21世纪前途无量的纳米技术
【摘要】纳米的功能和作用随着对超微颗粒功能优势的深入了解和生产及操作过程的日趋完善,纳米材料的前途无限光明。材料科学家和工程师们一度将从大处着眼奉为金科玉律,但是今天,通过在纳米尺度对物质的合成、表征和操作,他们正树立起从小处入手的新原则。他们在这一前景远大的科研领域所作出的巨大努力已经开始有所收获。
【关键词】纳米颗粒纳米技术纳米结构纳米复合材料纳米材料
一、纳米技术的由来和发展
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（有些资料为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。
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"。
二、纳米技术的学科领域
纳米技术的发展使新名词、新概念不断涌现，象纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学和纳米药物学、纳米电子学、纳米化学等等，而且仍在不断扩大。现将几个主要的学科领域介绍如下。
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；五颜六色的金属，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。
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。
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。
三、纳米技术的产品领域
因纳米技术而得到发展和创新的领域和产品有：
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。
当前世界纳米科学技术的发展呈现出以下特点：纳米科学技术向各个领域快速渗透，由单一技术向集成技术转变；多学科交叉，集中解决重大的科学挑战问题或孕育重大突破的应用技术；强调以应用为导向，形成基础研究-应用研究-技术转移的一体化研究模式；由基础研究向应用研究及产业化的转变，全球大型企业越来越重视纳米技术，产业化步伐明显加快。
“十一五”期间，我国在基础研究方面做出了一系列原创性的重要成果。发现了纳米金属铜的超延展性，以及通过纳米技术提高相关材料导电性的新方法；“拍摄”到能够清楚分辨碳原子间单键和双键的分子图像；碳纳米管器件研究进入国际半导体发展路线图；合成了碳材料“家族”的又一个新的成员——石墨炔；揭示了蜘蛛丝集水的“多尺度协同效应”机
