現(xiàn)代物理科學與技術選講

現(xiàn)代物理科學與技術選講

目錄

1.神奇的納米科技

2.納米電子學及其應用

3.納米材料的奇異性質(zhì)

4.納米科技與未來世界

5.超越極限——高溫超導技術

6.從經(jīng)典計算機到量子計算機

7.聚焦凝態(tài)物理學之一--高溫超導

8.聚焦凝態(tài)物理學之二--微結構物理

9.聚焦凝態(tài)物理學之三--液晶

10.聚焦凝態(tài)物理學之四--有機超導體

11.核能技術和利用

12.能源和能源利用

13.激光技術與應用

14.探測火星

1.神奇的納米科技

-、什么是納米科技？

納米科學技術是研究在千萬分之一米（10⑻到億分之一米（io?米）內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)

的運動和變化的學問；同時在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工又被稱為納米技術。

二、納米科技的主要研究內(nèi)容

創(chuàng)造和制備具備優(yōu)異性能的納米材料。

設計和制備各種可供應用的納米器件和裝置。

探測和分析納米區(qū)域的奇異性質(zhì)和現(xiàn)象。

納米是尺寸或大小的度量單位：從京米（10b一兆米（1（）6）T千米（1（）3）一米（］0。）一毫米

（10-3）-微米（10“）―納米（10-9）一皮米（10-12）1費米一納米大約是4倍原子大小、

萬分之一頭發(fā)粗細。

幾十個原子、分子或成千個原子、分子“組合”在一起時，表現(xiàn)出既不同于單個原子、分子的性質(zhì),

也不同于大塊物體的性質(zhì)。這種“組合”被稱為"超分子''或"人工分子“超分子”性質(zhì)，如熔點、磁性、

電容性、導電性、發(fā)旋旋光性和染、顏色及水溶性有重大變化。當“超分子”繼續(xù)長大或以通常的方

式聚集成大塊材料時，奇特的性質(zhì)又會失去，像真是?些長不大的孩子。在10nm尺度內(nèi)，由數(shù)量

不多的電子、原子或分子組成的體系中，科學面臨著新的挑戰(zhàn)和機遇。

三、神通廣大的納米科技

諾貝爾物理獎獲得者Feyneman在六十年代曾經(jīng)預言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某

種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。

我們不妨來注意以下幾種納米材料的應用前景。

1.奇妙的碳納米管

碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有

幾到幾十納米。比重只有鋼的六分之一，而強度卻是鋼的100倍。輕而柔軟又非常結實的材料最好

是作防彈背心。如果用碳納米管作繩索，是港口碼頭的大吊車上最好的繩索，是從月球上掛到地球

表面，而唯一不被自身重量所拉斷的繩索，用它可作為地球到月球乘人的電梯。另外，由于電子在

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，而在軸向上則不受任何限制，因

此，可以碳納米管為模子來制備一維半導體量子材料。其實，這并不是憑空設想，清華大學的范守

善教授利用碳納米管，將氣相反應限制在納米管內(nèi)進行，從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2

混合粉體置于石英管中的日期底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應生長出Si3N4

納米線，其徑向尺寸為4?40nm。1998年他們與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上

碳納米管數(shù)組的自組織生長，它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應用。其獨特的電學

性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領域。

2.剛柔并濟的納米陶瓷

陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由

于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣

泛應用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性，而納米技術是解決陶瓷

脆性的戰(zhàn)略途徑。納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動機工作在更高的

溫度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。納米TiC>2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。雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學性

能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，

并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其它材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。

3.愛清潔的納米材料

把透明疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會被空氣中的油污弄臟,

玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透明。將這種納米顆粒放到織物纖維中，做成的衣服不沾塵，省去不

少洗衣的麻煩。不用洗滌劑也能清潔的衣物、可用做防水地圖的仿真絲面料，這些高科技的服裝面

料將令人耳目一新。最近，據(jù)北京首科集團負責人介紹，首屆“首科杯”新女裝設計大賽不同于常見

的時裝，其亮點為高科技面料。其中相當一部分為首次從實驗室拿出來的科研成果。新的納米面料

則具有自清潔功能，沾上油污用水沖洗即可，這種納米面料還有抗菌性能。專業(yè)人士研制的超細纖

維材料也有神奇的功能：其材料精細，甚至可代替紙張，制成軍用防水地圖。另外，一件看似普通

的衣服，一杯水倒上去卻能形成水銀滾動般的效果，水珠落地衣服仍是干的。這種用納米技術處理

過的面料，目前正考慮用在警服、軍裝上，用不了多久警察、軍人們就能穿上防油、防水又耐臟的

納米制服了。這種處理過的面料除了有超疏水、疏油的奇異性外，同時，處理后的面料還保持原有

織物的任何特性與特征，不含對人體有害的化學成分。

4.功能強大的半導體納米材料

半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型的激光光原。它還可以吸

收太陽光中的光能；把它們直接變成電能。目前，單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調(diào)諧的納米

發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。同樣，具有奇特性能的

碳納米管的研制成功，為納米電子學的發(fā)展起到了關鍵的作用。美國已研制成功尺寸只有4nm具有

開關特性的納米器件，由激光驅(qū)動，并且開、關速度很快。此外，若能將幾十億個量子點連結起來，

每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制

智能型微型計算機帶來希望。納米電子學是立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新

的理念來構造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革

命性突破，納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。

5.巧妙的生物加工廠

眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學性質(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，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。到目前為止，雖

然還沒有出現(xiàn)商品化的分子計算機組件，但科學家們認為：要想提高集成度，制造微型計算機，關

鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質(zhì)的飛躍。

它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的

又一次革命。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山流動。如果將超微

粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，可作為監(jiān)測和診斷疾病的手段。另外，利用納米顆粒

作為載體的病毒誘導物已經(jīng)取得了突破性進展，現(xiàn)在已用于臨床動物實驗，估計不久的將來即可服

務于人類。把藥物制成納米顆?；蛘甙阉幬锓湃氪判约{米顆粒的內(nèi)部，使這些顆粒可以自由地在血

管和人體組織內(nèi)運動，如果在人體外部加以導向，使藥物集中到患病的組織中，那幺藥物治療的效

果會大大地提高。如果設想利用納米技術制造出分子機器人，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。

6.善變的納米氧化物材料

目前，工業(yè)上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或Cr2O72-

體系），已經(jīng)取得了很好的效果。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如FezCh、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。另外，氧化物納米微粒的顏色各種

各樣，因而可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽

特性，而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。另外，如將納米TiC>2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。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。將金屬納米粒子

摻雜到化纖制或紙張中，可以大大降低靜電作用。氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在

光的照射下迅速改變顏色。做成士兵防護激光槍的眼鏡和廣告板，在電、光的作用下，會變得更加

喧麗多彩。

四、納米科技一21世紀國家科技競爭力的重要標志

納米技術作為?種最具有市場應用潛力的新興科學技術，其潛在的重要性毋庸置疑，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,

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研究中

心，政府每年出資6500萬美元支持微系統(tǒng)的研究。

我國許多科研院所和高等院校也組織科研力量，開展納米技術的研究工作，并取得了一定的研究成

果，主要如下：由中國科學院物理研究所解思深研究員等領導的研究小組完成了面積達3毫米x3毫

米，碳納米管之間間距為100微米的定向納米碳管數(shù)組的合成。山清華大學范守善教授等研制完成

了氮化鐵納米棒，首次利用碳納米管制備出直徑3?40納米、長度達微米量級的半導體氮化錢一維納

米棒。由中國科學院固體物理研究所張立德研究員等完成了準一維納米絲和納米電纜的研制，他們

利用碳熱還原、溶膠一凝膠軟化學法并結合納米液滴外延等新技術，首次合成了碳化但納米絲外包

絕緣體SiO2納米電纜。中國科學技術大學的錢逸泰等用催化熱解法制成了納米金剛石。中國科技大

學的侯建國教授等在納米材料利納米結構的高分辨表征、控制等研究領域取得多項國際性顯著性成

果。但是，上述這些成功同國外發(fā)達國家的先進技術相比還有很大的差距。早前，德國科學技術部

曾經(jīng)對納米技術未來市場潛力作過預測：他們認為未來幾年，納米結構器件市場容量將達到63乃億

美元，納米粉體、納米復合陶瓷以及其它納米復合材料市場容量將達到5457億美元，納米加工技術

市場容量將達到442億美元，納米材料的評價技術市場容量將達到27.2億美元。并預測市場的突破

口可能在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領域。

中國現(xiàn)在已有100家納米技術企業(yè)，十幾條納米生產(chǎn)線。目前這100多家企業(yè)都有自己的產(chǎn)品，

但絕大部分是以生產(chǎn)納米的粉體材料為主，就是把材料做成納米級的非常小的顆粒，再把粉體做成

材料供大家使用。比如：納米洗衣機是在洗衣機內(nèi)膽涂上一種納米材料以抑制霉菌的生長；納米冰

箱也是同理；還有納米領帶，普通領帶的表面經(jīng)物理、化學兩種納米方法處理后，便有了很強的自

潔能力，不沾水、不沾油；此外，布料、驍磚等材料經(jīng)處理后也可具有自潔功能。

科學界預計納米技術是21世紀可能會取得重要突破的三個領域之、美國人甚至認為納米科技

會成為21世紀經(jīng)濟發(fā)展的發(fā)動機。而根據(jù)德國科技部的預期，到2010年納米技術的市場會達到1.4

萬億美元這幺大的一個潛在市場使得很多企業(yè)愿意進行先期投入，比如風險投資，鼓勵成果的轉化。

所以，不僅美國搞了一個國家納米科技計劃，從歐洲到日本，一些發(fā)達國家紛紛制定自己國家的發(fā)

展戰(zhàn)略，投入很多的人力和物力，再加上企業(yè)的投入，就形成了今天的納米熱。

2.納米電子學及其應用

一.納米電子學

納米電子學(Nanoelectromics)是納米技術的重要組成部分，是納米技術發(fā)展的主要動力。自20世

紀90年代起，許多國家都先后將納米電子學作為"國家關鍵技術之一"，并投入巨資進行研究和開發(fā)。

經(jīng)過幾年的努力，已經(jīng)取得了一系列震動世界的成果，目前正處在重大突破的前夜。

納米技術發(fā)展的一個主要推動力來自于電子工業(yè)。在過去的40年中，晶體管的特征尺寸由1cm

減小到小于lumo現(xiàn)在商用上可以實現(xiàn)在一個集成片上包含100萬個單元。作為信息科技核心的微

電子學是以半導體理論為基礎的，半導體芯片的加工技術也僅能達到亞微米級，晶體管尺寸大于電

子波長。在這種情況下，電子被看成是一種粒子，只考慮粒子性，而不考慮波動性，基本上不涉及

到量子力學理論。對于這種尺度的電子線路，宏觀規(guī)律仍舊有效。納米電子學主要是提供給人類這

樣的技術，將集成電路的幾何結構進一步減小，超越目前發(fā)展中遇到的極限，因而使得功能密度和

資料通過率達到遠是目前難以想象的水平。這個目標的實現(xiàn)不僅需要對器件的概念進行革新，而且

器件尺寸進一步縮小10-100倍，即納米量級。在這個尺度上，現(xiàn)有的電子器件把電子視為粒子的前

提不復存在，因而會出現(xiàn)種種新的現(xiàn)象，產(chǎn)生新的效應，即量子效應。利用量子效應而工作的電子

器件稱為量子器件，像共振隧道二級管、量子激光器和量子干涉器件等。

與電子器件相比，量子器件具有高速、低耗、高效、高集成度、經(jīng)濟可靠等一系列優(yōu)點。量子

器件的誕生和應用，可以制造出高密度的內(nèi)存，其存儲密度估計可提高1億倍。有了這些好處，不

僅現(xiàn)在做不到的事能夠做到，甚至現(xiàn)在想不到的事也能做到。就像30多年前還沒有發(fā)明集成電路時,

無法想象電子技術能有今天的發(fā)展一樣。例如，巨型計算機到目前為止，其體積還像一個大柜子那

幺大，加上外圍設備還得放滿一個房間，因此只能固定地安裝在計算中心使用。如果有了量子組件,

就可以使巨型機縮小到可以放到口袋里。它所帶來的影響將是難以估量的。又如，現(xiàn)在在室外應用

一些智能機器人，其智能水平還受到限制，遇到復雜的情況往往會不知所措。如果制成小體枳、高

性能的巨型機，裝在機器人體內(nèi)，它的智能便可大大提高。

由于只有在極微小的空間內(nèi)才會出現(xiàn)量子效應，所以人們在努力開發(fā)量子箱。量子箱是直徑約

10納米的微小構造。把電子關在這樣的箱里，就會因量子效應使電子有異乎尋常的表現(xiàn)。利用這一

現(xiàn)象使組件動作便可制成量子效應組件，即量子組件。對這樣的組件加正電壓時，電子便會進入量

子箱中，引起組件的電阻變化，利用電阻大和電阻小的狀態(tài)，可分別表示"0"或"1"。加上負電壓或

用光照射便可使所寫入的信息抹去。不過這一試制的組件，要在零下120氏度低溫下工作，所以還

不能實用。如果使量子箱尺寸減小，進一步增強量子效應，就有可能提高工作溫度，因此有希望成

為耗電極小的大容量內(nèi)存的基本組成要素。

二、納米電子學的應用前景

納米電子學與生物學相結合，為發(fā)展生物分子器件和生物計算機展現(xiàn)誘人的前景。納米電子學另

一令人神往的發(fā)展方向是利用納米電子學和生物學相結合研制生物分子器件。以分子自組裝為基礎

制造的生物分子器件是一種完全拋棄以硅半導體為基礎的電子組件。在傳統(tǒng)的計算機中，其最基本

的構件是開關組件，要想提高集成度，創(chuàng)造微型計算機關鍵在于尋找更小、具有開關功能的基本器

件。在自然界中，能保持物質(zhì)化學性質(zhì)不變的最小單位是分子。科學家們發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)分子是選作

生物芯片的理想材料，利用蛋白質(zhì)可制成各種生物分子器件，如開關器件、邏輯電路、內(nèi)存、傳感

器、檢測器以及蛋白質(zhì)集成電路等。

另外，利用納米電子學與納米機械相結合，可制成微機電系統(tǒng)、微型機器人?，F(xiàn)在日本已研制

成功直徑只有l(wèi)-2nm的靜電發(fā)動機、米粒大小的汽車。美國已研制成功微型光調(diào)器，并計劃研制微

電機化坦克、納米航天器等。德國已研制成功一架肉眼兒乎看不見的直升飛機、微型機器人。最誘

人的應用前景是利用納米電子學與納米生物學相結合可研制分子機器。第一代分子機器是生物系統(tǒng)

和機械系統(tǒng)的有機結合體；第二代分子機器是能直接以原子、分子裝備成具有一定功能的納米裝置；

第三代分子機器將是含有納米計算機的可人-機對話的并具有自我復制能力的納米裝置。分子機器一

旦研制成功，它能在1秒種內(nèi)完成數(shù)十億個操作動作，可在幾秒鐘內(nèi)完成現(xiàn)在幾天或幾個月才能完

成的工作。利用分子機器人可在血液中循環(huán)，可對身體各部位進行檢測、診斷和實施特殊治療。還

可創(chuàng)造出全新的作戰(zhàn)手段。利用昆蟲作平臺，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，使目標喪失功能。納米電子學的發(fā)展是基于對納米級結構的電子輸運性質(zhì)的研究。其

應用包括基于電子彈道輸運原理的超高速開關晶體管，它可成為新一代電子計算機的奠基石；基于

量子干涉效應的電子干涉儀；截止頻率超過100吉赫的微波器件；基于庫侖阻塞效應的單電子晶體

管可用于制作標準電流潭，單電子存儲單元等。II本"II經(jīng)產(chǎn)業(yè)新聞"1993年12月3日報導，東芝公

司開發(fā)的半導體存儲組件長度已達40納米，能用于制作100兆位級的大規(guī)模集成電路。在用量子器

件來制造超高密度內(nèi)存，在1平方厘米的芯片上，將可存儲10萬億比特的信息，即相當于600億個

報紙上印刷體的漢字。日本日女公司研制的量子器件，可以簡化運算電路，使原來需要數(shù)百個管子

的電路換成一個量子器件就可以。1991年，IBM公司研制成功了開關速度為0.05納秒的泉原子開

關。利用這種高速開關，美國國會圖書館的全部藏書可存儲在一個不大的芯片上。有了這些體積小，

甚至可放在口袋中的器件，掌上型超級計算機將成為現(xiàn)實，機器人的智能也將大大提高，電子信息

技術將產(chǎn)生革命性變革。

三、STM技術與納米加工

自從1981年STM問世以來，把它作為一種納米加工工具的研究已涉及到在表面直接刻寫、電子

束輔助淀積和刻蝕、微小粒子及單原子操作等方面。首先，通過STM所進行的光刻、微區(qū)淀積和刻

蝕等操作，有可能將目前大規(guī)模集成電路線條寬度從微米數(shù)量級降到納米數(shù)量級，這是當今世界高

技術領域追求的目標之一；當器件尺寸達到納米級甚至原子級時，量子效應可能起主要作用，這時

有可能發(fā)現(xiàn)新效應，據(jù)此可設計出新器件，用STM等手段實現(xiàn)這些設想。其次，利用STM可修補

表面淀積和刻蝕等方法建立或切斷聯(lián)機，以消除缺陷，達到修補的目的。而后還可用STM進行成以

檢查修補結果的好壞。另外，把STM的針尖作為工具，可對原子團或原子在表面上的生長、遷移、

擴散等物理過程及微小粒子間的相互作用，微小粒子與表面間的相互作用等進行基礎研究，以達到

目的的控制和安排原子團甚至單個原子的目的。近年來通過用針尖直接刻寫的辦法，已在Si(100)表

面寫入了點的數(shù)組，在10*10um,寬120nm的Au-Pd合金薄腴電阻，其室溫電阻為2.5KC。

電磁聚焦的電子束、離子束或X光束也可用于納米加工領域。STM在芯片光刻技術等方面并無

競爭能力，但其自有獨到的特點。首先，STM不僅可工作在隧道電流模式，也可工作在場發(fā)射模式。

在后一種模式下工作時，針尖與樣品仍相當接近，此時用不很高的外加電壓(最低可到10V左右)

就可產(chǎn)生足夠電場，電子在其作用下將穿越針尖的勢壘向空間發(fā)射。這些電子具有一定的束流和能

量，由于它們在空間運動的距離極小，至樣品處來不及發(fā)散，故束徑很小，一般為納米數(shù)量級，所

以可能在納米尺度上引起化學鍵斷裂，發(fā)生化學反應?與常規(guī)的高能電子束光刻不同，低能的STM

束流不受在高能電子束光刻中遇到的電子背散射和二次電子等問題的困擾。另外，STM是目前能提

供具有納米級尺寸的低能(0-20eV)電子束的唯一手段，在控制和研究諸如遷移、化學反應、化學

鍵斷裂、微小粒子移動等過程時，由于每個原子的活化能小于10eV,要求探測束粒子的能量必須足

夠低，這時STM的重要性就更加顯而易見了。

四、在軍事領域里的應用

納米技術在軍事上的應用，主要體現(xiàn)在把納米技術轉化為微型武器裝備系統(tǒng)的技術，其核心是

運用微型機電系統(tǒng)實現(xiàn)武器裝備袖珍化，以替代現(xiàn)有的重型武器裝備。所謂微型機電系統(tǒng)，是指那

種外形輪廓尺寸在毫米以下，構成組件的尺寸在微米-納米量級內(nèi)的可控制、可運動的各種微型機電

裝置。預計，21世紀納米技術將成為軍用關鍵技術。納米技術將使未來武器裝備的發(fā)展越來越微型

化、袖珍化，它們也將使未來戰(zhàn)爭變得更加奧妙無窮。目前，運用納米技術已研究出如螞蟻機器人、

"小草"傳感器、納米衛(wèi)星、袖珍遙控飛機等高科技微型武器裝備。

螞蟻機器人背部裝有一枚微太陽能電池作動力的微型機器人。因其有可觀的破壞力，又稱之為"

螞蟻雄兵"。通過聲音控制，它可以神不知鬼不覺地潛入到敵軍要害部門或部位。它根據(jù)指令可執(zhí)行

三大任務：一是充當遙控探測器；二是充當殺手，專門"吞咬"破壞敵計算機網(wǎng)絡與通信線路；三是

充當作戰(zhàn)平臺，即螞蟻機器人由程控"自行復制"微型探測器和微型地雷，并按一般的密度投放到需

要控制的軍事敏感區(qū)。通過微觀裝置煥發(fā)出來的巨大戰(zhàn)爭威力而使敵方宏觀作戰(zhàn)體系"突然癱瘓"，

以至于不得不屈服微型機電系統(tǒng)所造成的戰(zhàn)爭壓力。螞蟻機器人還可以充當潛伏"特務"，能潛伏敵

方關鍵設備中長達幾十年之久。平時相安無事，戰(zhàn)時則可群起而攻之。

"小草"傳感器又稱為"間諜草"，是一種帶有攝像機和傳感器的人工小草，能感知外界的震動和

聲音，能如人眼一般"看"周圍景物。其作用是探測坦克或其它運輸工具的行動，并將情報傳回指揮

部。"小草"傳感器實際上是一種分布式戰(zhàn)場微型傳感網(wǎng)絡，具有造價低廉、投布便利、耐久性強和

隱蔽性好等明顯優(yōu)點?？稍谥匾淖鲬?zhàn)地區(qū)、敵人可能部署的原野上，用飛機快捷地撒布數(shù)以萬計

的這種小于1毫米的廉價微型傳感系統(tǒng)，以掌握敵軍動向。也可以散布在天空里，其在茫茫的天空

中，不僅肉眼看不到，就是用儀器設備也很難辨認。用其追捕機動性極高、游動性很大的導彈，比

現(xiàn)有的遠程探測系統(tǒng)不僅節(jié)約大量的人力、物力和財力，而且覆蓋面積大，能滿足連續(xù)監(jiān)視的要求。

納米衛(wèi)星實質(zhì)上是一種分布式的衛(wèi)星結構體，或布設成局部星團，或分布式星座。它是微型電

機系統(tǒng)與微電子相結合的專用集成微型航天儀器系統(tǒng)。納米衛(wèi)星這種分布式體系與集中式體系相比,

可避免單個航天器失靈后帶來的危害，提高航天系統(tǒng)的生存能力和靈活性。假如在太陽同步軌道施

放納米衛(wèi)星，在18個等間距的軌道表面上，每個軌道表血等間距地安放36顆，即共施放648顆納

米衛(wèi)星，就可以保證在任何時刻內(nèi)對地球上任何一點進行連續(xù)不斷的覆蓋與檢視。

納米技術必將成為21世紀的軍用關鍵技術，屆時的戰(zhàn)士可能要帶上掃描顯微鏡在戰(zhàn)場上才不會

吃虧。那時也許一棵"草"、一只"螞蟻"就能決定一場戰(zhàn)爭的勝敗。

隨著技術的發(fā)展，納米級電子器件和光學器件有可能集成，從而制備光電集成芯片、光內(nèi)存等

等，這將導致未來光電于計算機的可能出現(xiàn)，給人類生活帶來光輝的未來。總之，納米電子學展現(xiàn)

出誘人的應用前景。

3.納米材料的奇異性質(zhì)

一.金屬超微顆粒的奇異物理性質(zhì)

利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點材料。隨著顆

粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。山于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的

變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一

系列新奇的性質(zhì)。

(1)特殊的光學性質(zhì)

當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時.，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的

金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的伯(白金)變成伯黑，金屬銘

變成倍黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于I%。利用這個特性可以作為高

效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能應用于紅

外敏感組件、紅外隱身技術等。

(2)特殊的熱學性質(zhì)

固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒

小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃,當顆粒尺寸減小到10納米寸時，則

降低27℃,2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670℃,而超微銀顆的熔點可低于

100℃。因此，超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時組件的基片不必采用耐高溫的陶瓷

材料?，甚至可用塑料采用超細銀粉漿料?，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。H本

川崎制鐵公司采用0.1~1微米的銅、銀超微顆粒制成導電漿料代替把與銀等貴金屬。超微顆粒熔

點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鴇顆粒中附加0.1%?0.5%重量比的超

微顆粒后，可使燒結溫度從3000℃降低到1200?1300℃,以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導

體管的基片。

(3)特殊的磁學性質(zhì)

人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，

使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤,

生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內(nèi)

通常含有直徑約為0.02微米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大

塊的純鐵矯頑力約為80安/米，而當顆粒尺寸減小到0.02微米以下時，其矯頑力可增加1千倍，

若進一步減小其尺寸，大約小于0.006微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁

性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡

以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們己將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

(4)特殊的力學性質(zhì)

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。

因為納米材料具有大的接口，接口的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移,

因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質(zhì)。美國學者報道氟化鈣納

米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。至于金屬陶瓷等復合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改

變材料的力學性質(zhì)，其應用前景十分寬廣。

超微顆粒的小尺寸效應還表現(xiàn)在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。宏觀量

子隧道效應各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學

已用能級的概念進行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由

于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的，從能帶理論出發(fā)成功地解釋了

大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言,

大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場

能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為

量子尺寸效應。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)

還是偶數(shù)有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏

觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應，原有宏觀規(guī)律己不再成立。

電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微

顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量

子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者它確立了現(xiàn)存微電子

器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在制

造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無

法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。目前的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效

應制成的新一?代器件。

二.氧化飾納米微粒與腦細胞

依據(jù)中佛羅里達大學的研究顯示，氧化怖納米微?？梢匝娱L老鼠腦細胞壽命，并且以再生自由

基清除物型式保護細胞使之免于自由基媒介性的損傷。BeverlyRzigalinsk的實驗結果顯示，切片培

養(yǎng)的平均試管生命期為28-32天，以納米微粒處理的培養(yǎng)液其試管生命期增加為至少68天，有些可

以到達123天，以納米微粒處理的細胞在電子顯微鏡下，顯示納米微粒與粒線體、包涵體以及細胞

邊界結合。Rzigalinsk對培養(yǎng)液中老化神經(jīng)元的性質(zhì)進行測試，發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元彼此間如同對照組年輕神

經(jīng)元一樣的交換訊息，Rzigalinsk認為納米微粒不但有延長神經(jīng)細胞生命的可能，而且能保持神經(jīng)元

的功能，此種納米微粒給予了扮演自由基清除物角色的希望，所以對一些與老化有關的病癥如阿茲

海默癥以及關節(jié)炎也許有所幫助。

由于上述的研究與發(fā)現(xiàn)，兩位教授將自美國國家衛(wèi)生院(NIH)以及國家老人學研究院(NIA)獲得

一百四卜萬美元的補助，對其所觀察現(xiàn)象的原因以及未來可能應用繼續(xù)進行研究。

三.美研制出強度最高的納米纖維

也許將一件永不磨損的外衣穿在身上的日子已經(jīng)不遠了。日前，美國的研究人員研制出一種迄

今為止最為堅韌牢固的人造纖維，除此之外這種纖維還具有導電的特性。通過把這種由碳納米管制

成的纖維應用于具有防彈功能的衣料，以及能夠向傳感器、電子器件和通訊裝置傳輸電力的電子織

物上，將能夠引發(fā)軍事服裝的一場革命性變化。

自從1991年這種微小的、全部由碳原子構成的圓柱體被發(fā)現(xiàn)以來，研究人員就一直夢想能

夠利用碳納米管制造出一種織物。相鄰的碳原子之間牢固的化學鍵使得每一束碳納米管都成為已知

最為堅固的原料之一。但是如何讓單束的碳納米管彼此纏繞進而形成一股纖維，卻被科學家視為一

種挑戰(zhàn)。3年前，法國的研究人員通過將碳納米管和一種名為聚乙烯醇的聚合物(PVA),以及水混合,

在該項研究中取得了一定的進展。像意大利式細面條一樣的PVA束纏繞在碳納米管的周圍，并且

使它們聚攏在一起。但是當研究人員將PVA處理干凈后，這些碳納米管纖維卻只能保持20厘米長。

現(xiàn)在，一個由美國達拉斯得克薩斯大學的化學家Baughman領導的研究小組，對法國科學家的

方法進行了改進，得到了激動人心的結果。最重要的一點在于，Baughman的研究小組并沒有試圖將

PVA從碳納米管的混合物中清理掉。他們同時還對纖維拉制的過程進行了改進，研究人員將凝膠

體注入?個像車軸一樣旋轉的導管中，這樣做是為了促進纖維成分的聯(lián)合。最后的結果是令人震驚

的：這些纖維能夠長達數(shù)百米，并且其韌性是蜘蛛絲的4倍，更是用于制造防彈背心的凱夫拉爾(纖

維B,一種質(zhì)地牢固重量輕的合成纖維)韌性的17倍。同時這些新纖維的硬度以及強度是相同質(zhì)

量的鋼絲的2倍，而韌性則是鋼絲的20倍。研究小組在新近出版的《自然》雜志上報道了他們的

研究成果。

當Baughman的研究小組將兩根捻合的纖維與一節(jié)電池連接后，他們在兩股纖維之間發(fā)現(xiàn)了電

壓的存在，這就好比將這一回路變成了一個超級電容器——一種能夠儲存電荷的裝置。Baughman

研究小組于是將他們的超級電容器纖維與更多的傳統(tǒng)纖維編織在一起，織成了一小塊電子織物的樣

品——如果與一個電源相連，將能夠為織物上的電子設備傳輸電力。

休斯敦Rice大學的納米技術專家WadeAdams認為，這項研究亳無疑問地將為高強度的電子活

性纖維帶來諸多有價值的應用。但是他說這項新研究給人印象最深的地方在于纖維的強度。“能夠達

到如此的韌性真是非?？岬囊患氯欢灰竿R上就能將這種纖維穿在身上。在這種新織物中，

每1克單股的碳納米管就需花費350美元。也就是說要制造一件1公斤的碳納米管外衣需要耗資35

萬美元。

四.美國國家納米計劃評估

不久前，作為美國國家科學院工作機構的美國國家研究理事會，向聯(lián)邦政府提交對國家納米計劃

進行評估的研究報告。報告評價了國家納米計劃實施近三年的情況，并敦促政府積極推動國家納米

計劃的實施，促進納米科學和技術轉化為生產(chǎn)力，為國家經(jīng)濟和國土安全做出貢獻，并保證美國在

這一領域的優(yōu)先地位。

早在2001年，當時的克林頓政府就批準了國家納米計劃。從2001年財政年度開始，美

國政府共向該計劃注入了10億美元的經(jīng)費，2003年布什政府就該計劃向國會提出了7.009億

美元的申請。

美國國家納米計劃包括五大主題。其目標也比較具體，其中包括2006年首次實現(xiàn)實驗室演

示萬億字節(jié)的容量芯片，進行微秒級的納米測量，將植物中的光電蛋白質(zhì)或昆蟲聽力器官作為可實

現(xiàn)其它功能的納米系統(tǒng)的模型或部件等。同時，在國家納米計劃中，美國政府十分重視開展國際合

作，這由于很多納米科學問題卜分復雜，而國際合作能夠加快這些問題的解決，并有助于將研究成

果轉化到產(chǎn)品開發(fā)中。更重要的是，美國政府認為在這方面開展必要的國際合作有益于美國的國家

安全。

應白宮國家經(jīng)濟委員會和其它參與國家納米計劃的聯(lián)邦機構的委托，國家研究理事會從200

2年開始對國家納米計劃進行評估，并成立了專門的評審委員會。評審委員會在評審報告中高度評

價了國家科學基金委員會在建立納米科學、工程學和技術下屬委員會（NSET）、協(xié)調(diào)跨部門合作

的工作中的領導水平，認為該下屬委員會在確定研究重點、重大挑戰(zhàn)等方面發(fā)揮了關鍵性作用，主

辦了一系列提高納米科學和技術的研討會，資助了與納米科學進步可能涉及的倫理、法律和社會事

件的討論。報告指出美國國家納米計劃的成功還表現(xiàn)在3。多個國家的政府也相應成立了納米科學

和技術研究項目。同時，委員會向聯(lián)邦政府提出了十大建議。這十大建議包括：第一，建議白宮科

技政策辦公室成立一個獨立、常設的納米科學和技術咨詢委員會，就研究資助政策、戰(zhàn)略、項目目

標和管理程序向NSET提供咨詢；第二，建議NSET制定簡明扼要、有指導意義和通觀全局的

戰(zhàn)略計劃，闡明短期（5?10年）、中期（6?10年）、長期（1。年以上）的目標和方向。應

強調(diào)長期目標是讓實驗室成果商業(yè)化，服務于社會；第三，建議國家納米計劃長期穩(wěn)定地支持納米

科學和研究，以最終實現(xiàn)它們的潛力和期望；第四，建議NSET給多家從事納米技術和生物學交

叉領域研究的聯(lián)邦機構增加經(jīng)費；第五，建議NSET制定有關發(fā)明和研制科學進步所需的新儀器

的計劃；第六，建議總統(tǒng)設立專項基金，在白宮科技政策辦公室的管理下支持與納米科學和技術有

關的納米部門研究。這項基金應全部用于支持跨部門間的實質(zhì)性跨領域合作，特別是在國立衛(wèi)生院、

能源部和國家科學基金委之間的合作；第七，建議NSET在國家納米計劃中積極支持跨學科文化

的建立；第八，建議鼓勵和培育國內(nèi)外工業(yè)合作伙伴，加速國家納米計劃研究成果的商業(yè)化。NS

ET應建立相應的機制，協(xié)調(diào)和推動區(qū)域性競爭納米科學和技術研究中心的建立；第九，建議NS

ET制定新的資助戰(zhàn)略，確保將納米和技術對社會的影響作為資助的重要組成部分。第十，建議N

SET組織制定工作進度測定標準，評估國家納米計劃在實現(xiàn)目標和方向上的效果。

4.納米科技與未來世界

納米科技可能是未來決定大國戰(zhàn)略地位的重要標準

納米科技（Nan。Technology）是繼計算機、基因技術之后世界強國追逐的又一大科技熱點。納米

科技主要是指通過操縱單個原子、分子來構建納米級的材料、超微型的功能器件甚至超微型機器或

者機器人。近幾年來美、日、歐盟都開始對納米科技增加投資，制定納米科技戰(zhàn)略并予以優(yōu)先研究

開發(fā)。納米科技正逐漸成為世界強國爭奪科技制高點的又一個新戰(zhàn)場。

納米科技的魅力主要在于它幾乎可以將人類目前所有的高科技重新定義。隨著納米科技的逐漸

起步，很多在科幻小說中形容的外星人高科技對地球人來說也開始變得極為可能。比如說正在設想

中的有超級飛行器納米飛機，納米飛機的表層安裝數(shù)億個與空氣分子接觸的微型機器裝置，這些微

型裝置不斷與空氣分子摩擦而產(chǎn)生升力，眾所周知飛機飛行的原理是與空氣高速摩擦而獲得向上的

升力而來的，而納米飛機通過機身表面的微型分子機器主動摩擦空氣分子則可以在機身的各個方向

獲得反作用力。這樣一來納米飛機可以實現(xiàn)在超音速的情況下在空中急?；蛘咦?0度轉彎等現(xiàn)代飛

機無法想象的功能。這些功能正是UFO飛行特征，假如說外星人真的駕駛UFO頻繁訪問地球的話,

他們很有可能是通過納米科技來實現(xiàn)這些飛行特技的。還有經(jīng)常主導科幻小說及科幻電影主題的隱

身人也不再是荒唐的幻想。納米隱身服可以通過表層類似晶體的微分子裝置對周圍環(huán)境的色譜進行

掃描并復制，復制后再通過隱身服表面分子向外部反射來達到?種虛擬的透明進而欺騙肉眼。

納米科技對醫(yī)療的影響也將是非常深遠的。其中納米微型內(nèi)窺鏡技術將是醫(yī)療商業(yè)技術競爭的

焦點。目前的內(nèi)窺技術為兩類，一是直徑為1到2厘米的電視內(nèi)窺裝置，此技術能探測的僅僅是消

化道系統(tǒng)并且造成很大疼痛。二是比較先進的電磁共振掃描，此技術只能夠提供人體斷層掃描并且

圖像精確度有限。而納米微型內(nèi)窺技術的開發(fā)及應用將使目前的內(nèi)窺技術成為古老的歷史。簡單的

納米微型內(nèi)窺鏡技術可以制造直徑在一毫米以下能夠到達體內(nèi)深處的微型攝像頭，它能夠毫無疼痛

地被投放到胃腸道內(nèi)進行攝像并儲存錄制拍攝結果，微型攝像頭可隨后隨人體排泄物一同排出，醫(yī)

療人員在回收微型攝像頭后便可通過觀察錄像結果來分析病情。而高級的納米內(nèi)窺技術則可以對人

的眼球的視網(wǎng)膜感光細胞分子結構進行采樣從而構建相當于血液紅細胞十分之一大小的(略小于千

分之一微米)微型納米感光機器人。微型納米感光機器人可以自由在人體血液或體液內(nèi)流動，它的感

光頭則可以通過外部遙控來調(diào)整方向，單個納米感光機器人每次只能接收并處理一個光子信息，但

是如果幾百萬個納米感光機器人聚在一起便可形成一個十分之一立方微米的微型眼球，納米感光機

器人將感光信號通過微波發(fā)送到人體外的高速計算機內(nèi)，在對幾百萬個光信號經(jīng)過圖像信號組合后

便可以形成高清啦度圖像。由于納米感光機器人非常微小，幾百萬個納米感光機器人可以通過針管

一次注射入體內(nèi)，而排出則可利用人體的體液排泄功能來完成，對人體毫無疼痛與侵犯。在高速計

算機的控制下，納米感光機器人們可以采用蜜蜂群式的移動辦法，在遇到大細胞或體內(nèi)組織膜阻礙

時可以分散開來，在繞過障礙后重新組合，因此由感光機器人組成的微型眼球幾乎可以到達人體內(nèi)

任何一個微觀部位。屆時醫(yī)生們除了可以隨時輕松觀測心臟病人的心肌閥門的開關情況的高清晰度

圖像，人體內(nèi)的許多微觀物理結構如肺泡內(nèi)的血紅細胞氧化過程，肌肉收縮過程中肌肉蛋白鏈的相

互拉動，癌細胞的分裂及對人體的侵襲等都將第一次暴露在人類的肉眼下。人類對自身的進一步了

解將由于納米科技的突破性進展有一個難以置信的飛躍。

美國參議院于今年6月19日順利通過了“21世紀納米科技研究發(fā)展法案”，此法案的主要目標是:

1.提供有組織的有結構的全面的統(tǒng)?的納米科技研究環(huán)境：2.保證美國在納米科技上的領先和商業(yè)利

益；3.通過政府、大學和企業(yè)為納米科技提供大量研究資金。此法案將為美國的納米科技研究三年

內(nèi)提供大約二十三點六億美元的科研經(jīng)費。早在2001年10月4日美國陸軍科研辦公室向全國大學

發(fā)布了計劃組建納米軍事技術研究所的計劃。麻省理工學院(M1T)于2002年3月中標并且建立了世

界首家納米軍事技術研究所，首期獲得五千萬美元的資助。該所的主要目標是研究納米隱身服及防

彈軍服及士兵附屬裝備。美軍立志要打造新一代的能夠隱身且刀槍不入的納米戰(zhàn)士，以在未來的戰(zhàn)

場上占據(jù)主動地位。日本和德國很早就開始了對納米科技的投資和研發(fā)，繼美國立法之后德日兩國

也開始了對納米科技注入新一輪的大量投資。

值得指出的是，如果要開發(fā)納米隱身服、納米飛機、微型感光機器人等高級納米裝置，將離不

開一個高速的超級計算平臺。納米飛機或納米隱身服需要上億個微型納米裝置，雖然在機械電子結

構上納米裝置不過是目前大型機械電子結構的超微型復制，但是由于納米裝置數(shù)量非常大，傳統(tǒng)的

機電控制結構和控制理論將毫無作用，對數(shù)億個微型裝置進行同步協(xié)調(diào)和控制只能夠通過計算機模

擬平臺來實現(xiàn)。此平臺對運算速度要求極高，而光有高計算速度還不能夠解決對納米飛機的上億個

微型空氣反作用力裝置的協(xié)調(diào)問題，目前人類科學對處理如此大量裝置的邏輯控制還是毫無理論，

對微型納米裝置進行同步的有邏輯的協(xié)調(diào)，是一個計算速度和計算模式的雙重難題。目前美II兩國

在開發(fā)廉價高速的網(wǎng)格計算(GridComputing)和并行計算(ParallelComputing)模式來應付基因科技和

納米科技的高速邏輯運算需要上取得重大進展。美II近來對納米醫(yī)學器械及納米隱身服的興趣和對

納米科技的好胃口與他們目前在高速計算能力上遙遙領先的事實不無關系。

目前納米科技在世界范圍的應用主要是比較簡單的納米材料。已經(jīng)成型的產(chǎn)品包括自我清潔的

納米玻璃或納米服裝及性能更加優(yōu)越的納米電子電磁復合材料等等。美日在納米隱身服及納米醫(yī)療

器械上的投資與科研目前還屬于理論試驗狀態(tài)，能否有突破性進展還要依賴于分子結構、微電子材

料、納米裝置控制理論及高速計算等多方面的研究發(fā)展。雖然理論上已經(jīng)成為可能，納米隱身服、

納米飛機真正研制成功可能需要至少幾十年甚至上百年的時間；但是有朝一日-但取得突破性進展，

控制納米技術的國家對幾乎科技的各個領域?qū)崿F(xiàn)壓倒性壟斷，這將是類似于飛機大炮與大刀長矛

的區(qū)別。納米科技很有可能是決定未來大國戰(zhàn)略領先地位的一個重要因素。

二.納米技術將拯救世界還是毀滅世界

仍然處于嬰兒時期的納米技術一方面被華而不實的言辭所包圍，另一方面又受到了嚴重的誤解

甚至詆毀?？茖W界現(xiàn)在面臨的問題是，既要保證某些納米技術不會危及環(huán)境和人類自身，又要考慮

如何不讓它像轉基因技術那樣被妖魔化。對于從事納米研究的科學家而言，沒有什幺東西比“灰色粘

質(zhì)”(greygoo)更不現(xiàn)實了。創(chuàng)造出這個古怪概念的是美國未來學家德雷克斯勒(ErichDrexler)。他認為，

一種能夠自我復制的納米尺度機器人會把所接觸到的一切物質(zhì)都變成自己的同類------這當然意味

著世界末日的來臨。作為一種并不存在的怪物，令人毛骨悚然的“灰色粘質(zhì)”充其量只是科幻作家的

素材，但是最近情況卻有所變化。

今年1月底，一個總部設在加拿大的激進環(huán)保組織ETC發(fā)表了一份長達80多頁的報告。這份

名為TheBigDown的報告把納米技術描述成一種可能毀滅世界的知識，因為它會導致“灰色粘質(zhì)”的

出現(xiàn)。ETC通過這份報告號召在全世界范圍內(nèi)暫停所有納米技術的研究。假如這一目標得以實現(xiàn)

------當然，非常不現(xiàn)實-----那幺成千上萬的科學家就會失業(yè)。

盡管ETC的這份報告在關鍵問題上缺少堅實的科學證據(jù)，他們還是成功地吸引了全世界的注意。

ETC是反轉基因食品(GM)的老手，在吸引公眾的注意力、把GM的安全性問題復雜化上經(jīng)驗頗多。

在想象力方面，ETC也沒有輸給德雷克斯勒。他們自己仿造出了“綠色粘質(zhì)”(greengoo)的概念來恐嚇

公眾。在ETC的概念里，“綠色粘質(zhì)”是生物技術和納米技術的結合，用于制造新的生物物種。他們

認為，這種“綠色粘質(zhì)”的失控會導致環(huán)境、人類健康和生物多樣性的破壞。ETC正在試圖勸說其它

激進環(huán)保組織------如綠色和平組織------加入全面禁止納米研究的大合唱，目前還沒有結果。但

是ETC并不孤獨。今年4月，英國查爾斯王子在讀了ETC的報告之后，也表示對“灰色粘質(zhì)”的關注

(查爾斯王子以經(jīng)常發(fā)表一些批評當代科學技術的言論而聞名)。盡管沒有直接的接觸，他們還是有些

相似之處：在發(fā)現(xiàn)“灰色粘質(zhì)”之前，查爾斯王子的反對目標也是GM。盡管人們一般知道，他在任

何科學問題上一遠遠不是一個專家。但是查爾斯王子畢竟是名人。英國下院科學技術特別委員會主席

吉布森(IanGibson)對BBC抱怨說，“當王子------未來的國王------講話的時候，人們就會聽?！?/p>

名人做廣告是ETC求之不得的事情。查爾斯王子的“擔憂”很快就出現(xiàn)在了ETC的宣傳材料匕

對于從事納米技術的科學家而言，這樣或者那樣的“粘質(zhì)”毫無意義。麻省理工學院(MIT)納米

結構實驗室的史密斯(HISmith)教授認為灰色粘質(zhì)的想法沒有任何基礎，當然沒有理由終止納米技術

的研究。

拋開綠色或灰色粘質(zhì)這樣荒誕不經(jīng)的概念不談，實際匕有些納米技術的確可能存在安全隱患。

不過對納米技術的安全問題評價稍微有些愛雜。部分原因在于，“納米技術''是一個含意相當廣泛的

詞。碳納米管、最尖端的集成電路制造技術甚至超靈敏的溫度計，都會涉及到納米尺度的問題。有

些納米技術看上去并無危險，它們甚至不是什幺新事物。一些科學家辯解說，納米顆粒并不是今天

才被人們制造出來的，環(huán)境中早就存在這樣的物質(zhì)。例如，11世紀的煉金術士使用金的‘納米顆粒'

制造教堂窗戶的紅色鑲嵌玻璃。今年3月，有幾組科學家在美國化學會年會上報告了納米顆粒對生

物可能的危害。例如，紐約羅切斯特大學的研究者發(fā)現(xiàn)，讓實驗大鼠暴露在含有直徑20納米的“特

氟龍”塑料(聚四氨乙烯)顆粒的空氣中15分鐘，它們大多數(shù)在4小時內(nèi)死亡了。而暴露在直徑120

納米顆粒中的對照組則安然無恙。另外一種前景廣闊的納米材料------單層碳納米管------也有可

能造成健康問題。杜邦公司和NASA約翰遜宇航中心的科學家發(fā)現(xiàn)，單層碳納米管可能導致實驗動

物肺部產(chǎn)生肉芽腫-----研究者認為那是中毒的標志。盡管現(xiàn)在單層碳納米管僅局限于實驗室研究,

有科學家預測，?旦大規(guī)模生產(chǎn)，單層碳納米管的產(chǎn)量可達數(shù)噸之多，這就大大增加了人們接觸到

它的可能性。

對于納米材料安全性的研究還處在非常早期的階段。以往，如果說納米技術和環(huán)境有什么聯(lián)系

的話，那也是利用納米材料實現(xiàn)環(huán)保的目的。美國環(huán)保署(EPA)今年得到了600萬美元的經(jīng)費用于研

究納米材料對環(huán)境的影響-----盡管與每年花在納米技術研發(fā)上的數(shù)以1億計美元相比，這是一筆

微不足道的錢。前不久，英國政府也要求皇家學會和皇家工程院對納米技術的安全問題展開評估。

不過計劃的負責人、劍橋大學的道林(AnnDowling)教授表示，這項研究并不是因為查爾斯王子關于

"灰色粘質(zhì)''的言論，而是因為弄清一項新技術的潛在風險和好處非常重要的。

今年6月，ETC聯(lián)合其它組織在布魯塞爾的歐洲議會舉行了一次關于納米技術的會議，尋求反

納米技術的政治支持。工黨和綠黨的議員參加了這次會議，其中后者明確支持停止納米技術研究的

要求。反GM組織把目標轉向了納米技術，這引起了科學界的擔憂。7月17日出版的《自然》雜志

發(fā)表社論，用了一整頁的篇幅討論納米技術研究面臨的挑戰(zhàn)。這篇題為《不要相信夸大其詞》的社

論警告說：像ETC這樣的組織的主張常顯得沒有理智，但這并不意味著他們不會在公眾中產(chǎn)生共鳴。

GM食品在英國等歐洲國家被妖魔化，可以看作納米技術的前車之鑒。1999年，一項GM土豆損害

健康的研究成果被反GM運動者當作了一件有力的武器，后來發(fā)現(xiàn)這項研究很不可靠。更早的時候,

美國孟山都公司拒絕給出口到歐洲的GM大豆貼上標簽，這最終導致了數(shù)個歐洲國家停止為GM作

物發(fā)放許可證。人們在GM問題上付出了代價。根據(jù)7月11日英國政府公布的一份GM作物的評估

報告，盡管GM作物對于英國的經(jīng)濟發(fā)展和公眾健康有巨大的潛在利益，但是目前公眾對于GM作

物的不接受態(tài)度導致這些利益至今不能顯現(xiàn)出來。

《自然》雜志的社論用了“夸大其詞”一詞，這種“夸大其詞''不僅指像ETC這樣關于納米技術的胡

說，也包括納米技術研究領域本身的華而不實。來自納米尺度科學領域的新成果幾乎每天都會在媒

體的聚光燈下炫耀地登場，每一項成果都自稱能治療疾病、清潔環(huán)境或者拓展和平與繁榮。如果這

項技術能夠創(chuàng)造如此的奇跡，人們可能會思考，它同樣也可能做壞事。

有科學家告誡：科學界在展望新技術的前景時，不要過分樂觀，設想得過于美好，要讓公眾了

解到可能的障礙和問題。德雷克斯勒本人在接受英國《新科學家》雜志采訪時也認為，ETC關于停

止切納米技術研究的要求不合邏輯。這種要求實現(xiàn)的可能性事實上也很小。但對納米技術而言，

這并不意味著可以萬事大吉。當這些恐懼會變得高漲起來，人們不了解這些技術，而是(簡單地)認為

它們是壞東西?？茖W家需要加強與公眾的溝通。

納米技術的概念首先是由美國的未來學家德雷克斯勒提出的。德雷克斯勒也是“灰色粘質(zhì)”(greygoo)

這個詞的創(chuàng)造者。1986年，他在一本名叫《造物引擎》(EnginesofCreation)的書中描述了能夠進行

自我復制的納米尺度機器人。這種機器人可以通過移動單個原子制造出任何人們想要的東西一

土豆、服裝或者是計算機芯片，任何人工產(chǎn)品-----而不必使用傳統(tǒng)的制造方式。但是德雷克斯勒

擔心，這樣一種能夠自我復制的機器人可能會失去控制：他們瘋狂地復制自身，在很短的時間內(nèi)就

把地球變成了?大團完全由納米機器人組成的“灰色粘質(zhì)”。然而，在從事實際工作的納米科學家

-主要是物理學家、化學家、生物學家和工程師等人的眼中，德雷克斯勒的納米技術概念確實

是一種天真的預言。今天我們所說的納米技術，一般是指研究納米尺度(1納米等于10-9米)上材料

性質(zhì)的科學。在如此微小的尺度上，物質(zhì)可能出現(xiàn)一些新的特性，例如碳60分子和碳納米管。這些

科學家的研究目標并不是制造德雷克斯勒式的納米機器人，他們傾向于認為《造物引擎》所描述的

這些概念更像是科幻小說，而不是科學。

5.超越極限

——高溫超導技術

超導正逐步向我們走來

1911年，荷蘭萊頓大學的卡茂林-昂尼斯意外地發(fā)現(xiàn)，將汞冷卻到-268.98OC時，汞的電阻突然

消失；后來他又發(fā)現(xiàn)許多金屬和合金都具有與上述汞相類似的低溫下失去電阻的特性，由于它的特

殊導電性能，卡茂林-昂尼斯稱之為超導態(tài)。卡茂林由于他的這一發(fā)現(xiàn)獲得了1913年諾貝爾獎。在

他之后，人們開始把處于超導狀態(tài)的導體稱之為“超導體超導體的直流電阻率在一定的低溫下突

然消失，被稱作零電阻效應。導體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導體時就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無

阻力地在導線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強磁場。

1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德共同發(fā)現(xiàn)了超導體的另一個極為重要的性質(zhì)，當金屬處在

超導狀態(tài)時，這一超導體內(nèi)的磁感應強度為零，卻把原來存在于體內(nèi)的磁場排擠出去。對單晶錫球

進行實驗發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導態(tài)時，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到

超導體之外去了，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應”。

可惜的是，傳統(tǒng)的超導電現(xiàn)象只能在液氨溫區(qū)（一269℃）才能出現(xiàn)，而氮是一種稀有氣體，因而大

大限制了超導的應用。1986年夏，當時在瑞士工作的物理學家繆勒和貝德諾茲發(fā)現(xiàn)，一類特殊的銅

氧化物超導轉變溫度高達近40度絕對溫度。1987年初，在美國工作的華裔科學家吳茂昆、朱經(jīng)武

等發(fā)現(xiàn)了超導轉變溫度高達90度絕對溫度的超導體，幾天后，中國科學院物理研究所趙忠賢、陳立

泉等，以及日本的科學家也分別獨立地發(fā)現(xiàn)了超導轉變溫度為100度絕對溫度以上的超導體。超導

體不能在液氮溫區(qū)（絕對溫度78度）工作的禁區(qū)終于被打破了。氮在空氣中有的是，而空氣的液化

是一種廣泛應用的技術。

二.超導研究“亮點”紛呈

過去的一年是世界超導界走過不平凡的一年。從去年初日本科學家發(fā)現(xiàn)二硼化鎂新超導體，到

年末美國科學家發(fā)現(xiàn)在室溫條件下可工作的超導體，在超導基礎理論研究和超導材料的開發(fā)和應用

方面，均取得可觀進展。

首先，去年2月，日本青山學院大學教授秋光純發(fā)現(xiàn)一種新的超導體--二硼化鎂。它在冷

卻到絕對溫度39K（零下234攝氏度）時，會表現(xiàn)出超導特性，是迄今發(fā)現(xiàn)的臨界溫度最高、性質(zhì)

特別穩(wěn)定的一種金屬化合物，為研制低成本高性能的超導材料開辟了新路。4月，日本住友電氣工

業(yè)公司開發(fā)出可通大電流的實用性較強的高溫超導電線材料。在電阻為零的狀態(tài)下，這種材料所能

通過的電流密度為銅線的350倍，堪稱世界之最。此外，日本科學家還與美國同行合作，證實聲子

與高溫超導現(xiàn)象有關，從而推翻了迄今為止認為二者無關的定論。

而作為世界上科技最發(fā)達的美國在超導方面也有出色的表現(xiàn)。最突出的是在去年9