科學小品文 納米技術(shù)

【專家解說】："納米"是一種幾何尺寸的度量單位,1納米是1米的十億分之一,略等于45個原子排列起來的長度.納米是長度單位，原稱毫微米，就是10的-9次方米（10億分之一米）。納米科學與技術(shù)，有時簡稱為納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應用。從具體的物質(zhì)說來，人們往往用細如發(fā)絲來形容纖細的東西，其實人的頭發(fā)一般直徑為20-50微米，并不細。單個細菌用肉眼看不出來，用顯微鏡測出直徑為5微米，也不算細。極而言之，1納米大體上相當于4個原子的直徑。 納米技術(shù)包含下列四個主要方面： ⒈納米材料：當物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，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(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H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(zhì)，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。 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),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(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)計和制造的新工藝。特點是部件很小，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，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(jīng)濟價值。 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(jié)構(gòu)等。有了納米技術(shù)，還可用自組裝方法在細胞內(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。 ⒋納米電子學，包括基于量子效應的納米電子器件、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(shù)是建設(shè)者的最后疆界，它的影響將是巨大的。 在1998年的四月，總統(tǒng)科學技術(shù)顧問，Neal Lane 博士評論到，如果有人問我哪個科學和工程領(lǐng)域?qū)ξ磥懋a(chǎn)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(gòu)，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(wǎng)絡(luò)。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(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(chǎn)品，即從一個原子、一個分子開始制造它們。這種方法將節(jié)約原材料和降低污染。生產(chǎn)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，使今天的奔騰?處理器已經(jīng)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"是英文namometer的譯名，是一種度量單位，1納米為百萬分之一毫微米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當于45個原子串起來那么長。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)。1981年掃描隧道顯微鏡發(fā)明后，便誕生了一門以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(gòu)造具有特定功能的產(chǎn)品。因此，納米技術(shù)其實就是一種用單個原子、分子射程物質(zhì)的技術(shù)。 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(shù)。根據(jù)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(jié)構(gòu)。這種概念的納米技術(shù)還未取得重大進展。 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)，也使半導體微型化即將達到極限。現(xiàn)有技術(shù)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(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，生物在細胞和生物膜內(nèi)就存在納米級的結(jié)構(gòu)。 納米科學技術(shù)（nanotechnology）：納米科學技術(shù)是用單個原子、分子制造物質(zhì)的科學技術(shù)。納米科學技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進科學技術(shù)為基礎(chǔ)的科學技術(shù)，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(shù)（計算機技術(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，納米科學技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學技術(shù)，例如納電子學、納米材科學、納機械學等。納米科學技術(shù)被認為是世紀之交出現(xiàn)的一項高科技。 實現(xiàn)特有功能和智能作用的技術(shù)問題，發(fā)展納米尺度的探測和操縱 。 思維方式的概念表明生產(chǎn)和科研的對象將向更小的尺寸、更深的層次發(fā)展，將從微米層次深入至納米層次。 納米技術(shù)未來的目標是按照需要，操縱原子、分子構(gòu)建納米級的具有一定功能的器件或產(chǎn)品。 納米科學與技術(shù)：也叫納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)在0.1～100nm范圍內(nèi)材料的性質(zhì)及其應用。 納米技術(shù)是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域。納米科學與技術(shù)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(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個納米科技的基礎(chǔ)。其中，納米物理學和納米化學是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。 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技術(shù)會議；1996年，在中國召開了第四屆納米科技學術(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。 納米技術(shù)發(fā)展歷程： 準確控制原子數(shù)量在100個以下的納米結(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 大量制造復雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)，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，6×104億 .