作者：郭子政,云国宏
出版社：清华大学出版社
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那么小，那么大：为什么我们需要纳米技术？试读：
前言
纳米世界，桃花流水，别有洞天。本书是关于纳米科学与技术的科普著作，试图从新的角度为读者展示纳米世界不同寻常的风景。全书共分为4章。第1章从具体例子出发，简单介绍纳米和纳米技术的概念。对于普通读者来说，纳米世界的第一印象就是“小”，但这种尺度上的减小究竟意味着什么，会带来哪些翻天覆地的变化则是这一章要重点阐述的。第2章说明纳米现象，即在纳米尺度上的材料到底发生了什么性质和规律上的变化。第3章是纳米技术的实际应用，包含了作者对纳米研究和应用本身的思考。第4章是对未来纳米技术发展的展望。
纳米如今已经走进人们的生活，纳米的许多关键技术关乎国计民生。本书面向所有对纳米技术感兴趣的读者，特别是一些正在大学学习的朋友，希望能为他们尽早接触纳米并能迅速扫盲发挥作用。为此，本书各章最后都设有深度阅读的内容，以引领他们进一步了解纳米科技研究的现状。作者2015年5月小到脱胎换骨游 弋作者：张晓娜、张泽这是Ag/SiOx纳米结构在扫描电镜下的形貌。“章鱼”的头部为“Ag/SiOx”的复合结构，表面为SiOx层，内部为Ag。“章鱼”的尾部为非晶SiOx纳米线，纳米线直径30纳米左右。照片来源：《首届国际纳米艺术展——科技让艺术灵动、艺术让科技生动》，苏州，2010年11月。1 其实金子是黑色的，还会穿“墙”
纳米是什么？纳米技术又是什么？回答这个问题其实很难。纳米技术不像数学、物理、化学那样，限制在某个领域，它涉及的只是一个尺度。1纳米等于10-9米，一根头发丝的直径大概为30000～50000纳米，所以根据图1-1你可以想象一下“1纳米”到底是多长，而且你很可能想不出来。当常态物质被加工到纳米尺度时，它们会表现出与大块物质或者原子、分子完全不同的性质。这种粒径在0.1～100纳米范围内的超微细材料，和相同组成的普通材料差异可太大了。图1-1 举例说明毫米至埃（Å）的尺度范围内存在的物质个体以及观察其所需的工具
最典型的例子可能就是黄金了。它天生一副富贵颜色，一直被用来代表皇家风范，但在纳米尺度下，严格地说，当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，就呈现出黑色了。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，颜色越黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。不知道你会不会因为你的铂金戒指可能会变成黑色而失望呢？不过这种纳米材料可不是用来做成首饰佩戴的，它们的特殊性质比起做首饰来可有用得多了。
因为金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，它们小到几微米（1微米＝1000纳米）的厚度时，基本上就不反光了。不反光，我们就看不到亮闪闪的戒指和项链，但是这个性质让多少科学家梦寐以求。因为利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能和电能。而红外敏感器件、红外隐身技术当然就更加需要把光彻底消除掉。1991年春的海湾战争中，美国F-117A型隐身战斗机外表所包覆的材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，可以欺骗雷达，达到隐形目的。一种材料足够微小的时候，作用却足够强大。
以前，当你听到“纳米级材料”的时候，可能只意识到它很细微，但是如此微小尺度的材料到底有什么不一样呢？现在你至少知道了一点，因为如此小，它们基本不反光，仅是这一点，就足以应用在各种领域了。除此之外，这些微小的材料还表现出电、磁、热、吸收、反射及生物活性等特性，具有抗菌、防污、保鲜、高强度、耐磨等功能，可以用在各种地方。
还是用金来举例吧，金这样的贵金属受热捧，除了其数量和颜色之外，最重要的原因之一就是其化学稳定性：在正常尺度下，金是出了名的“极不活泼的”金属之一，不易被氧化，也不易被腐蚀。常见铁生锈，银变黑，你的金首饰就永远没有这个后顾之忧。不过到了纳米尺寸，金会“性情大变”，除了变黑色，还表现出全新的、令人吃惊的化学、机械、电子和磁特性，而且这些特性根本不可能从正常的大尺度下推断或预测。
首先，金的结构会发生奇异变化。美国佐治亚理工学院的物理学家试着把仅有20个原子的金纳米簇吸附在氧化镁薄膜表面，然后外加一个电场。结果发现，金纳米簇从三维的金字塔结构变成了二维平面结构。当撤除电场或者改变电场方向时，金纳米簇又会变回三维金字塔结构。科学家认为，金在纳米尺度下的这种形态变化，是由于金纳米簇和氧化镁薄膜交界面处过量电荷积聚造成的。
在纳米尺度下，金的热学性能也发生变化。固态物质在其形态为大尺寸时，熔点是固定的，超细微化后其熔点会明显降低。当颗粒小于10纳米量级时，这种降低尤为显著。金的常规熔点为1064摄氏度，当颗粒尺寸减小到10纳米时，熔点降低了27摄氏度，当尺寸减小到2纳米时熔点仅为327摄氏度左右，也就是说，2纳米尺度的金颗粒，放在点燃的蜡烛的内焰旁边，就可以燃烧了。
纳米金还具有磁性，甚至发生“金属-绝缘体”转变现象。在一项实验中，科学家发现，在有氧条件下拉伸金纳米线也会有惊人表现。假如嵌入的是氧原子，金纳米线中的金原子能和旁边的氧原子之间形成磁矩，产生磁性。而且，这种氧原子的嵌入就像是为金纳米线添加了“橡皮筋”的特性，它能被拉伸得比正常情况下更长。在一定长度内，被拉伸的氧化的金纳米线仍能像纯金纳米线一样导电，但超过这一长度它就会变成绝缘体。氧化的金纳米线轻微收缩后，又能恢复导电性。这是科学家首次发现纳米尺度下的“金属-绝缘体”转化现象。这种新的特性，有可能用于开发纳米催化剂和控制“金属-绝缘体”转换的纳米开关。
魔术师刘谦曾表演过著名的魔术“斗转星移”，他可以让一枚硬币从在严丝合缝的杯子里“跑”出去，有点类似传说中的“穿墙术”。而纳米金的“穿墙术”却不是魔术，而是事实。
图1-2演示了这样的神奇过程。砷化铟（InAs）是制造激光器和各种探测器等的常用的半导体材料。如果将砷化铟和金制成一种稳定的结构：杂化结构，此时的砷化铟全都会规规矩矩地保持在各自的“岗位”上，其中砷化铟保持在核心位置，金则围绕在砷化铟核的表面，如图（a）所示。但此时，如果再加入含有金的另一种物质时，你会惊奇地发现，原来稳定结构中的金居然“穿越”到砷化铟核的中间（如图（b）所示），而这只能发生在纳米的尺度上。图1-2 纳米金的“穿墙术”
HAuCl4除了正穿，纳米金还能表演逆穿。原本在硫化银（Ag2S）纳米球内部的纳米金，在溶液中陈化72小时后，纳米金就“不知不觉”地钻出来了。而且表面的金，不甘于分离，还会“熟”化成一个颗粒。图1-3是更复杂的结构铂-金-硫化银核壳结构中的纳米金的穿越过程。图1-3 铂-金-硫化银（Pt-Au-Ag2S）核壳结构中的纳米金的穿越过程示意图
为什么会出现这种穿墙术呢？因为在纳米尺度，原子都非常活跃，摆脱束缚，出现在其他位置的概率大大提高，大块材料不可能发生的事情，在纳米尺度就有了可能。这种穿墙现象其实是原子的一种扩散现象造成的。
一旦我们深入再深入，有条件在如此小的尺度上观察和实验的时候，金这种金属就发生了这么多有趣的变化，现在你应该对“纳米和纳米材料”有了一些认识。当你下次听到新的纳米产品的时候，可以想一想，这种纳米产品有什么不一样的特质，这种产品又是怎么利用这种特质的。2 钻石不发光，还能用来治疗癌症
通过纳米金，我们看到了纳米材料的性质有多少不同。那么，坚硬而更加稳定的钻石呢？钻石也可以变成纳米级的材料吗？这种纳米技术又有什么样的难度呢？
钻石就是因为炫目的光芒，才得以成为永恒爱情的象征，但纳米材料小到一定尺度，就不反射可见光了，所以，你可以想见，纳米钻石可不会像你手上戴的钻石那么耀眼（图1-4）。钻石纳米钻石图1-4 钻石和纳米钻石“纳米钻石”的概念最早起源于科学家在太空陨石中发现的钻石结晶体。这些钻石结晶体的平均直径只有3纳米，所以，只有用电子显微镜观察才能发现。科学家们猜测，这些钻石可能是在太阳系外的太空中由于超新星爆发而形成的。质量大的恒星在走到生命尽头的时候，会产生超新2星爆发，并在飞散的气体中传导强烈的冲击波。就是在这样激烈的环境中，气体中的碳原子由于压力的作用，才结合成了纳米钻石。虽然这个猜想不容易证实，但形成纳米钻石需要高温高压的条件是确定无疑的，这就为人工合成纳米钻石提供了思路。
比如，根据这些条件人们发明了爆炸法（detonation method）。首先将石墨等碳材料包裹在TNT炸药外，然后利用废弃的矿坑实施爆炸。伴随着一声巨响，冲击波在高温高压的瞬间将松散的碳原子紧紧压缩成一团。再将没能成就为钻石的石墨、非晶相的碳清除掉，留给我们的就是坚硬但没有炫丽光芒如同尘埃一般的纳米钻石。
这时候，即便你在其中翻翻捡捡，也肯定认不出来哪些是钻石。所有东西都是黑乎乎的，跟灰尘一样，即使确认出钻石，又不能打造成爱情信物，它还有什么用处呢？实际上，纳米钻石具有优异的物理及化学特性，如高传热、高硬度、耐酸碱等特性，另外它的光谱特性也非比寻常。这些特性使得它在生物医学应用上大有用武之地。
美国科学家的研究证明，纳米钻石颗粒可以作为药物导弹被用来向癌细胞传输化疗药物。与当前使用的药物传输系统不同的是，这种新型的纳米钻石颗粒药物传输系统不会产生副作用。一系列的基因研究已经证实，首先，纳米钻石颗粒不会引起细胞炎症，因为一旦药物被释放出来，所留下的就仅仅是钻石微粒而已。同时，纳米钻石颗粒在水中的溶解度也赋予了它在临床应用方面的新优势，而且它还可以用来治疗结核病或者病毒感染。看，这么小又不发光的钻石，作用可比戒指大多了。
纳米材料的特性，给了科学家更多、更宽广的空间来使用这些材料。当我们说到“纳米技术”的时候，要不就是使用了某种具体的纳米材料，要不就是在纳米尺度上发展出来的技术。不管是哪一种，都是具体而微的。如果你听到某些产品把纳米技术宣传得神乎其神，你可以多问一个问题：用了什么材料，什么特性？或者是什么技术？
举例来说，用于生物体，特别是人体的材料一般要求比较苛刻，首先它要具有生物相容性，另外当然还要无毒。一般认为纳米钻石、碳管这类碳组成的纳米材料具有比较好的生物兼容性。而且它们是无毒的，这就保证了临床医学的安全性。研究人员还发现，纳米钻石颗粒能够帮助大多数正常的细胞抵御化疗药物，使它们不致被杀死，因为这种纳米钻石颗粒集群只有在抵达目标细胞时才会缓慢释放药物，而它们所传输的药物，几乎是普通传输系统所能传输药物的5倍多。
除了在生物技术上的应用，现在和将来日常生活中用到纳米技术的时候也很多，而且可能超出你的想象。比如洗衣服，我们现在用的洗涤剂已经很先进了，经常可以听到“去除99％的污渍”，但有些污渍还是难以在较低温度下去除，为此我们有时候要把洗衣机的水温调到60～90摄氏度，这不仅烦琐而且格外耗能。
英国研究人员在最新的《应用材料与界面》杂志上报告说，纳米钻石可以帮助松动附着在服装材料表面的污渍，添加少量纳米钻石就可以提高洗涤剂的性能，在常温甚至低温下也可以去除顽固污渍。这听起来很奢侈啊，谁要用钻石来洗衣服啊？谁又洗得起呢？其实这里所说的纳米级别的钻石并不像你在珠宝店里看到的那么贵。研究人员说，纳米钻石目前价格约为每克30英镑（1英镑约合9.87元人民币），如果大规模投放市场可能降至5英镑以下。研究人员相信，将来消费者如果使用添加了纳米钻石的洗涤剂，每次洗衣成本仅增加约5便士（1英镑等于100便士），但却可以使低温洗衣更有效了。
除了使用黑色的纳米金来制作隐身飞机这种高大上的项目之外，科学家们也根据不同的纳米材料的特性，发展了许多能在衣食住行上发挥独特作用的纳米技术。比如广告里的“纳米冰箱”其实就是在主要部件中添加了纳米材料，加了纳米材料的内胆可以长效抗菌（持续15～20年），门封条能防霉防污，且质地柔软、手感细腻，门把手既抗菌又耐磨，等等。目前纳米材料的应用已经非常成熟，在冰箱的主要部件中添加或使用纳米材料并没有什么稀奇。所以不管是国防，还是家纺，你可能已经不自知地进入了纳米时代。
作为普通消费者，要想生活得更安心，更有技术含量，多了解一点纳米材料和纳米技术当然是必要的。你越了解它，你就越可以用成熟的心态来选择合适的日用品，大可不必被虚假广告诱惑，或者因为华丽的词汇而茫然。而且，纳米世界的神奇之处还不只是纳米金和纳米钻石而已，了解得越多，你就越有机会享受到纳米时代的便利。3 纳米尺度下，物理规律彻底变了吗？
既然纳米材料的应用取决于这些材料在这么小的尺度上性质的变化，它们的颜色也变了，硬度也变了，磁性也变了，对光和热的反应也变了，那么一个更根本的问题就是：我们耳熟能详的那些物理定律在纳米尺度下还成立吗？毕竟，就一般的认知来说，这个世界的存在就依赖于物理定律。
拿最基本的光和热来说，我们需要了解的是，在纳米尺度上，物质的热辐射行为还跟大尺度一样吗？
所有的物体在受热情况下都或多或少地发光（热辐射），如图1-5所示。所谓“铁烧红了”，用专业的语言来讲是说铁这种物质在高温下发出了红色的光。人体也是一样。物体发光的同时，还会反射照射到它表面的光。为了研究物体的发光，我们必须区分哪些光是它发出的光，哪些是它反射的光。但是要做到这一步却很难。图1-5 热辐射
所以，最理想的发光体最好没有反射。黑体就是一种只发光但不反射光的理想物体。早在1900年，普朗克就发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的，计算的结果才能和实验结果相符。这一份一份的能量被称为能量子。普朗克定律说明的就是热力传导基本法则。
但是普朗克也谨慎地预言：这个定律或许只适用于绝大多数情况，但在微观尺度下可能并不成立。此后，科学家们一直试图在更小的尺度下验证这一预言，但受观测工具和微尺度操作技术水平等限制，一直未能如愿。直到最近，他们才给出了一个答案：小尺寸物体的热辐射行为可能不满足普朗克定律。现在我们就来到了纳米世界。
就像金不反光就变成黑色一样，普朗克定律的前提是黑体假设——黑体必须具有一定的尺寸，否则不足以完全吸收照射到它表面的光。而普朗克定律之所以100多年都未曾被打破，是因为在极微小的距离，就是我们现在所研究的纳米尺度下，稳定控制物体、完成能量传导测试十分困难。另一方面，在如此小的尺度下测量最主要的实验数据——温度，也困难重重。所以实验如果成功，则标志着人类在纳米尺度上控制和测量手段的进步。
以前，人们普遍担心，在器件尺寸越来越小时，计算机和其他电子仪器中基于经典电磁学运动规律的电子的运动也可能失控，因为这时电子的量子效应会越来越明显。然而，这一切并没有真的发生。研究表明，作为物理学基本定律之一的欧姆定律在原子尺度下依然成立。
实验是由澳大利亚科学家完成的。他们利用扫描式探针显微镜移除硅表层的原子，制造出一条沟，然后将表面暴露在磷蒸气中，这样磷会沿沟道进入硅中。这是半导体中典型的N型掺杂的办法。一定时间后在沟道上再沉积上硅，如此便能在硅晶体中制作出一条由磷原子组成的导线。测量结果显示这种导线的电阻率即使小到原子尺度却仍为常数，也就是它的电阻与长度成正比，与面积成反比，正如欧姆定律当初所描述的。
那么，最基本的万有引力定律呢？在纳米尺度它还能成立吗？
回答这个问题的主要困难还是来自实验。因为在纳米尺度下进行测量重力的实验是非常困难的。重力是一种非常弱的力，所以当其他的力（如，比重力大很多的静电斥力）存在时，要测量微小质量之间的吸引力非常棘手。德国Malnz大学的物理学家设法将低温下慢速运动的中子坠落到一个表面上。当中子撞到表面后，会像乒乓球一样被弹起（图1-6）。但与宏观物体运动不同的是，因为中子是一个量子物体，它在重力的作用下会以固定的间距弹跳。确定这些间距的最小高度，将以很高的精度揭示作用于中子的万有引力。如果万有引力定律有很小的误差，那么最小的弹跳高度应该与预期的不同。实验中，研究人员没有发现这种不同，这说明在纳米尺度上万有引力定律仍然有效。图1-6 慢速运动的中子的坠落
类似这种进行纳米尺度下物理定律研究的工作还有很多。也许你会觉得，这些基本定理即使被打破好像也只是小尺度的，和我们的生活没什么关系啊？当然不是这样，这些实验的完成，充分证明了人类操控纳米的能力，而许多潜在的应用设想早已蕴含在这些实验之中了。比如，澳大利亚科学家验证小尺度下欧姆定律的工作，只是他们磷基量子计算机总体规划的一小部分而已。他们的兴趣不是验证传统电子学的适用范围，而是希望利用单个磷原子作为量子比特（qubit），发展新型的量子计算机。想象一下我们的电脑从286时代进入云时代的速度不过20年，而量子计算机的计算能力比现在的计算机又高出多少个数量级，我们可以尽情地想象到时候自己可以用上多少迅速而神奇的电脑。
而这一切，都要靠纳米技术的完善。基本物理规律在纳米尺度是否存在，或者发生多少变化，则是其中最基本、最需要考虑的部分。但要想明确得到这些结果，还需要长时间的基础研究，我们仍然翘首以待。4 穿越到底改变了什么？
影视剧里的人物可以天马行空，这会儿还在当下，明天可能去了唐朝。不过这是时间上的穿越。当我们谈论纳米尺度的材料或者器件时，我们不能不涉及的一个问题是空间的穿越。
在经典的宏观世界的物理规律中，有一个无法辩驳的事实就是我们无法穿越墙壁，所以我们骑自行车遇到陡坡，可能骑到一半就不得不停下了，所以崂山道士的穿墙术可不是因为他动机不纯，而是根本不可能。
但是，宏观世界里不能发生的事情并不意味着在微观世界里同样不能发生。在前几节中，我们已经看到了砷化铟中金的穿越，事实上，在微观世界里，这样的现象很多都来自于粒子的波动性越来越显著。也就是说，粒子的“身体”逐渐变得模糊起来，像云彩和雾一样弥漫到空间中，甚至可以漫步到阻碍它的势垒之外。势垒就像高墙，粒子出现在势垒之外就是微观粒子的隧穿效应。
隧穿效应，也叫“隧道效应”，就是指粒子可穿过比本身总能高的能量障碍。隧穿的几率和距离a有关，距离越小，隧穿的几率越大。当两个电极，相距在几个原子大小的距离时，电子能从一极隧穿到另一极，隧穿的几率和两极的间距成指数反比的关系。电子隧穿现象是量子物理的重要内涵之一。
理论上，宏观物体也能发生隧穿效应（图1-7），换句话说，理论上人也是有可能穿过墙壁的。1928年冬天，物理学家伽莫夫应邀在伦敦皇家学会作了一个关于隧穿效应的演讲。英国物理学家福勒（R．H．Folwer）是在场的听众之一。他不禁惊叹道：“这间房间的任何人都有一定的机会不用开门便离开房间啊！”可惜的是这个几率十分小，虽然不等于零，但实际上几乎是零，以至于人类有史以来除了崂山道士，还没有成功的纪录。图1-7 隧穿效应
和其他有趣的物理发现一样，从隧穿效应被发现的那一刻开始，人们就期待着这种效应能够造福人类。经过几十年的不断探索，隧穿效应已经有很多应用。早期的重要应用当属利用隧穿效应和半导体PN结技术制成的隧道二极管。
我们知道金属中是电子导电，但和金属不同，半导体中导电的既有电子（N），也有空穴（P），N型半导体由纯净半导体掺杂N型杂质形成，P型半导体则由纯净的半导体经P型掺杂形成。交界面处就是所谓的空间电荷区（图1-8）。1958年日本科学家江崎玲於奈在研究重掺杂锗PN结时发现：当空间电荷层宽度很窄（0.01微米以下）时，PN结可发生隧穿效应。故隧道二极管又称江崎二极管。图1-8 P区与N区中载流子的扩散运动与PN结的形成
隧道二极管的原理基于量子力学现象，这在早期发明的量子器件中是为数不多的。它的优点是开关特性好，速度快、工作频率高；缺点是热稳定性较差。一般应用于某些低噪声高频放大器及高频振荡器中，也可以应用于高速开关电路中。虽然后来它的应用陆续被其他新的器件取代，但半导体中隧穿效应的发现揭示了固体中电子运动的特殊性质，江崎为此获得了诺贝尔物理学奖。
在当今半导体行业中，产业链不断地向前发展的标志之一，就是芯片特征尺寸的不断缩小。而芯片的特征尺寸（或半导体器件的几何尺寸）的缩小会带来一些严重的后果。首先是对半导体工艺提出新的要求。目前，世界上发达国家的半导体厂商已经开始采用0.18微米工艺生产半导体芯片，甚至还采用了更先进的0.1微米工艺，使半导体芯片及器件的生产达到了炉火纯青的极高境界。然而，当线宽小到接近极限之后，线路与线路相互间的距离越来越窄，结果导致相互干扰。为了减少这种干扰，通常可以采取减小电流的方法，但是，当通过线路的电流微弱到仅有几十个甚至几个电子流动时，信号的背景噪声会变得很大。
在微小尺度的世界里，这种相互干扰的问题只是其一。还有另外的问题就是，量子效应的威胁越来越严重。我们都知道电子具有波粒二象性。当芯片的特征尺寸处于微米尺度时，其中的电子主要呈粒子性，目前大多数半导体器件只利用了电子的粒子性；但当芯片的特征尺寸处于纳米尺度时，尤其当特征尺寸与电子的德布罗意波长或电子的平均自由程可比拟或更小时，其中的电子则主要呈波动性。这种波动性会带来很多的量子效应，比如隧穿效应。在这种时候，隧穿可不是我们希望发生的事，因为这会造成线路与线路间的漏电，造成信号干扰或改变。
所以在纳米尺度，粒子变得更自由，可以穿越之后，可能会给我们带来技术上的突破，也可能带来更大的困难。研究纳米技术的科学家们，则在不懈努力，力图把这种特性利用得恰到好处。
比如他们已经研究出纳米领域的一把利器：基于隧穿效应的扫描隧道显微镜。人们把利用电子的某种量子效应原理制作的器件称为量子效应器件或量子器件，如利用量子共振隧穿效应制成共振隧穿器件等。比如共振隧穿二极管，由于它具有负微分电阻特性，在微波等领域得到了很多应用。共振隧穿器件只有一维尺度，是几个纳米量级，所以仅在一维发生量子化。而量子点器件所有三维尺度都是几个纳米量级，所以在三维都会发生量子化。这种量子化会造成其发光谱线的明锐化，换句话说就是，光谱线变成线状光谱，就跟原子光谱一样。所以半导体量子点具有良好的发光特性，在生物、制药等领域得到了广泛的应用。
量子效应器件不同于经典的电子器件，除上面介绍的发光特性外，还具有超高速（10-12～10-13秒）、超高频（＞1000吉赫）、高集成度（＞1010元器件/平方厘米）、高效低功耗和极低阈值电流密度（亚微安）、极高量子效率、高的调制速度、极窄带宽和高特征温度等特点，在未来纳米电子学、光子学、光电集成、固态量子电路等领域有着极其广泛的应用前景。5 亲眼看见原子和电子之舞
人们都相信眼见为实，这也确实符合人类的认知规律。所以很多物理理论需要通过实验来证实。那么，科学告诉我们，物质由原子、分子构成，你相信吗？你见过原子吗？
100多年前，有人问过玻尔兹曼同样的问题。他是一位伟大的统计物理学家，但在当时的学术之争中，他还处于下风。他们争论的问题在我们今天看来很可笑，就是，物质究竟是由什么组成的？玻尔兹曼主张原子论，即物质由原子组成。他的主要对手有两个：奥斯特瓦尔德和马赫。他们主张唯能论。为什么世界上的物质千差万别？根本原因是它们具有不同的能量。由于没有人看见过原子，玻尔兹曼无法说服其他人。他甚至抑郁至自杀。
当然，原子论很快成为科学的主流。现在我们知道，原子是构成物质的基本单位。缤纷多彩的世界是一个原子的世界。这种认知并不是凭空而来，我们仍然是相信眼睛的物种，所以这种认知需要归功于列文虎克，他发明了显微镜。
显微镜将物体放大，我们就能看见其中更小的物体。不过，它的放大倍数有限，特别小的物体，比如分子以及原子级别的物体，虽然放大后仍然很小，但我们还是能直接看到。这一切一点也不影响我们笃信原子的信念。因为现在，我们可以“感觉到”它们了。
再微小的物质，会同它周围的物质发生相互作用，并产生各种各样的效应，比如干涉、衍射、隧穿等。通过X衍射图的分析，科学家可以间接地确定原子的存在。这相当于间接地“看到”原子。实际上，后来的许多仪器，比如电子显微镜、隧道显微镜、原子力显微镜等都是利用这些效应来感知微小物质的。
在这方面，扫描隧道显微镜（STM）的发明是一个重要的里程碑。
扫描隧道显微镜的故事发生在瑞士苏黎世的IBM实验室内。1981年，德国博士生格德·宾尼（G．Binnig）在海恩里希·罗雷尔（H．Rohrer）教授的指导下进行博士论文工作，他的课题是研究导体间的电子隧穿效应问题。我们知道，给两块平行导体施加偏压（电压差）构成平板电容器。这两个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的。可是在纳米世界里，也就是，当这两个导电平板靠得很近，比如间隔小于1纳米时，情况就不同了。两块导体即使不接触，也会产生电流，这时候电子就可以穿“墙”而过，也就是前面说到的隧道电流。
当我们把一个平板导体替换成一个很尖的导电针尖，再让这个针尖对另一个平板导体（样品）作两维扫描，并同时记录下每个扫描点相应的隧道电流，就可以根据隧道电流确定表面形貌了。
要知道，在这里穿越的是电子，这一切又是发生在极小极小的范围内。这时候隧道内的电流大小就直接呈现了表面的高低起伏，也就是说，这个实验装置变成了观察表面形貌特征的显微镜！这就是宾尼和罗雷尔发明的扫描隧道显微镜（STM）。由于针尖可以做得很细、很尖，其顶端甚至只有一个原子，所以STM有原子级的分辨率，可以观察到物体表面单个原子，由此实现了人类直接“看”到单个原子的愿望！通过纳米技术，我们终于可以看到物质的“本质”了。宾尼和罗雷尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖。
有了这种显微镜，科学家们当然都要用它大显身手了。1990年，IBM公司的科学家展示了一项令世人瞠目结舌的成果，他们在金属镍表面用35个惰性气体氙的原子组成了“IBM”三个英文字母（图1-9）。科学家们是把原子在一个位置吸住，再运到另一个地方放下。也就是说，现在人类可以搬运原子了！图1-9 金属镍表面用35个惰性气体氙的原子组成的“IBM”三个英文字母
除了搬运原子，人们继续对STM进行改造。STM要求样品有一定导电性，为了避免这种限制，1986年，宾尼等人又发明了原子力显微镜（AFM）（图1-10）。这次，STM的探针被做成了悬臂，把悬臂和样品之间的弱相互作用而不是电信号作为检测信号。为什么不用电信号呢？因为这样，我们就可以把这种悬臂结构的显微镜用在生物样品上了。在生物领域，我们永远有非常多的需求，不只是看到“原子”，我们还要看到内部结构。图1-10 原子力显微镜
2012年，IBM苏黎世研究中心的科学家利用一个一氧化碳分子作为AFM的探针，首次“照”出了迄今为止最清晰的一张单个石墨烯分子的照片（图1-11）。照片异常清晰，层次分明，石墨烯分子最小结构的细节被完美地展示了出来：较暗区域代表原子的密集部分，明亮区域代表最轻部分，就连把分子结构紧密连在一起的原子键都能分辨出来。有“像”为据，这个结果使得以前关于石墨烯分子的种种预测得到了证实。图1-11 AFM在定高模式下测量到的分子图
现在我们连原子键都能看到了，还有什么？还有电子的“自旋”。
作为电子的一个自由度，电子自旋的重要性越来越为人们所关注。由于半导体器件的尺寸已经逐渐接近极限，传统的通过缩小尺寸来提高器件性能的方法已经变得越来越困难。走出困境的出路之一就是改用电子自旋来存储、传输并处理信息。但直接观测电子自旋，从而揭开其某些关键性质却一直难以实现。这方面的一个突破是IBM苏黎世研究中心的另一个科研小组做出的。他们利用一种“时间分辨扫描显微术”，直接绘制出电子形成一个持续自旋螺旋的过程图，揭示了电子在半导体中跳“华尔兹”舞的情景（图1-12）。图1-12 电子在半导体中跳“华尔兹”舞
这个实验的主要困难在于，数千个电子自旋是在一个很小区域内同时生成，并随机旋转并改变方向。科学家通过巧思妙想，利用超短激光脉冲，使电子同步自旋的时间延长了30倍，并令人欣喜地拍到了超过10微米且整齐地排列成一种规则的、类似条纹的图案，即所谓的“持续自旋螺旋”。
当然，这些实验的付出也是很大的。因为原子力显微镜的精度提高非常困难，任何微小的扰动都会造成实验的功亏一篑。实验室或周边环境的振动，室内温度的轻微变化都可以成为扰动。为把这些扰动造成的破坏降低到最小程度，像为石墨烯分子拍照的实验中，实验区的温度被降到零下268摄氏度。所以“真实”和“眼见”要付出巨大的努力和巨大的成本。
不过，现在我们终于能看见了原子和电子之舞了，纳米技术逐渐把物理世界的极限呈现在我们的视界里。但这仍然不够，光是看见它们还远远不能满足科学的欲望，科学家们还在继续挑战自己的想象力和技术的可能性。除了能看见，我们还得了解它们，甚至，操纵它们。深度阅读关键词1：纳米金
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扫描隧道显微镜（STM）的发明，让人类首度拥有侦测表面原子结构的能力，更重要的不仅是侦测，而且是利用。
1989年，美国加州IBM实验室的依格勒（D．Eigler）博士首先尝试在低温、超高真空条件下使用STM操纵氙原子。他用STM的针尖作为“抓斗”，在一个位置上抓起一个氙原子，并移动到另一个预先设计好的位置上，再放下该原子。重复这样的步骤，依格勒不仅做出了最小的IBM商标，而且使单个铁原子排布或一个圆圈——量子栅。图2-1中的“波浪”呈现的是此量子栅中的电子密度分布的起伏。图2-1 量子栅
原子可以被人为地逐个移动了，当然也就没道理只停留在IBM三个字母上。中国科学家也在铜（Cu）表面用101个铁（Fe）原子写下了迄今为止最小的汉字“原子”，另外还有迄今为止最小身高的“分子人”：钴（Co）分子在铂（Pt）表面上所排列出的“分子人”，身高是5纳米（图2-2）。图2-2 迄今为止最小的汉字和“分子人”
实际上，“操纵原子”的想法，或者说纳米级控制的想法，最早来自美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）。
1959年12月，美国物理学会在美国的加州理工学院召开年会。物理学家费曼作了题为“最底层大有发展空间”的演说。演说中，费曼对在场的物理学家们提出了一个富有想象力的问题：“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”他说：“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题，这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸。我不打算讨论我们将如何做到这一点，而只想谈谈原则上能做些什么……现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没有在这方面花足够的时间和精力。”
30年后，他的想法实现了。科学家们耗费了无数的脑细胞和灵感的火花，让这种想法成为现实，也让我们越来越逼近物质的核心。2 小中之最小
前面说过，一个自由自在的电子，其能量是连续的。而一旦把电子束缚起来，电子能量就量子化了。而很多奇特的现象都与能量量子化有关。
量子点（quantum dot）是准零维（quasi-zero-dimensional）的纳米材料，只由少量的原子构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米以下（图2-3），外观上看，就像一个极小极小的点。这些原子内部的电子在各方向上的运动都受到限制，所以量子限制效应（quantum confinement effect）特别显著，并导致一种类似原子的不连续电子能带结构，因此量子点又被称为“人造原子”（artificial atom）。图2-3 纳米结构的维度
我们可以把量子点理解为电子物质波的共振腔（open cavity），电子在量子点内会有类似电磁波在一般共振腔中的共振现象。电子在量子点内受到的限制势垒是不一样的。如果势垒壁（potential wall）较薄，电子可通过隧穿效应逃离量子点，这类量子点我们称为开放式量子点（open quantum dot），其类似一种开放式的共振腔。开放式量子点中的电子能级不再是稳态（stationary state）而是一种准稳态（quasi-stationary state）；电子能够停留在准稳态的时间是有限的（称作寿命τ，lifetime）。经过时间τ后，电子就会逃离量子点。由于这类量子点在光电方面有许多应用潜力，最近成为关注的焦点之一。
量子点是目前理论上与实验上的热门研究题目，世界各国无不积极投入研究。科学家预期量子点这种纳米材料有极大的应用潜力，特别是在纳米电子学（nanoelectronics）方面，比如蓝光激光、光感测组件、单电子晶体管（single electron transistor，SET）等。在医疗上更利用各种发光波长不同的量子点制成荧光标签，成为生物检测用的“纳米条形码”。
在生物医学领域，为了更具体细致地观察生命现象，科研人员深入进行了生物大分子的结构、功能及相互作用的研究。具体到如何“看见”那些细胞，则是用荧光。但是传统的有机荧光染料都瞬时即逝，还来不及了解分子的动力学，就看不到了。所以人们发展了荧光蛋白标记。你肯定看过水母在海洋里绚丽的姿态，而有一种发光水母则通体发亮，它们有一种功能独特的蛋白质，用蓝光或近紫外光照射，会发出绿色荧光，这就给科学家提供了合适的绿色荧光蛋白（GFP）。2008年，美国加州大学圣迭戈分校生物化学及化学系教授、美国国家科学院院士钱永健，美国哥伦比亚大学生物学教授马丁·沙尔菲，日本有机化学家兼海洋生物学家下村修三人由于在绿色荧光蛋白上的贡献而获得诺贝尔化学奖。
半导体量子点发光效率（photoluminescence quantum yield）高，且稳定性强，是理想的荧光标签的重要候选对象。光性能好，还可以在生物传感和生物成像中发挥一技之长。不过，荧光蛋白标记制备技术非常复杂，非一般实验室所能完成。
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