納米技術 分子交叉技術

【專家解說】：一: 納米科學與技術，有時簡稱為納米技術，是研究結構尺寸在0.1至100納米范圍內材料的性質和應用。 1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。因此，納米技術其實就是一種用單個原子、分子射程物質的技術。 納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領域。納米科學與技術主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 。這七個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個研究領域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎。其中，納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎，而納米電子學是納米技術最重要的內容。 從迄今為止的研究來看，關于納米技術分為三種概念: 第一種，是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機器》一書中提出的分子納米技術。根據這一概念，可以使組合分子的機器實用化，從而可以任意組合所有種類的分子，可以制造出任何種類的分子結構。這種概念的納米技術還未取得重大進展。 第二種概念把納米技術定位為微加工技術的極限。也就是通過納米精度的"加工"來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術，也使半導體微型化即將達到極限。現(xiàn)有技術即使發(fā)展下去，從理論上講終將會達到限度，這是因為，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構成電路的絕緣膜變得極薄，這樣將破壞絕緣效果。此外，還有發(fā)熱和晃動等問題。為了解決這些問題，研究人員正在研究新型的納米技術。 第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。本來，生物在細胞和生物膜內就存在納米級的結構。 納米技術的內容 [編輯本段] 納米技術包含下列四個主要方面: 1、納米材料:當物質到納米尺度以后，大約是在0.1-100納米這個范圍空間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。 這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。 如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。 過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn):一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20-30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。 為什么磁疇變成單磁疇，磁性要比原來提高1000倍呢?這是因為，磁疇中的單個原子排列的并不是很規(guī)則，而單原子中間是一個原子核，外則是電子繞其旋轉的電子，這是形成磁性的原因。但是，變成單磁疇后，單個原子排列的很規(guī)則，對外顯示了強大磁性。 這一特性，主要用于制造微特電機。如果將技術發(fā)展到一定的時候，用于制造磁懸浮，可以制造出速度更快、更穩(wěn)定、更節(jié)約能源的高速度列車。 ⒉納米動力學，主要是微機械和微電機，或總稱為微型電動機械系統(tǒng)(MEMS),用于有傳動機械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設備、醫(yī)療和診斷儀器等.用的是一種類似于集成電器設計和制造的新工藝。特點是部件很小，刻蝕的深度往往要求數十至數百微米，而寬度誤差很小。這種工藝還可用于制作三相電動機，用于超快速離心機或陀螺儀等。在研究方面還要相應地檢測準原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進入納米尺度，但有很大的潛在科學價值和經濟價值。 理論上講:可以使微電機和檢測技術達到納米數量級。 ⒊納米生物學和納米藥物學，如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，dna的精細結構等。有了納米技術，還可用自組裝方法在細胞內放入零件或組件使構成新的材料。新的藥物，即使是微米粒子的細粉，也大約有半數不溶于水;但如粒子為納米尺度(即超微粒子)，則可溶于水。 納米生物學發(fā)展到一定技術時，可以用納米材料制成具有識別能力的納米生物細胞，并可以吸收癌細胞的生物醫(yī)藥，注入人體內，可以用于定向殺癌細胞。(上面是老錢加注) ⒋納米電子學，包括基于量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷,更小,是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。 納米技術是建設者的最后疆界，它的影響將是巨大的。 納米技術發(fā)展歷程 [編輯本段] 1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學技術會議;1996年，在中國召開了第四屆納米科技學術會議。 首屆(1992年)納米材料會議在墨西哥召開;1994年在德國斯圖加特召開了第二屆國際納米材料學術會議;1996年在美國夏威夷召開第三屆國際會議;1998年在瑞典斯德哥爾摩召開了第四屆納米材料 會議;2000年在日本仙臺舉行第五屆國際納米材料會議。 ?準確控制原子數量在100個以下的納米結構物質，市場規(guī)模約5億美元 ?生產納米結構物質，50~200億美元 ?大量制造復雜的納米結構物質，100~1000億 ?納米計算機，2000~10000億 ?驗證出能夠制造動力源與程序自律化的元件和裝置，60000億 納米技術的研究和應用 [編輯本段] 當前納米技術的研究和應用主要在材料和制備、微電子和計算機技術、醫(yī)學與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術和農產品等方面。用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強、壽命更長、維修費更低、設計更方便。利用納米材料還可以制作出特定性質的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。 @納米是一種幾何尺寸的度量單位，1納米=百萬分之一毫米。 @納米技術帶動了技術革命。 @利用納米技術制作的藥物可以阻斷毛細血管，“餓死”癌細胞。 @如果在衛(wèi)星上用納米集成器件，衛(wèi)星將更小，更容易發(fā)射。 @納米技術是多科學綜合，有些目標需要長時間的努力才會實現(xiàn)。 納米技術和信息科學技術、生命科學技術是當前的科學發(fā)展主流，它們的發(fā)展將使人類社會、生存環(huán)境和科學技術本身變得更美好。 納米技術潛在的突破 [編輯本段] 在1998年的四月，總統(tǒng)科學技術顧問，Neal Lane 博士評論到，如果有人問我哪個科學和工程領域將會對未來產生突破性的影響，我會說該個啟動計劃建立一個名為納米科技大挑戰(zhàn)機構，資助進行跨學科研究和教育的隊伍，包括為長遠目標而建立的中心和網絡。一些潛在的可能實現(xiàn)的突破包括: 把整個美國國會圖書館的資料壓縮到一塊像方糖一樣大小的設備中，這通過提高單位表面儲存能力1000倍使大存儲電子設備儲存能力擴大到幾兆兆字節(jié)的水平來實現(xiàn)。由自小到大的方法制造材料和產品，即從一個原子、一個分子開始制造它們。 突破的好處 [編輯本段] 這種方法將節(jié)約原材料和降低污染。生產出比鋼強度大10倍，而重量只有其幾分之一的材料來制造各種更輕便，更省燃料的陸上、水上和航空用的交通工具。通過極小的晶體管和記憶芯片幾百萬倍的提高電腦速度和效率，使今天的處理器已經顯得十分慢了。運用基因和藥物傳送納米級的mri對照劑來發(fā)現(xiàn)癌細胞或定位人體組織器官去除在水和空氣中最細微的污染物，得到更清潔的環(huán)境和可以飲用的水。提高太陽能電池能量效率兩倍。 納米科學技術(nanotechnology) [編輯本段] 納米科學技術是用單個原子、分子制造物質的科學技術。納米科學技術是以許多現(xiàn)代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現(xiàn)代科學(混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學)和現(xiàn)代技術(計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術)結合的產物，納米科學技術又將引發(fā)一系列新的科學技術，例如納電子學、納米材科學、納機械學等。納米科學技術被認為是世紀之交出現(xiàn)的一項高科技。 二: 交叉分子束實驗是研究反應物分子碰撞前后狀態(tài)的重要實驗，它使人們能夠詳細地研究化學反應的微觀機理。分子束方法是一種新的技術，1960年實驗成功。交叉分子束方法原來只能用于堿金屬元素反應的研究上，后來科學家在交叉分子束實驗手段的基礎上，進一步研究并把它發(fā)展成為研究化學反應的、通用的有力工具。此后，這項新技術不斷加以改進，已能用于較大分子的重要反應?！胺肿邮鲎财鳌焙汀半x子束交叉儀器”的設計成功，使人們能分析各種化學反應的每一階段的過程，在分子水平上研究化學反應所出現(xiàn)的各種狀態(tài)，為化學動力學研究開辟了新的領域，為控制化學反應的方向和過程提供了廣闊的前景。 1999年諾貝爾化學獎獲得者艾哈邁德·澤維爾(Ahmed Zewail)利用極其高速的激光閃爍，“快速拍攝”了單個分子在化學反應中的變化狀態(tài)，提高了人們對化學變化歷程的認識。