淺談納米技術(shù)的研究與應(yīng)用

1、淺談納米技術(shù)的研究與應(yīng)用 1.引言 當(dāng)集成電路代替電子管和半導(dǎo)體晶體管的初期，1959年美國諾貝爾獎(jiǎng)獲得者查理費(fèi)曼(richard phillips feynman)，在美國加州理工學(xué)院召開的美國物理年會上預(yù)言：“如果人們能夠在原子/分子的尺度上來加工材料，制造裝置，將會有許多激動人心的新發(fā)現(xiàn)，人們將會打開一個(gè)嶄新的世界?！边@在當(dāng)時(shí)只是一個(gè)美好的夢想。 如今，這個(gè)預(yù)言和夢想終于實(shí)現(xiàn)了。費(fèi)曼所預(yù)言的材料就是現(xiàn)在的納米。 今天，不少科學(xué)家又在預(yù)言，納米科技將在新世紀(jì)里得到驚人的發(fā)展，納米科技將給人類的科學(xué)技術(shù)和生活帶來革命性的變化?？茖W(xué)家認(rèn)為，納米時(shí)代的到來不會很久，它在未來的應(yīng)用將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算機(jī)

2、，并成為未來信息時(shí)代的核心。 我國著名科學(xué)家錢學(xué)森早在1991年就指出：“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下一階段科技發(fā)展的重點(diǎn)，會是一次技術(shù)革命，從而將是21世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命?！?英國理論物理學(xué)家斯蒂芬霍金是繼愛因斯坦之后最杰出的物理學(xué)家。他預(yù)測：“未來一千年人類有可能對dna基因重新設(shè)計(jì)。而生化納米材料則是設(shè)計(jì)dna基因所必須具備的醫(yī)藥材料基礎(chǔ)?！?近年來，科學(xué)家勾畫了一幅若干年后的藍(lán)圖：納米電子學(xué)將使量子元件代替微電子備件，巨型計(jì)算機(jī)可裝入口袋；通過納米化，易碎的陶瓷可以變成韌性的；世界還將出現(xiàn)1m以下的機(jī)器甚至機(jī)器人；納米技術(shù)還能給藥物的傳輸提供新的方式和途徑，對基因進(jìn)行定點(diǎn)等。 海內(nèi)

3、外科技界廣泛認(rèn)為，納米材料和技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用可望在10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)。現(xiàn)階段納米材料和技術(shù)正向新材料、微電子、計(jì)算機(jī)、醫(yī)學(xué)、航天航空、環(huán)境、能源、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域滲透，并已得到不同程度的應(yīng)用。 1998年8月20日，美國商業(yè)周刊發(fā)表文章指出，21世紀(jì)有三個(gè)領(lǐng)域可能取得重大突破：生命科學(xué)和生物技術(shù)；納米材料和納米技術(shù)；從外星球獲得能源。并指出這是人類跨入21世紀(jì)所面臨的新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。諾貝爾獎(jiǎng)獲得者羅雷爾也曾說過：“70年代重視微米的國家如今都成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家很可能成為21世紀(jì)先進(jìn)國家。” 1974年，taniguchi最早使用納米技術(shù)(nanotechnology)一詞描

4、述精細(xì)機(jī)械加工。1977年美國麻省理工學(xué)院的德雷克斯勒也提倡納米科技的研究。但當(dāng)時(shí)多數(shù)主流科學(xué)家對此持懷疑態(tài)度。1982年發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(stm)，以空前的分辨率揭示了一個(gè)“可見的”原子、分子世界。到80年代末，stm已不僅是一個(gè)可觀察的手段，而且已成為可以排布原子的工具。stm與afm(原子力顯微鏡)借助于隧道電流效應(yīng)，用掃描探針實(shí)現(xiàn)直接觀測原子、分子以及生物蛋白(dna)結(jié)構(gòu)。1990年7月在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議。納米技術(shù)與納米生物學(xué)這兩種國際性專業(yè)期刊也相繼問世。一門嶄新的科學(xué)技術(shù)-納米科技從此得到科技界的廣泛關(guān)注。 2.納米及納米技術(shù) 什么是納米?納米(n

5、anometer，nm)是一種幾何尺寸的量度單位，其長度僅為1m的10億分之一，即千分之一微米。原子的直徑在0.1-0.3nm之間。 納米科學(xué)技術(shù)(nanotechmlogy)是指在納米尺度(1nm到100nm之間)上研究物質(zhì)的特性和相互作用以及利用這些特性的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(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)，它又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)。例如納米電子學(xué)、納米材料學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米生物學(xué)等。 納米材料是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級尺度水平，并且具有特殊性能的材料。 納米材料具有極佳的力學(xué)性能。如高強(qiáng)度、高硬度和良好的塑性。納米材料的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對納米材料的光

6、學(xué)特性具有很大的影響。如它的紅外吸收譜頻帶展寬，吸收譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失，中紅外有很強(qiáng)的光吸收能力。 納米材料的顆粒尺寸愈小，電子平均自由程縮短，偏離理想周期場愈嚴(yán)重，使得其導(dǎo)電性特殊。當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到納米量級時(shí)金屬會顯示非金屬特性。 納米材料的比表面積/體積很大，因而它具有相當(dāng)高的化學(xué)活性。在催化、敏感和響應(yīng)等性能方面顯得尤為突出。 按照材料的形態(tài)，可將納米材料分為四類： (1)納米顆粒材料； (2)納米固體材料； (3)納米膜材料； (4)納米磁性液體材料。 納米顆粒材料又稱為超微顆粒催化劑。利用其較高的比表面積和活性可以顯著地提高催化效率。例如超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫狀態(tài)下將二氧化碳

7、分解為碳和水。納米固體材料通常指由尺寸小于15nm的超微顆粒在高壓下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，從而使得納米材料具有高韌性。如納米陶瓷就可顯著增加韌性，改善脆性。 納米膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜。它有諸多應(yīng)用，例如金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內(nèi)，光的吸收率與波長的依賴性甚小，從而可作為紅外線傳感元件。 納米磁性液體材料是由超細(xì)微粒包覆的有機(jī)表面活性劑。高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。磁性液體的用途十分廣泛，如它可用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封，形成液體的“o”型環(huán)，可以進(jìn)行真空、加壓、封水、封油

8、等情況下的動態(tài)密封，目前已開始應(yīng)用于機(jī)械、電子、儀器、宇航、化工、船舶等領(lǐng)域。 若在步進(jìn)電機(jī)中滴加磁性液體，就可阻尼步進(jìn)電機(jī)的余振，使步進(jìn)電機(jī)平滑地轉(zhuǎn)動。用磁性液體所構(gòu)成的減震器可以消除極低頻率的振動。 因?yàn)榧{米科技的最終目的是以原子、分子為起點(diǎn)去制造具有特殊功能的產(chǎn)品，所以納米器件的研制和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時(shí)代的重要標(biāo)志。 為制造具有特定功能的納米產(chǎn)品，有兩種技術(shù)路線。一種是通過微加工或固態(tài)技術(shù)，不斷將功能產(chǎn)品微型化；另一種是以原子、分子為基本單元，按人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝。目前人們正在嘗試制造納米化工、生物傳感器、生物分子計(jì)算機(jī)、納米分子馬達(dá)等。 3.世界納米技術(shù)研究計(jì)劃 新世紀(jì)已經(jīng)來臨

9、，納米技術(shù)已受到全世界的關(guān)注，世界各國都對具有戰(zhàn)略意義的納米技術(shù)予以足夠的重視，國家之間的競爭已經(jīng)揭開了戰(zhàn)幕。 一些發(fā)達(dá)國家都從戰(zhàn)略的高度部署納米科技的研究，目的是提高未來10年至20年在國際中的競爭地位。 納米技術(shù)研究的一個(gè)特點(diǎn)是正在做到三個(gè)結(jié)合，即納米技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合；納米專家與其他各科技領(lǐng)域?qū)＜蚁嘟Y(jié)合；納米專家與企業(yè)家相結(jié)合。納米技術(shù)研究的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究緊密銜接，科技成果很快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。 在美國，美國政府決定把納米技術(shù)列入21世紀(jì)前10年11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一。美國科學(xué)技術(shù)委員會于2000年3月向美國政府提出報(bào)告，把啟動納米技術(shù)的計(jì)劃視作是下一次工業(yè)革命的核心。20

10、00年1月美國總統(tǒng)克林頓要求美國積極制定國家納米技術(shù)計(jì)劃。他說：“納米技術(shù)可以制造出把美國國會圖書館的所有信息存進(jìn)只有方糖大小的存儲器中，可開發(fā)出強(qiáng)度比鋼鐵大10倍的新材料，飛躍地實(shí)現(xiàn)飛機(jī)和火車的輕型化，從而最大限度地節(jié)約能源?！迸c此同時(shí)，美國還在軍事上把納米技術(shù)定為重要技術(shù)。 2000年，美國投入2.7億美元的資金支持納米技術(shù)的研究，2001年又增加至4.97億美元。 美國許多大型跨國公司、中小企業(yè)和財(cái)團(tuán)也紛紛參與與納米技術(shù)相關(guān)的研究開發(fā)活動。道氏化學(xué)、杜邦、惠普、休斯電子、朗訊科技、摩托羅拉、德州儀器、施樂等公司都建立了專門的納米研究機(jī)構(gòu)。據(jù)估計(jì)，這類企業(yè)的納米研究總經(jīng)費(fèi)與美國政府資助額相

11、當(dāng)。美國的計(jì)算機(jī)和電子公司也將其長期研究資金的一半撥給納米技術(shù)研究計(jì)劃。 日本政府機(jī)構(gòu)和大公司是日本納米技術(shù)研究資金的主要來源。日本通產(chǎn)省、科技廳和文部省于1996年對納米技術(shù)研究撥款達(dá)1.2億美元。日本推動納米技術(shù)研究的大公司有日立、日本電氣、日本電報(bào)電話、富士通、索尼和富士等公司。 在歐洲，國家計(jì)劃、歐洲合作網(wǎng)絡(luò)和各大公司共同為納米技術(shù)研究提供資金。德國已把納米技術(shù)列為21世紀(jì)科研創(chuàng)新的戰(zhàn)略領(lǐng)域，有19家研究機(jī)構(gòu)專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng)。 此外，澳大利亞、加拿大、朝鮮、新加坡、臺灣等國家和地區(qū)也正在開創(chuàng)納米技術(shù)研究。 納米科技在我國也逐漸受到重視。1990年3月，中國科學(xué)院技術(shù)科學(xué)局和學(xué)部組

12、織了多學(xué)科的納米技術(shù)研討會。1992年8月中國真空學(xué)會組織了第一屆全國納米技術(shù)會議。通過科研項(xiàng)目對納米科技領(lǐng)域資助總經(jīng)費(fèi)大約700萬美元。與發(fā)達(dá)國家相比，投入經(jīng)費(fèi)相差很大。 雖然我國科學(xué)家在納米碳管、納米材料的若干領(lǐng)域已取得一些很出色的研究成果，但總體水平與美、日、歐相比差距仍很大，尤其是在納米器件方面差距更為明顯。 4.納米技術(shù)的應(yīng)用 納米科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用前景和應(yīng)用價(jià)值可歸納成如下幾點(diǎn)： (1)設(shè)計(jì)制造出新材料，由多種成份組織而成，具有指定的性能，如吸附、催化等。 (2)按需要改造生物物種，改變農(nóng)業(yè)面貌。 (3)設(shè)計(jì)新器件，由微/納尺度的光學(xué)、電子、機(jī)械、傳感器等集成。 (4)使產(chǎn)品超微型化，

13、具有節(jié)材、節(jié)能、易控制、高速度、高信息密度、高功率密度等。這些超微產(chǎn)品(如測試儀器、電訊、辦公或醫(yī)療設(shè)備、計(jì)算機(jī)和特種加工機(jī)器等)不僅能大幅度提高工作效率、降低成本、縮減實(shí)驗(yàn)室與辦公室占地面積，還有可能在工、農(nóng)、商、交通、運(yùn)輸或事故搶救現(xiàn)場及時(shí)處理問題，這些產(chǎn)品易于普及，將能創(chuàng)造廣闊的新市場，建立新產(chǎn)業(yè)。 德國科學(xué)技術(shù)部在1996年就對納米技術(shù)市場做了預(yù)測，估計(jì)到2010年能達(dá)到14400億美元。 4.1在生物技術(shù)及醫(yī)藥方面的應(yīng)用 納米在生物技術(shù)方面，可考慮在納米尺度上按照預(yù)定的對稱性和排列來制備具有生物活性的蛋白質(zhì)、核糖核酸等。在納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

14、生化學(xué)藥品和生物可降解材料；動植物的基因改善和治療；測定dna的基因芯片等。 分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料。每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動過程中以可預(yù)測方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以以此來設(shè)計(jì)分子計(jì)算機(jī)。目前，科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。納米計(jì)算機(jī)的問世，將會使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將使單位物質(zhì)的儲存和信息處理能力提高上百萬倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。 納米醫(yī)藥材料幾乎包括所有生化藥品，如抗癌藥，抗心血管病藥，抗艾滋病和糖尿病藥，

15、特別是改變遺傳因子。 眾所周知，幾乎所有的藥物都具有副作用。這主要是由于用藥劑量不當(dāng)，或藥物作用于正常器官的緣故。如治療癌癥，現(xiàn)今的化療藥物無法單純殺滅癌細(xì)胞，藥物的作用往往傷及正常細(xì)胞。為此科學(xué)家正積極研究如何利用納米技術(shù)人工合成具有特定功能的“搬運(yùn)工”，使適當(dāng)劑量的藥物僅僅作用于所需部位，這就是所謂的“藥物定向釋放系統(tǒng)”。 在人體內(nèi)起各種各樣作用的蛋白質(zhì)，是由多種氨基酸結(jié)合而成的天然高分子化合物。當(dāng)多個(gè)有機(jī)分子結(jié)合在一起時(shí)，有時(shí)會具備單個(gè)分子時(shí)所沒有的功能，這通常被稱為“超分子”。目前科學(xué)家正在研究一種被稱為“導(dǎo)彈分子”的超分子，它進(jìn)入人體后，可對癌細(xì)胞進(jìn)行著色，使其與正常細(xì)胞區(qū)分開，然后

16、利用激光等殺滅被著色的癌細(xì)胞。據(jù)說，這種由納米技術(shù)制成的“導(dǎo)彈分子”可望在未來2-3年內(nèi)問世。 如果能夠合成可測量血液和尿液中膽固醇等生化指標(biāo)的超分子，并將其植入半導(dǎo)體微晶芯片，當(dāng)該分子與血液和尿液中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，就會產(chǎn)生電流，并作為人體產(chǎn)生的異常電信號被芯片所接收。類似這樣的芯片將可起到診斷疾病的作用。 目前科學(xué)家正設(shè)想利用納米技術(shù)，以20種氨基酸為原料，按分子設(shè)計(jì)合成所需的蛋白質(zhì)零件，并進(jìn)一步利用肌肉細(xì)胞的纖維結(jié)構(gòu)骨架，從而制造出分子機(jī)器人。此外，利用納米技術(shù)還可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。 美國北卡羅來納州立大學(xué)和約翰霍普金斯大學(xué)的二位博士，利用納米技術(shù)，開發(fā)出一種在眼球植入微

17、小單晶硅片，使失明者重見光明的“人工視網(wǎng)膜系統(tǒng)”。但也有學(xué)者認(rèn)為，這種技術(shù)近期內(nèi)不可能實(shí)現(xiàn)。 4.2在工業(yè)方面的應(yīng)用 錄音帶、錄像帶和磁盤等都是采用磁性顆粒作為磁記錄介質(zhì)。若采用20nm左右的超微磁性顆粒制成金屬磁帶、磁盤，每厘米可記錄4百萬至4千萬的信息單元。與普通磁帶相比，它具有高密度，低噪音和高信噪比等優(yōu)點(diǎn)。而且能夠極大地提高信息儲存量和信息處理速度。 采用納米技術(shù)，在化學(xué)纖維制造工序中摻入銅、鎳等超微金屬顆粒，可以合成導(dǎo)電性的纖維，從而制成防電磁輻射的纖維制品，亦可與橡膠、塑料合成導(dǎo)體復(fù)合體。 最近，美國柯達(dá)公司研制成功了既具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體。 有專家正在研究納米

18、與聚丙烯嫁接的復(fù)合材料，既保持聚丙烯的良好剛性，又增強(qiáng)了韌性，可廣泛應(yīng)用于高品質(zhì)的箱包及汽車零部件。 輪胎通常是黑的，但運(yùn)用納米材料生產(chǎn)的輪胎不僅色彩鮮艷，性能也大大提高。據(jù)新華社北京報(bào)道，我國超高密度信息存儲研究創(chuàng)“世界之最”：在納米級的有機(jī)薄膜材料上，一個(gè)直徑僅為0.6nm的信息存儲點(diǎn)猶如兵馬俑一樣井然有序，整齊劃一，其信息量比現(xiàn)有光盤高100萬倍。 納米碳管是目前最引人關(guān)注的一種新型材料，其粗細(xì)僅為頭發(fā)絲的萬分之一。它具有良好的熱傳導(dǎo)性，導(dǎo)電性以及強(qiáng)度，質(zhì)地輕盈，富有彈性。它在電子器件，超薄型顯示器、燃料電池等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。目前，采用納米碳管的電視以及計(jì)算機(jī)顯示器已經(jīng)進(jìn)入試驗(yàn)階段

19、。納米碳管具有容易吸取氫分子的性質(zhì)，如果將易燃易爆的氫分子儲存在納米碳管內(nèi)，就成了十分安全的氫吸留容器了。目前普遍認(rèn)為，燃料電池是最有希望的汽車代用燃料之一，而作為燃料電池的最好原料是氫和空氣中的氧。納米碳管的研制成功對于研制氫動力汽車的燃料電池，無疑具有極大的實(shí)用價(jià)值。汽車使用一個(gè)可樂瓶大小的氫吸留容器，就可以行駛500km。預(yù)計(jì)大約在2010年采用納米技術(shù)的氫動力汽車可望進(jìn)入實(shí)用化。 4.3在軍事方面的應(yīng)用 納米技術(shù)在現(xiàn)代武器制造中具有非常重要的地位。導(dǎo)彈的命中精度取決于儀表的精度。美國mx導(dǎo)彈命中精度的圓概率誤差為50m(1998年資料)，其核心高精度陀螺轉(zhuǎn)子的質(zhì)量中心偏離對稱軸誤差要求

20、30nm，表面粗糙度ra12nm。用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈導(dǎo)航的磁碼器要求每轉(zhuǎn)能發(fā)出600萬脈沖，其磁碼間距約為10nm。雷達(dá)的關(guān)鍵元件波導(dǎo)管的品質(zhì)因數(shù)和它的內(nèi)表面加工精度密切相關(guān)，要求內(nèi)腔表面粗糙度ra 10nm。 1991年春的海灣戰(zhàn)爭，美國執(zhí)行空襲任務(wù)的f-117a型隱身戰(zhàn)斗機(jī)，其機(jī)身外表所包覆的紅外與微波隱身材料中亦包含有多種納米級的超微顆粒，它們對不同的電磁波有強(qiáng)烈的吸收能力。 最近己發(fā)明一種“小草傳感器”，這是一種人工小草，它裝置的攝像機(jī)和傳感器，不僅能感知外界的動靜，還能像人一樣，把周圍景物盡收“眼”底。主要用于對坦克和運(yùn)輸工具的探測，并將結(jié)果及時(shí)傳回指揮部。還有科學(xué)家嘗試?yán)美ハx作平臺，

21、把分子機(jī)器人植入昆蟲的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報(bào)。 當(dāng)今最小的飛行器在200m內(nèi)人們用肉眼可以看到，而納米技術(shù)下的袖珍遙控飛機(jī)則可能逃過雷達(dá)的探測。 “納米衛(wèi)星”是一種分布式的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)體系，是由微型電子和微電機(jī)系統(tǒng)集成的微型航天儀器，可以布設(shè)成局部星團(tuán)，在任何時(shí)刻都可能對地球上的任何一處進(jìn)行持續(xù)不斷的監(jiān)視。 4.4在人們現(xiàn)代生活中的應(yīng)用 兩樣同樣筆挺的西裝，當(dāng)用水或植物油倒在衣服表面時(shí)，其中的一件立刻出現(xiàn)了污漬，而另一件只留下幾個(gè)細(xì)小的水珠，一抖，什么都沒有了。中國科學(xué)院年前在北京舉辦的納米材料應(yīng)用展示會上，納米技術(shù)令觀眾大開眼界。上述展示的是應(yīng)用了“二元協(xié)同納米界面材料”，它會在物質(zhì)表面上形成一層穩(wěn)定的氣體薄膜，使油或水無法與材料的表面直接接觸，從而使材料表面呈現(xiàn)出水、油不沾的“超雙疏”性能。 經(jīng)過“超雙疏”界面材料技術(shù)