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漫说纳米 纳米科技诞生于20世纪末，如今已迅速发展成为能深刻改变人类生产生活的新科技。在纳米电子及计算机技术应用方面，纳米结构微处理器的效率可提高100万倍，存储器可实现兆兆比特级的存储；在纳米结构材料应用方面，在纳米尺度上控制构成材料的基本单元的结构与成分，再组装成具有特殊性质和功能的大结构，能够从根本上改变材料及器件的制造方法；在磁学功能与智能材料应用方面，新型的具有磁光、磁电效应的纳米材料具有不可估量的应用潜力；在生物工程技术应用方面，生物合成与生物过程是启发和制造新的纳米结构的灵感，纳米级敏感器能够监视生命器官的运转情况；在航天航空技术应用方面，纳米结构材料能够提供质量轻、强度高且热稳性高的优质材料；在环境与能源的纳米材料应用方面，纳米技术在提高能源效率、能量储存、能源再生、能量转换以及能量产生等方面均有极大优势。 理查德·费曼，美国物理学家，1965年诺贝尔物理学奖得主，世界上首位提出纳米科技构想的科学家。1959年12月29日，费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学年会上作了一次极富想象力的演讲。 这个演讲在当年颇有些惊世骇俗的意味，被当时的科技界视为科学幻想。 到了1993年，为了纪念费曼的远见卓识，由德雷克斯勒创建的前景研究所设立了纳米科技费曼奖，每年各奖励一位分别在纳米科技理论与实验方面作出突出成就的科学家，成为纳米科技领域的一项国际大奖。 什么是纳米技术 纳米技术是以小结构或小尺寸材料为研究对象的技术。典型的尺寸范围为从亚纳米到几百纳米。1纳米（nm）是1/10亿米，称10-9米。下图所示为部分零维纳米结构的典型尺寸范围。 目前，对于纳米技术的定义有许多不同的观点。有人认为利用电子显微镜研究材料的微结构，研究薄膜的生长和表征为纳米技术。 [插图] 有人则认为采用自上而下的途径完成材料合成与制备（如自组织或生物矿化形成像鲍鱼壳的层状结构）为纳米技术。 药物输送（即将药物放入纳米管中完成输送）、微电机系统和芯片实验室也被一些人认为是纳米技术。 [插图] 有许多着眼于未来的、近乎科幻的观点认为，纳米技术意味着新颖、奇特和超前的应用，如在人体血管的血液中游动的潜艇、监测人体的智能自修复纳米机器人、碳纳米管制造的太空电梯以及太空移民技术等。 [插图][插图] 还有许多工作在具体研究领域的人所持的观点也各异，这些都是具有特定意义的纳米技术的定义，不能覆盖全部的内涵。 [插图] 各种各样的纳米技术定义说明了一个事实，即纳米技术覆盖了广阔的研究领域，它要 求多个学科以及学科之间的共同努力。 总体而言，纳米技术可以理解为一种设计、制备及应用纳米结构和纳米材料的技术。其中包括对纳米结构和纳米材料的物理性质和现象的基础理论的研究。 纳米技术是如何产生的 [插图] 1959年12月，在美国物理学会年会上，物理学家理查德·费曼教授作了题为“底部还有很大的空间”的著名演讲，首次提出能够在分子和原子的尺度上加工与制造产品，甚至可以根据人们的意愿逐个地排列原子与分子。 1974年，东京理科大学教授谷口纪男首先提出了“纳米技术”一词，用来描述原子或分子级别的精密机械加工。 [插图][插图] 1981年，IBM公司苏黎世实验室的科学家宾宁博士与罗雷尔博士一同发明了扫描隧道显微镜，使人类第一次直接观察到了原子。 1985年，宾宁与罗雷尔同斯坦福大学的奎特教授合作推出了原子力显微镜；同年，英国萨塞克斯大学的克罗托教授同美国莱斯大学的斯莫利教授与科尔教授合作，发现了金刚石与石墨之外的第三种稳定碳单质——由60个碳原子构成的足球状富勒烯分子C60。 1986年，美国人德雷 克斯勒受费曼演讲的启发，对纳米科技的概念进行了深入的探究和广泛的引申，出版了第一部有关纳米科技的书——《创造的发动机：即将到来的纳米技术时代》。 [插图][插图] 1988年，法国科学家费尔与德国科学家格林贝格尔分别独立发现了纳米结构多层膜的巨磁电阻效应，为大容量磁盘存储器等现代信息技术的发展奠定了重要基础，两人因此分享了2007年度诺贝尔物理学奖。 第一届国际纳米科技会议 1990年7月，在美国巴尔的摩举办了第一届国际纳米科技会议；同年英国物理学会开始出版发行第一种专门的纳米科技类杂志——《纳米技术》。 探索纳米技术的发展 [插图] 1990年，美国IBM公司的科学家首次实现了对原子的操纵，他们用STM（扫描隧道显微镜）移动35个氙原子拼成了“IBM”三个字母；而美国贝尔实验室则推出了一个只有跳蚤大小但“五脏俱全”的纳米机器人。 1991年，日本NEC公司的科学家饭岛澄男发现了碳纳米管。单壁碳纳米管的密度只有钢的1/6，强度却是钢的10倍。IBM公司则成功操纵CO分子排列出了一个卡通人的图形，实现了对分子的操纵。 [插图][插图] 1992年，美国科学家发现纳米钴粒子镶嵌在铜膜中构成的颗粒膜具有巨磁电阻效应；中国科学院真空物理实验室采用了STM在硅单晶表面搬迁原子，形成了“中国”的汉字图案；日本日立制作所研制成功了可在室温下工作的单电子储存器，可在极微小的晶粒中封入一个电子用来存储信息。 1993年，IBM公司用STM操纵铁原子，用48个铁原子在铜表面组装成了一 座“铁原子栅栏”，栅栏的半径仅7纳米左右。铜表面的电子就像关在栅栏里的羊群一样逃不出去，形成一种电子驻波。 1994年，美国开始着手研制“麻雀卫星”、“蚊子导弹”、“苍蝇飞机”以及“蚂蚁士兵”等新式武器，纳米技术在国防领域逐渐显现其威力。 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年后研制出速度与存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 [插图][插图] 1999年，美国和巴西科学家在进行碳纳米管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量1/10亿克的物体，相当于一个病毒的质量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子质量的“秤”，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。 2000—2001年，各国相继针对自身产业现状，提出纳米科技发展计划。日本成立纳米材料研究所（Tsukuba）；欧盟成立纳米电子技术联盟 （IMEC）；德国成立六个纳米技术卓越群；中国成立纳米国家科研中心，2002年1月，中国台湾工业技术研究院成立纳米科技研发中心。 [插图][插图] 目前，全球已形成世界性的纳米科技热潮，纳米科技领域的新发现、新成果与新产品层出不穷。纳米科技大大拓展和深化了人们对客观世界的认识，使人们能够在原子、分子水平上制造材料及器件。纳米科技对经济社会发展、国防安全等具有重要意义。 纳米技术涉及的分支学科 随着纳米科技的不断发展，纳米科技的研究内容不断充实，研究范围也不断扩展，纳米科技领域已经形成了一些各具特色、相对独立又相互渗透的分支学科，主要包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、纳米力学及纳米制造等。 （1）纳米物理学 [插图] 主要研究物质在纳米尺度上的物理现象及其表征，主要内容包括纳米固体的独特结构、磁学性质、电学性质、光学性质，以及电磁、光电、磁光等性能间的转换特征。 （2）纳米化学 [插图] 主要研究纳米尺度范围的化学过程及相关效应，重点为纳米材料、纳米结构及纳米体系的化学合成和修饰。基于原子、分子的自下而上的合成方法是纳米化学关注的焦点。 （3）纳米材料学 是研究最早、应用最广、最具活力的纳米科技分支学科，很多纳米材料产品均已商用。其研究内容包括纳米材料的成分/结构、合成/ 加工、性能及使用效能四方面。 （4）纳米生物学 [插图] 主要利用纳米科技的思想及工具等来研究、解决生物学问题，在分子水平上深入揭示细胞内部不同纳米尺度单元的结构与功能，以及细胞内部、细胞内外之间直到整个生物体的物质、能量与信息交换机制。 （5）纳米医学 [插图] 利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科，其研究内容主要涉及纳米药物、纳米医用材料、药物的传递、药物的靶向释放以及纳米生物传感器等诸多领域。 （6）纳米力学 [插图] 主要研究纳米尺度物体的力学性质，是由经典力学、统计力学、固体物理学、材料科学与量子化学相互交叉形成的应用型学科，已经形成多个学科分支。 （7）纳米制造 即实现纳米科技产品的工业化生产，是纳米技术取得商业成功的重要环节。其研究内容包括纳米产品与生产工艺的数学建模、计算机模拟和设计，从纳米到宏观等各种尺度的分级制造，多尺度的整合以及工具的开发等诸多方面。 纳米技术面临的挑战 [插图] 纳米技术面临的挑战主要有以下四个方面： 1）在纳米尺度下，人们可以发现多少有价值的物质新现象与新功能。 新现象的发现迸发新的应用热点。例如，二氧化钛薄膜能很好地吸收太阳能且具有很好的电导性，是理想的太阳能电池材料。 报告 仅在材料领域，纳米技术的潜力便十分巨大。如原子族、纳米晶结构材料、直径小于100纳米的纤维及厚度小于100纳米的薄膜均可为将来开发新型纳米器件与材料提供重要的基础。 [插图][插图] 2）在纳米尺度下，材料的新功能在产品中还可保留多少。 把纳米尺度下发现的新现象与新功能转换为工业化技术是难题。如果这种技术转换不当，便不能保证实验下得到的材料新功能在工业产品上取得相同的效果。 例如，同样的纳米颗粒采用不同的复合技术可能会产生截然不同的产品，甚至会失去新功能。这就不可避免地形成产业需求与科学发现之间新的断层。 3）在纳米尺度下，如何计量、测试与规范。 微观科学研究虽然在20世70—80年代已经初见端倪，但是由于科学发现与产业存在时间差，因此对于标准研究还是最近十几年的事情。科研与产业的积累、仪器设施及标准物质制备均制约着相关标准的研制。 [插图][插图] 4）利用纳米尺度特性形成的产品对环境与生物体是否有害。 [插图] 使用了纳米技术的产品是否真正无害？围绕这个问题的争议越来越大。2005—2007年，美国政府斥资1.2亿美元用于研究纳米技术是否在环境、健康以及安全等方面存在风险。 2007年7月，FDA（美国食品药品管理局）发表报告认为联邦政府与相关职能部门十分有必要为纳米科技 研究开发部门与产品制造部门编写指南。当使用纳米材料或者相关技术以后，哪些监管条件需要调整或者改变均需要明确。 纳米技术的发展前景 [插图][插图] （1）医学领域 药物制备、药物传递、疾病诊断及器官替换和再生等将发生实质性的改进。一般纳米微粒能够穿越细胞壁，纳米药物进入细胞后方便生物降解或吸收，会显著提高治疗效果，同时能减少药物用量、减轻药物的毒副作用。 （2）信息技术领域 信息存储量、处理速度及通信容量等会得到大幅提高。网络带宽将通过纳米技术明显提高，出现集传感、数据处理和通信为一体的智能系统。 [插图] （3）国防领域 将会出现各种光、机、电、磁等系统高度集成的微型化、智能化的武器。例如，用一枚小型运载火箭便可发射上千颗质量不足0.1千克的纳米卫星；制造能够毫无征兆地潜入敌人内部的如蚊子般的微型导弹；研发功能齐全如苍蝇般大小的间谍飞机等。 （4）能源与环境领域 [插图] 能源的生产效率和使用效率得到显著提高，而能源的消耗将会逐渐减少。同时新能源的成本不断降低，太阳能、生物质能等非矿物质可再生能源会得到广泛应用，有效地减少温室气体排放，缓解全球气候变暖危机。光电转化效率成倍提高而成本更低的纳米结构薄膜太阳能电池将逐渐取代多晶硅电池。 （5）食品领域 纳米包覆、纳米加工等方法可使食品的质地、味道和加工性得到改进，食品的储存期延长，营养成分在体内的传递与吸收能够得到有效控制，在保持食物美味的同时大幅度降低脂肪、胆固醇等成分的摄入量，能够控制肥胖及心血管疾病的发病率。有望出现交互式的、营养丰富的智能食品。 [插图][插图] |
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