應,使得材料的性能發生突變,納米材料及采用納米材料的納米技術也因此成為材料科學與工程研究及應用最重要的發展方向之一。文中總結了納米材料、納米合成技術、納米表征技術以及納米仿生智能構筑技術計算機網絡系統中的應用分析，展望了納米材料與納米技術在研究領域的發展趨勢,對國內外納米材料及納米技術的研究現狀及其廣闊的應用前景進行了綜述。

納米材料；納米技術；計算機網絡應用

1 納米材料的概念

納米材料的概念是一位德國學者在1980年首次提出的，他是指晶體晶粒尺寸在1～100數量級的超細材料。晶體晶粒的尺寸在標準級內，被稱為超細材料，納米級高于1nm的被稱為超細材料。嚴格意義的納米材料尺寸在5nm數量級。納米材料制作新時代產品的工藝技術是納米技術。

超細晶粒的優異特殊性能是由納米材料的特殊性能引起的，由此特性導致的眾多實驗結果，引起了科學界的廣泛重視，這也使得納米科技邁入了科學界的橋處低位。納米晶體材料、復合材料被統稱為納米材料。

納米材料的空間維數由納米結構的區分可以分為：（1）零維的納米顆粒材料；（2）一維纖維納米材料；（3）二維層狀納米材料。所有固態晶體材料均是晶體結構的晶粒以及具有無序排列結構的晶界組成,而晶界的厚度占的體積分數很小可忽略不計,而納米材料中界面部分所占的體積分數相當大,使得納米材料成為一種新的結構狀態。此外,由于納米晶粒中的原子排列十分無序,使得通常大晶體材料產生分裂而成為分子軌道的能級。高濃度界面及原子能級的特殊結構導致納米材料性能的顯著改變。納米材料及納米技術被公認為是21世紀最有前途的研究和發展領域。

2 納米材料的特性

2.1 納米材料獨特的表面效應

納米材料的表面原子數是有變化效應的，引起變化效應的是由原子數和總原子數的比例與晶粒的尺寸配比的,這樣的變化成為納米材料的表面效應。相似形狀的粒子表面積與其線尺寸的平方成正比,由此可得其表面積(表面積/體積)與線尺寸成反比。

粒子線尺寸的變化對表面積會造成顯著影響，粒子線增大，表面積見效，表面積的原子數也會相應的增加，由此導致表面原子配屬的重大失衡使納米材料的化學性顯像明顯。

2.2 納米材料的體積效應

納米材料的體積效應是由于單個納米粒子所包含的原子數很少導致。金屬納米粒子靠近費米面進一步假設他們的能級為準原子態,由此得到費米能級。納米粒子的直徑減小導致能級間距將增大，進而電阻率將增大,甚至會導致絕緣體。對具有同素異構轉變的金屬納米粒子還會出現非導電的高溫結構異相,此情況僅在粒子中觀測到。

表1 納米技術發展趨勢

技術領域類型 1978-1988年數量1978-1988年比例1989-1999年數量1989-1999年比例2000-2010年數量2000-2010年比例單獨 獨立發展 20 0.63共現 融合發展 30 0.37合計 50 1 1 1

表2 黑客領域中威脅計算機網絡安全的因素

1978-1988年 1989-1999年2000-2010年技術中街 技術領域 聯絡中介 技術中街 技術領域 顧問中介 聯絡中介 技術領域 顧問中介 聯絡中介G 01N TF38 36 2 TF22 6 TF34 26 464 H 01J TF34 13 1 TF20 8 TF40 22 451 B01D TF22 6 3 TF25 10 TF18 25 401 G 11B TF28 4 1 TF18 6 79 TF16 41 306 A 61K TF13 3 0 TF10 4 71 TF38 15 293 C 30B TF19 2 0 TF13 2 65 TF38 9 250 H 01F TF34 2 0 TF37 11 56 TF34 10 217 A 61L TF10 1 0 TF24 4 42 TF22 28 171

2.3 納米材料的量子尺寸效應

納米粒子的尺寸下降會導致半導體中分子軌道能級被占據，從而使得處于分離的量子化能級中的電子的波動性效應。納米粒子的尺寸相當或更小時,呈現量子尺寸效應。例如,光吸收材料的特征波長而顯示出極高的矯頑力。

2.4 納米材力學性能的效應

納米材料的性能效應是由納米粒子細化和材料的強度造塑性共同顯現的。為了提高材料結構的強度，晶粒細化可以大大增強這種效應，并且第二次強化的過程隨著尺寸的增加會顯著增大，效果更強。結構納米材料中，晶粒的相位結構更加細化，使其力學性能遠超其他結構材料之上。納米陶瓷和金屬的韌性已達到了普通金屬材料的韌性水平，超過了超級鋼。

3 納米技術

范圍在10～7cm范圍內的物體，經常顯示出物理化學甚至生物性上的異樣特征和現象。納米技術的通俗定義是納米尺度利用的結果。納米在發展過程中，中子和電子交互作用形成波動，豐富了納米尺度利用的方式。

結構的特征尺寸介于10～10m(1～100nm)的范圍,物體經常顯示出物理、化學和生物上新穎而明顯改善的特性和現象。納米技術是在一個納米尺度利用功能結構的通俗定義。在納米尺度上的重大改變主要是由于物質中的電子和原子交互作用的波動。通過創造納米尺度的結構能控制材料的基本特性,由此將出現以前被認為生物系統的一個重要特性是物質在納米尺度上有系統的組織。

納米技術的一大特點便是允許將所需信息儲存在納米表面,無需機器人和其他原件共同的配合儲存。材料和生物科學技術結合,會得到全新的加工方法和工業動能。納米尺度和微米尺度共同材料性質相比,納米結構的韌性十足,不受影響。納米體積的催化劑會大大減少廢物產生和間接污染。納米結構比微米小很多，所以納米構成系統的原件密度大大高于微米尺度構成的原件。電子元器件在納米結構的控制下相互作用，會得到新的電子元件，減低能耗的同時可以大大提高動能，提高效率。典型的納米技術。

（1）自然界的納米技術。葉綠體是進行光合作用的核心,其內部包括納米級的分子結構,具有轉化光能和二氧化碳為生物化學能的高活性。人類和動物牙齒表面的納米級微晶,光滑并具有很高的硬度。

（2）早期的納米技術。攝影和催化是早期的納米技術。這兩項技術通過納米技術的發展而大幅提高。大部分現有的納米技術是意外發現的,例如,現在我們知道在橡膠中加入某種無機粘土可提高輪胎的壽命和耐磨性。

（3）鐵磁流體。磁鐵流體是一種由高精度納米顆粒組成的膠體，納米顆粒是永態磁體，只有當鐵磁流體的磁場為零，附加磁場生成變化，才會發生共生反應。鐵磁流體區別于其他流體，在得到外加磁場的同時，由于力矩產生于鐵磁流體內部，特殊的流體力學現象會顯現。

圖1 數據庫系統的構成模塊

（4）硬質材料。納米結構的硬材料正在進入商業領域，如WC/Co和TiC/Fe，WC和Co組成的納米材料形成雙連續納米結構,獲得優異的材料性能的同時硬度、斷裂韌性和耐磨性都有顯著提高。

（5）納米涂料。納米涂料的熱噴技術將納米結構材料應用于商業的途徑，晶粒尺寸達到納米尺度并且原子數目是可控范圍內時，晶界顆粒的純度達到最大，和其他晶粒材料共同具備抗腐蝕能力。熱穩定性和抵抗位錯是納米晶粒的特性，由此特性可以衍生出超高的硬度和韌性。納米級涂料在日常使用過程中，可以減小涂料的應力狀態，提高涂層厚度，抗腐蝕性能極強，耐老化。該技術現已應用在渦輪葉片，螺旋槳機翼等部件，每年有幾十億美元的潛在應用市場。

（6）納米技術與相關技術路徑分析。任何技術領域都無法獨立的存在于科研領域，都是相對獨立但又不同程度的和其他技術形成交互過程的情況，技術領域性質的差異導致獨立發展和互溶發展間的異樣表現形式。專利技術領域的共同關系，可以闡明技術領域間多項技術的互動關系。表1按共現特征統計了三個階段納米技術發展趨勢。

（7）納米技術與其它技術交融模式分析。不同領域的關聯交互過程是通過不相連接的第三方技術領域聯通而成，促進不同領域技術互通的同時，也對中間領域技術在兩端技術間的延伸發展有著重要作用。

4 網絡黑客攻擊

黑客攻擊指的是通過破解系統的某個程序來獲取數據甚至是獲利，黑客攻擊的主要手段分為破壞性和非破壞性。非破壞性僅影響系統的正常運行而破壞性則會盜取用戶的重要數據，形成重大影響。

黑客攻擊的常見模式是通過干擾程序運行、獲取文件和傳輸方式等不被許可的操作。黑客攻擊的對象和數據一般都是非常重要或者機密的，當攻擊形成以后，會對客戶造成重大損害。在使用電子郵件、木馬等手段來攻擊時，給整個計算機網絡造成了極大的損害。由于黑客對于計算機網絡正常運行有著重要的影響甚至是重大損害和經濟威脅，各國對于該領域均非常重視，但就目前，防御黑客攻擊的相關技術人才非常緊缺，相關培訓也鳳毛麟角，美國的國安局已成為對黑客人才需求最為迫切的美國聯邦機構。黑客領域中威脅計算機網絡安全的因素，如表2所示。

5 計算機病毒

計算機病毒非常常見，是通過編制一些計算機指令，并且插入一定數目的損害性數據，使其能夠達到自我復制的計算機指令。計算機病毒有各自的特點，大部分分為伴隨性、蠕蟲性、變型性等形態的病毒。這些病毒有些是隨時呈現激活狀態的，有些是自身釋放在內存中，一旦計算機重啟或者關機，只要接通電源，便可實施傳染；但有些病毒在電腦中僅有一小部分的占用空間，即便激活狀態也不會對計算機形成過大的傷害。

系統漏洞是指由于操作軟件設計的疏忽和技術上的不完善，為不法分子竊取該軟件的程序流提供了機會，使得系統被各種木馬和病毒等侵入，從而實現大面積控制，進而得到重要的信息和文件，甚至于破壞了電腦操作系統。系統漏洞也作為病毒的入侵入口存在。

長期以來，正版系統都以其高昂的購買成本讓大多數人望而卻步，大多數人還在使用著盜版系統，但盜版系統通常會留下非常多的系統漏洞。主要漏洞類型分為UP漏洞、賬號類漏洞和熱鍵類漏洞。這些漏洞的存在也進一步提供了病毒的擴散溫床，導致計算機病毒的進一步擴散，影響了計算機的網絡安全。

6 計算機網絡安全防范技術的應用分析

防火墻通過執行站點的安全策略，從而限制人們從定制的控制點離開；同時所有的的信息想要進入計算機,都必須通過防火墻，這樣就能夠有效的記錄網上的所有活動，防止病毒侵入；防火墻能夠通過隔開網絡中的一個網段與另一個網段，從而能夠很好對用戶暴露點進行保護與限制。

7 納米材料技術與計算機網絡技術的結合

7.1 數據加密技術

數據加密技術作為一種新興技術，也是計算機網絡安全的保障性技術,是指傳送方通過各種加密函數轉換成密文，接收方對于數據加密技術的控制,需要數據加密技術的指定性。要求只有在解除密碼后，才能獲得原來的數據，這些特殊的信息就是密鑰。密鑰共分為三類：專用密鑰、對稱密鑰和公開密鑰。

計算機網絡由繁多的路徑所構成，非常復雜，信息的傳播也異常廣泛，如何保證信息在傳播過程中的安全性和時效性，需要通過計算機信息的加密技術來實現。

7.2 網絡訪問控制技術

網絡訪問控制技術指的是以路由器作為網關，對外界的網絡服務信息控制和篩選。這種技術可以防止計算機在實施遠程登錄和文件使用過程中，防止不法分子通過漏洞，對電腦進行空盒子。對訪問者的身份進行深入檢測后，可以有效的防止入侵，確保計算機在網絡中的安全。

7.3 安全漏洞檢測技術

安全漏洞檢測是一項重要技術。通過安全漏洞掃描能夠幫助用戶在黑客攻擊之前找到系統的漏洞，并及時的恢復。在對安全漏洞進行檢測的可以從各個方面進行預防，保證網絡的安全。

7.4 數據庫的備份與恢復技術

為了防止系統發生意外，數據庫的備份與恢復技術需要保證數據的安全性和完整性。這種備份技術主要有數據庫、備份數據庫和事物日志來更好的確定網絡的安全。數據庫系統的構成模塊，如圖1所示。

7.5 系統功能結構圖的測試環境

測試環境。本系統的測試主要硬件環境：IntelPentiumD2.8G；軟件環境：Windows2003R2；測試工具：NetBeansProfile3.2。從測試結果來看，在整個架構中，索引是由Guice維護的單例進行單線程索引，整個系統在最慢的環節遇到了瓶頸，因此線程數從3個提升到4個引起的性能并沒有很大的提高，猜測線程數如果繼續提升到某個數值，系統效率反而會下降。

8 結語

在系統功能上，由納米材料和納米技術逐漸延伸的網絡技術發展遍歷行業內。每個節點根據HTTP協議中的Type字段自動找到相應解析器(Parser)解析資源，解析器將解析后的Resource對象傳遞給索引模塊進行索引，實現納米技術在計算機網絡技術中的抓取過程。在抓取過程中能盡可能過濾重復模塊，功能過濾不符合規則的網絡節點，能夠在抓取過程中統計信息，分析網絡應用和系統運行狀態。由于使用者對搜索引擎的需求是既有共性又有個性特征，因此只有結合用戶實際需求，開發出相應的檢索系統以發揮其相應的作用，產生社會效益。

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TB383

A

1003-2177（2017）04-0061-04

黃偉光（1984—）,男,山東茌平人,在讀博士研究生,高級工程師,研究方向:納米材料技術、3D打印技術等；宋冰梅（1973—）,女,遼寧沈陽人,在讀博士研究生,高級工程師,研究方向:建筑材料分類技術,納米材料,計算機網絡技術等；陳濤（1970—）,男,遼寧沈陽人,在讀博士研究生,高級工程師,研究方向:碳纖維材料、工程材料仿真技術,納米材料的應用技術等。