对纳米材料和纳米科学的理解

纳米材料科学浅谈

摘要：本文简单介绍了纳米科学和纳米科技的定义，研究内容，新材料和新科学的应用，未来的应用前景以及面临的挑战。

关键字：纳米技术 STM 发电机微型计算机

引言：

著名科学家费曼于1959年所作的There's Plenty of Room at the Bottom ---- An Invitation to Enter a New Field of Physics的演讲，以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”

1981年，G.Binning & H.Rohrer 发明扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope –STM），实现了人类的直接看到原子；按意愿去安排原子、分子的愿望。

1986年，G.Binning, C.F.Quate, C.Gerber 等发明原子力显微镜（Atomic Force Microscope - AFM）人类获得了微观表征和操纵技术！

为纳米科学、纳米科技大发展奠定基础。纳米科技的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。关键是，运用原子和分子的已知化学特性，制备出新颖的具有出色特性的分子设备，以便单个操纵分子并把它放到真正需要的地方来生产所需的结构。纳米技术的焦点是可识别的任何化学稳定的

结构都能被生产出来。

纳米材料的研究被越来越多的国家

重视，建立专门的纳米材料研究中心，纳米材料和科学在科学研究和人类生活在

越来越常见。

讨论

1：纳米科学和纳米科技

纳米（Nanometer），是一种长度单位，即1米的十亿分之一，单位符号为 nm。

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内（0.1 — 100nm）研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。

侧重于理论研究时常称为纳米科学，而侧重于应用技术研究时常称为纳米技术。

2·发展历程

（1）费曼于1959年所作的There's Plenty of Room at the Bottom

---- An Invitation to Enter a New Field of Physics的演讲中提出人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子线度，即逐级地缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。此即nm技术最早的动意。

(2) 1981年，G.Binning & H.Rohrer 发明扫描隧道显微镜（Scanning Tunneling Microscope –STM）：

横向分辨率达0.1nm，纵向分辨率达0.01nm。（1986年Nobel物理学奖）

实现了人类的两个梦想：直接看到原子；按意愿去安排原子、分子。

（3）1986年，G.Binning, C.F.Quate, C.Gerber 等发明原子力显微镜（Atomic Force Microscope - AFM）人类获得了微观表征和操纵技术！

（4）目前应用

4.1碳纳米管

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10成为纳米技术研究的

热点。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、超微开关以及纳米级电子线路等。

聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸盐（PAH/PSS）纳米

管SEM和TEM图

4.2 碳纳米秤

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性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—个病毒的重量。其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。在这个例子中，弹簧就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。

碳纳米秤

4.3纳米发电机

2006年4月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能

转换成电能，研制出世界上最小的发

电机——纳米发电机。

这台纳米发电机可以收集机械能，比

如人体运动、肌肉收缩、血液流动等

所产生的能量；震动能，比如声波和

超声波产生的能量；流体能量，比如

体液流动、血液流动和动脉收缩产生

的能量，它所产生的电能足够供给纳

米器件或系统所需。更让人振奋的是，这一纳米发电机能达到17％―30％的发电效率

（ A）在氧化铝衬底上生长的氧化锌纳米线的扫描电子显微镜图像。（B）在导电的原子力显微镜针尖作用下，纳米线利用压电效应发电的示意图。（C）当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放形成的三维电压/电流信号图。

3．应用前景

正如There's Plenty of Room at the Bottom ---- An Invitation to Enter a New Field of Physics的演

讲中提到的，将来我们如何依我们想

要的方式排列原子，尺寸缩小到排列

原子的地步。如果可以依我们想要的方式一个一个地排列原子，一切物质

的性质范围会大得多，我们能做的事

也会多得多。

1.重新排列原子，生产特殊性能的材料

2.纳米微粒的尺寸常常比生物体内的

细胞、红血球还要小，这就为医学研

究提供了新的契机。生物合成和生物

过程已成为启发和制造新的纳米结构

的源泉，研究人员正效法生物特性来

实现技术上的纳米级控制和操纵。例

如正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯

片(即DNA芯片)等，都具有集成、并

行和快速检测的优点，已成为纳米生

物工程的前沿科技。微型机器人可以

进入人体受伤，癌变等部位代替医生

精确地完成手术等。

3.生物计算机的研制。信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代

计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，

存贮信息的空间仅占百亿分之一。生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。

4.纳米光电材料，压电材料磁性材料被越来越多的科学家认识，以后将进一步发展进而用于实际生活生产中。

总结

纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域。而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会。从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。相信在不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路