浅谈纳米技术的研究与应用

浅谈纳米技术的研究与应用

1.引言

当集成电路代替电子管和半导体晶体管的初期，1959年美国诺贝尔奖获得者查理·费曼(Richard Phillips Feynman)，在美国加州理工学院召开的美国物理年会上预言：“如果人们能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制造装置，将会有许多激动人心的新发现，人们将会打开一个崭新的世界。”这在当时只是一个美好的梦想。

如今，这个预言和梦想终于实现了。费曼所预言的材料就是现在的纳米。

今天，不少科学家又在预言，纳米科技将在新世纪里得到惊人的发展，纳米科技将给人类的科学技术和生活带来革命性的变化。科学家认为，纳米时代的到来不会很久，它在未来的应用将远远超过计算机，并成为未来信息时代的核心。

我国著名科学家钱学森早在1991年就指出：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。”

英国理论物理学家斯蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最杰出的物理学家。他预测：“未来一千年人类有可能对DNA基因重新设计。而生化纳米材料则是设计DNA基因所必须具备的医药材料基础。”

近年来，科学家勾画了一幅若干年后的蓝图：纳米电子学将使量子元件代替微电子备件，巨型计算机可装入口袋；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的；世界还将出现1μm以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。

海内外科技界广泛认为，纳米材料和技术的大规模应用可望在10年内实现。现阶段纳米材料和技术正向新材料、微电子、计算机、医学、航天航空、环境、能源、生物技术和农业等诸多领域渗透，并已得到不同程度的应用。

1998年8月20日，《美国商业周刊》发表文章指出，21世纪有三个领域可能取得重大突破：生命科学和生物技术；纳米材料和纳米技术；从外星球获得能源。并指出这是人类跨入21世纪所面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：“70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为21世纪先进国家。”

1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。1977年美国麻省理工学院的德雷克斯勒也提倡纳米科技的研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。1982年发明了扫描隧道显微镜(STM)，以空前的分辨率揭示了一个“可见的”原子、分子世界。到80年代末，STM已不仅是一个可观察的手段，而且已成为可以排布原子的工具。STM与AFM(原子力显微镜)借助于隧道电流效应，用扫描探针实现直接观测原子、分子以及生物蛋白(DNA)结构。1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议。《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。一门崭新的科学技术--纳米科技从此得到科技界的广泛关注。

2.纳米及纳米技术

什么是纳米?纳米(nanometer，nm)是一种几何尺寸的量度单位，其长度仅为1m的10亿分之一，即千分之一微米。原子的直径在0.1-0.3nm之间。

纳米科学技术(Nanotechmlogy)是指在纳米尺度(1nm到100nm之间)上研究物质的特性和相互作用以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它又将引发一系列新的科学技术。例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等。

纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平，并且具有特殊性能的材料。

纳米材料具有极佳的力学性能。如高强度、高硬度和良好的塑性。纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性具有很大的影响。如它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。

纳米材料的颗粒尺寸愈小，电子平均自由程缩短，偏离理想周期场愈严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级时金属会显示非金属特性。

纳米材料的比表面积/体积很大，因而它具有相当高的化学活性。在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。

按照材料的形态，可将纳米材料分为四类：

(1)纳米颗粒材料；

(2)纳米固体材料；

(3)纳米膜材料；

(4)纳米磁性液体材料。

纳米颗粒材料又称为超微颗粒催化剂。利用其较高的比表面积和活性可以显著地提高催化效率。例如超细的铁微粒作为催化剂可以在低温状态下将二氧化碳分解为碳和水。纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm的超微颗粒在高压下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，从而使得纳米材料具有高韧性。如纳米陶瓷就可显著增加韧性，改善脆性。

纳米膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜。它有诸多应用，例如金颗粒膜从可见光到红外光的范围内，光的吸收率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件。

纳米磁性液体材料是由超细微粒包覆的有机表面活性剂。高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。磁性液体的用途十分广泛，如它可用于旋转轴的动态密封，形成液体的“O”型环，可以进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封，目前已开始应用于机械、电子、仪器、宇航、化工、船舶等领域。

若在步进电机中滴加磁性液体，就可阻尼步进电机的余振，使步进电机平滑地转动。用磁性液体所构成的减震器可以消除极低频率的振动。

因为纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点去制造具有特殊功能的产品，所以纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。

为制造具有特定功能的纳米产品，有两种技术路线。一种是通过微加工或固态技术，不断将功能产品微型化；另一种是以原子、分子为基本单元，按人们的意愿进行设计和组装。目前人们正在尝试制造纳米化工、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等。

3.世界纳米技术研究计划

新世纪已经来临，纳米技术已受到全世界的关注，世界各国都对具有战略意义的纳米技术予以足够的重视，国家之间的竞争已经揭开了战幕。

一些发达国家都从战略的高度部署纳米科技的研究，目的是提高未来10年至20年在国际中的竞争地位。

纳米技术研究的一个特点是正在做到三个结合，即纳米技术与传统技术相结合；纳米专家与其他各科技领域专家相结合；纳米专家与企业家相结合。纳米技术研究的另一个显著特点是基础研究与应用研究紧密衔接，科技成果很快转化为生产力。

在美国，美国政府决定把纳米技术列入21世纪前10年11个关键领域之一。美国科学技术委员会于2000年3月向美国政府提出报告，把启动纳米技术的计划视作是下一次工业革命的核心。2000年1月美国总统克林顿要求美国积极制定国家纳米技术计划。他说：“纳米技术可以制造出把美国国会图书馆的所有信息存进只有方糖大小的存储器中，可开发出强度比钢铁大10倍的新材料，飞跃地实现飞机和火车的轻型化，从而最大限度地节约能源。”与此同时，美国还在军事上把纳米技术定为重要技术。

2000年，美国投入2.7亿美元的资金支持纳米技术的研究，2001年又增加至4.97亿美元。

美国许多大型跨国公司、中小企业和财团也纷纷参与与纳米技术相关的研究开发活动。道氏化学、杜邦、惠普、休斯电子、朗讯科技、摩托罗拉、德州仪器、施乐等公司都建立了专门的纳米研究机构。据估计，这类企业的纳米研究总经费与美国政府资助额相当。美国的计算机和电子公司也将其长期研究资金的一半拨给纳米技术研究计划。

日本政府机构和大公司是日本纳米技术研究资金的主要来源。日本通产省、科技厅和文部省于1996年对纳米技术研究拨款达1.2亿美元。日本推动纳米技术研究的大公司有日立、日本电气、日本电报电话、富士通、索尼和富士等公司。

在欧洲，国家计划、欧洲合作网络和各大公司共同为纳米技术研究提供资金。德国已把纳米技术列为21世纪科研创新的战略领域，有19家研究机构专门建立纳米技术研究网。

此外，澳大利亚、加拿大、朝鲜、新加坡、台湾等国家和地区也正在开创纳米技术研究。

纳米科技在我国也逐渐受到重视。1990年3月，中国科学院技术科学局和学部组织了多学科的纳米技术研讨会。1992年8月中国真空学会组织了第一届全国纳米技术会议。通过科研项目对纳米科技领域资助总经费大约700万美元。与发达国家相比，投入经费相差很大。

虽然我国科学家在纳米碳管、纳米材料的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但总体水平与美、日、欧相比差距仍很大，尤其是在纳米器件方面差距更为明显。

4.纳米技术的应用

纳米科学技术的应用前景和应用价值可归纳成如下几点：

(1)设计制造出新材料，由多种成份组织而成，具有指定的性能，如吸附、催化等。

(2)按需要改造生物物种，改变农业面貌。

(3)设计新器件，由微/纳尺度的光学、电子、机械、传感器等集成。

(4)使产品超微型化，具有节材、节能、易控制、高速度、高信息密度、高功率密度等。这些超微产品(如测试仪器、电讯、办公或医疗设备、计算机和特种加工机器等)不仅能大幅度提高工作效率、降低成本、缩减实验室与办公室占地面积，还有可能在工、农、商、交通、运输或事故抢救现场及时处理问题，这些产品易于普及，将能创造广阔的新市场，建立新产业。

德国科学技术部在1996年就对纳米技术市场做了预测，估计到2010年能达到14400亿美元。

4.1在生物技术及医药方面的应用

纳米在生物技术方面，可考虑在纳米尺度上按照预定的对称性和排列来制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等。在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能；生物仿生化学药品和生物可降解材料；动植物的基因改善和治疗；测定DNA的基因芯片等。

分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料。每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以以此来设计分子计算机。目前，科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将使单位物质的储存和信息处理能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。

纳米医药材料几乎包括所有生化药品，如抗癌药，抗心血管病药，抗艾滋病和糖尿病药，特别是改变遗传因子。

众所周知，几乎所有的药物都具有副作用。这主要是由于用药剂量不当，或药物作用于正常器官的缘故。如治疗癌症，现今的化疗药物无法单纯杀灭癌细胞，药物的作用往往伤及正常细胞。为此科学家正积极研究如何利用纳米技术人工合成具有特定功能的“搬运工”，使适当剂量的药物仅仅作用于所需部位，这就是所谓的“药物定向释放系统”。

在人体内起各种各样作用的蛋白质，是由多种氨基酸结合而成的天然高分子化合物。当多个有机分子结合在一起时，有时会具备单个分子时所没有的功能，这通常被称为“超分子”。目前科学家正在研究一种被称为“导弹分子”的超分子，它进入人体后，可对癌细胞进行着色，使其与正常细胞区分开，然后利用激光等杀灭被着色的癌细胞。据说，这种由纳米技术制成的“导弹分子”可望在未来2-3年内问世。

如果能够合成可测量血液和尿液中胆固醇等生化指标的超分子，并将其植入半导体微晶芯片，当该分子与血液和尿液中的物质发生反应后，就会产生电流，并作为人体产生的异常电信号被芯片所接收。类似这样的芯片将可起到诊断疾病的作用。

目前科学家正设想利用纳米技术，以20种氨基酸为原料，按分子设计合成所需的蛋白质零件，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架，从而制造出分子机器人。此外，利用纳米技术还可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。

美国北卡罗来纳州立大学和约翰·霍普金斯大学的二位博士，利用纳米技术，开发出一种在眼球植入微小单晶硅片，使失明者重见光明的“人工视网膜系统”。但也有学者认为，这种技术近期内不可能实现。

4.2在工业方面的应用

录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。若采用20nm左右的超微磁性颗粒制成金属磁带、磁盘，每厘米可记录4百万至4千万的信息单元。与普通磁带相比，它具有高密度，低噪音和高信噪比等优点。而且能够极大地提高信息储存量和信息处理速度。

采用纳米技术，在化学纤维制造工序中掺入铜、镍等超微金属颗粒，可以合成导电性的纤维，从而制成防电磁辐射的纤维制品，亦可与橡胶、塑料合成导体复合体。

最近，美国柯达公司研制成功了既具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体。

有专家正在研究纳米与聚丙烯嫁接的复合材料，既保持聚丙烯的良好刚性，又增强了韧性，可广泛应用于高品质的箱包及汽车零部件。

轮胎通常是黑的，但运用纳米材料生产的轮胎不仅色彩鲜艳，性能也大大提高。据新华社北京报道，我国超高密度信息存储研究创“世界之最”：在纳米级的有机薄膜材料上，一个直径仅为0.6nm的信息存储点犹如兵马俑一样井然有序，整齐划一，其信息量比现有光盘高100万倍。

纳米碳管是目前最引人关注的一种新型材料，其粗细仅为头发丝的万分之一。它具有良好的热传导性，导电性以及强度，质地轻盈，富有弹性。它在电子器件，超薄型显示器、燃料电池等领域具有广泛应用前景。目前，采用纳米碳管的电视以及计算机显示器已经进入试验阶段。纳米碳管具有容易吸取氢分子的性质，如果将易燃易爆的氢分子储存在纳米碳管内，就成了十分安全的氢吸留容器了。目前普遍认为，燃料电池是最有希望的汽车代用燃料之一，而作为燃料电池的最好原料是氢和空气中的氧。纳米碳管的研制成功对于研制氢动力汽车的燃料电池，无疑具有极大的实用价值。汽车使用一个可乐瓶大小的氢吸留容器，就可以行驶500km。预计大约在2010年采用纳米技术的氢动力汽车可望进入实用化。

4.3在军事方面的应用

纳米技术在现代武器制造中具有非常重要的地位。导弹的命中精度取决于仪表的精度。美国MX导弹命中精度的圆概率误差为50m(1998年资料)，其核心高精度陀螺转子的质量中心偏离对称轴误差要求30nm，表面粗糙度Ra<12nm。用于卫星、导弹导航的磁码器要求每转能发出600万脉冲，其磁码间距约为10nm。雷达的关键元件波导管的品质因数和它的内表面加工精度密切相关，要求内腔表面粗糙度Ra <10nm。

1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F-117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种纳米级的超微颗粒，它们对不同的电磁波有强烈的吸收能力。

最近己发明一种“小草传感器”，这是一种人工小草，它装置的摄像机和传感器，不仅能感知外界的动静，还能像人一样，把周围景物尽收“眼”底。主要用于对坦克和运输工具的探测，并将结果及时传回指挥部。还有科学家尝试利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报。

当今最小的飞行器在200m内人们用肉眼可以看到，而纳米技术下的袖珍遥控飞机则可能逃过雷达的探测。

“纳米卫星”是一种分布式的卫星结构体系，是由微型电子和微电机系统集成的微型航天仪器，可以布设成局部星团，在任何时刻都可能对地球上的任何一处进行持续不断的监视。

4.4在人们现代生活中的应用

两样同样笔挺的西装，当用水或植物油倒在衣服表面时，其中的一件立刻出现了污渍，而另一件只留下几个细小的水珠，一抖，什么都没有了。中国科学院年前在北京举办的纳米材料应用展示会上，纳米技术令观众大开眼界。上述展示的是应用了“二元协同纳米界面材料”，它会在物质表面上形成一层稳定的气体薄膜，使油或水无法与材料的表面直接接触，从而使材料表面呈现出水、油不沾的“超双疏”性能。

经过“超双疏”界面材料技术处理过的棉、麻、丝、毛、绒、混纺、化纤等各种纺织面料，都具备对果汁、墨水、酱油、植物油等“不沾”的“超疏”性能。但这种处理技术不会改变原有织物的各种性能，即纤维强度、面料色泽、耐洗性、透气性、免熨性等。同时还有杀菌、防辐射、防霉的辅助效果。这样，服装的洗涤次数可大大减少，洗涤方式只是用水轻漂即可。人们可从此告别大量使用洗涤剂洗衣的时代。

将纳米TiO₂粉按一定比例加入到化妆品中，可以有效地遮蔽紫外线。目前，日本已有部分纳米TiO₂的化妆品问世。

将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。

利用纳米技术与纳米材料，可以制成抗菌冰箱、抗菌洗衣机等。应用纳米技术的无菌餐具、无菌扑克牌、无菌纱布等产品也已面世。

传统涂料耐洗刷性差，时间不长，墙壁就可能变得斑驳另离，应用纳米技术后的涂料性能大大改善，老化时间也大大延长。

家庭装修用的玻璃、瓷砖、大理石、石膏板等材料经纳米处理后，都能呈现奇特的“双疏”性能，将来可以告别厨房“油腻”脏兮兮的状况。

5.结束语

国内外科技界已普遍认为，纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革，它不仅将促使人类认识的革命，而且将引发一场新的工业革命。

面对这场世界性的新世纪角逐，国内科学家已发出呼吁，不能再像微电子技术那样落后他国，应在国家层次上确定纳米科技发展战略，制定我国的纳米科技计划。突出重点，强化支持，并兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展。

鉴于纳米材料和纳米技术将对汽车新能源、新材料、新零部件带来深远的影响。汽车界也应对纳米技术的发展动态给予必要的关注。