纳米科技---梦想与现实（白春礼）

清风明月

纳米科技---梦想与现实 （作者：白春礼）

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１ 梦想的提出与发展过程   
     1.1 人类对宏观世界与微观世界的探索
3 ~. p- o" Z+ F4 v; I3 p2 W     爱因斯坦曾经说：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”        ]3QnZ#t        x
    如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围。1~Y
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    在宏观方面，目前人类能够加以研究的物质世界的最大尺度是1025 m，约10亿光年，图1是人类已观测到的宇宙大致范围。
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1 b5 @+ z' a" E7 {% \9 XT$W\-g o4I
% R7 z$ H* C# K8 L$ l图1 人类已观测到的宇宙大致范围纳米科技世界论坛, Nanoscience and Nanotechnology World        i1kmu8?P)S/e2n7N
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/ ^; ?8 V. p! _# n, ~   在微观方面，目前人类所研究的物质世界的最小尺度为10-19m，可以研究夸克，见图2。
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     在人类研究宇宙深处和构成质子与中子和夸克这两个极端尺度之间，我们在一段尺度范围内还有很多基本规律没有搞清，有些理论没有完善，这个尺度就是纳米尺度。
8 A* V: k0 Y: O( v5 N    1.2 纳米在长度单位中所处的位置
     1纳米为10-9 m，代号为nm。它在长度单位中所处的位置见表1。
( J' q" J) V4 i& o  e9 X1 Z: v5 b     “纳米”尺度的粒子早已存在。比如，中国古代的徽墨粒子，出土铜镜涂层中的粒子，已在轮胎中使用了100年用作增强剂的炭黑颗粒等，疫苗（它常含有一种或数种纳米尺度的蛋白质）也可能挤身于纳米之列。
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; T7 y; I, a5 F, }; @' {. [     表1 纳米在长度单位中所处的位置

单位  纳米科技世界论坛, Nanoscience and Nanotechnology World_$X#y[(Y*Ta%`G	缩写或符号   Q9Z;M;Z3G5kD[ ZW	对主单位的比
米   3 C. G1 o* W( n. w	m	主单位
分米   A\3f$S:w2w"G7l	dm	1/10	10－1  7l u2V*E~M " o" t  y4 g! X" X5 [3 f# U
厘米   ~:	cm	1/100   " G& F" L  X6 B9 O	10－2
毫米   & t& v% s! M! w& C* A% `/ v2 u1 ~	mm  u/	1/1000   : e, {. O; [7 h8 m	10－3   3 h) Q1 Y4 Z3 ?: T3 D
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/ P! T0 C, @- B     1.3 纳米概念的提出与发展   
8 P& `/ z8 K3 i- g! L% f6 \, R0 {     最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是美国著名物理学家、诺贝尔奖金获得者查理德·费曼(Richard P Feynman)。1959年他在一次著名的演讲中曾经这样说：“如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料，制备装置，我们将有许多激动人心的发现。……我们需要新型的微型化仪器来操纵微小结构并测定其性质。……那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。”他并预言：“当2000 年人们回顾历史的时候，他们会为直接用原子、分子来制造机器而感到惊讶。”(查理德教授于1988年去世) 。
5 ]1 q# Z+ c$ s* ~& h9 J' t, J+ ^     100年前，爱因斯坦在其博士论文中曾根据糖在水中扩散的实验资料计算出一个糖分子的直径约为1纳米。100年后的今天，纳米尺度在科学中的重要性迅速膨胀起来。
! ^4 e& B) c' j- x$ u4 d     1974年日本谷口纪南(Taniguchi)教授最早使用“纳米技术”（Nanotechnology）一词描述精细机械加工。70年代后期，美国麻省理工学院德雷克斯勒提倡将纳米技术作为一门专门的科学技术对之进行研究。但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。
) Z& v3 M  C. ^2 x     纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。80年代初中期出现的纳米科技研究的重要手段——扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术对纳米科技的发展起了积极的促进作用。  
$ r  S, C0 T3 ^/ k# I     扫描探针显微镜(SPM)的出现，标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要研究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼睛”和“手”：
    “眼睛”——可以利用扫描探针显微镜直接观察测试原子、分子的相互作用与特性；　
     “手”——可以借助扫描探针显微镜移动原子，构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。
     图3是扫描隧道显微镜的工作原理和借助扫描探针显微镜，将原子一个个重新排列，构筑出“原子”字样的示意图。Kh GI3j&F*h
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- V( R7 }# S1 E(a)扫描探针显微镜工作原理www.nanost.netT]-pf(^3j
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& l1 U" d: j& f0 u* L4 D   (b)用扫描隧道显向镜观察到的硅晶体表面的原子排列(Si(m)７×7结构)
   
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1 z9 o: G; X" k& Q: Q* p( Q     (c)图左，扫描隧道显微镜针尖移动表面吸附原子的过程示意。图右，用原子排列成的“原子”两个汉字。

' h  P3 Q4 }% h     图3 用扫描探针显微镜的工作原理和移动原子示意图纳
  l. J# r( T7 P+ ~( j) u       1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学
8 F; |) R7 v7 o$ c& e     会同时举办，《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际性专业期刊相继问世。技术——纳米科技一门崭新的科学从此得到科技界的广泛关注。
) s, i' ?; ~; i9 R9 Q     对于纳米科技，从不同角度可以有不同的提法，归纳起来有以下四种：
     1）把纳米技术定位为微加工技术的极限，也就是通过纳米精度的“加工”，人工形成纳米大小结构的技术。有人把通过超精细加工制作的微机电装置也称为纳米装置；
6 v/ b' ^" g8 x     2）在材料领域，把纳米级颗粒的制备技术及由此引起的材料的性能改变称为纳米技术；
     3）从原子、分子出发来构建特殊的结构，制造具有所需功能的分子装置，从而产生生产方式的革命；
    4）仿制生物体系的纳米结构，利用生物的自识别、自组织、自复制的功能制造特定的纳米产品。
     基于以上提法，我们可以把纳米科技定义为：纳米科技是指在纳米尺度(1 nm到100 nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用（主要是量子特性），以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。纳米科技的最终目标是以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。
     1.5 纳米科技的重要意义
     美国《商业周刊》将纳米科技列为21世纪可能取得重要突破的3个领域之一（其它两个为生命科学和生物技术、从外星球获得能源）；
2 X; B/ t8 t/ S& ^/ M. O     美国政府从1999年开始，决定把纳米科技研究列为21世纪前10年11个关键领域之一。美国总统科技助理在致国会的信中称：
      “纳米技术将与信息技术或生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导下一场工业革命（Leading to the next industrial revolution），应把它放在科学技术的最优先地位（Top priority）。”
) }/ [* `8 c& t( X; Q7 u$ l     纳米科技的陡然升温不仅仅是尺度的缩小问题，实质是由于纳米科技在推动人类社会产生巨大变革方面所具有的重要意义所决定的。
) x8 _5 z, f- N! W2 U) E- t' p2 v! K     纳米科技的发展，促进了人类对客观世界认知的革命。人类在宏观和微观的理论充分完善之后，在介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头。纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为哪一门传统的学科领域。而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，正是这样，纳米科技充满了原始创新的机会。因此对于还比较陌生的纳米世界中尚待解决的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。而一旦在这一领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生产、生活中得到广泛的应用，那么，它将极大地丰富我们的认知世界，并给人类社会带来观念上的变革。
     同时纳米科技推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化。将极大地节约资源和能源，减少人类对它们的过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上为人类可持续发展提供物质和技术保证。
1 I; f; R! J( k) `' h! ?$ w, `     随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引发一场新的工业革命。由于量子效应，微电子器件的极限线宽一般认为0.07微米(70纳米)。根据美国半导体工业协会预计，到2010年半导体器件的尺寸将达到0.1微米(100纳米)。这正好是纳米结构器件的最大长度。小于这一尺寸，所有的芯片需要按照新的原理来设计。为了突破信息产业发展的瓶颈，必须研究纳米尺度中的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法和技术标准。在这一尺度上制造出的计算机的运算和存储能力，将比目前微米技术下的计算机性能呈指数倍的提高，这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。同样，生命科技也面临着在纳米科技影响下的变革。所以，人们认为纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础。正如美国《新技术周刊》指出：纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。     纳米科技也将促使传统产业“旧貌换新颜”。比如，纳米材料的研究，在化纤制品中加入纳米微粒，可以除味、杀菌；通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000次提高到10 000多次，老化时间也延长了两倍多。这种对传统材料进行纳米改性的技术，企业应用的投入不大，而且市场前景广阔。
     纳米科技的巨大影响还在于使纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域，包括纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学等。
4 X$ o3 p& G/ }- M8 h: \0 X. V5 i: ]     但是我们也应该看到，纳米科技作为国际上刚刚兴起的一门新兴的学科领域，有许多重大的基础问题还未解决，其全面走向应用尚需时日。因此，对于“纳米热”应予正确引导，防止将纳米科技的概念庸俗化。

/ B  q5 [: A8 u     作者简介
5 d# p: i/ m; a2 n0 G+ `2 g     白春礼(1953-)，中国科学院副院长、院士，第三世界科学院院士，国家纳米科技指导协调委员会首席科学家，国家纳米科学中心主任
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