纳米科学技术的新进展 - 科普博览

纳米科学技术的新进展

    在20世纪的最后十年，一门崭新的学科——纳米科学技术以其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界和军界引起巨大反响，受到广泛关注。美国 IBM公司首席科学家Amotrong说：“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”

从幻想到现实
    50年代末著名的物理学诺贝尔奖获得者 R．Feynman曾指出，科学技术发展的途径有两条，一条是“自上而下”的过程。另一条是“自下而上”的过程。近几十年来，科学技术一直沿着“自下而上”的微型化过程发展。纳米科学技术专家们相信“自下而上”的途径，即从原子、分子开始组装具有特定功能的成品，例如在一定物理化学条件下，通过自组织效应，生长具有纳米结构特征的半导体薄膜；形成超强度材料；制备量子点结构器件等，都是“自下而上”方法的实例。

原子世界奇观
    扫描隧道显微镜(STM)是 IBM公司苏黎世研究所的 G．Binnig和 H．Rohrer于1981年发明的，他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖 OlSTM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性。借助 STM人们可以在真空、大气或液体中对样品进行原子级分辨的无损观测。

    STM可以实时测量物体表面的实空间三维图像。测量分辨率对平行和垂直于表面方向分别为0．1nm和0。01nm。这将会实现人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。STM还具有广泛的适用性，如刻划纳米级微细线条、移动原于等实际操作。因此STM已成为纳米科学技术的主要工具。

    STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察，因而在生命科学研究中具有极大的潜力。IBM公司的科学家在1989年利用 STM移动疝原子，最后把一个个原子排列成 IBM商标。后来，他们又进一步把一排铁原子拼成汉字“原子”。

纳米物理学：开发物质潜在信息
    50年代，R．Feynamn曾说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹?”人们突破传统观念的限制、深入到物质的内部按人们的意志直接操纵单个原子，组装具有特定功能的产品，这必将深刻影响全人类的生产活动、生活方式和人类自身。

    纳米物理学将深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物性表征。它以纳米固体为研究对象，对若干重要物理问题进行研究，如结构的奇异性、鲜为人知的光学性质、特殊的导电机理、庄子尺度效应。小尺寸界面效应、量子隧道效应和库仓阻塞效应等。这些问题的明朗化将对开发物质潜在信息和结构潜力，以及电子技术产生重大的影响。总之，既有重要的理论意义，又有重要的应用前景。

纳米电子学：控制单个电子。

    美国 IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已经研制成功单电子晶体管。传统的晶体管是控制成群电子的运动状态，形成开关、振荡和放大等功能的。单电子晶体管只是控制一个电子的运动状态。开发单电子晶体管，只要控制单个电子的行为即可完成特定功能，可使功耗降低到原来的1／1000，从根本上解决日益严重的集成电路功耗问题。

    对电子在真空中和在固体中的行为进行控制，已产生举世瞩目的辉煌成果。但是，作为电子器件，迄今为止只利用了电子波粒二象性的粒子性；其次，各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的，而量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗。

    现有的 Si和 GaAs器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10秒，功耗最低只能降至1μW。然而量子器件交响应速度和功耗方面可以比这个数据优化1000—10000倍。由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点，因此，纳米电子学的发展，可能会在电子学领域中引起新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。

纳米材料科学：奇异性探索
    实验表明，纳米材料具有许多鲜为人知的奇异性。纳米铜的自扩散系数比晶格扩散系数增大10倍，膨胀系数比普通铜成倍增大。纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍。在通常情况下陶瓷是脆性材料，因而限制了其应用范围，纳米Tio2陶瓷却变成韧性材料，在室温下可以弯曲，塑性形变高达100％。纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面，可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料。超细颗粒铁表面覆盖一层5nm到20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白质或酶，在控制生物反应和酶工程中将起重要作用。北京理工大学纳米技术实验室研制的纳米ZnO薄膜具有很好的 C轴取向，有良好的压电效应；该实验室利用等离子体增强化学气相淀积技术，成功地生长出纳米硅薄膜，具有良好的压阻效应。据英刊报道，已经制备成功一种尺寸只有4nm的复杂分子，具有“开”和“关”的特性，可以由激光驱动，开关时间很快，这将为激光计算机的研制提供技术基础。

    常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米大到几毫米，包含几十亿个原子。而纳米相材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条30m长的帆船跟整个地球的比例。由于它们微小的结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，纳米相材料从宏观上显示出许多奇妙的特性，例如纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷是摔不碎的。

    只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米相材料。这也许具有最大的商业价值。科学家在了解这些无与伦比的材料及其有用的特性方面已经取得了很大的进展，已经用纳米相材料做出了各种产品——从陶瓷到电子产品。它们肯定还会在无数其他领域找到更为广泛的应用。

纳米生物学：纳米机器人
    纳米生物学的近期设想，是在纳米尺度上应用生物学原理，发现新的现象，研制可编程的分子精细结构及其与功能的联系；(2)在纳米尺度上获得生命信息，例如利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞器表面的结构信息，利用纳米传感器获得各种生化反应的化学信息和电化学信息；(3)纳米机器人的研制。

    纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成数10亿次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。

可能引导新的工业革命
    纳米技术的科学家们坚信，“小”是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有 lnm到2nm的静电发动机；体积只有常规机器万分之一、能够运转的车床以及直径仅5.5nm的“尺蠖”，有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝。德国工程师制成了一架只有黄蜂大小和能够升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的器。

    更加引人注目的是，科学家已经开始在硅片上造出微机电系统。这些装置把电路和在运转着的机器合装在一个硅片上，这些装置最终将像目前的硅芯片一样普遍。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括在上百万辆汽车里安装的一种细如发丝的传感——致动器，当它“感觉”到撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。

    只有削尖了的铅笔尖大小、每分钟转速高达10万转的 1伏特发动机最终将推动电子显示器、手表、摄录机和激光扫描器的发展。

    纳米科学技术可能引发一场新的工业革命，这是值得关注的问题。

奇妙的应用畅想
    纳米材料具有独特的性质，因此可能存在奇妙的应用前景。科学家和工程技术人员提出了异想天开的可能应用。

    太空升降机 巴基球是由60个碳原子聚集在一起形成的足球状结构，具有若干特殊的性质。在巴基球的基础上，又研制成功碳纳米管。碳纳米管的强度比钢高100倍，而重量只有钢的 1／6。单个碳纳米管的直径只有1．4nm，50000个碳纳米管并排在一起相当于一根头发丝的直径。据专家说，它们可能成为未来理想的超级纤维。对纤维强度起决定作用的参数是长度与直径的比值。材料工程师希望得到长度与直径之比至少是20：1。而即使在目前，纳米管的长度也是其直径的几千倍，所以具有高强度是不奇怪的。

    碳纳米管的最异想天开的用途，是用于太空升降机。一根碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，与钢或其他任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量。这就提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。

    电子遂道 众所周知，光导纤维是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通过。碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道。由6原子环组成的碳纳米管能把一个由60个原子组成的巴基球正好装在中间。把一个金属原子嵌入巴基球中，并且在纳米管中装满一串这种巴基球，这样，碳纳米管就成为一根直径只有一个原子大小的金属导线。

    分析，碳纳米管可能成为最佳超微导线。一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的 1／100。预计它将成为理想导体，导电性能大大超过铜。纳米管最终可以用于纳米级电子线路。

    纳米隐身术 近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报道，引起军界研究人员的极大兴趣，提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索。
    纳米材料由于其结构特征尺寸进入纳米领域，物质的表面、界面效应、量子效应将十分显著地表现出来，对吸彼性能产生重要影响。纳米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂层。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粒，在细化过程中，使组成粒子的原于数大大减少，活性大大增加。在微波场的辐射下，使原子、电子运动加剧，促使磁化，使电磁能转化为热能。纳米超微粒的磁损耗大，对电磁波兼具吸收和透过之功能。其吸波性能和透波性能取决于超微粒的尺度。纳米材料具有十分巨大的界面面积，这对提高雷达波的损耗是十分有利的。

    为了获得兼具宽频带、多功能、质量小和厚度薄等性质，正在研究的纳米复合隐身材料，可以期望出现对厘米波、毫米波、红外、可见光等很宽波段的复合隐身材料，甚至可望研制成与结构材料复合、与抗核加固技术兼容的隐身材料。
    纳米电子抬与纳米探头 碳纳米管众多可能用途中，以下几种令人耳目一新：作为其他分子之间的“分子导线”；用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头(由于纳米管非常小，小到不会打扰运动中的细胞，可以用作生物系统的电子探头)；用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体。
    纳米卫星与微型飞船 在小卫星系列中，可以分为小型卫星、微型卫星和纳米卫星。它们的重量分别在10kg到500kg，0．1kg到10kg和0．Ikg以下。以硅为衬底的专用集成微型仪器，可以应用于制导、导航、控制、姿态控制、推进、能源和通信等航天器系统。

    美国科学家提出在非常小的航天器上建造性能优越的计算机。最终设计出能够飞到其他星球上去从事生产的微型飞船。可以发射几百万个这样的飞船进行大规模生产。

原于精密度计算机 美国国家航空航天局的
    科学家指出，21世纪初，将必须制造具有原子精密度的计算机。并提出了分子探针的设计，这种探针可以区分紧密排列在金刚石表面的 F原子和 H原子。如果把 F原子的值定为 1，把 H原子的值定为0；同时设计一个能非常快速阅读它们的探针，这样就有可能得到一个原子型的二进制码，作为新一代计算机的基础。