納米技術(shù)

【專家解說】：納米 "納米"是英文nano的譯名，是一種長度單位，原稱毫微米，就是10的-9次方米（10億分之一米），約相當(dāng)于45個(gè)原子串起來那么長。納米結(jié)構(gòu)通常是指尺寸在100納米以下的微小結(jié)構(gòu)。 從具體的物質(zhì)說來，人們往往用細(xì)如發(fā)絲來形容纖細(xì)的東西，其實(shí)人的頭發(fā)一般直徑為20-50微米，并不細(xì)。單個(gè)細(xì)菌用肉眼看不出來，用顯微鏡測出直徑為5微米，也不算細(xì)。極而言之，1納米大體上相當(dāng)于4個(gè)原子的直徑。假設(shè)一根頭發(fā)的直徑為0.05毫米，把它徑向平均剖成5萬根，每根的厚度即約為1納米。 納米技術(shù) 納米科學(xué)與技術(shù)，有時(shí)簡稱為納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)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(biāo)是直接以原子或分子來構(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。 納米技術(shù)是一門交叉性很強(qiáng)的綜合學(xué)科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等。這七個(gè)相對獨(dú)立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個(gè)研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。 從迄今為止的研究善看，關(guān)于納米技術(shù)分為三種概念： 第一種，是1986年美國科學(xué)家德雷克斯勒博士在《創(chuàng)造的機(jī)器》一書中提出的分子納米技術(shù)。根據(jù)這一概念，可以使組合分子的機(jī)器實(shí)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(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進(jìn)展。 第二種概念把納米技術(shù)定位為徽加工技術(shù)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(jié)構(gòu)的技術(shù)。這種納米級的加工技術(shù)，也使半導(dǎo)體微型化即將達(dá)到極限?，F(xiàn)有技術(shù)即使發(fā)展下去，從理論上講終將會達(dá)到限度，這是因?yàn)?，如果把電路的線幅逐漸變小，將使構(gòu)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(shù)。 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(xì)胞和生物膜內(nèi)就存在納米級的結(jié)構(gòu)。 納米技術(shù)的內(nèi)容 納米技術(shù)包含下列四個(gè)主要方面： 1、納米材料：當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在0.1—100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)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(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。 如果僅僅是尺度達(dá)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(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認(rèn)識到這個(gè)尺度范圍的性能。第一個(gè)真正認(rèn)識到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們在20世紀(jì)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(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)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?yàn)椋女犞械膯蝹€(gè)原子排列的并不是很規(guī)則，而單原子中間是一個(gè)原子核，外則是電子繞其旋轉(zhuǎn)的電子，這是形成磁性的原因。但是，變成單磁疇后，單個(gè)原子排列的很規(guī)則，對外顯示了強(qiáng)大磁性。 這一特性，主要用于制造微特電機(jī)。如果將技術(shù)發(fā)展到一定的時(shí)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(xué)，主要是微機(jī)械和微電機(jī)，或總稱為微型電動機(jī)械系統(tǒng)（MEMS),用于有傳動機(jī)械的微型傳感器和執(zhí)行器、光纖通訊系統(tǒng)，特種電子設(shè)備、醫(yī)療和診斷儀器等.用的是一種類似于集成電器設(shè)計(jì)和制造的新工藝。特點(diǎn)是部件很小，刻蝕的深度往往要求數(shù)十至數(shù)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(jī)，用于超快速離心機(jī)或陀螺儀等。在研究方面還要相應(yīng)地檢測準(zhǔn)原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進(jìn)入納米尺度，但有很大的潛在科學(xué)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 理論上講：可以使微電機(jī)和檢測技術(shù)達(dá)到納米數(shù)量級。 ⒊納米生物學(xué)和納米藥物學(xué)，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(yàn)，磷脂和脂肪酸雙層平面生物膜，dna的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù)，還可用自組裝方法在細(xì)胞內(nèi)放入零件或組件使構(gòu)成新的材料。新的藥物，即使是微米粒子的細(xì)粉，也大約有半數(shù)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(xué)發(fā)展到一定技術(shù)時(shí)，可以用納米材料制成具有識別能力的納米生物細(xì)胞，并可以吸收癌細(xì)胞的生物醫(yī)藥，注入人體內(nèi)，可以用于定向殺癌細(xì)胞。（上面是老錢加注） ⒋納米電子學(xué)，包括基于量子效應(yīng)的納米電子器件、納米結(jié)構(gòu)的光/電性質(zhì)、納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝等。當(dāng)前電子技術(shù)的趨勢要求器件和系統(tǒng)更小、更快、更冷,更小,是指響應(yīng)速度要快。更冷是指單個(gè)器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度。納米技術(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響將是巨大的。 納米技術(shù)發(fā)展歷程 1990年7月，在美國巴爾的摩召開了國際首屆納米科學(xué)技術(shù)會議；1996年，在中國召開了第四屆納米科技學(xué)術(shù)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(xué)術(shù)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(zhǔn)確控制原子數(shù)量在100個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)，市場規(guī)模約5億美元 ?生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)，50～200億美元 ?大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)，100～1000億 ?納米計(jì)算機(jī)，2000～10000億 ?驗(yàn)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(shù)的研究和應(yīng)用 [編輯本段] 當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用主要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品等方面。用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強(qiáng)、壽命更長、維修費(fèi)更低、設(shè)計(jì)更方便。利用納米材料還可以制作出特定性質(zhì)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(shù)帶動了技術(shù)革命。 @利用納米技術(shù)制作的藥物可以阻斷毛細(xì)血管，“餓死”癌細(xì)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(shù)是多科學(xué)綜合，有些目標(biāo)需要長時(shí)間的努力才會實(shí)現(xiàn)。 納米技術(shù)和信息科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)技術(shù)是當(dāng)前的科學(xué)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(xué)技術(shù)本身變得更美好。 納米技術(shù)潛在的突破 在1998年的四月，總統(tǒng)科學(xué)技術(shù)顧問，NealLane博士評論到，如果有人問我哪個(gè)科學(xué)和工程領(lǐng)域?qū)ξ磥懋a(chǎn)生突破性的影響，我會說該個(gè)啟動計(jì)劃建立一個(gè)名為納米科技大挑戰(zhàn)機(jī)構(gòu)，資助進(jìn)行跨學(xué)科研究和教育的隊(duì)伍，包括為長遠(yuǎn)目標(biāo)而建立的中心和網(wǎng)絡(luò)。一些潛在的可能實(shí)現(xiàn)的突破包括： 把整個(gè)美國國會圖書館的資料壓縮到一塊像方糖一樣大小的設(shè)備中，這通過提高單位表面儲存能力1000倍使大存儲電子設(shè)備儲存能力擴(kuò)大到幾兆兆字節(jié)的水平來實(shí)現(xiàn)。由自小到大的方法制造材料和產(chǎn)品，即從一個(gè)原子、一個(gè)分子開始制造它們。 突破的好處 這種方法將節(jié)約原材料和降低污染。生產(chǎn)出比鋼強(qiáng)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(jīng)顯得十分慢了。運(yùn)用基因和藥物傳送納米級的mri對照劑來發(fā)現(xiàn)癌細(xì)胞或定位人體組織器官去除在水和空氣中最細(xì)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(xué)技術(shù)（nanotechnology） 納米科學(xué)技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材科學(xué)、納機(jī)械學(xué)等。納米科學(xué)技術(shù)被認(rèn)為是世紀(jì)之交出現(xiàn)的一項(xiàng)高科技。