納米科學與技術(shù)簡介

納米材料學

Nano-materialsScience王菲菲物理學院參考書：1、納米技術(shù)與納米材料，張志焜、崔作林著，國防工業(yè)出版社，20002、納米材料與納米結(jié)構(gòu)，張立德等著，科學出版社，20013、納米材料和器件，朱靜等著，清華大學出版社，20034、NanoscaleScienceandTechnology,RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,20055、國外著名雜志：Science,Nature,Nat.Mater.,Nat.Nanotech.,Angew.Chim.Int.Ed.,J.Am.Chem.Soc.,Adv.Mater.,NanoLetters第一章納米科學技術(shù)簡介第二章納米結(jié)構(gòu)單元第三章納米材料的檢測分析技術(shù)第四章納米科學的基本理論第五章納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理化學特性第六章納米材料的制備方法第一章納米科學技術(shù)簡介教學目的：了解納米科技的基本內(nèi)涵、發(fā)展歷史、進展和趨勢。

重點內(nèi)容：1、掌握基本概念介觀領(lǐng)域、納米科學技術(shù)、納米材料、納米陶瓷、納米器件、量子器件、蓮花效應(yīng)、納米組裝體系、自上而下、自下而上。2、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。3、納米科技的分類。4、納米科技的前沿動態(tài)。

難點內(nèi)容：納米科技的前沿動態(tài)中的部分內(nèi)容。熟悉內(nèi)容:了解納米科學技術(shù)發(fā)展史。了解發(fā)展納米科技的意義。

納米技術(shù)在國內(nèi)的研究情況及取得的成果。主要英文詞匯:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.緒論(Introduction)美國盧克斯研究公司2005調(diào)查報告:2004年美國聯(lián)邦政府在納米技術(shù)領(lǐng)域投入了10億美元，各州又另外投入了4億美元。迄今只有很少一些納米技術(shù)產(chǎn)品走向市場，也幾乎沒有盈利，但對納米技術(shù)的前景保持樂觀。1997年各國政府對納米技術(shù)的投入總計不到5億美元，到2003年就增長到35億美元。(摘自：科技日報2005-01-27)“紐約時報”2006年9月26日報道，美國國家研究委員會在向國會提交的有關(guān)美國“國家納米科技計劃”的一份評估報告中表示，美國納米科技研究繼續(xù)在國際上保持領(lǐng)先，但要使政府所投入的高達數(shù)十億美元的資金成效顯著還要等上數(shù)十年時間。報告中，既充滿希望又對目前的形勢比較謹慎。但評估報告中也提出警告，處理納米級別的物質(zhì)可能會對我們的健康和環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害，對這方面研究的資金投入明顯不夠。納米科技研究涉及一系列快速發(fā)展的設(shè)備和工業(yè)流程，要求對單一的原子或分子簇進行加工處理，這些材料通常只有1納米到100納米大小。在納米級別，一些傳統(tǒng)的材料可以表現(xiàn)出其有價值的特性，如不同尋常的強度、電導性或者通過肉眼無法察覺的某些性質(zhì)，可以通過對不同納米級材料間的重新組合制造出新的藥物、新的食品和設(shè)備。將對全球經(jīng)濟產(chǎn)生巨大的影響。但同時科學家們也有一些擔憂，這些新材料的產(chǎn)生也可能帶來新的安全威脅，科學家們對這些新威脅可能要經(jīng)過數(shù)十年才能完全了解。

報告中表示，由于納米科技屬于一項基礎(chǔ)科技，納米技術(shù)的進步使得其它一些科技創(chuàng)新成為可能，對納米科技研究的投資，從邏輯上來說，應(yīng)該像對計算機和通信技術(shù)的早期投資一樣，這兩項科技也是在早期投資20到40年后才顯示出其對社會的深遠影響的。但報告中也警示，目前對納米科技研究的投資也出現(xiàn)一些問題，如政府對于納米技術(shù)研究的投資缺乏必要的分類和投資的連貫性，而且對于投入的資金所產(chǎn)生的回報也缺乏一個明確的評估管理體系。評估報告中提出安全研究資金撥款不足問題，得到了布什總統(tǒng)的國家科技理事會專家小組的響應(yīng)。一些專家表示，每年對納米科技安全領(lǐng)域的研究的撥款不足4000萬美元，這一撥款額度確實太小。同時專家在報告中還表示，每個機構(gòu)的科學家都選擇有自己獨立的項目，缺乏一個中心方向。國際科學基金會負責人阿爾丁·貝曼特表示，“我要說的是，納米科技研究這一領(lǐng)域錯綜復雜，我認為不可能有誰或哪個小型機構(gòu)的研究人員能夠足夠聰明，確定所有存在的風險，確定研究的優(yōu)先事項以及制定出所謂的研究策略?！?/p>

新華網(wǎng)洛杉磯2007年2月18日電：在舊金山舉行的美國科學促進協(xié)會年會上，美國納米技術(shù)專家科爾文提出，開發(fā)和應(yīng)用納米技術(shù)必須首先保證其安全性。

根據(jù)科爾文公布的動物試驗數(shù)據(jù)，小于100納米的物質(zhì)進入動物體內(nèi)后會侵入大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而影響大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)?！?.1納米科學技術(shù)簡介

Nanoscalescience&technology人類對客觀世界的認識分為兩個層次：一是宏觀領(lǐng)域，二是微觀領(lǐng)域。宏觀領(lǐng)域是指以人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體；微觀領(lǐng)域是以分子原子為最大起點，下限是無限的領(lǐng)域?；玖Ｗ樱弘娮印①|(zhì)子、中子等；亞粒子：夸克。介觀領(lǐng)域：在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間，存在著一塊近年來才引起人們極大興趣和有待開拓的“處女地”。三維尺寸都很細小，出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理性能。1959年，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾預言：“毫無疑問，當我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴充我們可能獲得物性的范圍”。這個領(lǐng)域包括了從微米、亞微米，納米到團簇尺寸(從幾個到幾百個原子以上尺寸)的范圍。介觀領(lǐng)域中產(chǎn)生以相干量子輸運現(xiàn)象為主的介觀物理，成為當今凝聚態(tài)物理學的熱點。（導體與絕緣體的轉(zhuǎn)變，磁性變化、納米碳管導電性等）。從廣義上來說，凡是出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團簇、納米體系和亞微米體系。納米體系和團簇就從這種介觀范圍獨立出來，形成一個單獨的領(lǐng)域（狹義的介觀領(lǐng)域）。一、納米科學技術(shù)的基本概念和內(nèi)涵納米(nanometer)是一個長度單位，簡寫為nm。1nm=10(-9)m=10埃。頭發(fā)直徑：50-100m,1nm相當于頭發(fā)的1/50000。氫原子的直徑為1埃，所以1納米等于10個氫原子一個一個排起來的長度。Nanotechnologyisthetermusedtocoverthedesign,constructionandutilizationoffunctionalstructureswithatleastonecharacteristicdimensionmeasuredinnanometers.Howsmallis1nanometer?

HumanHair一納米有多小？跳蚤頭發(fā)紅細胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2催化劑UnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize1.納米科學技術(shù)(Nano-ST):20世紀80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬分之一米(10–7)到十億分之一米(10–9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運動和變化的科學；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子等進行操縱和加工的技術(shù)，又稱為納米技術(shù)。

2.納米科技的主要研究內(nèi)容:創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料、制備各種納米器件和裝置、探測和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。（基礎(chǔ)，目標，前提）1993年，國際納米科技指導委員會將納米技術(shù)劃分為6個分支學科（1）納米電子學、（2）納米物理學、（3）納米化學、（4）納米生物學、（5）納米加工學、（6）納米計量學。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。3.納米材料(nanomaterials)的定義:把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸控制在100納米以下的具有特殊功能的材料稱為納米材料。即三維空間中至少有一維尺寸小于100nm的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的具有特殊功能的材料?！肮δ堋备拍睿础傲孔映叽缧?yīng)”。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑為3nm的原子團包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條300多米長的帆船跟整個地球的比例。4.納米材料的分類(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按結(jié)構(gòu)(維度thenumberofdimensions）分為5類：(1)0維材料quasi-zerodimensional—尺寸為納米級(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2維材料—厚度為1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)體相納米材料（由納米材料組裝而成）。Interfacialpropertiesananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation.(5)納米孔材料（孔徑為納米級）。MCM-41;SAB-16;Nanoporoussilicon;ActivatedcarbonsMCM-416,9,20,26nmSAB-16按組成（component）分類金屬納米材料、半導體納米材料、有機和高分子納米材料、復合納米材料、……復合納米材料：無機納米粒子與有機高分子復合材料、無機半導體的核殼結(jié)構(gòu)量子阱(超晶格)材料…………5.納米材料的新性質(zhì)：當物質(zhì)小到1~100nm(10-9~10-7m)時,由于其巨大的表面及界面效應(yīng),物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變,呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體,也不同于單個孤立原子的奇異現(xiàn)象（如量子化效應(yīng)，非定域量子相干效應(yīng)，量子漲落與混沌，多體關(guān)聯(lián)效應(yīng)和非線性效應(yīng)等等）。

6.納米科技的最終目標：直接利用物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理化學和生物學特性（如納米尺度上的能帶、費米能級及逸出功特意味著什么?）制造出具有特定功能的產(chǎn)品。7.納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別：第一、這種材料至少有一個方向是在納米的數(shù)量級上。比如說納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。尺寸第二、由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。比如物體的強度、韌性、比熱、導電率、擴散率等完全不同于或大大優(yōu)于常規(guī)的體相材料。性能二、納米科技的分類納米科技從研究內(nèi)容上可以分為三個方面：納米材料納米器件納米尺度的檢測和表征1納米材料納米材料是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度,并且具有特殊性能的材料。是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要類型為：團簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料的制備技術(shù)、原理及性質(zhì)。納米材料的研究包括兩個方面：一、系統(tǒng)地研究納米材料的微結(jié)構(gòu)和譜學特征,通過和常規(guī)材料對比,找出納米材料特殊的規(guī)律,建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。二、發(fā)展新型納米材料。例如：納米陶瓷。目前，納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中,如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據(jù)性質(zhì)設(shè)計各種特殊功能納米材料。2納米器件納米科技的最終目的是以原子分子為起點,去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此,納米器件的研制和應(yīng)用水平是進入納米時代的重要標志。--微米時代（微米技術(shù)）Moore（Intel創(chuàng)始人）定律：芯片上晶體管數(shù)量每18個月將會增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效應(yīng)，特征尺寸在50nm以下的器件難以工作。目前，45nm，正在開發(fā)32nm。所謂納米器件，就是指從納米尺度上，設(shè)計和制造功能器件。有人預計，目前微米級的信息技術(shù)到2010年時會走到盡頭，進一步發(fā)展會受到物理的局限。根據(jù)美國半導體協(xié)會的預計，那時整個器件的尺度可以小到100納米，而電子器件小到100納米時，量子效應(yīng)就會起到很重要的作用，利用量子效應(yīng)而工作的電子器件稱為量子器件。這時就需要用全新的理論和方法來構(gòu)建新的納米器件。與電子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降為1/1000)、高效、高集成度、經(jīng)濟可靠、信息存儲量大（在一張不足巴掌大的5英寸光盤上，至少可以存儲30個北京圖書館的全部藏書）等優(yōu)點。納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)研究的是以控制單個原子、分子來實現(xiàn)設(shè)備特定的功能，是利用電子的波動性來工作的；而微電子技術(shù)則主要通過控制電子群體來實現(xiàn)其功能，是利用電子的粒子性來工作的。人們研究和開發(fā)納米技術(shù)的目的，就是要實現(xiàn)對整個微觀世界的有效控制。制造納米產(chǎn)品的技術(shù)路線可分為兩種：

“自上而下”(topdown)：是指通過微加工或固態(tài)技術(shù),不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化。如：切割、研磨、蝕刻、光刻印刷等。從大到小“自下而上”(bottomup)：是指以原子分子為基本單元,根據(jù)人們的意愿進行設(shè)計和組裝,從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這種技術(shù)路線將減少對原材料的需求,降低環(huán)境污染。如化學合成、自組裝、定位組裝等。Theuseofbottom-upandtop-downtechniquesinmanufacturing3納米尺度的檢測和表征納米尺度的檢測與表征手段：在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能。包括：在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、熱、光學特性。納米空間的化學反應(yīng)過程、物理傳輸過程。研究原子分子的排列組裝與奇異物性的關(guān)系。納米技術(shù)發(fā)展的典型代表掃描隧道電子顯微鏡1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根據(jù)電子的隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope,STM），獲1986諾貝爾物理獎。目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡來觀察原子、分子和直接操縱安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z軸分辨率達到0.01nm。世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM)A1990年，美國加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個氙原子排布成最小的IBM商標。這張放大了的照片登在《時代》周刊上，被稱為當年最了不起的公司廣告。每個字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對準選中的Xe原子、使針尖接近Xe原子、使原子間作用力達到讓Xe原子跟隨針尖移動到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。在Xe原子搬遷后，又實現(xiàn)了分子的搬遷排列。在鉑單晶的表面上、將吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬遷排列起來、構(gòu)成一個身高僅5nm的世界上最小的人的圖樣。用來構(gòu)成這圖樣的CO分子間距離僅為0.5nm,人們稱它為"一氧化碳小人"。來自同一實驗室的科學家又用48個鐵原子排列在銅表面上組成了漢字“原子”兩字。漢字的大小只有幾個納米。用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運和操縱48個Fe原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時與相內(nèi)傳播的電子相互干涉形成干涉波。B1991年，日本日立研究室實驗了在室溫下用STM移去二硫化鉬晶體表面上的一些原子，進行單原子操縱，以原子空穴的形式寫下了“Peace91”的字樣，其每個字母的尺寸均小于1.5納米。C1994年，中國科學院化學所和中國科學院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過提走硅原子的方法，獲得了（線寬2nm）硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10nm的“中國”字符。漢字的大小只有幾個納米白春禮院士1988年4月12日，中國第一臺計算機控制的STM研制成功。這些技術(shù)的突破對于高密度信息儲存、納米電子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。光刻技術(shù)線寬為幾百納米§1.2納米科學技術(shù)發(fā)展史一、納米材料及納米技術(shù)的自然存在1人和動物堅硬牙齒的外表面，即牙釉質(zhì)，是由納米尺寸的微晶組成。2天體隕石的碎片和海洋中存在的亞微米膠體粒子3蜜蜂的定向蜜蜂的體內(nèi)存在磁性的納米粒子，具有“羅盤”的作用，可以為蜜蜂的活動導航。以前人們認為蜜蜂是利用北極星或通過搖擺舞向同伴傳遞信息來辨別方向。最近，英國科學家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂利用羅盤來判明方向。4海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導航5螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂6蓮花效應(yīng)—蓮花出污泥而不染荷葉葉面上存在著非常復雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突。乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。7壁虎飛檐走壁每只腳底部長著數(shù)百萬根極細的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細的分支。這種精細結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。動植物按照微基準來說，就是納米機器的組合體。這些納米機器，就是人們熟知的蛋白質(zhì)。而細胞則可以說是由這些納米機器在組裝而成的微米機器。

二、納米技術(shù)的人工造就1、無意識的方面：人工制備納米材料至少追溯到1000多年前。中國古代利用蠟燭來燃燒收集碳黑作為墨的原料（中國古代字畫歷經(jīng)千年而不褪色），是最早的納米材料。中國古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的一層薄膜。古代的寶劍等微晶化增強已經(jīng)得到科學證實。但當時人們并不知道這其中的原因，不知道是納米技術(shù)的作用，因為人的肉眼根本就看不到納米尺度小顆粒。他們只知道這樣的工藝所做的工件好。2、有意識的制作：

1959年12月，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼作了“There‘sPlentyofRoomattheBottom”的報告：“我認為物理學原理并不排斥通過操縱單個原子來制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且在原則上是可以實現(xiàn)的”?！对诘撞窟€有很大空間》約1861年，膠體化學的建立(ColloidChemistry)，科學家就開始了對于直徑1~100nm的粒子系統(tǒng)，即所謂膠體的研究。但是當時并沒有意識到在這個尺寸范圍是人們認識世界的一個新層次，而只是從化學的角度研究，并沒有從納米材料的角度或其特殊性能作為重點。“Theprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureate1932年，德國的Ruska發(fā)明了世界上第一臺透射電子顯微鏡，為探索微觀物質(zhì)世界打下了基礎(chǔ)。1986年諾貝爾物理獎到1998年，電子顯微鏡的分辨率已達到1.3埃。而用光學顯微鏡是看不到納米尺寸的物體的。但是電子顯微鏡只能看，不能搬動原子。3、自覺地研究（理論研究的開始）人們自覺地研究納米微粒，始于上個世紀60年代，并開始發(fā)現(xiàn)納米尺寸物體的特殊性能。久保理論1962年，久保(Kubo)針對金屬超微粒子的研究提出了久保理論----超微粒子的量子限域理論。由于粒子中原子數(shù)的減少，使能帶中能級間隔加大，變?yōu)椴贿B續(xù)能級，具有類似孤立原子中的不連續(xù)性稱為久保效應(yīng)(不遵守費米統(tǒng)計，及小于10nm的趨向于電中性)。

氣體蒸發(fā)冷凝法制得納米微粒

1963年，Uyeda通過金屬在高純惰性氣體中蒸發(fā)和冷凝過程獲得清潔表面的超微顆粒，并用透射電子顯微鏡研究了單個顆粒金屬的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。半導體超晶格1970年，江畸等考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導體超晶格的概念。就是按照一定規(guī)則將一定尺度的納米薄層人工堆積起來的結(jié)構(gòu)。利用分子束外延技術(shù)制備了能隙大小不同的半導體多層膜，在實驗中實現(xiàn)了量子阱和超晶格，成為半導體物理中熱門的領(lǐng)域。Self-assembly4、系統(tǒng)研究（久保理論日臻完善）70年代末到80年代初，人們對納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究，描述金屬顆粒費密面附近電子能級狀態(tài)的久保理論日臻完善。在用量子尺寸效應(yīng)理論解釋超微顆粒的某些特性時獲得成功。1974年,Taniguchi最早使用納米技術(shù)(nanotechnology)一詞,即“納米加技術(shù)”并用于精細機械加工，原意為公差在納米尺度的加工技術(shù)。1977年美國麻省理工學院德雷克斯勒（時為大學生）提出,可以從模擬活細胞的生物分子的人工類似物---分子裝置開始研究,用原子建造無機機器，并稱之為納米科技。他70年代末在斯坦福大學建立第一個納米科技研究小組。當時多數(shù)主流科學家對此的反應(yīng)是：一派胡言！

但巴基球的誕生使研究人員開始著手做這件事。他想，為什么不建造有自行復制能力的機器呢？一臺機器會變成兩臺，兩臺變成四臺，然后再變成八臺……這樣無窮地變下去。給那些能把簡單的原料加工成特定非生物制品的機器加上這個功能，他認為唯一可能的結(jié)果就是它所帶來的難以想像的財富。被德雷克斯勒稱為裝配工的小型機器人會給饑餓的人生產(chǎn)無窮數(shù)量的食物，或者為無家可歸的人建造無數(shù)的房屋，它們還可以在人的血管里游戈并修復細胞，從而可以防止疾病和衰老。實際上，人類有朝一日可以消遣放松一下，而納米機器人則可以像科幻小說作家描寫的那樣承擔世界上所有的工作。分子納米技術(shù)（MNT）“灰古”（greygoo）世界STM的發(fā)明1981年，G.Binning和H.Rohrer博士（IBM的）發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡，使得人類首次在大氣及常溫下觀察到了原子。這是到目前為止，表面分析最精密的儀器。分辨率達到0.01nm,可以直接觀察到原子，且能搬動原子。納米結(jié)構(gòu)材料首次合成1984年，德國薩爾大學的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型，制備了具有清潔表面的納米晶體Pd,Fe,Cu等塊狀材料。隨后發(fā)現(xiàn)TiO2納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。NanostructuredmaterialsC60等富勒烯（Fullerence）1985年Smalley（2005.10去世）與英國的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學的實驗室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來收集碳團簇、用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)了由60個碳原子構(gòu)成的碳團簇豐度最高，通稱為C60。見下圖.Fullerenes–1985(1996)RobertF.CurlJr.RichardE.SmalleySirHaroldW.Kroto納米多晶體1987年美國Argon實驗室Siegel博士用惰性氣體原位加壓法制備出來了納米晶材料TiO2多晶體。發(fā)現(xiàn)超韌性陶瓷。巨磁電阻效應(yīng)1988年，法國的費爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場變化可以導致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁電阻效應(yīng)（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在3年前，德國格林貝格爾教授在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾因分別獨立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而獲得2007年諾貝爾物理學獎。巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來就被用于開發(fā)研制用于硬磁盤的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。阿爾貝·費爾和彼得·格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)造就了計算機硬盤存儲密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤面密度所用的讀出頭，創(chuàng)下了世界記錄。硬盤的容量從4ＧB提升到了600ＧB或更高。1990年，費曼指出：納米科技的基本思想是在分子水平上，通過操縱原子來控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。它使我們可以利用單個原子組建分子系統(tǒng)，制備不同類型的納米器件。1991年，日本NEC基礎(chǔ)研究實驗室的飯島教授（S.Iijima）在利用透射電子顯微鏡分析電弧放電產(chǎn)物時，發(fā)現(xiàn)多壁納米碳管；Y.Ando隨后，他還發(fā)現(xiàn)了僅由單層碳原子石墨層層卷曲而成的單層納米碳管。納米科技的發(fā)展大致可以劃分為3個階段：第一階段(1990年以前)主要是在實驗室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點是根據(jù)奇特物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復合材料：納米微粒與納米微粒復合(0-0復合)，納米微粒與常規(guī)塊體復合(0-3復合)，復合納米薄膜(0-2復合)。

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝一種新的體系。納米組裝體系是以納米顆?；蚣{米絲、納米管及納米尺寸的孔洞為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。

根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過程中的驅(qū)動力是靠外因，還是靠內(nèi)因來劃分，大致可分為兩類:一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，二是納米結(jié)構(gòu)自組裝體系。所謂人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，按人類的意志，利用物理和化學的方法人工地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系。

所謂納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系是指通過弱的和較小方向性的非共價鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米自組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，稱為納米尺度的圖案材料（patterningmaterialsonthenanometerscale）。伯克利國家實驗室在Nature上指出：納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學和物理學的重要前沿課題。第一屆納米科學技術(shù)會議1990年7月，在美國巴爾德摩召開了國際第一屆納米科學技術(shù)會議，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。NanostructuredMaterials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召開了第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會議。張志焜和崔作林參加80年代以來，各國已投入大量人力，物力開展納米超微粒的研究，如美國、日本。美國的政策：從1999年開始,美國政府把納米科技研究列入21世紀前10年11個關(guān)鍵領(lǐng)域之一。2000年美國總統(tǒng)克林頓宣布將以4.95億美元投入全美納米科技計劃。美國總統(tǒng)科技助理寫信給國會稱:納米技術(shù)將與信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，對21世紀經(jīng)濟、國防和社會產(chǎn)生重大影響，可能引導下一場工業(yè)革命(leadingtothenextindustrialrevolution)，應(yīng)把它放在科學技術(shù)的最優(yōu)先地位(toppriority)。納米技術(shù)是80年代初迅速發(fā)展起來的前沿學科，它使人們認識、改造微觀世界的水平提高到了一個新的高度。納米技術(shù)將用于下一代的微電子器件即納米電子器件，使未來的電腦、電視機、衛(wèi)星、機器人等的體積變得越來越小.

1）可以制造一種材料，其強度為鋼的幾倍，而重量僅為鋼的幾分之一。碳管

2）可以將國會圖書館的信息都存儲在一塊方糖大小的存儲器上。

3）可以檢測出幾個癌細胞。----克林頓

我國的發(fā)展情況1995年，我國召開“材料中的前沿問題研討”香山科學會議，納米材料的制備為主題之一。1997年，我國召開納米化學香山會議，研討我國的納米化學的發(fā)展。2000年,中共中央明確提出將新材料和納米科學的進展作為“十五”規(guī)劃中科技進步和創(chuàng)新的重要任務(wù)。國際納米科技發(fā)展態(tài)勢和特點2002-2006

一、各國競相出臺納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計劃(一)發(fā)達國家和地區(qū)雄心勃勃為了搶占納米科技的先機，美國早在2000年就率先制定了國家級的納米技術(shù)計劃，其宗旨是開展納米尺度的科學、工程和技術(shù)開發(fā)工作。2003年11月，通過了《21世紀納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，標志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開。日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟復興”的關(guān)鍵。第二期科學技術(shù)基本計劃將生命科學、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點研發(fā)領(lǐng)域。歐盟在2002～2007年實施的第六個框架計劃也對納米技術(shù)給予了空前的重視。該計劃將納米技術(shù)作為一個最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學、以知識為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。

(二)新興工業(yè)化經(jīng)濟體瞄準先機

韓國政府2001年制定了《促進納米技術(shù)10年計劃》，2002年頒布《促進納米技術(shù)開發(fā)法》，2003年又頒布了《納米技術(shù)開發(fā)實施規(guī)則》。目標是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個主要技術(shù)領(lǐng)域，提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年計劃結(jié)束進入世界前5位。中國臺灣自1999年開始，制定了《納米材料尖端研究計劃》、《納米科技研究計劃》，這些計劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標建立產(chǎn)業(yè)競爭優(yōu)勢。

(三)發(fā)展中大國奮力趕超中國政府在2001年7月就發(fā)布了《國家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國家納米科技指導協(xié)調(diào)委員會、國家納米科學中心和納米技術(shù)專門委員會。南非科技部正在制定一項國家納米技術(shù)戰(zhàn)略，在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過加大對從事材料科學研究的科研機構(gòu)和項目的支持力度，加強材料科學中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開發(fā)。

二、世界各國納米科技發(fā)展各有千秋

(一)在納米科技論文方面日、德、中三國不相上下2000~2002年納米研究論文，美國以較大的優(yōu)勢領(lǐng)先于其他國家，3年累計論文數(shù)超過10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本(12.76%)、德國(11.28%)、中國(10.64%)和法國(7.89%)列在其后，它們各自的論文總數(shù)都超過了3000篇。

在上述5國之后，英國、俄羅斯、意大利、韓國、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國三年累計論文總數(shù)都超過了1000篇。(二)申請納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國獨占鰲頭美國專利商標局2000～2002年共受理2236項關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國家是美國(1454項)，日本(368項)和德國(118項)。60%、16.46%和5.28%列在第二位和第三位。英國、韓國、加拿大、法國和中國臺灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過了1%。專利反映了研究成果實用化的能力。在論文數(shù)最多的20個國家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過論文數(shù)所占比例的國家和地區(qū)只有美國、日本和中國臺灣。這說明，很多國家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實用化能力較弱。(三)就整體而言納米科技大國各有所長

美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著納米技術(shù)在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應(yīng)用，目前美國納米研究熱點已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學領(lǐng)域。醫(yī)學納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國國家的優(yōu)先科研計劃。在納米醫(yī)學方面，納米傳感器可在實驗室條件下對多種癌癥進行早期診斷，而且，已能在實驗室條件下對前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進行早期診斷。2004年，美國國立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺了一項《癌癥納米技術(shù)計劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學相結(jié)合，實現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動也是一個研究熱門，這對于研究艾滋病病毒、癌細胞等在人體內(nèi)的活動情況非常有用，還可以用來檢測藥物對病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來5~10年有望商業(yè)化。

雖然醫(yī)學納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點，納米技術(shù)在半導體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國科研人員正在加緊納米級半導體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學家試圖利用化學反應(yīng)來合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運算快的芯片。這種技術(shù)未來有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長度達到幾百微米的納米導線。

日本納米技術(shù)的研究開發(fā)實力強大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實用化還有相當一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。在制造方法上，日本不斷改進電弧放電法、化學氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時積極開發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復合的超微粒材料。東麗和三菱化學公司應(yīng)用大學開發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來的1/10，兩三年內(nèi)即可進入批量生產(chǎn)階段。日本高度重視開發(fā)檢測和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場光學顯微鏡等的性能不斷提高?？茖W家村田和廣成功開發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機高分子等多種材料的基板上印制細微電路，是世界最高水平。日本企業(yè)、大學和研究機構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個電子晶體管、分子電子元件等更細微、更高性能的元器件和量子計算機，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過，這些研究大都處于探索階段。歐盟在納米科學方面頗具實力，特別是在光學和光電材料、有機電子學和光電學、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導體、復合材料、醫(yī)學材料、智能材料等方面的研究能力較強。中國在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無機非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學合成材料也是一個重要方面，而在納米電子學、納米器件和納米生物醫(yī)學研究方面與發(fā)達國家有明顯差距。

§1.3發(fā)展納米科技的意義費曼：1959年，著名理論物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼曾預言：“毫無疑問，當我們得以對納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴充我們可能獲得物性的范圍”。還設(shè)想“如果有朝一日人們能把百科全書儲存在一個針尖大小的空間并能移動原子，那么這將給科學帶來什么？”這正是對納米科技的預言—小尺寸大世界。量子動力學19651991年：IBM的首席科學家Armstrong曾預言：“我們相信納米科技將在信息時代的下一個階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如20世紀70年代初以來微米技術(shù)已經(jīng)起的作用那樣?！奔{米技術(shù)可能是下個世紀前二十年最重要的技術(shù).克林頓著名科學家錢學森也預言：“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一個階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將使21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命。”微米技術(shù)曾同樣被認為對使用牛耕地的農(nóng)民無關(guān)緊要。的確，微米與牛毫無關(guān)系但它卻改變了耕作方式，帶來了拖拉機。H.Rohrer,1993年

這些預言十分精辟的指出了納米體系的地位和作用。1993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學獎的科學家?！ち_雷爾(HeinrichRohrer)博士寫信給江澤民主席。他寫道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標準，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標準、并首先學習和使用它的國家?！?/p>

一納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景納米科技的重要進展表現(xiàn)在以下幾個方面：[1]直接操縱原子方面：日本科學家成功將硅原子堆成一個“金字塔”，首次實現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷。1991年，IBM的科學家制造了超快的氙原子開關(guān)?？赡軐⒚绹鴩鴷D書館的全部藏書存儲在一個直徑為0.3cm的硅片上。美國科學家們制造出一種尺寸只有4nm的復雜分子，具有“開”和“關(guān)”的特性，由激光驅(qū)動，并且開、關(guān)速度很快。納米刻蝕：目前微電子技術(shù)中最細刻度為幾分之一微米，即激光光列。如果把搬遷原子的位置按照電路的方式搬遷，便可以用STM進行納米級的刻蝕。我國已能用STM刻出10nm的細線。一是可制備高密度的存儲器。日本NEC公司研制出高密度記錄技術(shù)，在一張郵票大小的襯底上可以記錄下400萬頁報紙的內(nèi)容。二是可用分子束外延技術(shù)制造出三維納米量子器件。[2]新材料的出現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，其應(yīng)用受到限制。納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性（理想）。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料。也就是說，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散，塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘模軌虬l(fā)生100%的韌性形變。并發(fā)現(xiàn)納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。英國著名科學家萊恩Cahn在Nature雜志上撰文說：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑?！奔{米陶瓷的應(yīng)用方面：摔不碎的陶瓷，防彈玻璃。設(shè)計新型復合材料碳納米管/高分子復合材料----高強度材料模擬生物功能設(shè)計新型材料鮑魚殼鮑魚殼牙質(zhì)腱[3]納米技術(shù)在微電子學上的應(yīng)用

納米電子學是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計并制備納米量子器件。它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學的最終目標：是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。目前，已經(jīng)利用納米電子學研制成功各種納米器件。美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。此外，若能將幾十億個量子點連結(jié)起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結(jié)合微電子機械系統(tǒng)方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。美國普林斯頓NEC研究所和賴斯頓大學的科學家已造出了少量的納米管，納米管的強度比鋼高100倍，重量只有其1/6，納米管很細，5萬個納米管排列起來才只有一根頭發(fā)絲那么粗。輕而柔軟，結(jié)實的材料用作防彈背心。預計它是理想的導體，它的導電性很可能遠遠超過銅，是最佳超微導線和超微開關(guān)的首選新材料。納米管最終可以用于納米級的電子線路。

英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來芯片設(shè)計芯片廠商英特爾正指望用碳納米管取代半導體芯片內(nèi)部的銅連線。這種轉(zhuǎn)變總有一天會消除芯片廠商面臨的一些大問題。芯片連線已經(jīng)成為半導體廠商面臨的一個頭疼的問題。根據(jù)摩爾定律，芯片廠商每兩年就要縮小一次半導體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會增加電阻，降低芯片的性能。芯片廠商在90年代從把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過了這個問題。遺憾的是，隨著芯片尺寸的縮小，這個電阻問題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問題。碳納米管導電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。2008年2月1日亞利桑那州立大學DavidK.Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計算機的運行速度。碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會燒毀。用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球——月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。利用納米磁學中顯著的巨磁電阻效應(yīng)(giantmagnetoresistance)和很大的隧道磁電阻(tunnelingmagnetoresistance)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍。1997年，明尼蘇達大學電子工程系納米結(jié)構(gòu)實驗室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤，長度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。它利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達400Gb×in-2。

[4]納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，使光電器件的性能大大提高。美國桑迪亞國家實驗室發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。實驗發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時只需約100微安的電流。最近科學家們把光子導線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個，接近了無能量運行所要求的條件。麻省理工學院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送入激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。碳納米管場發(fā)射顯示器1999年韓國，2000年日本制成顯示器樣管五光子糾纏態(tài)理論潘建偉：在量子物理學及量子信息學的交叉實驗領(lǐng)域做出了一系列令世界矚目的研究成果，并成為首個被歐、美兩大物理學會同年評入年度國際物理學十大進展的中國科學家?！蹲匀弧冯s志發(fā)表評論時說，“盡管五粒子糾纏以及終端開放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶崿F(xiàn)非常困難，但是中國科學技術(shù)大學的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實驗方法將在量子計算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重要的應(yīng)用”。潘建偉的5個首次：首次成功地實現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換；首次成功實現(xiàn)三光子、四光子糾纏態(tài)，并利用多粒子糾纏態(tài)首次成功地實現(xiàn)了GHZ定理的實驗驗證；首次成功地實現(xiàn)了自由量子態(tài)的隱形傳送；首次實現(xiàn)糾纏態(tài)純化以及量子中繼器的成功實驗；首次取得五粒子糾纏態(tài)的制備與操縱。[5]納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結(jié)合。因此，化學反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導體能級結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。一般認為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%，即可充分屏蔽紫外線。目前，日本等國已有部分納米二氧化鈦的化妝品問世。紫外線不僅能使肉類食品自動氧化而變色，而且還會破壞食品中的維生素和芳香化合物，從而降低食品的營養(yǎng)價值。如用添加0.1~0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品，既可以防止紫外線對食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。分子篩（納米）反應(yīng)器分子篩具有獨特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面、較高的機械強度做成納米反應(yīng)器。該反應(yīng)器能夠使化學反應(yīng)局限于一個很小的范圍內(nèi)進行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同時限制了反應(yīng)物分子和反應(yīng)中間體的運動，這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應(yīng)的方向和速度。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅材料為基，利用液晶模板技術(shù)，在納米尺度上實現(xiàn)有機／無機離子的自組裝反應(yīng)。其特點是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性。使其在分子催化、吸附與分離等過程，展示了廣闊的應(yīng)用前景。同時，這類材料在較大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)其納米孔道結(jié)構(gòu)，可以作為納米粒子的微型反應(yīng)容器。

碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。---納米反應(yīng)器清華大學的范守善教授利用SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。還制備出了GaN納米線。1998年與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領(lǐng)域。[6]納米技術(shù)在生物學上的應(yīng)用

每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計量子計算機。DNA----蛋白質(zhì)合成DNA發(fā)動機已經(jīng)研制成功，可能用于清理血管的任務(wù)。美國南加州大學的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計算技術(shù)的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”。分子計算機目前處于理想階段，但科學家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個光循環(huán)過程中，細菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調(diào)諧激光束，將信息并行地寫入細菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細菌視紫紅質(zhì)的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。在納米尺度上認識大分子的精細結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系，按自己的意志進行剪彩和嫁接，進行基因修補、治療、改良，農(nóng)、林、漁、牧等也可能因此發(fā)生深刻變革。[7]納米技術(shù)在醫(yī)學上的應(yīng)用

生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。將超微粒子注入到血液中，可以作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。磁性導航藥物、分子識別藥物，熒光標識等。但也有缺點。（納米粒子的毒性）cancer成功利用納米SiO2微粒進行了細胞分離。用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用?？茖W家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。小型攝像機：用于檢測消化系統(tǒng)疾病。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|[8]納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用

納米技術(shù)的以往的研究主要集中在：A在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。B研究評估表征的方法，并探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。C利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設(shè)計納米復合材料。目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料的研究。但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關(guān)。1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的“納米算盤”，算盤架是蝕刻而成的銅槽和銅脊，算珠由球狀的C60分子構(gòu)成，槽脊柱只有一個原子高，每個槽內(nèi)可容納任意個巴基球，巴基球由掃描隧道顯微鏡操縱在銅槽內(nèi)滑動。理論上金澤夫斯基的算盤儲存信息的容量是常規(guī)電子計算機存儲器的10億倍。1999年，（王中林）美國、中國、法國和巴西科學家用精密的電子顯微鏡測量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時，發(fā)現(xiàn)可以測出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量億億分之二百克的單個病毒的“納米秤”。該成果在《Science》發(fā)表，這種世界上最小的秤，為科學家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻。日前美國波士頓大學的化學家T·RossKelly制備出世界上最小的馬達，該分子馬達由78個原子構(gòu)成。制備這個極小馬達花費了科研人員4年的時間。“能夠讓一個分子像馬達一樣工作是非常奇妙的?！薄蹲匀弧冯s志還報道了另一個由荷蘭和日本科學家研究的另一種由太陽能驅(qū)動的分子馬達，其在光照作用下，能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。分子馬達不但能夠為未來的分子機械提供動力，而且還可以幫助我們更深入地了解一些具有相似結(jié)構(gòu)的生命有機體，例如肌肉纖維及推動細菌運動的紡織錐形鞭毛。1999年，美國哈佛大學的Philip

Kim

和Charles

Lieber研制出納米鑷子能抓住直徑約500納米的聚苯乙烯原子團，納米鑷子是在一個圓錐形的直徑約100納米的微型滴管的內(nèi)外壁沉積金電極制成的，鑷子的每個臂則是用一束像蔥一樣的同心層碳納米管制作，而這些同心層中的一層用導電的膠粘在每根電極上。

NanotubeNanotweezersCharlesM.Lieber，納米鑷子

納米鑷子用電操縱，使用它時，在兩根電極上加電壓，使一根納米管臂帶正電，另一根納米管臂帶負電通過改變所加電壓的大小，可增加或減少鑷子之間的吸力(即夾東西的力量)。試驗表明，鑷子的兩臂在電壓達到8.5伏時可完全合攏，而加較低的電壓時，鑷子兩臂間可留下一定的間隙?，F(xiàn)在制成的實驗性納米鑷子，.臂的寬度約50納米、長度約4微米。而如果直接在電極上沉積單層納米管，就可能生產(chǎn)出足以抓住單個分子的微型鑷子。[9]納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用利用先進的納米技術(shù)，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可以人—機對話并具有自我復制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個操作動作。A在軍事方面，把分子機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。B利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。(清華大學崔福齋）C將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。D利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。見圖E利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料。碳納米管儲氫高質(zhì)量的碳納米管能儲存大量氫氣，從而可以實現(xiàn)用氫氣為燃料驅(qū)動無污染汽車。H2acarbonnanotubebactivatedcarbonccarbonnanotubecalcinedat900oCStorageofhydrogeninsingle-walledcarbonnanotubesH2原子和C納米管§1.4納米技術(shù)在國內(nèi)外的研究情況及取得的成果納米技術(shù)是最具有市場應(yīng)用潛力的新興科學技術(shù)，一些發(fā)達國家都投入大量的資金進行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心日本文教科部把納米技術(shù)，列為材料科學的四大重點研究開發(fā)項目之一。在德國，以漢堡大學和美因茨大學為納米技術(shù)研究中心，政府每年出資6500萬美元支持微系統(tǒng)的研究。下面介紹一些知名的納米專家：PeidongYangHierarchicallyOrderedOxidesRoom-TemperatureUltravioletNanowire

Nanolasers880-905oC加熱石墨和ZnO，銅格子覆蓋模式納米激光器泵浦的激光光束以10度角入射聚焦在納米線的對稱軸上。這樣一來，受激輻射發(fā)射的光便沿著ZnO納米線中心袖的方向在納米線的末端表平面上會聚。在發(fā)射光譜的變化過程中，隨著功率的增加可以觀察到激光產(chǎn)生的過程．當激勵的能量超過ZnO納米線的閾值時(其閾值約為40kW／cm2)，經(jīng)測量，發(fā)射光譜出現(xiàn)了線寬為0.3微米的尖峰，這比低于閾值時的自發(fā)輻射產(chǎn)生的約15微米的峰值線寬要小得多。正是這些窄線寬和發(fā)射能量的快速增長便可斷定納米線發(fā)生了受激輻射．ZhongLin(ZL)WangYounanXiaOursynthesisisbasedonthermalevaporationofoxidepowdersundercontrolledconditionswithoutthepresenceofcatalyst.Thedesiredoxidepowderswereplacedatthecenterofanaluminatubethatwasinsertedinahorizontaltubefurnace,wherethetemperature,pressure,andevaporationtimewerecontrolled.ThermalevaporationofZnOpowders(purity:99.99%;meltingpoint:1975°C)at1400°Cfor2hoursresultedinwhitewoollikeproductsthatformedinhighyieldonthesurfaceofthealuminaplate.NanobeltsofSemiconductingoxidesSingle-crystalnanoringsofZnOweregrownbyasolid-vaporprocess.TherawmaterialwasamixtureofZnO(meltingpoint1975°C),indiumoxide,andlithiumcarbonatepowdersataweightratioof20:1:1,anditwasplacedatthehighesttemperaturezoneofahorizontaltubefurnace.Beforeheatingtoadesiredtemperatureof1400°C,thetubefurnacewasevacuatedto10-3torrtoremovetheresidualoxygen.Thesourcematerialswerethenheatedto1400°Cataheatingrateof20°C/min.ZnOdecomposesintoZn2+andO2–athightemperature(1400°C)andlowpressure(10-3torr),andthisdecompositionprocessisthekeystepforcontrollingtheanisotropicgrowthofthenanobelts.Afterafewminutesofevaporationanddecomposition,theArcarriergaswasintroducedatafluxof50standardcubiccentimetersperminute.Thesynthesisprocesswasconductedat1400°Cfor30min.Thecondensationproductsweredepositedontoasiliconsubstrateplacedinatemperaturezoneof200°to400°CunderArpressureof500torr.TheZnOnanohelicesweregrownwithhighreproducibilitybyavapor-solidprocessandbyusingtemperaturetocontrolgrowthkinetics.Theexperimentalsetupconsistsofahorizontalhigh-temperaturetubefurnace,analuminatube,arotarypumpsystem,andagas-controllingsystem.First,2gofcommercialZnOpowderwerecompacted,loadedintoanaluminaboat,andpositionedatthecenterofthealuminatubeasthesourcematerial.Thesystemwasprepumpedto2*10-2mbar,andtherampratewascontrolledat20oC/minto25-C/minwhenthetemperaturewasraisedfromroomtemperatureto800oC.Thefurnacewasthenheldat800oCfor20min,andthetemperaturewasrampedat20oC/minfrom800-to1400-C.Whenthetemperaturereached1000-C,argonwasintroducedasacarriergastoraisethepressurefrom2*10-2mbartothedesiredsynthesispressureof200to250mbarwithin~2.5min.Thesolid-vapordepositionwascarriedoutat1400-Cfor2hoursunderapressureof200to250mbar.Theargoncarriergaswaskeptataflowrateof50sccm(standardcubiccentimetersperminute).Theas-grownnanohelicesofZnOweredepositedontoapolycrystallineAl2O3substrateatalocaltemperatureof700-to800oCandcharacterizedbyavarietyofmicroscopes.納米發(fā)電機王中林教授成功地在納米尺度下將機械能轉(zhuǎn)換成電能，在世界上首次研制成功納米發(fā)電機,能達到17％－30％的發(fā)電效率。王中林巧妙的利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨特性質(zhì)，在原子力顯微鏡的幫助下，研制出將機械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置－納米發(fā)電機。他們利用氧化鋅納米線容易被彎曲的特性而在納米線內(nèi)部外部分別造成壓縮和拉伸。同時，豎直生長的氧化鋅是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，同時具有半導體性能和壓電效應(yīng)。哈佛大學國際納米技術(shù)領(lǐng)軍人CharlesLieber教授高度評價說“該工作是極其令人振奮的，因為它提出了解決納米技術(shù)中一個極其要害問題的方案，那就是如何來實現(xiàn)許多研究組所發(fā)明的納米器件的供電問題…在認識和解決該重大科學和技術(shù)問題上王教授充分發(fā)揮了他的原創(chuàng)性，那就是利用他所先創(chuàng)的氧化鋅納米線來實現(xiàn)把力能轉(zhuǎn)換為電能”。PiezoelectricNanogeneratorsBasedonZincOxideNanowireArraysZhongLinWang高溫熱蒸發(fā)氣相