纳米科学和技术
纳米科学和技术
纳米技术，首先要了解纳米这一长度单位。一纳米是十亿分之一米，或千分之一微米。直观上讲，人的头发直径一般为20-50微米，单个细菌用显微镜测出直径为5微米，而1纳米大体上相当于4个原子的直径。传统的特性理论和设备操作的模型和材料是基于临界范围普遍大于100纳米的假设，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，材料的性质发生了意想不到的变化。由于组成纳米材料的超微粒尺度，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的40%-50%左右，使材料本身具有宏观量子隧道、表面和界面等效应，从而具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这些性质不能被传统的模式和理论所解释。
    纳米技术就是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。它的本质是一种可以在分子水平上，一个原子、一个原子地来创造具有全新分子形态的结构的手段，使人类能在原子和分子水平上操纵物质；它的目标是通过在原子、分子水平上控制结构来发现这些特性，学会有效的生产和运用相应的工具，合成这些纳米结构，最终直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。
    因而，各个不同学科的科学家潜心研制和分析纳米结构，试图发现单个分子、原子在纳米
级范围内不能被传统的模式和理论所解释的现象以及众多分子下这些现象的发展，他们的工作奠定了纳米技术的基础，推动了纳米技术的发展。
    让我们简单回顾一下它的历史：
    1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学会年会上预言：如果人们可以在更小尺度上制备并控制材料的性质，将会打开一个崭新的世界。这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志。
    1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。70年代美国康奈尔大学格兰维斯特和布赫曼利用气相凝集的手段制备纳米颗粒，开始了人工合成纳米材料。
    1982年，研究纳米的重要工具-扫描隧道显微镜被发明。
    1989年德国教授格雷特利用惰性气体凝集的方法制备出纳米颗粒，从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶体材料的概念，成为纳米材料的创始人。
    1990年生活中哪些是纳米技术7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举行。
    1991年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍。
    1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国夏威夷、瑞典举行。
    1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、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，中科院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字。
    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储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。
    1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可称量十亿分之一克的物体，相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的“秤”。
    到1999年，全球纳米产品的年营业额达到500亿美元。
由于纳米技术不可估量的经济效益和社会效益，包括为信息产业的电子、光电子的继续发
展和提高；为制造业、国防、航空和环境应用提供更物美价廉的材料；为医疗、医药和农业上加速生物进步将起的作用，人类可以预计到21世纪，纳米科学和技术将会改变人造物体的特性，产生工业革命。IBM的前首席科学家约翰·阿姆斯特朗在1991年写道"我相信纳米科学和技术将会是下一个信息时代中心，就像在七十年代的微米引起的革命一样"。
纳米技术的学科领域：
纳米材料学 观测和研究纳米材料所具有的特殊结构，包括表面粗糙度、表面结构、颗粒大小、缺陷和材料制备。在纳米尺度下，物质中电子的量子力学性质和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，从而使其具有许多与传统材料不同的物理、化学性质。科学实验证明一克具有纳米尺寸的微粒，其表面积可达几万平方米，由于表面积增大，活性就增强；五颜六的金属，由于吸光能力增加而一律变成黑体，熔点也随之降低。而且纳米铁材料的断裂应力比常规材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比一般材料快几千倍；纳米铜材料比常规铜材料的热扩散增强了近一倍。铜到纳米级就不再导电，纳米铜的膨胀系数比普通铜成倍增加。绝缘的二氧化硅、晶体等，在20纳米就开始导电成为导体。人们还发现，纳米颗粒的外形会逐渐变化，粒度越小，变化越强；纳米材料中有大颗粒“并吞”小颗粒
的现象，纳米颗粒与生物细胞膜的物化作用很强，因而能被细菌吞噬而产生特殊的生化效应。正由于纳米材料这些奇特的力、电、光、磁、吸收、催化、敏感等性能而使之具有广泛而诱人的应用前景。如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜，而不改变物质的化学成份，最终实现根据材料的性能要求，设计、合成纳米复合材料。
    纳米动力学 主要是微机械和微电机，或称为微型电动机械系统（MEMS），是指集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、接口电路、通信和电源于一体的完整微型机电系统。用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等。微电子技术在许多领域引发了一场微小型化革命，以加工微米、纳米结构和系统为目的的微米、纳米技术在此背景下应运而生，人们利用精细加工手段加工出微米、纳米级结构，组成MEMS，将电子系统和外部世界有机地联系起来，它不仅可以感受运动、光、声、热、磁等自然界信号，并将这些信号转换成电子系统可以认识的电信号，而且还可以通过电子系统控制这些信号，进而发出指令，控制执行部件完成所需要的操作。MEMS技术的目标是通过系统的微型化、集成化来探索具有新原理、新功能的元件和系统。它不仅可以降低机电系统的成本，而且还可以完成许多大尺寸机电系统无法完成的
任务。例如尖端直径为５微米的微型镊子可以夹起一个红细胞；制造出3毫米大小的能够开动的小汽车；可以在磁场中飞行的象蝴蝶大小的飞机等。MEMS技术的发展开辟了技术全新的领域和产业，具有许多传统传感器无法比拟的优点，因此在航空、航天、汽车、生物医学、环境监控、军事以及几乎人们接触到的所有领域中都有着十分广阔的应用前景。
    纳米生物学和纳米药物学 首先要介绍一下DNA芯片。DNA芯片或称作基因芯片实质上是一种高密度的寡核苷酸（DNA探针）阵列。它采用在位组合合成化学和微电子芯片的光刻技术或其它方法将大量特定序列的DNA片段（探针）有序地固化在玻璃或硅衬底上，构成储存有大量生命信息的DNA芯片。DNA芯片有可能首次将人类的全部基因（约10万个）集约化地固化在1平方厘米的芯片上，目前已达到的密度是40万种探针/芯片，每种探针间的空间尺度是12~20微米。在与待测样品DNA作用后，即可检测到大量相应的生命信息，包括：基因识别、鉴定、基因突变和基因表达等等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件构成新的材料。药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。目前，DNA芯片不作为分子的电子器件，也不作为DNA计算机用，主要起生命信息的储存和处理的功能。但正是基于它的对生命信息进行平行处理的原理，利用DNA芯片可快速、高效、同时地获取空前规模的生
命信息，DNA芯片很有可能成为今后生命科学研究和医学诊断中革命性的新方法。它将改变生命科学的研究方式，将革新医学诊断和，极大地提高我们的人口素质和健康水平。总之，纳米技术在生物学和药物学的深入发展和广泛应用，将开辟一个生命信息研究和应用的新纪元。
    纳米电子学 包括基于量子效应的纳米电子器件，纳米结构的光、电性质，纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，也就是说空间体积要小，响应速度要快，单个器件的功耗要少。扫描探针显微镜就是为实现这一目标而诞生的，作为一种简单、直接而强有力的观察工具，一经问世立即被用于微电子器件的制造过程中。尤其是扫描探针显微镜中的激光力显微镜，它能在不接触表面的情况下绘制出电子元件表面图象。基于扫描探针显微镜的纳米刻蚀技术，可以实现在纳米尺度上制备产品，应用于微电子的工作介质上就有可能制造出高密度的存储器，其记录密度为目前磁盘的数千倍至上亿倍。通过极小的晶体管和记忆芯片几百万倍的提高电脑速度和效率，使今天的奔腾Ⅲ处理器显得十分慢了。
纳米技术的产品：
  1、电子和通讯：用纳米薄层和纳米记录点的全媒体存贮器；平板显示器；全频道通讯工程和计算机用的器件，信息存贮密度和运算速度都要比现在大3-6个数量级，且廉价而节能。
    2、计算机：通过极小的晶体管和记忆芯片提高电脑速度和效率几百万倍，体积只有针头大小的计算机。
    3、纳米医疗：新的纳米结构药物；可到达身体的指定部位的基因和药物传送系统；有生物相容性的器官和血液代用品；家用早期病情自诊系统；生物传感器；骨头和组织的自生长材料。
    4、化学和材料：能提高化工厂燃烧效率，减少汽车污染的各种催化剂；超硬但不脆裂的钻研头及切削工具；用于真空封接和润滑的智能磁性液体；化学、生物载体的探测器和解毒剂。
    5、能源：高电能存储量、体积和重量小且成本低的新型电池；使用人工光合作用的清洁能源；量子阱式太阳能电池。
    6、制造工业；基于扫描隧道显微镜原理的一系列扫描探针显微镜和测量仪器的微细加工；新的操纵原子的工具和方法；渗有纳米粒子的块状材料；使用纳米粒子的化学/机械磨削。
    7、飞机和汽车：由纳米粒子加强的轻质材料；由纳米粒子加强的轮胎，耐磨，可直接再生；不需要洗涤的外壳油漆；廉价的不燃塑料；有自修补功能的涂层和纤维；生产出比钢强度大10倍，而重量只有其几分之一的材料来制造各种更轻便，更省燃料的交通工具。
    8、航天：轻型航天器；经济的能量发生器和控制器；微型机器人。
9、环境保护：工业废污处理；廉价的海水除盐膜；确定环境中纳米粒子的效应；从原子或分子做起的制造工艺，无切削、无化学处理，材料消耗最少。
纳米技术未来发展：
纳米技术的发展会创造出常人难以想象出的结果，但科学家们已经根据目前的成果对未来的发展进行了描绘。
    通过网络下载硬件成为可能 我们将不仅能够利用因特网下载软件，还能下载硬件，也就是“物质将成为软件”。研究人员已经忙于研制体积只有针头大小的计算机，这种纳米计算机的各个部件比现今用于在磁盘驱动器上装载信息的物理结构小得多。从物理意义上再生产一些硬件下载产品所需要新的磁盘驱动器。一种设想是用尖细的点束制造一种读写磁头，以某种方式刺激原子和分子。利用十年来在扫描隧道电子显微镜及相关技术方面取得的试验研究成果，分别由斯坦福大学的卡尔文·奎特和康奈尔大学的诺埃尔·麦克唐纳领导的两个科学家小组目前正在从事这方面的研究。这种物质变软件的关键是纳米盒。这是一种把纳米制造技术与现今所谓的台式制造方法相结合的未来复印机。如果你需要一部新的蜂窝电话，你可以通过网络购买一种制作蜂窝电话的方法。它将告诉你插入一个塑料片，把导电分子注入 "粉”盒中。纳米盒将把塑料片来回移动，记下分子的型式，然后通过电子指引分子自行组装成电路和天线。下一步是，纳米盒利用不同的“粉”加上号码键、扬声器和麦克风，最后制造外壳。
    超微型计算机普及 一旦掌握了制造体积不超过盐粒大小的计算机的技术，就会从根本上处于一种新的形势。体积那么微小的计算机将非常便宜，因而随处都可使用计算机。嵌在内衣里的计算机将告诉洗衣机应当用什么水温洗涤内衣；圆珠笔笔芯中的墨水即将用完的
时候，嵌在笔中的计算机将提醒你更换笔芯；嵌在鞋里的计算机将向汽车发出信号，把主人走过来的信息通知汽车，让汽车调整好座位和反光镜并打开车门。

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