材料科学与工程前沿论文

纳米科学技术

课程名称：材料科学与工程前沿

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日期：2010/12/26

纳米

"纳米"是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米（10亿分之一米），约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。

从具体的物质说来，人们往往用细如发丝来形容纤细的东西，其实人的头发一般直径为20-50微米，并不细。单个细菌用肉眼看不出来，用显微镜测出直径为5微米，也不算细。极而言之，1纳米大体上相当于4个原子的直径。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。

纳米科技 (英文：Nanotechnology)是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国的国家纳米科技启动计划(National Nanotechnology Initiative)将其定义为“1至100纳米尺寸间的物体，其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。”

纳米科技是尖端科技，却早就存在身旁。举例来说，就是莲花表面的出污泥而不染的特性。莲花表面的细致结构和粗糙度大小都在纳米尺度的范围内，所以不易吸附污泥灰尘。莲花的出污泥而不染是自然天成，这比人类的任何清洁技术还高明。这种莲花表面纳米化结构，自我清洁的物理现象，就被称作莲花效应(lotus effect)。

纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控，尤其是现存科技在纳米时的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究以使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成(将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成，自组装(self assembly)和定点组装(positional assembly)。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时，会和它们在巨观时有很大的不同，例如：不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成可以当催化剂(铂)、稳定的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。

纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

纳米科技与其他学科的联姻

纳米科技领域还面临着多种问题。一些研究本来就是一个很好的课题，不一定冠名“纳米”的头衔，与“纳米”揉合在一起，可能对研究提供了一个有益的思维空间，例如仍M公司建造巨磁阻磁头的研究工作。纳米科技要发展成为一门把各种科技完美结合、融为一体的统一的大科技，就必须证明实现各种截然不同的研究领域的联姻大有用处。

从事防晒剂纳米粉末研究的科学家与从事DNA计算研究的科学家是否可以有相同的爱好呢?这种相互结合、取长补短是有其道理的。半导体量子点就是这类跨学科综合性研究方针的一个有说服力的证据：量子点最初是为电子器件开发的，但现在它也用来检测细胞的生物活性。

如果纳米观念能够凝聚为一个统一的整体，它其实就有可能为一场新的工业革命奠定基础。要想取得成功，必须抛弃那些伪科学和狂热的炒作。最重要的是，必须加强基础纳米科技的研究，以确定哪些纳米科技值得去攻关。在这一段漫长的探索期中，区分哪些是切实可行的科学和技术，哪些是异想天开的幻梦，始终是一项要引起足够重视的任务

纳米科技发展

1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议；1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。首届（1992年）纳米材料会议在墨西哥召开；1994年在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议；1996年在美国夏威夷召开第三届国际会议；1998年在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议；2000年在日本仙台举行第五届国际纳米材料会议。

当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。

@纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

@纳米技术带动了技术革命。

@利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

@如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。人们把1～10kg的卫星称作“纳米卫星”（相应的，10～100kg的卫星被称作微米卫星，而更小的卫星，如0.1～1kg的被称作“皮米卫星”，甚至有10～100g的卫星被称作“法米卫星”）。

@纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，存在很大的拓展空间。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。受国际金融危机影响，目前纳米材料技术开发和产品销售速度有所减缓。同时由于可能对人类健康和环境存在潜在的负面影响，这一产业或许将放慢发展速度，但未来纳米材料市场规模将十分可观。全球纳米技术与产品的销售额到2015年将达到2.5万亿美元。经济衰退对汽车、建筑和部分电子行业影响最大，但预计对健康护理和生命科学不会造成太大影响。在纳米材料中，由于碳纳米管和陶瓷纳米颗粒较多地应用于汽车和建筑行业，因此受经济衰退的影响较大。在纳米中间体中受经济下行影响最大的，则是纳米复合材料和涂料领域。与美国和欧洲相比，组合纳米技术的产品销售额在亚太地区增长较快。美国和欧洲占所有纳米材料销售额的2/3以上，但到2015年这两个地区所占的市场份额均将下降2-3%。

纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好

纳米科技里程碑

1)35亿年前，首批活细胞出现。细胞内，容纳了众多的纳米生物机器，它们执行各种各样的功能，例如操作遗传物质、提供能量等。

2)公元前400年，Democ小Ms发明了“atom”(原子)这个词，在古希腊语中就是“不可分割”之意。

3)1905年，爱因斯坦发表了一篇论文，估计一个糖分子的直径约为1nm。

4)1931年，E．Ruska与M．KnoH研制出电子显微镜，它可以实现亚纳米级成像。现代电子显微镜可观察几百个纳米的结构像、原子像。

5)1959年，R．Feynman在他的著名讲话《最底下一层大有发展潜力》中探讨了微型化的前景。

6)1968年，贝尔实验室的A．Y．Cho和J．Arthur及其同事发明了分子束外延生长术，这种技术可以在表面上沉积出单层原子。

7)1974年，N．TanigMchi发明了“纳米技术”这个词，表示公差小于1μm的机械加工。

8)1981年，G．BinM5g和H．Rohrer发明了扫描隧道显微镜。

9)1985年，R．f．Curl和H．W．Kroto发现了富勒烯，直径约为1nm。

10)1986年，K．E．0rexler发表《创世机器》一书，是一本宣传纳米技术的未来主义著作。

11)1989年，阳M公司的D．M．E秽er用单个氰原子写下了代表该公司名字的3个字母。

12)1991年，日本NEC公司的SMmio L和rma发现了碳纳米管o

13)1993年，美国北卡罗莱纳大学的W．Robtnett与洛杉矾加利福尼亚大学的R．S．wmiams 设计出一种与扫描隧道显微镜相连的虚拟现实系统，使用者通过它可以看到并触摸原子。

14)1998年，荷兰Deth理工大学的C．Dekker小组用碳纳米管制造出一只晶体管。

15)1999年，莱斯大学的J．M．Tour和耶鲁大学的M．A．Reed证明单个分子能够起分子开关的作用

纳米科技的应用与举列

著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。纳米材料可以做到这一点。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。

纳米材料从根本上改变了材料的结构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。其应用主要体现在以下几方面：

在陶瓷领域的应用

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。

在微电子学上的应用

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为" 掌上电脑" 。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。

在生物工程上的应用

虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。

在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。

在化工领域的应用

将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。

研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。

在医学上的应用

使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺

度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料

粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能

药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米

技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。

在分子组装方面的应用

如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。

在传感器方面的应用

传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，

造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方

面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球定位系统，可对

贵重物品的运输过程实施跟踪监督；将微型传感器装在汽车轮胎中，

可制造出智能轮胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性能进行监视。在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等。

纳米抗血栓中药

用亲脂型二元纳米协同界面包覆的中药成分将使人类健康的头号威胁——心脑血管疾病得到更加有效的治疗，并将使中国文明的重要组成部分——中药走向世界。因为这样的纳米中药将具有普通中药数百万倍的物理活性（治疗效果），可以畅通无阻地到达因脂肪堆积而造成的血管栓塞和组织病变部位，并因亲和而与脂肪溶合，同时释放出治疗的有效成分，从而使药物的靶向性提高数百万倍。

纳米机器人

B．Joy在《Wired》杂志上发表文章，谈到纳米机器人的繁殖失控可能给人类社会造成

非常大的威胁，提出应当停止发展纳米科技。

真正的纳米科技专家们是比较清醒的，要想制造出能够使冷冻的大脑从定格状态下重新复活的纳米机器人，现今的科学技术离这一目标还很遥远。科学家们更加关注的是，制造纳米尺度的微机械元件，打造较为可能的微米机器人

纳米孔膜

利用二元协同纳米界面技术平台制备的纳米孔膜，将彻底解决油漆、涂料的潮解脱落问题，并可方便地大规模生产带有呼吸作用的纳米防水涂料和带有反渗析作用的纳米超滤膜，这将给人类的日常生活，甚至给海水淡化技术带来革命性变化，从根本上解决人类日益严重的缺水问题。

纳米修复材料

利用纳米技术还可以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破坏过程中进行纳米级的损伤诊断和修复。目前，纳米材料在仪器、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、通信、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用。

纳米自洁表面处理和涂料

如果将透明、疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或瓷砖、玻璃上，大楼就不会被空气中的油污弄脏，瓷砖和玻璃也因不会沾上水蒸气而永远透明。任何粘在表面上的物质，经阳光

的照射，都会在纳米涂料的催化作用下，变成可以蒸发的气体或者容易被擦掉的物质，建筑物不再总是脏乎乎的，家庭里的卫浴设备也不必每天清洗了。将这种纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不会沾上灰尘，省去不少洗衣服的麻烦。氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色镜的变色速度较慢，用纳米材料做成的变色镜就不一样了，变色速度很快，用它做士兵的防护激光镜是再好不过了。

新型纳米光源和太阳能转换器

用纳米氧化物材料做成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型激光光源，它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。这种技术一旦实现，太阳能汽车、太阳能住宅就会成为现实，到那时，人们居住的环境将更加美丽，空气更加清新。

纳米传感器

半导体纳米材料做成的各种传感器可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。纳米传感系统能进行病症的早期诊断，利用纳米材料还能制作耐用且人体友好的人工组织和器官、复明和复聪器件，提高病人的生活质量。

纳米导向药物和皮肤护理保健品

如果在人体外部加以导向，可利用纳米药物阻断毛细血管来饿死癌细胞，药物治疗的效果会大大提高。纳米颗粒还可以用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来携带DNA进行基因缺陷治疗。如果把纳米药物做成膏药贴在患处，药物可以通过皮肤直接被吸收，而无须针管注射，少去了注射的感染。把不容易被人体吸收的药物或食品，如维生素等做成纳米粉或纳米粉的悬浮液，这种就极易被人体吸收。

纳米加工技术

为了纳米科学研究及其成果的应用，首先要能按照人们的意愿在纳米尺度上对材料进行自由地剪裁和安排，这一技术被称为纳米加工技术。实际上，一方面纳米加工技术是纳米材料应用的重要基础，另一方面纳米加工技术中也包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说，在一个粗细为几纳米的孔或线里，原子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一般而言，原子运动的自由程为几个微米。在这个长度上，原子发生碰撞、进行热扩散的作用可忽略不计。可是在纳米孔或线内，原子的扩散主要是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子，一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力越小。在纳米世界里，材料表面很小，相互之间距离很近，以至于两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此，在纳米世界内，所有的加工技术都必须在原子尺寸的层面上考虑。

纳米电子元器件

纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探测到电磁波、光波（包括可见光、红外线和紫外线等）信号，同时还能执行电脑的指令。如果将这一集成器件安装在卫星上，可以使卫星的重量大大减小。当前人们已经在考虑用“小鸟”卫星部分地代替现有的卫星系统。如果在卫星上用纳米集成器件，“小鸟”卫星将更小，更容易发射，成本也更低。

纳米碳管的应用

各国科学家正在努力研究的碳纳米管是一种非常独特的材料。它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十个纳米。

这样的材料很轻，但是很结实。它的密度是钢的1/6而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球上挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球到月球的电梯，人们到月球定居就很容易了。纳米管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可以制成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业新的方向。

纳米材料超高物理活性应用

想像一下只包含几百个或几千个原子、分子的“纳米颗粒”，按照一般的经验，原子与原子之间的距离为0.2纳米左右，由此可以估计出在尺寸为1纳米的立方体“颗粒”中，每一边上只能排列5个原子，总体可容纳125个原子，但是其中有98个原子在表面上。我们知道，表面上的原子只受到来自内部一侧的原子的作用。因此，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验发现，如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧、发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用做新型火箭的固体燃料，也可用做烈性炸药。另外，用纳米金属颗粒粉体做催化剂，可加快化学反应过程，大大提高化工合成的出产率。

纳米高强度材料

如果把金属纳米材料颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。人们幻想在下一个世纪，总有一天会制造出如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船，会使它们的重量减少到1／10。到那时，一辆摩托车的重量会变成只有20～30千克。人们日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点。硬是指它可以当做刀具用来切削金属，脆是指它经不住冲击。陶瓷的另一个长处是耐高温，在10000℃的高温下也不变形。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性。这个问题一旦被彻底解决，会在汽车发动机上大显身手，彻底甩掉发动机的冷却系统，使发动机工作在更高的温度下，汽车将跑得更快、飞机会飞得更高。

纳米单电子元器件

把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，就会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态，变成只能具有某一动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接结果表现为，在金属颗粒的两端加上电压，当电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时，金属颗粒不导电。这样一来，原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界就不再成立了。还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，这就切断了电流的连续性，这使人们联想到是否可以发明用一个电子来控制的电子器件，所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小，一旦实现，把它们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度将提高上百万倍。

纳米级芯片

纳米科技可以使电子芯片的电路尺寸不断缩小。新的纳米技术电子器件可能取代传统的硅电子技术。不久的将来，用纳米管或某种纳米新奇材料来制造电子器件，可能使芯片性能不断提高，同时又不会使生产成本高于硅芯片制造的成本。

纳米技术所制造的电子器件可以融人一些将会揭示生物细胞(微型机器)之奥秘的新颖装置中。在硅时代之后、纳米计算机诞生之前，生物纳米技术就将找到一些实际用途。为了探测细胞的活性，只需要相当少调用半导体材料制作的纳米标记，它将利用半导体量子点作为生物实验、药物研究、诊断化验以及其他种种应用场合中的标记。尖端的纳米科技研究

纳米激光器和高密度信息存储器

实际上，被囚禁的电子并不那么“老实”。按照量子力学的规律，有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来，这种现象一方面预示着在新一代芯片中的逻辑单元将不用连线而相关联，因而需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路;另一方面也会使芯片的动作不可控制。归根结底，在这一情况下电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现，但是真要用在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是会使材料发出很强的光。“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小，但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发出蓝光或绿光，用来读写光盘可使光盘的存储密度提高好几倍。如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存储数据，制成量子磁盘，存储度可提高成千上万倍，会给信息存储技术带来一场革命。

1981年C．B5nnig和H．R。hrer发明了扫描隧道显微镜，1986年荣获诺贝尔物理学奖，为科学技术的发展开创了纳米科技新领域。

美国K．E．Drexler在他所著的《创世机器》一书中描述了如何对物质进行操作和控制，引起巨大的轰动，这些幻想的确给纳米科学家带来了灵感和启发。纳米科技在一段时间里一直被这种幻想的色彩笼罩着，然而这些幻想却给纳米科技带来一些意想不到的好处。K．E．Drexler对纳米技术的预测，巧妙地将科学与幻想融为一体。关于细胞修理机以及家用食物培养机的种种讲述使人们在纳米科技研究中也受到影响，不知不觉地利用这些微型机器来使人们注意到自己的研究项目。将一项研究冠以“纳米科技”，要比称它为“中尺度材料科学”更为科学和诱人。

K．E．Dr6xler的科学幻想论述的一个明显好处是使一些人更关注纳米科技的发展。在这种的想像力的启发下，一大批科幻作品纷纷出笼。类似的纳米科幻小说，起着与科幻影片《星际旅行》相似的作用。当年《星际旅行》曾激发起众多青年对太空的向往，而这种空间宇宙热有时会引导青年学者最终投身于航空航天或天体物理学等领域中。

纳米技术在国内的研究情况及取得的成果

中国对纳米科技研究的支持，始于20世纪80年代中期。1987年，中科院化学所计算机控制的STM研制项目获中科院院长基金的资助。自1990年以后，国家科委“攀登计划”资助了纳米科学研究。1999年，国家科委开始在“973计划”中单独设立“纳米材料和纳米结构”研究项目。“863计划”在1990—2002年间，支持了将近1000个纳米方面的课题。在1991—2000年间，国家自然科学基金委员会共资助纳米科技研究9000多万元

中科院物理所的解思深于1996年在国际上首次发明了控制多层碳管直径和取向的模板生长方法，制备出离散分布、高密度和高强度的定向碳管；1998年合成了世界上最长的纳米碳管；2000年,又对管径仅为0.5nm的极小直径纳米碳管的力学、热学光学和导电性质进行了系统研究。此系列工作在1998年、2000年

分别被评为国内十大基础研究进展。

清华大学范首善课题组在国际上首次利用碳纳米管限制反应形成直径为3nm—40nm、长度达微米级的发蓝光的氮化镓一维纳米棒，在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。该成果被评为1998年中国十大科技进展新闻。中科院金属所的研究小组，在世界上首次发现纳米金属材料具备室温下的超塑延展性——纳米铜在室温下冷轧可延伸50多倍。中科院金属所成会明研究组利用等离子蒸发技术成功地制备单壁碳纳米管材料并获得优异的储氢性能，质量储氢容量可达4%

纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微系统的研究。在国内，许多科研院所、高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：

定向纳米碳管阵列的合成，由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成。他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米，长度约100微米的碳纳米管。并由此制备出纳米管阵列，其面积达3毫米×3毫米，碳纳米管之间间距为100微米。

氮化镓纳米棒的制备，由清华大学范守善教授等完成。他们首次利用碳纳米管制备出直径3~40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒，并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

准一维纳米丝和纳米电缆，由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。

用催化热解法制成纳米金刚石，由中国科学技术大学的钱逸泰等完成。他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应，以此制备出了金刚石纳米粉。

世界各国纳米研究状况

新世纪是卓越的科学发现和巨大的技术突破层出不穷的时代。世界许多国家都制定了自己的科技发展战略和规划，力争掌握科技发展的先机，在国际科技舞台上占据一席之地。各个主要国家和地区在纳米技术领域的竞争一年强于一年。这种竞争体现在战略和政策、公共和私人研发投资及追求应用方面美国高度重视纳米技术研究

美国在纳米技术方面起步早，联邦对硬件资助逐年增加。2000年出台“国家纳米技术研究计划”后，联邦研发预算大幅增加，2001年为4.22亿美元，2003年为7.1亿美元,2004年达8.49亿美元。据称，从

2001年开始的三年内，美国联邦对纳米技术的资助总额增长了83%。2003年12月3日，布什总统签署了《21世纪纳米技术研发法》，规定从2005年开始，四年内联邦为国家纳米技术计划资助37亿美元。目前，美国企业对纳米技术的投资两倍于联邦投资。根据国会通过的有关纳米科学、研发与教育的法案，成立了“国家纳米技术研发计划”这个常设机构。许多大学建立了跨学科的纳米技术研究中心，并与工业界建立了研发伙伴关系。

欧盟对纳米技术的研发当仁不让

对于纳米技术研发，欧洲对美国当仁不让。纳米技术是欧盟前两个计划的重点，在第六个框架计划中，纳米技术又是一个最优先领域，研发经费为13亿欧元。纳米技术也处在欧盟另两个优先领域生命科学和信息社会技术的核心地位。欧洲纳米商业联合会称，如果把欧盟成员国的投资计算在内，欧洲2002年的纳米技术的投资应是美国的两倍。欧盟有86个国内和国际研究网络致力于纳米技术的研究，参加网络的有2000多个，其中有许多机构得到了国家的资助。德国、法国和英国等都有完备的纳米技术研究计划。

日本视纳米技术为振兴经济的关键

1991年，日本电器公司的饭岛澄男发现了碳纳米管，此后，纳米技术在日本备受重视。近年日本关注经济振兴，政府确信科技是依靠，而纳米技术在未来是关键，2003年政府技术拨款预计达10亿美元。支持纳米技术研究的政府机构主要是经济产业省和文部科学省。大公司也是纳米技术研究资金的一个主要来源。

其他国家和地区研究不断深入

在世界三强共逐纳米技术之际，其他国家也有在目标、在重点地追赶。韩国每年的纳米技术投入列为优先领域，并制定了相应的计划。韩国政府2009年18日决定在今后10年内投入1.48万亿韩元(1300韩元合1美元)的资金,用以大力开发纳米技术。将集中支持科研部门开发具有战略意义和竞争力的纳米技术，促使韩国尽快拥有世界前五位的技术竞争力。为此，韩国决定在国家科技委员会内新设纳米技术专门委员会，并在今后10年内培养1.26万名专业人才，同时建立研究设备中心。为了鼓舞科技工作者的士气，政府决定建立“科技工作者名誉殿堂”，以提高科技工作者的社会地位，并对作出成绩的科技工作者进行奖励。与此同时，韩国政府还决定2010年的财政预算中的5%要用于研究开发。在这笔预算中，20%要用于基础研究。此外，韩国国防部、科技部、产业资源部和情报通信部将共同投资363亿韩元，用于开发军地两用技术和军地技术转移等

同国外发达国家的先进技术相比，我们还有很大的差距。德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为到2000年，纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域。

总之，纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的那样："纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。

参考文献：

[1]大学物理阅读材料第二章：纳米材料及其应用前景

[2]百度百科纳米科学技术

[3]纳米科技导论

[4]曼索里.纳米技术原理.复旦大学出版社，2006:11

[5]周兆英，王中林，林立伟，微系统和纳米技术，科学出版社，2007.

[6]王占国，叶晓林等。纳米半导体技术.化学工业出版社，2006

纳米科技调研感言

首先我要感谢彭老师详细风趣的讲解和耐心的写作指导，我才能完成这一篇文献调研。

从许多文献中可以知道微米科技在20世纪70年代以来的信息科学中占有中心地位，而新兴纳米科技在新的21世纪信息科学中将起革命性的作用。纳米材料将是21世纪新兴材料科学和技术发展的一个新的方向。

大量研究证明，生物克隆、生物病毒、胶体化学、团簇结构、粘土矿物、电子显微学等，都是与纳米尺度密切相关的研究，不必从形式上再加上一顶纳米桂冠，但从纳米科学和技术进行更深入研究，可能会有新的发现与新的突破。

新兴的纳米科学和技术的发展，开辟了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米矿物学研究的新领域。

经过对文献论文的整理与研究我们把它分为以下几个主要部分：

1．纳米科技的定义和基本理论

2．纳米科技与其他学科的联姻

3．纳米科技的发展

4．纳米科技的里程碑

5．纳米科技的应用以及举列

6．纳米技术在国内外的研究状况

于是我得出了以下结论

纳米科技的技术优势

在纳米研究快速发展的基础上,纳米在工业、能源、医学和环境等传统产业中的应用研究也愈加广泛和深入,推动着纳米科技自身的发展和相关领域的技术进步,主要表现在:

(1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新;

(2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池,成为未来太阳能电池的主导;

(3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料;

(4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能;

(5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力;

(6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探测活细胞中的致癌毒素或追踪癌症药物的效用,可用于化疗监测;

(7)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路迈出重要一步。

纳米科技的美好前景

纳米科技已经显示了其在各产业技术创新中的巨大潜力。虽然目前大部分研究成果还没有进入产业化应用,但可以预见在未来一段时间内纳米科技必将强劲推动各产业的技术进步。

（1 ）纳米技术将在能源领域取得突破

近年来,纳米太阳能光伏电池产业的快速发展标志着纳米技术在能源领域发展的广阔前景,随着新的基于纳米技术的太阳能电池的出现,将使廉价而大容量的太阳能制造技术成为可能。

（2）纳米科技将在医学更广泛应用

通过纳米级微型探测器可以大幅提高医学诊断和疾病检测精度,同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治

疗目前基于发现肿瘤标志物并快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前景。（3）纳米科技开启电子信息产业革命

极端纳米技术和新型纳米器件将为电子信息产业带来革命性进步。微机电系统是电子信息产业的发展趋势,包括纳米制造、纳米计量在内的纳米科技将使其成为可能,同时也为纳米科技在其它领域的应用奠定坚实的基础。

（4）纳米科技在未来通信技术上的应用

通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作用。纳米材料为光缆提供了新的技术，近来，一些厂商已开发出纳米光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。

通过对纳米科技的学习使我明白纳米科技是近期发展起来的新兴科学领域,它正在化学、物理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成,而且不断有新的发现和突破。是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界定为1～100nm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。它包括物理、化学、材料、生物等多门科学，以及信息、微电子、精密机械、计算机、能源、航空航天、化工、纺织、医药等领域的在纳米尺度进行的设计、制造、测量和控制技术。纳米科技不是某一学科的延伸、也不是某—新工艺的产物，而是基础理论学科与当代高技术的结晶。它以物理、化学的微观研究理论为基础，以当代精密测量和先进的分析技术为手段，是一个内容广阔的多学科群。

纳米科技的出现使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到了原子和分子级，展示了人类有望直接以原子、分子来制造具有持定功能的产品，实现生产方式的飞跃。因而，纳米科技将对人类的发展和进步产生深远的影响。

最后再次感谢彭老师本学期精彩的讲课和细心指导，谢谢您。