纳米技术与未来生活

纳米技术与未来生活

“正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成

为下世纪信息时代的核心。”

——IBM的首席科学家Amotro ●纳米技术的起源与发展

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后甚至可以根据人类的意愿，逐个排列原子或分子，制造超晶态产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术（Nano-technology）一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明观察纳米结构的重要工具－－扫描隧道显微镜（STM），揭示了一个可直接探测的原子、分子世界，对当时称为“介观物理”（Mesoscopic Physics）的研究和发展产生了积极的促进作用。并且，只有在介观体系中才显得那么重要的表面和界面问题也开始发展成为科学。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

●纳米与纳米技术

所谓纳米，它仅仅是一个长度单位，一个纳米相当于十亿分之一米，是人类毛发直径的一万分之一，是可见光最短波长的四百分之一。如果做一个纳米的小球，把它放在一个乒乓球上，就好像把乒乓球放在地球上。纳米一个比微观尺度（原子大小为0.1纳米）大，又比宏观尺度（光学显微镜分辨极限的微米尺度）小的世界。这个世界里的研究工作是从基础物理学对这个尺度上的结构（纳米结构——Nano-structure）所表现出的奇异特性开始的。如果考察电子通过纳米圆环所组成电路，它的行为将不遵守欧姆定律，而表现出彼此之间的关联性（AB效应）。在这个尺度上的物质，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分它们是长程有序（晶态）、短程有序（液态），还是完全无序（气态）了，而成为物质的一种新的状态——纳米态。并且，人们很早就注意到这种纳米态的性质不主要取决于其体内的原子或分子，而是主要取决于表面或界面上分子排列的状态。由于它们具有量子力学上的强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的介观性质，这就是纳米材料。

而通常讲的纳米科技就是对待这样一个数量级的微观世界的科学技术。其精髓是从对原子分子的精确控制出发，构建具有全新分子、全新排列形式的人造结构。也就是说，纳米技术希望能够操纵一个一个原子、一个一个分子，并用这种办法来做成一些材料和器件。1959年，加州理工学院的一位教授就提出了这样一种设想：做一种万能制造机，一面放上各样的分子、原子，另一面想出来什么东西，就通过原子的组排，轻松实现。而从原理上讲，利用纳米技术，是有可能的。可见纳米技术的神奇了。

作为纳米技术，本身它并不神秘，实际上从微米技术到纳米技术，应该说啊是科学发展的一个自然的结果。我们现在生活在微米时代。在微米时代，我们用计算机，录像机、电视，都是微米技术的结晶。比如奔腾芯片已经做到了0.17-0.18个微米，相当于几百个纳米。也就是说，从尺度上来讲，微米技术已经逐渐进入到纳米尺度。所以从某种意义上讲，从诶米科技到纳米科技是科学发展的必然结果。

然而，纳米技术不仅仅是微米技术的简单延伸，实际上纳米技术是建立在人们对纳米世

界的新认识的基础之上的高科技。经过近二三十年来的研究，大家发现当物质的尺寸变得非常小的时候，比如说几十个纳米，它们便会表现一系列奇特的性质。比如把一块铜进行粉碎，当到了几十个纳米的数量级时，它的性质变完全不同了，变成了一团黑乎乎的东西，完全没有金属光泽了。如果办它压制起来成一个纳米材料，它的强度要比一般的传统的铜高十几倍，而且可以向高分子塑料那样弯曲。再如用纳米材料做成的陶瓷，不仅不易摔碎，而且可耐高温。究其本质，这些现象源于纳米技术的几大效应——表面效应、表面镜面效应、量子效应、小子粒效应等。现在已经知道，纳米材料是由几十个到数千个原子或分子组合成的介观体系。这些数量不多的原子或分子“组合”在一起时，被称为“超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质，由于它内部的强关联性，它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和水溶性都有重大变化。当“超分子”继续长大，或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去。或者说，纳米材料一方面可以被当做一种“超分子”，由于它的尺寸太小，不足已达到能对可见光散射的尺度（可见光波长的三分之一），它对可见光是完全透明的，充分地展现出微观世界的量子效应。另一方面它也可以被当做一种非常小的“宏观物质单元”，用以构建宏观物质，以至于在宏观世界中表现出前所未有的特性。更重要的是，许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对物质世界和生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合它们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。

●纳米材料

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类，其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

纳米粉末：

又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。

?纳米纤维：

指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：服装、微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。

?纳米膜：

纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。

?纳米相分离液体：

油包水、水包油、油包气和水包气型微乳液，被包相的体积小于100纳米，由于这个尺度比可见光波长（400-700纳米）小得多，这种液体外观澄清透明，并且热力学上是稳定的。可用于燃油添加剂；重油降粘剂；保健品；带有靶向作用的药品和带有呼吸作用的防水涂料等。

?纳米块体：

是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。

纳米技术的研究热点集中地表现在如下几个方面：

纳米强度支撑材料：进行具有特殊性能的纳米材料和纳米结构的研究，以探索和改善传统材料的综合性能及其应用。纳米结构器件：研究、设计和制备新型纳米结构和器件，以推动信息、能源、环境、医疗、农业及航天技术的革新和发展。纳米探测技术：纳米加工和纳米探测技术的实践应用，象原子力显微镜（AFM）的发展，已经使人类能够在原子尺度上对单个原子进行搬移，对原子之间的价键结合态进行观测。

●纳米科技与我们的日常生活

纳米科技可以使人们传统的思想方法有深刻的改变。比如我们传统的制造过程都是从大到小的过程，包括现在的高科技。就拿集成电路来说，它的制作过程是：先制成5或8英寸的芯片，然后在芯片上划出电路，包括电容、电阻等。但是纳米科技完全相反，它是从一个个的原子入手，把他们组装起来，形成材料、器件，这是一个从小到大的过程。

也许现在人们还无法感受纳米技术的影响，但是纳米的确在逐步的加深对人类社会的影响。在不久的将来，它会大放异彩。比如说用纳米材料制成的纳米管，可以用来存储氢气，从而可以用来做颜料、电池，电池可置于汽车中做绿色燃料，从根本上解决汽车污染问题。如果把纳米离子和塑料、聚合物结合起来，取代金属部件，那末可以大大减轻汽车、各种机械的重量，从而节省能源，也减少了环境污染。纳米技术在对人类的健康方面也可以起到相当的作用。比如可以把极小的纳米传感器放到人体内，监测心、肺等的工作情况，就可以及早的发现病情，有利于治疗。我们甚至用可能制造出一种纳米机器人，尽到我们的体内去进行治疗。利用纳米技术，我们还可以生产绿色化肥、绿色农药，解决农药的残留问题。据估计，大约经过10年左右的时间，微米计算机的发展将达到极限，这时必须有新的技术应用于计算机的制造，纳米技术无疑是最有前景的。

纳米技术已逐渐走进人们的生活，但是如果像微电子技术那样产生广泛的、深刻的影响，将是10-30年后的事了，但是我们可以讲21世纪是纳米科技的世纪。

●大事记：

1991年，碳纳米管被人类发现，它的力学性质尤其引人注目。这种材料的质量只是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍，一度成为纳米技术研究的热点。北京大学的科学家们也在同期制备出当时世界最长的碳纳米管。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关和纳米电子元器件。

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬运原子团“写”下斯坦福大学英文名字和1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米技术领域占有一席之地。

1996年，中国科学家在核技术的帮助下成功地解决了油—水二元协同纳米界面的化学结构和成份的稳定性问题，研究出热力学稳定的、能够克服极限破乳等问题的、水相尺度为6纳米的油包水型燃油添加剂，使燃油的物理活性提高了上百万倍，在八千分之一的添加量下取得发动机台架节省燃油10%的结果。

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，北京大学的科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。

到2000年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。

参考资料