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发布时间:2020-07-10 01:36:50

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作者:王月霞

出版社:远方出版社

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纳米技术知识篇

纳米技术知识篇试读:

前言

人类社会已经进入一个崭新的新世纪,科学技术正以人类意想不到的发展速度深刻地影响并改变着人类社会的生产、生活和未来。《科普知识百科全书》结合当前最新的知识理论,根据青少年的成长和发展特点,向青少年即全面又具有重点的介绍了宇宙、太空、地理、数、理、化、交通、能源、微生物、人体、动物、植物等多方面、多领域、多学科、大角度、大范围的基础知识。内容较为丰富,全书涉及近100个领域,几乎涵盖了近1000个知识主题,展示了近10000多个知识点,字数为800多万字,书中内容专业性强,同时又易于理解和掌握,每个知识点阐述的方法本着从自然到科学、原理、论述到社会发展的包罗万象,非常适合青少年阅读需求。该书是丰富青少年阅历,培养青少年的想象力、创造力,加强他们的探索兴趣和对未来的向往憧憬,热爱科学的难得教材,是青少年生活、工作必备的大型工具书。

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本书采用分级管理、分工负责的办法编写,在编写的过程中得到了国家图书馆、中国科学院图书馆、中国社会科学院图书馆、北京师范大学图书馆的大力支持和帮助,在此一并表示真诚的谢意!在本书编写过程中,我们参考了相关领域的最新研究成果,谨向他们表示衷心的感谢!

由于编写时间仓促,加之水平有限,尽管我们尽了最大努力,书中仍难免有不妥之处,敬请广大读者批评指正。本书编委会2006年1月

神奇的纳米

人类科技领域的革命

纳米技术如今成了科学研究领域的热门,成为世界许多国家科学家竞相研究的领域。神奇的纳米技术真可以说是引发了人类科技领域的一场革命,那么是什么点燃了这场革命的导火索呢?这里还不得不提到明星分子——巴基球。

瑞典皇家科学院把1996年诺贝尔化学奖授予美国赖斯大学教授罗伯特·柯尔和理查德·斯莫利以及英国萨塞克斯大学教授哈罗德·克罗托,以表彰他们在1985年发现的碳的球状结构。皇家科学院的新闻公报说,三位学者在1985年一次太空碳分子实验中偶然发现了碳元素的新结构——富勒式结陶,由60个以上的碳原子组成空心笼状,其中由60个碳原子组成的分子,即碳60,形状酷似足球,人们给它取了一个名字叫巴基球,用来表示。巴基球的直径只有0.7纳米,算得上是真正的纳米颗粒。

科学家们多年梦寐以求,希望制造一种有洞的分子来容纳或者传递不同的原子、离子,巴基球正好圆了这一梦想。目前,科学家们正尝试打开“球门”,把原子、离子掺杂其中,使之成为能制取若干新型物质的分子容器。三位诺贝尔奖获得者的这一发现开创了化学研究的新领域,对宇宙化学、超导材料、材料化学、材料物理,甚至医学的研究有重大意义。目前新发表的化学论文中很大一部分都涉及这一课题。

但纳米技术的真正倡导者是一位并不很出名的工程师埃里克·德雷克斯勒。德雷克斯勒在20世纪70年代中期还是麻省理工学院的一名大学生,他在科技图书馆里读到遗传工程的内容时产生了灵感。那时的生物学家们还在研究如何控制构成DNA链的分子。德雷克斯勒想,为什么不能用原子建造无机机器呢?直到后来他才知道,费曼几乎在20年前就已经提出了类似的看法。这种想法让德雷克斯勒着迷,他想:为什么不建造有自行复制能力的机器呢?一台机器会变成两台,两台变成四台,然后再变成八台……这样无穷地变下去,给那些能把简单的原料加工成特定制品的机器加上这个功能,会给饥饿的人生产无穷数量的食物,或者为无家可归的人建造无数的房屋,它们还可以在人的血管里游弋并修复细胞,从而可以防止疾病和衰老。人类有朝一日可以消遣放松一下,而纳米机器人则可以像科幻小说作家描写的那样,承担世界上所有的工作。然而当时多数主流科学家对此的反应是:一派胡言!但巴基球的诞生使研究人员开始着手做这件事。

詹姆斯·金泽夫斯基是IBM公司设在瑞士的苏黎世研究实验室的物理学家。他和同事一起摆弄的一台隧道扫描显微镜有极其纤细的探头,能像盲人阅读盲文那样透过物质表面记录原子的存在。他们不但用35个氙原子拼出了IBM三个英文字母,而且他和他的几个同事还想用一台隧道扫描显微镜(STM)和一些巴基球制作一个能计算的机器。1996年11月他们推出了世界上第一台分子算盘。该算盘很简单,只是10个巴基球沿铜质表面上的一条细微的沟排成一列。为了计算,金泽夫斯基用隧道扫描显微镜的探头把巴基球拖来拖去,细沟实际上是铜表面启然出现的微小台阶,它们使金泽夫斯基可在室温下演算。

理论上金泽夫斯基的算盘储存信息的容量是常规电子计算机存储器的10亿倍。尽管在应用上它还很烦琐,但它显示了科学家在处理十分微小的物体方面已经非常熟练。这个工作可能是迈向制造出分子般大小的机器的第一步,移动单个分子或原子的技术是开发下一代电子元件的关键。

说到巴基球,一定要谈到它的兄弟巴基管。巴基管是碳分子材料,与巴基球有着不同的形状、相似的性质,其大小处于纳米级水平上,所以又称为纳米管。它们的强度比钢高100倍,但重量只有钢的1/6。它们非常微小,5万个并排起来才有人的一根头发丝那么宽。巴基球和纳米管都是在碳气化成单个的原子后,在真空或惰性气体中凝聚而自然形成的,这些碳原子凝聚结合时会组合成各种几何图形。巴基球是五边形和六边形的混合组合,不同的混合产生不同的形状。然而,典型的纳米管完全是由六边形组成的,每一圈由十个六边形组成,当然也有其他的结构。巴基球和巴基管具有多种性质,科研人员一直在研究它们在激光、超导领域以及医药领域的应用前景,并取得了不少成果旷法国和美国科学家发现,利用单层碳片做成的单层纳米碳管具有规则的结构和可预见的活动规律,这种极其细微的管子可用于许多领域,包括从未来的电子装置到超强材料。

人类发现一种新物质,就要研究它的性质和功能,人们发现巴基球具有很多意想不到的神奇性质。

先是日本冈崎国立共同研究机构分子科学研究所于1993年合成了含有C分子的新超导体。这种新超导体由钠、氮的化合物和C组6060成。据合成这种新超导体的冈崎国立共同研究机构主任井口洋夫等人介绍,他们先将氮化钠和C粉末按一定比例混合,然后将其置于真60空中,再在370℃的温度下烧结约20分钟,便合成了新的超导体。为防止这种混合物在大气中会与水蒸气发生反应,所以将其置于真空中。井口洋夫说,含C的新超导体在零下258℃表现出很好的超导性60能。

美国纽约州立大学布法罗分校由华裔科学家组成的一个研究小组发现,巴基球在掺入氯化碘杂质后,可在绝对温度60度,即零下213℃时产生超导现象。在该校物理系教授高亦涵、博士后研究助理宋立维以及机械航空工程系教授钟端玲、研究生符立德的这一发现之前,超导巴基球的临界温度约为零下243℃。掺入氯化碘的巴基球还具有对于未来实际应用十分有利的空气稳定性。研究小组称,新发现的超导巴基球在置于空气中40天之后,依然可以探测到超导特性,而这是以前发现的超导巴基球并不具备的性质。

法国和俄罗斯科学家利用巴基球研制成一种新的材料,其硬度至少和金刚石相当,并能在金刚石表面刮擦起痕。据英国《新科学家》杂志报道,法国巴黎全国科学研究中心的物理化学家亨里·斯兹瓦赫同莫斯科高压物理学研究所的科学家,在高压条件下使由60个碳原子构成的碳球晶体化而制成了这种超强聚合物材料。斯兹瓦赫说,他们原来是打算利用CQ制造金刚石,没想到结果获得的是另一种更坚硬的物质。他们利用的是俄方高压物理研究所的机器,机器的中心是两个锥形金刚石,他们把C材料置于其中一个金刚石的表面上,然60后施以大约20个千兆帕斯卡的高压(大约相当于20000个大气压)。在这同时,旋转这两个锥形金刚石,以产生一种压力。法国科学家介绍说,当碳球材料在12个千兆帕斯卡压力作用下时就开始向新材料转变,但是施加更大的压力之后这个转变过程才全部完成。

人们还对巴基球在药物方面的应用作了研究。日本京都大学、东京大学等相继发现球形碳原子“C”能抑制癌细胞增殖、促进细胞60分化,有望成为治疗癌症的新药。京都大学生物医疗工程研究中心发现,将球形碳原子注入白鼠的癌细胞后,在光的照射下就能产生破坏癌细胞的活性酶,可有效地抑制癌细胞的增殖。东京大学和日本厚生省国立卫生研究所也分别在试管实验中发现,球形碳原子的化合物同其他抗癌药物同时使用,能够提高医疗效果、促进细胞分化。

美国科学家则发现,C具有保护脑细胞的作用,可望用它制造60治疗中风等疾病的药物。美国华盛顿大学医学院的一个科研小组把它进行了改造,使其能溶于水,再将它的水溶液注入老鼠体内,结果发现该水溶液能吸收可引起机体功能退化的自由基,并能够防止脑细胞因缺少氧和葡萄糖而解体。研究人员解释说,C是一种中空的大型60无机分子,因而能吸引机体内的一些有害分子。

除了对巴基球本身进行研究之外,人们还对许多其他类似巴基球的分子进行了研究。日本国立材料和化学研究所同日产公司合作,通过计算机模拟,得出了有可能用60个氮原子合成类似巴基球结构的N分子的结论。计算机模拟的结果显示,N分子与C分子会有相606060似的结构,但稳定性较差。具体合成过程中,或许需要对氮气进行冷冻或加压,然后运用高强度激光照射,由此产生的分子团可能会具有强烈的挥发性,在受热情况下瞬间恢复气体状态,并释放出大量的能量。参与研究的科学家设想,利用这些性质,N分子可能会成为具60有商业化应用潜力的炸药或火箭燃料。计算机模拟也表明,N分子60如果用作火箭燃料,产生的动力会比目前火箭中使用的液态燃料高出10%。

巴基球研究可能对解开宇宙形成之谜提供答案。美国科学家在陨石中发现了巴基球。这一成果证实了最早在实验室中发现并合成的球状结构碳分子在自然界中同样存在,它是继金刚石和石墨后人们发现的碳的第三种同素异形体。这块名为“阿连德”的陨石1969年落于墨西哥境内。美国夏威夷大学和美国宇航局的科学家在研究中首先用酸对陨石碎片样品进行了脱硫处理,然后将这些残渣放人有机溶剂,最终分离出球状碳元素,他们在英国《自然》杂志上详细介绍了有关的研究过程。科学家早先在陨石坑周围的沉积物中就曾发现过球状碳,但科学家们在“阿连德”陨石中发现的球状碳不仅包含大量C和60C,而且还有从C到C等一系列原子数更高的碳分子结构,据悉,70100400在自然界发现原子数如此之高的球状碳分子尚属首次。科学家们指出,“阿连德”陨石中存在球状碳,这对研究该陨石形成时期,太阳系中原始星云和尘埃物质的状况将有所帮助;另外,新发现也意味着在研究地球早期形成历史时,可能应考虑该种特殊结构碳分子所起的作用。因为空心笼状的这些碳分子具有较强的吸附气体能力,携带球状碳的陨石落到地球后,不仅可为地球带来碳元素,而且也有可能对地球大气构成产生相当大的影响。

科学家还用巴基球搞起了艺术晶。在1998年世界杯足球赛期间,德国化学家突发奇想,在分子水平上制造了一座“大力神”金杯复制品。这一微型金杯最终被慷慨地赠与冠军得主法国队。微型“大力神”杯由单分子制成,高仅为3纳米,还不到高36厘米的真正“大力神”杯的亿分之一。作为国际足球界最高荣誉的象征,“大力神”金杯图案由两个大力神背对背高举双臂,背托一个地球而构成的。德国埃朗根-纽伦堡大学化学家赫希及其学生在研究中发现,一些具有特殊形状的分子,可成为在微观尺度上制造“大力神”杯复制品的理想材料。赫希等利用被称为“巴基球”的C分子来模拟“大力神”60杯中的地球图案,“巴基球”分子结构呈空心笼状,酷似微型足球。而微型“大力神”金杯底座则由一种杯状分子制成。赫希认为,这一特殊的结构很可能在科学上也能找到用途。他介绍说,光照射至“巴基球”分子后,会产生单电子而进入制造底座的杯状分子。如果能俘获这一单电子并将其引入电通路,那么分子“大力神”杯有可能用来制造新型太阳能电池。

巴基球如此神奇,可是要想制造它们就不那么容易了,迄今为止这种神奇的小球的价格还是远远超过了黄金。这就为科学家们提出了新的挑战,促使他们寻找新的制造方法。尽管还不知道新方法将是一个什么样的过程,但是科学家们相信一定会找到这种新方法的。如果真能在工厂里大量生产,那也将是令人震惊的,如果你考虑到它的无数用途,其中包括用作其他分子之间的“分子导线”(用来制造新一代小型化学传感器)、用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头的顶端(用来测试超纯硅芯片的质量)以及用作理想的结晶基。

在对巴基球热火朝天的研究中,中国科学家也不甘落后。他们采用计算的方法对巴基球的分子结构进行了精确的计算,得到的数据对实验非常有价值。

近年来,我国科学家在C的制备与分离技术方面也取得重大进60展。中国科技大学设计建成的合肥国家同步辐射实验室的光谱实验站在C真空紫外吸收光谱的研究中取得令人鼓的成果。对C的研究是6060国际上继“超导热”之后的又一热门课题,这个实验站获得的阶段性成果在国内外均是首创性的。复旦大学、上海原子核研究所等单位组成的C课题攻关组,自行设计并建立的这套C制备装置,其含量稳6060定在15%左右,最高可达18%,日生产能力为30至35克。他们对分离方法做了重大改进,用新工艺可分离得到纯度99.5%以上在的C。60

巴基球奇妙的结构和神奇的性质激发了科学家们的灵感,使他们不断地感知到微观世界的奥妙,种种奇思妙想也同时应运而生,神奇的纳米世界的大门终究会被我们人类一点一点地打开。

什么是纳米

在某一期“幸运52”中,活泼幽默、妙语连珠的主持人李咏硬是把“纳米”和“大米”连在了一起。从现场观众那前仰后合的大笑中,我知道大家都明白了,最普通的、人人都需要的“大米”和最先进的、科学家竞相研究的“纳米”有着本质的不同,把两者放在一起,使人体会到什么是强烈对比。

据说还有种田的农民打听纳米的种子在哪里可以买到,他们准备种一种试试。

可是纳米究竟是个什么东西呢?其实“纳米”这个词是由英文nanometer翻译的。纳米和我们日常生活中用的米、厘米一样都是长度单位,只不过这个长度单位要比米小得多,1纳米只有一米的十亿分之一,就是说把一米平均分成十亿份,每份就是1纳米。我们经常用“细如发丝”来形容纤细的东西。其实人的头发的直径一般为20到50微米,而纳米只有1微米的千分之一!如果我们做成一个只有1纳米的小球,把这个小球放在一个乒乓球上面的话,从比例上讲就好比把二个乒乓球放到地球上面去,你能想像出1纳米的长度吗?大家知道原子是非常非常的小,实际上千个纳米里面能排三五个原子。大家熟悉的血红蛋白分子有67纳米,而一些病毒的大小也只有几十纳米。研究纳米尺度的物质就要经常和一些肉眼看不到的微小物质打交道。

下面是长度的换算关系,从中我们可以更好地了解纳米有多大。

1米=1000毫米

1毫米=1000微米

1微米=1000纳米

通常我们把平常接触到的世界叫做宏观世界,而把肉眼看不见的原子和分子等微小粒子组成的世界叫做微观世界。

1990年,世界上写得最小的字母在实验室诞生了,这三个字母就是“IBM”,这三个英文字母总共用了35个原子。从事后拍摄的照片中,我们可以清楚地看到当时人类所创造的最微乎其微?的伟大奇迹。“IBM”这个当时计算机行业的巨型企业的名字,被一丝不苟地刻画到不超过一个病毒的面积内。这在当时看来近乎游戏的领域,如今已经成为科学家们关注的热点。

看来纳米并不是什么“米”,而是一个度量微小世界的长度单位。但是是否有一天广纳米会像大米一样普通、大米一样普及、大米一样必需呢?

生活中的纳米应用

如今纳米洗衣机、纳米冰箱已经出现在广告词中,看来纳米真的离我们的生活不远了。事实也正是如此,纳米科技正在走进我们的生活,同时也将会改变我们的生活。

美国科学家尼尔·莱思说:“纳米技术是最可能在未来取得突破的科学和工程领域”。这项技术并不只是向小型化迈进了一步,而是迈人了一个崭新的微观世界,在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。

传统的解释材料性质的理论,只适用于大于临界长度100纳米的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度,那么物质的性质就常常无法用传统理论解释。在20世纪末,世界各国的科学家正试图在中等级别领域,即单个分子或原子级别到数十万个分子级别之内,发现新奇的现象。这一基础理论的研究,促进了我们今天对纳米科学研究的进程。

我们知道,构成物质的基本单元是原子,因此,当今的纳米科学与技术的研究实际上就是人们在原子层次上认识世界。

早在1993年,中国科学院北京真空物理实验室的科研人员在显微镜下,将一个个原子像下棋那样自如地摆放,写出了“中国”二字。这仅仅是一次实验,但人类可以从中发现和看到纳米世界存在的奇迹;人类将在新的纳米技术领域获得更多、更大的好处。

纳米材料和纳米结构科学家对纳米级产品应用的前景进行了描述,预计在不久的将来会出现特种新奇的新材料。这些材料将具有多种功能,能够感知环境变化以及做出相应的反应。纳米技术的专家们预计还会出现强度是钢铁。10倍的材料,其重量只有纸张的1/10,并具有超导电性,而且透明,熔点更高。

细微之处显神奇的纳米技术将怎样改变我们的生活呢?事例有很多,例如,碳纳米管,其尺寸不到人的头发直径的万分之一,它可用作极细的导线或用于超小型电子器件,将纳米技术用于存储器,可以大大提高电子器件的储存功能,可以将一个有几百万册书的图书馆的信息放人一个只有糖块大小的装置中。

再如,有人把纳米称为“工业味精”,因为把它“撒”人许多传统材料中,老产品就会换上令人叫绝的新面貌。砧板、抹布、瓷砖、地铁磁卡,这些挺爱干净的小东西上一旦加入纳米微粒,就可以除味杀菌。用“拌”人纳米微粒的水泥、混凝土建成楼房,可以吸收降解空气中的有害物质,钢筋水泥也能和森林一样“深呼吸”。现有的硅质芯片将被体积缩小数百倍的纳米管元件所替代,现在占据几个房间的巨型计算机可以小到可以随手放进口袋。

最诱人的莫过于未来的“纳米机器人”,它可以进入人体并摧毁各个癌细胞又不损害健康细胞;可以在人体内来回送药,清扫动脉,修复心脏、大脑和其他器官而不用外科手术。

1999年,美国政府在纳米科技的报告中呼吁加快纳米科学和工程的基础研究乙美国总统认为,纳米技术对保持美国科学技术和经济的领先地位非常重要,并建议把联邦纳米技术研究预算增加一倍,即2001年达到4.95亿美元。美国国家纳米技术计划的研究工作将由一个委员会协调,该委员会的成员是来自政府各个研究和开发项目的高级代表。国防部、能源部、商务部、航天局、全国科学基金会和国家卫生研究所将在国家科学和技术委员会的指导下发挥重要作用。美国国家纳米技术计划在初期研究的重点,是在分子层次上具有新奇特性并且物理和化学性能有显著提高的材料。

各国纳米技术研究人员感兴趣的一些纳米技术尖端领域,归纳起来有以下5个方面:

——在纳米层次上,电子和原子的交互作用会受到变化因素的影响。这样,有可能使科学家在不改变材料化学成分的前提下,控制物质的基本特性,比如磁性、蓄电能力和催化能力等。

——在纳米层次上,生物系统具有一成套系统的组织,这使科学家能够把人造组件和装配系统放人细胞中,有可能使人类模拟自然创造出分子机器。

——纳米组件具有很大的表面积,这能够使它们成为理想的催化剂和吸收剂等,并且在释放电能和向人体细胞施药方面派上用场。

——利用纳米技术制造的材料与一般材料相比,在成分不变的情况下体积会大大缩小而且强度和韧性得到提高。由于纳米颗粒非常小,因此不会产生表面缺陷,另外由于纳米颗粒具有很高的表面能量,所以强度会提高。这对制造强度大的复合材料将非常有用。

——与宏观结构相比,纳米结构在各个维度上的数量级都较小,所以互动作用将更快地发生,这将给人们带来能效更高、性能更好的系统。

纳米时代在各国纳米专家的努力下,正在向我们走来。有科学家预计,这场纳米技术的革命,可以与用微电子设备取代晶体管而引发的那场革命相提并论。未来出现的微型纳米晶体管和纳米存储器芯片,将使计算机的速度和效率提高数百万倍,使磁盘存储的容量达到今天的成百上千倍,并且使能耗降低到现在的几十万分之一。通信带宽会增大几百倍,可以折叠的显示器将比目前的显示器明亮10倍。另外,一个纳米层次上有可能办到的事,是生物的和非生物的部件将结合成交互作用的传感器和处理器,服务于人类。

科学家对将来的预见能够达到多远?美国半导体工业协会制定了一个处理器、传感器、存储器和传输设备的开发路线图,但是这个路线图只延伸到了2010年,并且只达到了大小为100纳米的结构,这比全部是纳米结构的装置要大。这个协会说,科学发现变成商业上可行的技术需要时间,预计纳米技术要到2010~2015年才能成熟。

由此可见,纳米级产品将在不久大量出现已是不容置疑的事实。随着对纳米技术和产品研究的深入,十几年后纳米、技术专利将商业化,看来纳米真的要成为我们日常生活的一员了,我们渴望着那一天早日到来。

量子力学与纳米

曾经有一位一流的科学家在1893年宣告,他相信做出伟大发现的时代已经过去,因为几乎一切都已被发现了,将来的科学家除了更加精确地重复19世纪做过的实验,使原子量在小数位上有所添加以外,不可能有更多的作为。

事实证明这位科学家错了。因为,即使拥有19世纪所取得的全部知识,也无法说明X射线和铀的放射性这两种现象。这是新生事物,好像完全不合乎自然规律,背离了人类关于原子的认识。X射线和放射性像两个雪球,一旦滚动起来,必将如同雪崩一样引出一系列科学发现。

古人对物质元素的认识,是人类探究微观世界的开始。远古时代的人类在长期的生活实践中,发明了制陶,掌握了炼铜、炼铁等技艺,他们看到了物质可以重新组合并发生质的变化,于是就开始思考有关物质的构成与变化的原因。人们看见,冬天水结成冰,夏天冰又化成水,而且在地热泉中,水又蒸发为气体。人们还看见万物在大地上生长,又消失在大地之中,对于天地万物和人类的本源,人们一直怀有强烈的好奇心,试图从本质上理解和认识事物本身。最原始的元素学说就这样萌生了,开始了人类最初的对微观世界的认识。

经过人类不断的探索,今天我们知道物质世界是由一些很小的粒子——原子组成的,各种原子按照本身的规律相互连接,形成了分子,各种各样的分子聚集在一起就是我们丰富多彩的世界。可是,原子是怎样相互连接的呢?这就不能不说到原子内部的结构。原于是由一个位于中心的原子核和核外的电子组成的,原子核带正电,而电子带的是负电,这样整个原子对外就不显电性。电子在原子中并不是静止的,而是绕着原子核做高速的运动,电子的高速运动在原子的周围形成像云一样的外衣,也叫电子云。不同的原子内电子的数目不同,电子运动的模式也不同。就像一个班的同学,大家都穿上形状各异的外壳,由于外壳的形状不同,使得有些人靠在一起会比较舒服,而有些人很难靠到一起。当然实际情况还要复杂得多,上面只是一个简单化的比喻。我们要是真想理解原子等一些基本粒子的行为,就必须引入量子力学。

1900年,德国物理学家普朗克发表了一篇论文,导致了量子理论的出现。普朝克提出“量子论”,吹响了20世纪物理学革命的进军号。在同一年,孟德尔遗传学说被确认,成为生物科学上划时代的一年。也是在这一年,德兰斯特纳发现了血型,拯救了许许多多人的生命。到2000年,人类在量子论、相对论、基因论、信息论等方面都取得了以前难以想像的飞跃发展。人类一直在研究我们生活的地球和宇宙。现在,人类的观察范围不仅已达150多亿光年之遥,而且可以深入到原子核中去观察“夸克”等基本粒子的特征。

量子力学是20世纪人类在物理学领域的最重要的发明之一。量子力学和狭义相对论被认为是近代物理学的两大基础理论。量子力学主要研究微观粒子运动规律。20世纪初大量实验事实和量子论的发展,表明微观粒子不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动不能用通常的宏观物体运动规律来描述。量子力学的建立大大促进了原子物理学、固体物理学和原子核物理学等学科的发展,并标志着人们对客观规律的认识从宏观世界深入到了微观世界。

量子力学的奠基人玻尔曾经说过:“谁如果在量子面前不感到震惊,他就不懂得现代物理学;同样如果谁不为此理论感到困惑,他也不是一个好的物理学家。”的确,量子力学确实很难理解,原因之一就是在微观世界里的很多事情,同我们所能看到的宏观世界存在很大的差别,有些可能是我们难以想像的。一个很典型的例子就是隧道效应。如下图所示,在经典力学控制下,狮子不可能越过障碍吃到你,可是在量子力学控制下,狮子却可以直接穿过那个堡垒,好像挖了一个隧道跑出来一样,看起来有些像“崂山道士”里面的穿墙术吧!其实,这里只是个比方,现实生活中你无需担心狮子会从笼子里直接钻出来。因为我们的宏观世界是不会发生这样的事情的。可是在微观世界里,电子等微观粒子却经常能够“穿墙而过”。

微小的纳米世界

20世纪人类的科学技术发生了翻天覆地的变化,人类对微观世界有了更深认识,随着对微观世界了解的增多,人们认识到实际上微观世界里同样奥妙无穷,别有洞天。

早在20世纪50年代美国著名物理学家费曼就提出了要在小处做文章的想法。他说以前人类都是把能够看得见的东西做成各种形状,得到各种工具,为什么不能从单个分子甚至原子出发而组装制造物品呢。费曼憧憬说:“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?”今天随着纳米科技的一步步发展,费曼提出的设想正在逐渐变成现实。

1990年,美国贝尔实验室推出惊世之作——一个跳蚤般大小,但“五脏俱全”的纳米机器人诞生了。

19如年7月,在美国巴尔的摩同时举办了第一届国际纳米科学技术会议和第五届国际扫描隧道显微学术会议,标志着纳米科技的正式诞生,科学家们正式提出了纳米材料学、纳,米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念,并决定出版《纳米技术》、《纳米结构材料》和《纳米生物学》三种国际性专业期刊。从此,一门崭新的具有潜在应用前景的科学技术——纳米科技得到了全世界科技界的密切关注。

诺贝尔物理学奖获得者、美国哥伦比亚大学的斯托默说:“纳米技术给了我们工具来摆弄自然界的极端——原子和分子。万物都由它们而构成……创造新事物的可能性看来是无穷无尽的。”诺贝尔化学奖获得者、美国康奈尔大学的霍夫曼说:“纳米技术是一种天才的方法,能够对各种大小、性质错综复杂的结构进行控制。这是未来的方法,精确而且对环境保护十分有利。”一时间,“纳米热”遍及全球,纳米科技成为世界各国竞相投巨资、加紧攻关的一项热门技术。

从纳米科技诞生之日起,纳米科技就不断取得了各种新的研究成果。其显著特点是,基础研究和应用研究的衔接十分紧密,实验室成果的转化速度之快出乎人们的预料。1989年,美国斯坦福大学搬动原子团写下了“斯坦福大学”的英文名字。1991年,在日本首次发明和制作纳米碳管,它的质量是相同体积钢的1/6,而强度却是钢的10倍,于是,纳米碳管立刻成为纳米的技术热点。1992年,日本着手研制能进处人人体血管进行手术的微型机器人,从而引发了一场医学革命。1993年,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有了一席之地。1994年,美国着手研制“麻雀”卫星、“蚊子”导弹、“苍蝇”飞机、“蚂蚁”士兵等。1995年,科学家研究并证实了纳米碳管可以用来制做壁挂电视。1996年,我国实现纳米碳管大面积定向生长。1997年,法国全国科学研究中心和美国IBM公司共同研制成功第一个分子级放大器,其活性部分是一个直径只有0.7纳米的碳分子,因而把电子元件缩小1万倍,标志着纳米技术开始进入实用阶段。1998年,被誉为“稻草变黄金”的纳米金刚石粉在我国研制成功。同年,美国明尼苏达大学和普林斯顿大学成功地制备出量子磁盘。这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系,美国商家已组织有关人员将这项技术迅速转化为产品,预计2005年市场销售额可达400亿美元。

1999年,韩国制成纳米碳管阴极彩色显示器样管。1999年7月,美国加利福尼亚大学与惠普公司合作研制成功100纳米芯片;美国正在研制量子计算机和生物计算机;美国柯达公司成功地研制了一种既具有颜料,又具有染料功能的新型纳米粉体,预计将给彩色印像业带来革命性的变革……

看来在纳米这样如此微小的境地还真是别有洞天,大有可为。科学家们相信有一天纳米会走人我们的日常生活,为我们创造出各种现在想也不敢想的奇迹。

显微镜与纳米

我们人类被称为万物之灵,能够上天人地,移山填海,能够深入微小世界探秘,这些靠的是什么呢?说起来我们在很多方面不如地球上其他的生物,奔跑我们比不上猎豹,力量我们更是没法和大象相比,可是我们人类拥有发达的大脑,我们懂得去制造工具。正是这些工具弥补了我们的不足,使得我们征服自然的能力大大提高。

人类要认识微小的世界,单单凭借我们的肉眼也是不行的。我们人类能看到的最小的东西大约为0.1毫米,那么我们是如何观察小于0.1毫米的东西的呢?

最早用于探究物质结构的仪器是光学显微镜。光学显微镜最初是由放大镜演变而来的。放大镜实际上就是凸透镜,人们早就知道把凸透镜靠近物体,就可以通过镜片看到放大的物像,这大概是14世纪的事情。16世纪荷兰人杨森偶然通过两块不同的镜片看物体,发现放大效果好得多,于是就发明了显微镜。

这件事发生在16世纪的荷兰不是偶然的,因为当时荷兰的眼镜制造业相当发达,杨森正是一位磨镜片的工人。他的显微镜由透镜组合而成,把两片凸透镜和两片凹透镜各组成一对,凸透镜作为物镜(靠近物体一方的透镜),凹透镜作为目镜(靠近眼睛一方的透镜)。这是一台很大的显微镜,镜筒的直径有五厘米多,长度有四十几厘米。不过这台显微镜的效果并不是很好,影像歪斜不清,也不能聚光以便清楚地观看物体。

早期显微镜镜片所用的玻璃质量不佳,玻璃里含有气泡,玻璃表面也不光滑,用这种显微镜放大的物体看上去有点模糊。如果使用倍数更大的显微镜来进一步放大物体,物体就变得更加模糊,结果什么也看不清楚。正是因为这个原因,人们往往认为观察微小物体放大镜就够了,显微镜并不比放大镜优越。

英国物理学家胡克在1肋年前后,对显微镜发生了兴趣,亲自制作了一台显微镜,他用这台显微镜,发现了软木的软组织(他给软组织取名为“细胞”,其实他看到的并不是真正的细胞,而是软组织的纤维结构),并且清楚地观察到了蜜蜂的小刺、鸟羽的细微构造等微小物体。他的显微镜使用了两片凸透镜,原理和现在的显微镜相同。另外,胡克还想出了在物镜下面另外安装凸透镜,用以聚光照亮被观察物体的方法,为了提高放大倍率,胡克进一步使用了近于球形的凸透镜。他的显微镜能清楚地观察以前看不到的微小的物体,例如跳蚤的头部和脚部,所以当时显微镜有一个外号,叫跳蚤镜。1665年胡克写了一本书,名叫《显微图谱》,里面有他根据大量观察所做的素描,显微镜也因此受到科学界的重视。

把显微镜推上科学舞台的科学家中,还有一位叫列文虎克,他也是荷兰人。他把玻璃棒的端部熔化后拉成线状,然后进一步加热做成球形,再把它磨成透镜。他要求玻璃里面一点也不含气泡,玻璃表面必须磨制得非常光滑均匀。他在1671年磨成的第一块透镜尽管直径只有1/8英寸(约3毫米),但当他通过透镜观察物体时,却发现物体几乎放大了200倍,而且十分清晰。他把透镜放在支架上,做成了一具放大镜。后来又加上一块透镜,放大的倍数更大了,这就构成了显微镜。显微镜在当时已经不是什么新鲜事物,但别人都是把镜片拼凑在一起当作玩物,而列文虎克却有自己的崇高目的,他想用这台新仪器观察看不见的世界。

列文虎克用他的显微镜观察各种小东西,从牙垢到沟中的污水,都成了他的观察对象。他记下了肌肉、皮肤、毛发和牙质的精细结构。从1673年开始,他用荷兰文给英国皇家学会不断写信,报告他的观察实验记录,有时一封信就像是一本小书,他的第一封信就用了一个很长的题目:“列文虎克用自制的显微镜观察皮肤、肉类以及蜜蜂和其他虫类的若干记录”。当时英国皇家学会对这位无名之辈的报告不很重视,直到1677年按照列文虎克的说法制成了同样大小的透镜和显微镜,证实列文虎克的观察结果之后,才引起了人们的注意。

列文虎克的一系列发现,在生物学史上开辟了一个新的研究领域,这个领域就是微生物学。有了光学显微镜,我们就可以观察到肉眼看不见的细胞,也正是光学显微镜的诞生导致了细胞的发现;从而使人们对自然界的认识发生了一个极大的飞跃。

可是人类要想看比细胞还小的结构,使用光学显微镜就不行了。

为了增加显微镜的放大倍数,在相当长一段时间内,不少人都在玻璃的材料和磨削工艺的改进上动脑筋。但后来发现,如果被观察的物体小于光波波长的1/2时,光线射到它们身上时就会绕过去成不了像。我们知道,光学显微镜是用可见光作为光源的,其波长约为400~770纳米,因此当被观察的物体小于200纳米时,光学显微镜就无能为力了——放大倍数限制在2000倍左右。

所以,要观察更小的物体,就得另外找到一种比可见光的波长更短的光线才行。早在20世纪20年代,法国科学家德布罗义就发现电子束也具有波动性质。所谓电子束,就是许多电子集合在一起,并且以很高的速度向着一个方向运动。进一步的研究表呀,电子束的波长远比可见光的波长短,还不到1纳米。于是,科学家们很自然地想到,如果显微镜用电子束代替可见光做光源,它的分辨能力肯定可以大大提高。

根据这一思路,科学家们终于在1932年研制成功了一种新的显微镜——电子显微镜。在电子显微镜内部,特制一个空心的强力线圈——磁透镜,它相当于光学显微镜中的玻璃透镜,但是,镜筒必须抽成高度真空。同时,由于人眼无法直接看见电子束,因而必须通过荧光屏或照相机的转换。经过不断改进,目前电子显微镜的最高分辨能力已达0.2~0.3纳米,与原子大小差不多了。放大倍数约为30万~40万倍,一根头发丝可以放大到一座礼堂那么大;如果增加磁透镜个数,放大倍数更可高达80万~100万倍。电子显微镜的发明帮助人类进一步打开了微观世界的大门,人们可以看到更小的东西了,包括细胞内各种组成成分,以及只有几十纳米大小的病毒。

电子显微镜虽然威力巨大,可是它的体积往往也很大,价格也非常昂贵,操作很繁琐。有没有可能制造出更加简单有效的显微镜呢?扫描隧道显微镜的发明解决了前面的问题。

扫描隧道显微镜是IBM瑞士苏黎世研究所的宾尼和罗雷尔于1982年发明的。

宾尼1947年7月出生于德国的法兰克福。其时正值第二次世界大战结束不久,他和小伙伴们常常在废墟中做游戏,当时他并不懂得为什么建筑物会变成那个样子。10岁时,尽管他对物理还不太了解,但已决心要当一名物理学家,等到在学校里真正学到物理时,他大概有点怀疑这一选择了。少年时代的宾尼是一个音乐爱好者,他母亲很早就教他古典音乐,15岁时开始拉小提琴,而且还参加过学校的管弦乐队。

10多年后,当宾尼开始做毕业论文时,才真正感受到物理学的魅力,认识到做物理工作比学习物理更有乐趣他深切地体会到,“做”是“学”的正确途径,在“做”中“学”才能获得真知和乐趣。

1978年,宾尼在法兰克福大学获博士学位。他在做博士论文时参加马丁森教授的研究组,指导教师是赫尼希博士。宾尼对马丁森教授非常佩服,这位教授很善于抓住和表述科学问题的实质。赫尼希博士指导他做实验,非常耐心。

在他的妻子瓦格勒的劝说下,宾尼在完成博士论文后,接受了IBM公司苏黎世研究实验室的聘任,参加那里的一个物理小组。这是非常重要的决定,因为在那里宾尼遇到了罗雷尔。

罗雷尔1933年6月6日出生于瑞士的布克斯,1949年全家迁往苏黎世。他对物理学的倾倒完全属于偶然,因为他原来喜欢古典语文和自然,只是在向瑞士联邦工业大学注册时才决定主修物理。他在学校的4年中受到一些著名教授的指导。1955年,他开始做博士论文,罗雷尔在实验中要用到非常灵敏的机械传感器,往往要在夜深人静时工作。他不辞辛苦,非常勤奋,4年的研究生生活使罗雷尔得到了很好的锻炼。

1961年起,罗雷尔到美国的拉特格斯大学做了两年博士,1963年他回到瑞士,在IBM研究实验室工作。从20世纪70年代末开始他从事反磁体研究,并在研究组组长米勒的鼓励下研究临界现象。此后,他开始与宾尼合作,从70年代末起,一直致力于研制扫描隧道显微镜,这种显微镜就是利用量子力学里面的隧道效应制作的。

1981年,宾尼和罗雷尔等人用铂做了一个电极,用腐蚀得很尖的钨针尖作为另一电极,在两电极间小于2纳米的距离以内,改变钨针尖与铂片之间的距离,测量隧道电流随之产生的变化。结果表明,隧道电流和隧道电阻对隧道间隙的变化非常敏感,隧道间隙即使只变化0.1纳米,也能引起隧道电流的显著变化。

一个非常光滑的样品平面,从微观来看,是由原子按一定规律排列起来的。如果用一根很尖的探针(如钨针),在距离该表面十分之几纳米的高度上平行于表面进行扫描,那么,由于每个原子都有一定大小,在扫描过程中隧道间隙就会随探针位置的不同而不同,流过探针的隧道电流也就随之而不同,即使是百分之几纳米的高度变化,也能在隧道电流上反映出来。利用一台与扫描探针同步的记录仪,将隧道电流的变化记录下来,即可得到分辨率为百分之几纳米的扫描隧道显微镜图像。

扫描隧道显微镜的发明解开了物理学中的很多问题,使两位科学家获得了1986年的诺贝尔物理学奖,从扫描隧道显微镜的发明到两位科学家因此获得诺贝尔奖,仅仅用了4年的时间,这在诺贝尔奖的历史上是非常罕见的。

扫描隧道显微镜从诞生、发展到现在,还不到20年,它正以旺盛的生命力茁壮成长。继扫描隧道显微镜之后,又有一批根据同一工作原理派生出来的,其他类型的显微镜相继问世,如原子力显微镜(用于非导电材料)、光子扫描隧道显微镜(运用光子隧道效应),弹道电子发射电子显微镜(能够在纳米尺度上无损探测表面)、摩擦力显微镜(用于纳米尺度上摩擦舟的研究)、磁力显微镜(探测样品磁特性的有力工具)、分子力显微镜、扫描离子电导显微镜、扫描热显微镜等等,总数达十几种之多。人们还进而实现了原子的操纵和加工,用电子的撞击使原子按人的意志做有序的移动或移植,1990年IBM公司的研究人员利用扫描隧道显微镜,把铁原子重新排列成了汉字“原子”的字样。这些进展充分显示了扫描隧道显微镜蓬勃发展的势头和巨大的影响力。

从光学显微镜到电子显微镜,又从电子显微镜到扫描隧道显微镜,一步一步走下去,人们正通向微观世界的幽深处;科学的视野越来越宽广,人类驾驭自然的能力也越来越强,人类在微小世界中将会有更多的发现。

纳米的特性

假如给你一块橡皮,你把它切成两半,那么它就会增加露在外面的表面,假如你不断地分割下去,那么这些小橡皮总的表面积就会不断增大,表面积增大,那么露在外面的原子也会增加。如果我们把一块物体切到只有几纳米的大小,那么一克这样的物质所拥有的表面积就有几百平方米,就像一个篮球场那么大。随着粒子的减小,有更多的原子分布到了表面,据估算当粒子的直径为10纳米时,约有20%的原子裸露在表面。而平常我们接触到的物体表面,原子所占比例还不到万分之一。当粒子的直径继续减小时,表面原子所占的分数还会继续增大。如此看来,纳米粒子真是敞开了胸怀,不像我们所看到的宏观物体那样,把大部分原子都包裹在内部。

正是由于纳米粒子敞开了胸怀,才使得它具有了各种各样的特殊性质。我们知道原子之间相互连接靠的是化学键,表面的原子由于没能和足够的原子连接,所以它们很不稳定,具有很高的活性。用高倍率电子显微镜对金的纳米粒子进行电视摄像,观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状,它既不同于一般固体,也不同于液体;在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化和燃烧。如果要防止自燃,可采用表面包覆或者有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层。

概括一下,纳米颗粒具有如下一些的特殊性质一光学性质

纳米粒子的粒径(10~100纳米)小于光波的波长,因此将与入射光产生复杂的交互作用。纳米材料因其光吸收率大的特点,可应用于红外线感测材料。当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于1%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性,可以将纳米粒子制成光热、光电等转换材料,从而高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外,又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。热学性质

固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点往往是固定的,超细微化后,却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如,金的常规熔点为1064℃,当颗粒尺寸减小到10纳米时,熔点则降低27℃,2纳米时的熔点仅为327℃左右;银的常规熔点为670℃,而超微银颗粒的熔点则可低于100℃。因此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。采用超细银粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具有高质量。日本川崎制铁公司采用0.1~1微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如,在钨颗粒中附加0.1%~0.5%重量比的超微镍颗粒后,可使烧结温度从3000℃降低到1200~1300℃,以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。磁学性质

人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘,生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明,在趋磁细菌体内通常含有直径约为2纳米的磁性氧化物颗粒。这些纳米磁性颗粒的磁性要比普通的磁铁强很多。生物学家研究指出,现在只能“横行”的螃蟹,在很多年前也是可以前后运动的。亿万年前螃蟹的祖先就是靠着体内的几颗磁性纳米微粒走南闯北、前进后退、行走自如,后来地球的磁极发生了多次倒转,使螃蟹体内的小磁粒失去了正常的定向作用,使它失去了前后进退的功能,螃蟹就只能横行了。力学性质

陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件下很容易迁移,因此纳米陶瓷材料能表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。至于金属一陶瓷等复合纳米材料,则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。

纳米的另一种属性

平常我们接触到的是宏观世界,在宏观世界里,一些量子力学的现象是表现不出来的,或者我们根本察觉不到。然而,进入纳米尺度情况可就不一样了,一系列量子力学的古怪现象纷纷跑出来展示自己。

在现实生活中,我们知道金属能够导电,是导体,可是到了纳米世界,它们却可能变成非导体。而原来的一些绝缘体却变成了导体。宏观世界里的金属绝大多数都有金属光泽,可是变成纳米颗粒,那么它们就都成了黑色。看来世界真是很奇妙。

我们知道金属能够导电,靠的是物质内部电子的运动,大量电子的定向运动就产生了电流。如果把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内,或者在一根非常细的短金属线内,线的宽度只有几个纳米,会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制,电子运动的能量被量子化了,结果在金属颗粒的两端加上电压后,电压合适时,金属颗粒导电;而电压不合适时,金属颗粒不导电。这样一来,原本在宏观世界内奉为经典的计算电阻的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。还有一种奇怪的现象,当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时,金属颗粒具有了负电性,它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内,切断了电流的连续性。这也使得人们想到是否可以发展出用一个电子来控制的电子器件,即所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小,一旦实现,并把它们集成起来做成计算机芯片,计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而,事情可不是像人们所设想的那么简单,起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战。实际上,被囚禁的电子可不那么“老实”,按照量子力学的规律,有时它可以穿过“监狱”的墙壁逃逸出来,一方面新一代单电子器件芯片中似乎不用连线就可以相互关联在一起,另一方面芯片的动作却会不可控制。所以,尽管单电子器件已经在实验室里得以实现,但是真的要用在工业上,还需要一段时间。

被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献,是会使材料发出强光。利用纳米技术制造的新激光器,发光的强度高,驱动它们发光的电压低,可发生蓝光和绿光,用于读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者,如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存贮数据,制成量子磁盘,存贮量可提高成千上万倍,会给信息存贮的技术带来一场革命。

新的材料战争

目前,纳米技术广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯。科学家为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图:纳米电子学将使量子元件代替微电子器件,巨型计算机能装入我们的口袋里;通过纳米化,易碎的陶瓷可以变成韧性的,成为一种重要的材料,用它做成的装甲车重量轻,并可以抵御射来的炮弹;世界上还将出现1微米以下的机器,甚至机器人;纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径。

科学家相信纳米技术未来的应用将远远超过计算机技术,并成为未来信息时代的核心。纳米技术异军突起,受到全世界的关注,世界各主要国家均把纳米科技当作在未来最有可能取得突破的科学和工程领域。下面就让我们看看,世界各国如何开始进行这场没有硝烟的纳米技术争夺战的。

1991年,美国正式把纳米技术列入“国家关键技术”和“2005年的战略技术”,并指出:对先进的纳米技术的研究,可能导致纳米机械装置和传感器的产生……纳米技术的发展可能使许多领域产生突破性进展。

1996年,以美国国家科学基金会为首的十几个政府部门联合出资,委托世界技术评估中心对“纳米结构的科学和技术”的研究开发现状和发展趋势进行调研。为此,该中心成立了一个8人小组,自1996~1998年调查研究了3年,除了在美国国内调查之外,该专家组还走访了西欧、日本和我国台湾的42所大学、工业公司和国家实验室。专家们得到了两个重要发现:一是以纳米技术制成的材料,可以得到全新的性能;二是纳米技术涉及的学科范围极广,许多新的发现都是在各学科的交叉点上。该小组的调查结果还发现了两个引起美国重视的问题:一是在纳米技术研究经费方面政府的投入,1997年各国财政投入就接近5亿美元,其中西欧为1.28亿美元,日本为1.2亿美元,美国为1.16亿美元,而其他各国和地区总计才0.7亿美元,即美国在这方面的投资落后于西欧和日本;二是美、日、欧在纳米技术方面的实力竞争中,美国仅在合成、化学制品和生物学方面领先,而在纳米器件、纳米仪器设备、超精密工程、陶瓷和其他结构材料方面相对滞后,日本在纳米器件和强化纳米结构方面有优势,欧洲在分散物、涂层和新仪器方面较强,同时日本、德国、英国、瑞典、瑞士等正在纳米技术的一些特定领域建立了优秀的纳米技术中心。

1998年4月,美国总统科技顾问莱思说:“如果我被问及明日最能产生突破的一个科技领域,我将指出这是纳米科学和技术。”

1999年1月,美国国家科学基金会发表了一个声明,指出:“当我们进入21世纪的时候,纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响,至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人工合成聚合物那样。”“纳米技术将与信息技术和生物技术一样,对21世纪经济、国防和社会产生重大影响,并可能引导下一场工业革命。”“70年代重视微米技术的国家如今都成为发达国家,现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪的先进国家。”“纳米技术未来的应用将远远超过计算机工业。”“纳米技术将对人类产生深远的影响,甚至改变人们的传统思维方式和生活方式。”

美国《商业周刊》将纳米技术列为21世纪可能取得重要突破的领域之一。

鉴于纳米技术的重要性,为了确保21世纪前半个世纪美国在经济方面的领导地位和国家的安全,美国政府认为是行动的时候了。美国国家科技委员会在上述调研的基础上,拟定了“国家纳米技术计划(NNI)”。

美国国家纳米技术计划(NNI)的“能源”项目中列出了8项优先研究项目,其中6项是关于纳米材料的。

2000年1月,美国总统克林顿在加州理工学院正式宣布了美国的国家纳米技术计划(NNI),并在2001年财政年度计划中增加科技支出26亿美元,其中近5亿美元用于发展纳米技术。克林顿说:“我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技术计划,即在原子和分子水平上操纵物质的能力,价值为5亿美元。试设想一下这些纳米材料将10倍于钢的强度而重量只有其几分之一;国会图书馆内所有信息可以压缩在一块拇指大的硅片上;当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们的某些目标可能需要20年或更长的时间才能达到,但这恰恰是为什么联邦政府要在此起重要作用的原因。”

对于纳米技术的前途和地位问题,美国政府的结论是:众所周知,集成电路的发明创造了“硅时代”和“信息时代”,而纳米技术在总体上对社会的冲击将远远比集成电路大得多,它不仅应用在电子学方面,还可以用到其他很多方面。有效的产品性能改进和制造业方面的发展,将在21世纪引起许多领域的产业革命。因此,应把纳米技术放在科学技术的最优先地位。据说,克林顿宣布的美国国家纳米技术计划中原来还有一个副标题:“领导下一次工业革命。”这就是美国真正的动机、目标和野心——试图像微电子那样也在纳米技术这一领域独占老大地位。为此,美国还成立了一个纳米科学技术工程协作小组,该小组由物理学家、化学家、生物学家和工程师组成并准备成立10个纳米中心,目标是尽快将纳米技术这一可行性变成现实。

日本早在20世纪80年代初就斥巨资资助纳米技术研究。从1991年起又实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制定的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术有关。在21世纪刚刚到来的时候,鉴于美国政府把纳米技术列为国家技术发展战略目标,日本政府不会忘记20世纪美国在信息高速公路发展中表现出的战略眼光,这一历史教训迫使日本政府把纳米技术作为今后日本科研的新重点,投入研究开发经费约3.1亿美元,并设立了专门的纳米材料研究中心,力争在这一高新技术领域中不落后于美国。日本决定从2001年起,开始实行政府、工厂、学校联合攻关的方法加速开发这一高新技术。在未来5年科技基本计划中,把以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通讯、环境保护并列为4大重点发展领域。研究重点是纳米级材料的制造技术和功能,通讯用高速度、高密度的电子元件和光存储器等。日本的目的是组建“世界材料中心”,以提高其材料技术的国际竞争力,主要开展无机材料特别是陶瓷材料技术的研究和开发——“因为纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。

在欧洲,德国于1993年就提出了今后10年重点发展的9个关键技术领域,其中4个领域就涉及纳米技术。最近,德国以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心,政府每年出资6500万美元支持微型技术的研究和开发。德国还拟建立或改组6个政府与企业联合的研发中心,并启动国家级的纳米技术研究计划。已取得的重大成果有纳米秤、原子激光束等。

英国在20世纪90年代初期就已先后实施了三项有关纳米技术的研究计划,现在有上千家公司、30多所大学、7个研究中心积极进行纳米技术的应用开发,主要进行纳米技术在机械、光学、电子学等领域的应用研究。

法国最近决定投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6万平方米、拥有3500人的微米/纳米技术发展中心,配备最先进的仪器和超净室,并成立微米/纳米技术之家。

欧盟从1998年开始正式执行第5个框架计划,材料技术仍然是其中主要的领域之一,总投入约5.4亿欧元。提出了用纳米技术改变材料的生产工艺,提高材料和产品的性能,扩大其应用领域。到目前为止,欧洲已有50所大学、100个国家级研究机构在开展纳米技术的研究。过去10年,西方发达国家纳米科技领域的投资以年均25%的速度增长,总投资达100亿美元。

环球同此凉热,从大西洋到太平洋,从美国到日本再到欧洲,各国都不甘心在纳米技术研究领域落后,纷纷投入巨资进行研究。我国也不能落在别国的后边,科技人员在纳米技术的研究中做出了不少出色的工作。

其实,我国对纳米科技的重要性早就有所认识,想方设法从经费上给予了一定的支持。从各种科研计划到相关的重点、重大项目,政府都给与很大的资金支持,尽管如此,我国通过这些项目对纳米科技领域资助的总经费才约相当于700万美元,与发达国家相比,投入经费相差很大。

我国拥有一支比较精干的纳米科研队伍,他们主要集中于中科院和国内一批知名高校;我国的研究力量主要是纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及极少数纳米技术的应用等方面。特别是在纳米材料方面获得了重要的进展,并引起了国际上的关注。1993年,中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国进入国际纳米技术前沿。1998年。清华大学范守善小组在国际上首次制备出直径3~50纳米、长度达微米级的发蓝光氮化镓半导体的一维纳米棒。不久,中科院物理所解思深小组合成了当时世界上最长(达3纳米)、直径最小(0.5纳米)的“超级纤维”纳米碳管。1999年,中科院金属所成会明制备了高质量的半壁纳米碳管,并测定了其储氢容量。2000年,中科院金属所卢柯在国际首次发现纳米晶体铜的室温延展超塑性,纳米晶体铜在室温下竟然可拉伸50倍而不断裂。1995年,德国科技部对各国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中,认为我国在纳米材料方面与法国同列为第5等级,前4个等级依次为日本、德国、美国、英国和北欧。

我国科学家已经研制出迄今世界上信息存储密度最高的有机材料,将信息存储点的直径缩小到了0.6纳米,从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”,保持了从1996年起就占据的国际领先地位。信息存储、传输和处理将是提高社会整体发展水平最重要的保障条件之一,也是世界各国高技术竞争的焦点之一。目前,各发达国家都已投人大量人力财力开展超高密度、超快速数据存储技术的研究。但即使是目前国际最高水平,信息存储点的直径也仅有6纳米,和我国相比落后了一个数量级。

材料是超高密度信息存储的关键。经过对数十种有机材料的反复筛选和实验,中国科学院物理研究所高鸿钧研究员领导的研究小组,设计出有特色的电荷转移有机功能分子体系作为信息存储的介质,利用体系的特性成功实现了超高密度信息存储,显示出在分子尺度上存储时具有稳定性、重复性和可擦除性好的独特优点。研究小组将信息存储点的直径减小到1纳米左右,并可对信息点进行反复擦除。

高鸿钧说:“这项技术要做到商品化、产业化还需要15年左右的时间。我们仍将继续寻找更为合适的材料,像硅那样对电子技术产生革命性影响。”

但由于科研条件的限制,我国的研究工作只能集中在一些硬件条件要求不太高的领域,属世界首创的、具有独立知识产权的成果还很少。在纳米产业方面,国内外都还处于起步阶段。我国已经建立10多条纳米材料生产线,涉及纳米科技的企业达到102家。我国在纳米科技领域的总体上与发达国家仍然存在很大差距,尤其是在纳米器件研制方面,这将对我国未来纳米产业参与世界竞争极为不利。抓住机遇,迎头赶上,才能使我国在国际纳米技术领域的竞争中占有一席之地。

纳米机器

分子马达

要想获得微观世界里的可以装配原子的机器,首先我们需要造出它的各个零部件。这一点和我们日常生活中所见到的机器的制造没有太大的区别,只不过这回我们要制造的部件要小得多。

平常我们见到的很多机器都有齿轮,我们能不能造出纳米尺度的齿轮呢?据海外媒体报道,日本东京大学已经研制成功了世界上第一个可自动控制转速的分子齿轮。

据介绍,这种分子齿轮的结构是在两个直径约为1纳米的卟啉分子中间夹一个直径约为0.1纳米的金属离子。卟啉分子主要存在于植物的叶绿素中。将卟啉分子和金属离子放人一种溶液中,并在特定的条件下将这种溶液加热,就可以制成分子齿轮。

日本专家介绍说,如果要达到实用化的目的,就必须将多个单独旋转分子齿轮结合起来,组成一个力的传动系统。因此,研究小组必须进一步研究分子齿轮的组合技术。

要想让我们得到的小机器能够工作,必须给它提供动力,这就需要制造一个小马达——分子马达。两位旅美中国学者已经在分子马达研究领域取得新的突破,首次利用单个DNA分子制成了分子马达。这一成果使得纳米器件向实用化方面又迈进了一步。

科学家曾经利用多个DNA分子制造出了分子马达,但这些马达存在着效率不高、难以控制的缺陷。美国佛罗里达大学教授谭蔚泓和助理研究员李建伟新研制出的分子马达,采用的是人工合成的单个杂交DNA分子。这种分子在一种生物环境中处于紧凑状态,但在生物环境发生变化后,又会变得松弛。谭蔚泓和李建伟进行的实验证实,采用这一原理制造出的单DNA分子马达具有非常强的工作能力,可以像一条虫子一样伸展和卷曲,实现生物反应能向机械能的转变。谭蔚泓等的成果已经在美国《纳米通讯》杂志上发表。“在紧凑和松弛这两个状态之间进行变化,使得分子可以做功,从而可以把一些小物体从一个地方搬运到另一个地方。”谭蔚泓接受新华社记者采访时解释说。他认为,这一特性使得“分子马达可以为未来的纳米器件提供一种能量源泉”。

DNA是生物遗传物质的载体。DNA分子马达的优点是可以直接将生物体的生物化学能转换成机械熊,而不像通常意义上的马达需要电力。因此,从理论吐说,DNA分子马达可以借助一些生物化学变化而进行药物和基因等的传递,比如说,将药物分子直接输送至癌细胞的细胞膜。与多分子DNA马达相比,单DNA分子马达应用起来更为方便。谭蔚泓等的研究成果使得分子马达离实际应用更近。

研究人员指出,他们采用人工合成的单DNA分子来制造分子马达还有一个好处,即可以根据不同要求而有针对性地设计出DNA分子,使制造出的马达具备各种性能。他说:“这些马达可以有不同的效率,并且可能从而把物体搬运到更远的距离。”

现在还很难预测分子量级的马达什么时候能真正投入实用。科研人员的下一步目标,是要让单DNA分子马达真正移动一个微小物体,并进一步提高其工作效率。

此外,康奈尔大学的科学家把一些镍制螺旋桨安装在400个分子马达的中轴上。当把这些马达浸入三磷酸腺苷溶液中时,有395个马达没有动静,但是有5个开始旋转,使螺旋桨能够以每秒钟8转的速度旋转。该大学生物工程教授卡洛·蒙泰马尼奥说:“这是一台真正的纳米机器。”

由于这台马达也是从给细胞提供能量的分子中获得能量,所以蒙泰马尼奥教授认为有朝一日科学家也许能够制造出比细菌还小的机器人。这类机器人将能够修复细胞损伤,制造药物并且攻击癌细胞。

这些螺旋桨的长度为750纳米,这使研究人员能够用摄像机拍摄下螺旋桨的旋转。在一段录像中能够看到一粒尘埃被吸人螺旋桨中,后来又被打了出来。

研究人员说:“今天是螺旋桨,明天我们就能把其他的东西安装在马达上。这项技术现在正朝着实用的方向发展,这为制造在细胞中运转的机器打开了大门。它将使我们把设计好的装置与生命系统融合起来。”《科学》杂志还描述了另外一种微观运动:一块锡在化学。力的推动下,像变形虫一样在铜的表面四处游走,留下一条由铜的合金组成的纤细轨迹。

桑迪亚国家实验所的诺曼·巴特尔特博士说:“锡块仿佛活了一样,在铜的表面到处找食吃。它会运动到光洁的区域,吃下表层的铜原子同时吐出以合金形式存在的铜原子。在微观世界中这种没有生命的系统竟然能够模仿生命系统真是令人感到惊奇。”

附在这篇研究报告后的评论说,实验中锡块的运动可以看成一种新的纳米马达,这个马达把化学能转化成机械能的效率大致与汽车的效率相当。

康奈尔大学的研究工作把几年来纳米技术研究的两个方向结合了起来。正如电子工程师把越来越小的晶体管刻到芯片上一样,纳米技术科学家也造出了越来越薄的雕刻晶,其中包括杠杆、柱子、悬空的电线和宽度为100个硅原子的一个吉他模型。但是,如果没有办法使它们运动,这些结构充其量也只能算微型艺术晶。

美国哈佛大学前不久研制出一种新型的微型工具,它成功地抓住了直径约500纳米的聚苯乙烯原子团,人们称它为纳米镊子。

这种镊子终有一天将成为微细工程的得力工具,如用来拨弄生物细胞,制造纳米机械,进行显微外科手术,也可以从大量缠住的导线上取下20纳米线宽的半导体导线等等。这种镊子的工作端是一对由电控制的纳米碳管。由于纳米碳管不仅强度高,而且导电性好,因此也可用于测量,例如测量纳米组织的电阻。

以前,日本科学家曾研制出一对化学镊子,也能一次夹起一个分子。但这种化学镊子只能识别和紧紧夹住特定的分子即糖分子,对其他分子则“无能为力”。而哈佛大学的这种镊子则可以夹住任何分子。

如果有一种超微型镊子,能够钳起分子或原子并对它们随意组合,制造纳米机械就容易多了。将来这种镊子还可以成为纳米机械的一个组成部分。科学家的最新研究成果是,用DNA制造出了一种纳米级的镊子。

能搬动原子的机器

平常我们看到一辆卡车,它能装运几十吨的货物,远远超过了我们人类所能达到的力量。正是有了各种大型机械,我们人类才能开山洞、筑大坝、架大桥、建高楼,才能有我们今天丰富多彩的物质文明。可是这些机器尽管力量很大,它们也有不足。如果你让这些机器每次搬运几个原子它们可能无法做到,因为它们本身比原子大得太多了。然而,蓬勃发展的纳米技术正在努力建造这样的机器。

你可曾想过利用纳米机器将可以一次一个原子地制作钻石吗?从表面上看,这样的说法不现实:某一项技术的用途多得令人难以置信,它可以治疗疾病,延缓衰老,清除体内废物,增加人类的食品供应,分解各种废物,为你打扫房间,消灭害虫。而且,这只是开始。然而这恰恰就是纳米技术支持者预测能够实现的现实,甚至是可能在21世纪上半叶结束之前就变成现实的预言。

尽管有关纳米技术的想法听起来很难理解,但它确实属于主流科学,遍布全世界的实验室都在设法使其发挥作用。事实上,早在1959年,被认为是爱因斯坦之后拥有最高智慧的理论物理学家理查德·费曼发表了一个题为《底部有很大空间》的谈话,在谈话中他提到也许有一天人们会造出几千个原子组成的微型工具。

这样一台机器的好处有很多。它可以使用分子甚至是单个原子作为基本构件,建设规模最小的建筑工程。这就意味着人类可以从零开始制造几乎任何东西。因为化学和生物学说到底就是分子结构的改变和原子重排,而制造只不过是聚集大量原子并使它们组成有用物品的过程。

事实上,每个细胞都是活生生的纳米机器的例子。它们不仅可以将养分转变成能量,还能根据DNA上的信息制造并输出蛋白质和酶。

但是,由于细胞各自具有固有的功能,使用生物技术制造纳米机器很受限制。而纳米技术的预测者们却有许多雄心勃勃的想法。设想中的一种纳米机器可以把天然碳分子逐个排列,制成完美无缺的钻石;另一种机器可将有毒物质的分子逐个分解;一种可以在人体血液中运动的装置,它能发现并分解血管壁上沉积的胆固醇:还有一种装置可将剪下的杂草改造成面包。事实上,世界上从电脑到汽车的每一件实物都是由分子或原子组成的,而纳米机器原则上可以制造出所有这些物品。

当然,从理论到实践是一个相当艰巨和困难的过程。但是,纳米科学家和工程师们已经证明,可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体,使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式,比例为百亿分之一的世界地图,或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微镜吉他。他们还设计了由几十个分子构成的微型齿轮和发动机。

纳米技术的专家期望在25年内超越这些科学的预测,制造出真正的、实用的纳米机器,这些机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何寻找、如何改造所需原材料的微型电脑。这些手指完全可以由碳纳米管制成。碳纳米管是1991年发现的一种管状的碳结构,其强度是钢的100倍,直径只有头发的5万分之一。

纳米机器中电脑也可以由纳米管制成,纳米管既可以用做晶体管,也可以用做接晶体管的导线。电脑也可以由DNA制成,通过改变这些DNA的结构,可以使其执行人为的指令。如果配备了适当的软件,并具备充分的灵活性,纳米机器人可以制造任何东西。纳米机器人

我们平时常见的机器和工具,最小能够达到的程度,是以我们的肉眼可以看见的外形为依据的。1986年,美国福赛特研究所的德雷克斯勒博士在自己的著作《创世的引擎》中提出了分子纳米技术的概念。他所说的分子纳米技术,就是使组合分子的机器实用化;从而可以任意组合所有种类的分子,并可以做出任何种类的分子结构。仅就他提倡的分子纳米技术来说,其后并未取得重大进展。他的观点是,微型机器可以利用自然界中存在的所有廉价材料制造任何东西。这种观点在专家的议论中出现,显得太离奇了。但从另一个角度看,他却揭示了一个人类在21世纪中将会大规模进军的领域——微观机器人领域。

自机器人间世以来,人们已一致公认机器人是“解放人类的工具”。那么,什么样的机器才称得上是机器人呢?一般说来,机器人是指靠自身动力并有控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

机器人是一个总称,它种类繁多,按发展过程可以分为三代;第一代指只有“手”的机器人,以固定程序或可编程序工作,不具有外界信息的反馈。这种机器人也称“示教再现型”机器人。第二代对外界信息有反馈能力,具有触觉、视觉、听觉等功能,叫“感觉型”机器人,又称“适应型”机器人。第三代具有高度的适应性,有自行进行学习、推理、决策、规划等功能,这种机器人被称为“智能型”机器人。

微型机器人又称为“明天的机器人”,它是机器人研究领域的一颗新星,它同智能机器人一起成为科学追求的目标。发展微型和超微型机器人的指导思想非常简单:某些工作若用一台结构庞大、价格昂贵的大型机器人去做,不如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去完成,这正如一大群蝗虫去“收割”一片庄稼,要比使用一台大型联合收割机快。微型机器人的发展依赖于微加工工艺、微传感器、微驱动器和微结构四个支柱。这四个方面的基础研究有三个阶段:器件开发阶段、部件开发阶段、装置和系统开发阶段。现已研制出直径20微米、长150微米的饺链连杆,200微米×200微米的滑块结构,以及微型的齿轮、曲柄、弹簧等。贝尔实验室已开发出一种直径为400微米的齿轮,在一张普通邮票上可以放6万个齿轮和其他微型器件。德国卡尔斯鲁核研究中心的微型机器人研究所,研究出一种新型微加工方法,这种方法是X射线深刻蚀、电铸和塑料膜铸的组合,深刻蚀厚度是。10~1000微米。

微型机器人的发展,是建立在大规模集成电路制造技术的基础上的。微驱动器、微传感器都是在集成电路技术基础上用标准的光刻和化学腐蚀技术制成的。不同的是集成电路大部分是二维刻蚀的,而微型机器人则完全是三维的。微型机器人和超微型机器人已逐步形成一个牵动众多领域向纵深发展的新兴学科。

微型机器人可以在原子级水平上工作。例如,外科医生能够遥控微型机器人做毫米级视网膜开刀手术,在眼球运动的条件下,进行切除弹性网膜或个别病理细胞,接通切断的神经,在病人体内或血管中穿行,发现癌细胞立即把它们杀死以及刮去主动脉上堆积的脂肪等。用微型机器人胃镜可以放进胃内对胃进行全面检查。

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