作者：烨子
出版社：中国艺术文化出版社
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纳米世界试读：
第一章纳米科技的概念和研究领域11纳米的概念
我们的古人常用“芥子之微”、“秋毫之末”来形容东西很小。古文《核舟记》里描述了一艘用橄榄核雕刻的舟，窗子可以开合，上面居然还写着“山高月小，水落石出”八个字，令人叹为观止。这艘船的最小部件只有01毫米(mm)，即100微米(μm)。现代象牙微雕，据说小如米粒，竟能刻下《唐诗三百首》全文。粗略估算一下，在1mm×2mm的面积上刻两万字，每个字的面积只有10μm×10μm。然而，现在看来这些还不算最小。又如，人们往往用“细如发丝”来形容东西纤细。其实，人的头发直径一般为20～50μm，可见并不细小。单个细菌虽然用肉眼看不见，但用显微镜测出其直径约为5μm，也不算是最小的。就拿目前世界上最小的硅集成电路来说，线宽已经减小至013μm。据美国半导体工业协会预计，到2010年半导体器件的大小还将继续减小至01μm即100纳米(nm)以下，到时候就会呈现出量子效应，所有的芯片必须按照新的原理来设计。在这种纳米尺度上制造出的计算机性能将比目前微米技术下的计算机性能呈指数倍提高，从而在信息产业和其它相关产业中将引发一场深刻的革命。这正验证了哲学中“量变导致质变”的原理。
纳米(nanometer)是长度单位，原称“毫微米”，用nm表示。正如米是长度单位，用m表示一样。1nm=10－9，即1nm等于10亿分之一米。我们知道，原子是组成物质的最小单位，自然界中氢原子的直径最小，仅为008nm，非金属原子直径一般为01～02nm，而金属原子直径一般为03～04nm。因此，1nm大体上相当于数个金属原子直径之和。由n个～n百个原子组成或粒径小于1nm的原子集合体称为“原子簇”或“团簇”(cluster)。当前能大量制备的团簇有C60和富勒烯。C60是由60个碳原子组成的足球结构的中空球形分子；由三十二面体构成，其中20个六边形、12个五边形。C60的直径为07nm。通常所说的纳米是指尺度在1～100nm之间。可见，纳米微粒 度大于原子簇，但用肉眼和一般的光学显微镜仍然是看不见的，而必须用电子显微镜放大几万倍甚至十几万倍才能看得见单个纳米微粒的大小和形貌。血液中的红血球大小为200～300nm，一般功菌如大肠杆菌的长度为200～600nm，而引起人体发病的病毒的般仅为几十纳米，因此，纳米微粒化红血球和细菌还要小，而与病毒大小相当或略小些。
12纳米微粒的特性
科学研究表明，当微粒尺寸小于100nm时，由于量子尺寸效应，小尺寸效应。表面和界面效应及宏观量子遂道效应，物质的很多性能将发生质变，从而呈现出既不同于宏观物体，又不同于单个独立原子的奇异现象：熔点降低，蒸气压升高，活性增大，声、电、光、磁、热、力学等物理性能出现异常。
量子尺寸效应——当粒子尺寸下降到某一最低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。Kv60提高了相邻电子能级间距δ与颗粒直径α的关系式：
δ＝4EF〖〗3N∝α－3
式中：N为一个微粒子的总 导电电子数，EＦ为费米能级。对于大粒子或宏观物体包含无限个原子，导电电子数N→∞，由上式可知，能级间距δ→0，即能级是连续的。而对于纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，于是δ就有某一定值，即能级分裂。当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子尺寸效应，这就会导致纳米微粒的光、电、磁、热、声及超导电性与宏观特性有着显著的不同。例如，纳米微粒的磁化率、比热与所 电子奇偶性有关，光谱线的频移、催化性质、介电常数变化等也与所包含电子数的奇偶性有关。例如，纳米Ａg微粒在温度的1K时出现量子尺寸效应(即由导体变为绝缘体)的临界粒径为20nm。
小尺寸效应——当微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的等离子其振频移；磁有序态转变为磁无序态；超导相能变为正常相；声子谱发生改变等。
表面和界面效应——纳米微粒由于尺寸小，表面积大，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。10nm的纳米微粒，表面原子数占总原子数的20%，1nm的纳米微粒表面原子数占总原子数的99%。这些表面原子处于严重的缺位状态，因其活性极高，极不稳定，很容易与其它原子结合，从而产生一些新的效应。
宏观量子隧道效应——微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。量子尺寸效应，隧道效应将会是未来微电子器件的基础，或者可以说它确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。因此，当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。
(1)普通块状金(Au)的熔点为1064℃，而2nm的金微粒的熔点仅327℃。普通银(Ag)的熔点为900℃，而纳米银微粒的熔点为100℃。大块铜(Pb)的熔点为327℃，而20nm铜微粒的熔点降为39℃。
(2)当铜(Cu)粉的粒径从100nm减小至10nm、1nm时，相应地纳米粉末的表面积从66m２／g增大至66m２、660m２/g，表面能从590J/mol增大至5900J/mol、59000J/mul，因而微粒表面原子具有极高的反应活性。纳米金属微粒在空气中会燃烧；纳米无机微粒暴露于空气中会吸附气体，并与气体反应。
(3)将通常的金属催化剂铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钯(Pd)、铂(Pt)制成纳米微粒，可大大改善催化效果。30mm的纳米Ni粉可将有机化学加氢和脱氢反应速率提高15倍。在甲醛的氢化反应生成甲醇的反应中，以纳米Ni粉和纳米TiO２、SiO２或NiO２、粉分别作催化剂和载体，可将选择性提高5倍。利用纳米Pt作催化剂效在TiO２载体上，在含甲醇的水溶液中可通过光照射制取氢，且产出率比原来提高几十倍。
(4)10nm的纳米陶瓷粉末的烧结速度比10μm的粉末提高12个数量级；1nm粉末的效应化程率比1μm粉末提高8个数量级(即108倍)。常规Al2O3粉末的烧结温度高达1800～1900℃，而纳米Al2O3粉末可在1150～1500℃烧结到理论密度的997%。纳米TiO2在500℃加热即呈现明显的致密化，而晶粒尺寸仅有微小的增加。纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低400℃。常规Si3N4的烧结温度高于2000℃，而纳米Si3N4的烧结温度可降至1500～1600℃。
(5)纳米晶体铜的强度比普通铜高5倍，在室温轧制过程中出现超塑性延展性，延伸率超过5000%，且不出现普通铜冷轧过程中的加工硬化现象。纳米Fe多晶体的强度比常规Fe高12倍。纳米晶Cu或Ag的硬度和屈服强度分别比常规材料高50倍和12倍。许多纳米陶瓷的硬度和强度比普通陶瓷高出4～5倍。在100℃下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为1300Kg/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200Kg/mm2。“纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径”。纳米TiO2陶瓷在室温下就产生塑性形变。晶粒尺寸为150nm的亚微米四方晶ZrO2(Y－TZP)陶瓷在1250℃下呈现超塑性，起始应变速率达到3×10－２S-1，压缩应变量达到380%。预计当晶粒尺寸小于100nm时，形变还会增大。在相同应力水平下，纳米Y-TZP的超塑性应变速率比03μm的亚微米Y-TZP高出34倍。纳米Si3N4在1300℃即可产生200%以上的形变。纳米SiC陶瓷的断裂韧性KIC比常规材料提高100倍。纳米ZrO2+Al2O3复合瓷的KIC比常规材料提高4～5倍。在Al2O3陶瓷中加入5%纳米钨(W)粉，断裂强度提高至110MPa，断裂韧性从35MPa·m1/2提高到48MPa·m1/2，最高工作温度由800℃提高到1200℃。在高分子材料中加入纳米材料制成刃具，比金刚石制品还坚硬。将3%纳米TiO2加入到环氧树脂中，拉伸强度提高44%，冲击韧性提高878%，拉伸弹性模量提高370%。
(6)传统金属是导体，但纳米金属微粒强烈地趋向电中性，如纳米铜就不导电。且电阻随粒径减小而增大，电阻温度系数也下降甚至出现负值。而原本绝缘的SiO2，在20nm尺度时开始导电。一般地，PbTiO3，BaTiO3和SrTiO3等是典型的铁电体，但当其尺寸进入纳米量级时就会变成顺电体。纳米氧化物和氮化物在低频下的介电常数增大几倍。甚至增大一个数量级，表现出极大的增强效应。纳米α-Al2O3和纳米TiO2块体试样出现介电常数最大值的对应的粒径分别为84nm和178nm。
(7)铁磁性物质进入纳米尺度(～5nm)时，由于多畴变成单畴，显示出极强的顺磁效应。10～25nm的铁磁性金属微粒的矫顽力比相同的常规材料大1000倍；而当微粒尺寸小于10nm时，矫顽力变为零，表现出超顺磁性。纳米磁性金属的磁化率是常规金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的1/2。将纳米Co微粒嵌于Cu膜中，发现了巨磁电阻效应。
(8)6nm的Si在靠近可见光范围内就有较强光致发光现象。在纳米Al2O3、TiO2、SiO2、ZrO2中也观察到在常规材料中看不到的发光现象。纳米金属微粒的光反射能力显著下降，通常可低于1%。由于小尺寸效应和表面效应而使纳米微粒具有极强的光吸收能力。纳米氧化物和氮化物对红外和微波具有良好的吸收特性。纳米复合多层膜在7～１７GHZ频率的吸收峰高达14dB，在2GHZ频率的吸收峰为10dB。与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带向短波长方向移动，如纳米Cds微粒等。
(9)纳米Cu晶体的自扩散速率是传统晶体的10６～１０９倍，是晶界扩散的10３倍。纳米Cu晶体的比热是传统能Cu的2倍。纳米Pd的热膨胀是传统材料的2倍。80nm的纳米Al2O3的热膨胀系数(室温～700℃)也是5μm粗晶Al2O3的2倍。纳米非晶Si2N4的热膨胀系数为常规晶态Si3N4陶瓷的1～26倍。传统非晶Si3N4在1520℃晶化成α相，而纳米非晶Si3N4微粉在1400℃保温4h全部变成α相。
总之，纳米材料由于具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面和界面效应、宏观量子隧道效应，从而呈现如下的客观物理、化学特性：(a)低熔点、高比热、高热膨胀系数；(b)高反应活性，变扩散率；(c)高强度，高韧性，高塑性；(d)奇特磁性；(e)极强的吸波性。
13纳米科技的研究领域
由于纳米科技的多学科交叉性质，纳米科技的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又往往与应用密不可分。纳米科技是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性开发新产品的一门多学科交叉的科学和技术。通俗地说，纳米科技就是与纳米微粒、“团簇”甚至分子、原子打交道。根据纳米科技与传统学科领域的结合，可将纳米科技细分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳学化学、纳米机械学与纳米加工等等。但是这种与学科紧密联系的分类方式，无法简单便捷地勾勒出纳米科技的大致轮廊，而且各类之间又有交叉和重叠。因此，将纳米科技分为纳米材料、纳米器件、纳米检测与表征三大类功用性很强的研究领域，应该是比较合适的。
纳米材料是纳米科技发展的重要基础，是纳米科技最为重要的研究领域。可以说，谁掌握了纳米材料，谁就掌握了21世纪纳米科技发展的主动权。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。纳米科技的最终目标就是直接利用物质在纳米尺度上所表现出来的新颖的物理、化学和生物学等特性来制造出具有特定功能的产品。纳米检测与表征是为在纳米尺度上研究材料和器件的结构、性能提供研究手段。
(1)纳米材料
材料是人类赖的生存和发展的物质基础，因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类文明发达程度的一个重要标志。金属材料、无机非金属材料(包括陶瓷、玻璃、水泥、人工晶体等)和有机高分子材料是材料的三大支柱。根据性能特性分类，材料又可分为结构材料和功能材料，前者以力学性能(如强度、韧性等)为主，后者以物理、化学特性(如电、磁、光、热等)为主。纳米材料是指材料的显微结构尺寸均小于100nm(包括微粒尺寸、晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均达到纳米级水平)，并且具有某些特殊性能的材料。纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。
纳米材料由于其结构的特殊性，如大的比表面以及一系列新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)，决定了纳米材料出现许多不同地传统材料的独特性能，进一步优化了材料的电学、磁学、热学及光学性能，从而推动了纳米科技的研究和开发。对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过与传统材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。例如少量原子即“团簇”状态下的物理结构还不清楚，换句话说，在尺寸小到纳米级甚至原子尺度时，很多客观和微观的物理定律不再适用了。比如，在电学方面，欧姆定律就不适用于纳米材料；过去常用的能带逸出功等描述原子集体行为的概念也不再适用。因此，纳米科技迫切需要新的物理学。二是发展新型纳米材料。21世纪材料科学技术的发展重点将向具有功能化、智能化、复合化、微型化及与环境协调化等特征的方向发展。最活跃的材料领域将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、开发新能源(如太阳能等)及节能(如超导、燃料电池等)材料以及高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其它在极端条件下具有优良性能的结构材料。材料的开发与生产将逐步摆脱以经验为主的局面，将更多地通过计算机辅助，从微观到客观实现分子成分设计和工艺设计。随着材料科学技术的进步，传统材料的性能将会大幅度提高，资源与能源消耗不断降低，环境污染受到有效的控制。
对于纳米金属材料，将着重研究利用纳米微粒的小尺寸效应造成的无位错或低位错密度区域达到高强度和高硬度。对于纳米陶瓷材料，将着重研究通过改善界面脆性或纳米复合来提高断裂韧性。在20世纪60年代曾经热闹过一阵子的金属陶瓷(硬质合金)，原本希望集金属与陶瓷各自的长处于一身而得到一种新型材料。然而不幸的是，实践结果表明正好相反，以致金属陶瓷因脆性问题未能解决而不能用于发动机叶片。这并非是思路上的失误，更多地应归咎于工艺问题。最近，通过纳米技术的发展，为金属陶瓷的设想又重新点燃了一线光明，即利用纳米技术有可能制备出兼具金属和陶瓷各自处于一身的新型材料。对于高分子材料，一个重要研究方面即是通过有机/无机纳米复合技术，提高材料的力学强度和耐热性，并根据设计要求赋予它们一定的功能特性。
纳米材料大部分是人工合成的，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体，其中有许多秘密等待人们的揭示。例如，每一个细胞是一个活生生的纳米技术的例子，它不仅燃料转变成能量，而且还能按DNA中的遗传密码生产并排出蛋白质和酶等。通过重组不同特种的DNA基因工程技术，已能制造出新的纳米器件——如能分泌荷尔蒙的细菌细胞。又如，蜜蜂的腹部存在纳米磁性微粒，这种磁性微粒具有指南针的作用，蜜蜂就是利用这种“罗盘”来确定其周围环境在自己头脑里的图像从而判明飞行方向。人体和兽类的牙齿是由羟基磷灰石组成的，它具有纳米结构，晶界有接近生物体的薄层，因而具有较好的韧性。然而，人工合成羟基磷灰石需要1000℃以上的高温，也难以得到定向的纳米结构。为什么人体却能够在十分温和的环境中合成这类牙齿或骨胳呢?这就引发出一个十分有趣的新领域——仿生合成。
(2)纳米器件
纳米科技的最终目标是以原子、分子为起点，从纳米材料出发或者利用纳米加工技术，制造出具有特殊功能的产品，即纳米器件。纳米科技最初发展的一个主要推动力来自于信息产业。由于采用了纳米技术，集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功能密度和数据通过量率达到新的水平，并且研制成本急剧上升。在纳米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在，因此会出现种种新现象和新效应，如量子效应。利用量子效应而工作的器件称为量子器件，如共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降为千分之一)、高效、高集成度、经济可靠等优点。对我国而言，通过化学和生物学方法组装纳米器件可能更能发挥我们的技术优势，即研制分子计算机和生物计算机。
为制造具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为“自上而下”和“自下而上”两种方式。“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。而“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。显然，“自下而上”的技术路线有利于减少对原材料的需求，并降低环境污染。
科学家还希望通过对纳米生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应用生物学原理制造生物分子器件。目前，科学家在纳米生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面都做了重要的尝试。
未来所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点。“更小”是指器件和电路的尺寸更小，对集成电子来说就是集成度更高。“更快”是指响应速度更快。“更冷”是指单个器件的功率更小，否则很多器件堆积在一起时，既耗能源，可造成升温。但是，“更小”并没有限度。以硅集成电路而言，目前国际上做出的最小线宽是130nm(据报，最近已在实验室做到100nm的精度)。如果线宽小于100nm，则量子效应就要出来，常用的电路设计方法就不再适用，常用技术也可能很快达到它们的极限，因此需要迅速更新。可能的早期突破是在超立密度存储器(如量子磁盘)、超灵敏传感器、医疗诊断用元件、数码信息的高速输入和输出、平板显示器用的微小电子源阵列等方面。中期目标则是1012位存储器及10１２次/秒运算器、共振隧道器件、实时语音识别系统、自主决策系统、虚拟实感训练系统等。
(3)纳米结构的检测与表征
为了在纳米尺度上研究材料和器件的结构性、发现新现象、发展新方法、创造新技术，必须建立主尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、磁、光、热、力学等特性、纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及原子、分子的排列、组装与奇异物性的关系。
扫描操针显微镜(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被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、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。
同时，与纳米材料和结构的制备过程相结合，以及与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术的研究和开发也受到广泛重视。例如激光镊子可用于操纵单个生物大分子。
纳米科技诞生10多年来所取得的成果及对各个领域的影响和渗透一直引人注目，它给人们带来了无限的遐想，许多媒体报道更是令人感到好象明天我们就能享受到纳米科技带来的神奇。然而，一种技术从理论到实践是一个漫长的过程，纳米科技也不例外。就目前技术水平而言，纳米科技还难以大规模地应用。世界各国科学家把主要精力放在研究如何将纳米技术与现有技术有机地结合起来，以使纳米科技更快地应用于实践。不管怎样，纳米时代正向我们走来!第二章纳米科技的发展历程
2120世纪80年代末正式诞生
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼最早提出了纳米尺度上的科学和技术问题。他在一次演讲中提出：“如果人类能够在原子/分子尺度上来加工材料和制造装置，我们将有许多激动人心的新发现。”这是关于纳米科技的最早梦想。
1962年，久保(Kubo)等人提出了超微粒子的量子限制理论(或叫量子限域理论)，推动了向纳米尺度的微粒进行探索。
1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(nanotechnology)一词描述精细机械加工。
20世纪70年代后期，美国麻省理工学院德雷克斯勒提昌开展纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度(历史如此相似：早在1912年就提出来的大陆漂移学说，在当时也受到忽视，直到20世纪60年代才能广泛接受，并使地质学活跃起来)。
20世纪80年代初，由于发明了扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，对一些纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，并在用量子尺寸效应解释超微粒子的某些特性时获得成功。
1984年，德国萨尔大学Gleiter等人首次采用惰性气体蒸发冷凝法制备了具有清洁表面的纳米Fe、Cu、Pd等金属粉末，然后在真空室中原位加压制得纳米固体。随后又发现纳米TiO2陶瓷在室温下呈现良好的韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。
1985年，Kroto等人采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成C60，于是在全世界兴起了C60的研究热潮。
1990年7月，在美国巴尔的摩同时举办了第1届国际纳米科学技术会议和第5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。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。
诺贝尔物理奖获得者、美国哥仑比亚大学的斯托默(Stormer)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。万物都由它而制成……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(Hoffman)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，纳米科技就已经取得了很多新的研究成果。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。1990年，美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”字样。1991年，日本首次发现纳米碳管，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热点。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一席之地。1998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7月，美国加利福尼亚大学与惠普公司合作研制成功100nm芯片。2000年，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……
2221世纪各加紧攻关
(1)美国
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：“微米级和纳米级制造涉及微米和纳米材料、器件的制造和使用，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。”
1998年4月，美国总统科技顾问莱恩(Lane)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、集成电路和人造聚合物那样。”“纳米科技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，现在重新纳米技术的国家很可能成为下一世纪的先进国家。”“纳米科技未来的应用将远远超过计算机工业。”“纳米科技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》将纳米科技到为21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，从外星获得能源)。”
2001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倡议(NNI)，并在2001年财政年度增加科技支出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、新的国家纳米技术倡议，即在原子和分子水平上操纵物质的能力、价值为5亿美元。试设想一下这些可能性：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方糖 产大小的器件之中；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。”
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，集成电路的发现创造了‘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，还可以用到其它很多方面。有效的产品性能改进和制造业方面的发展，将在21世纪带领许多产业革命”，因此，应把纳米科技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倡议书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——试图象微电子那样也在纳米科技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(IWGN)，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。
美国2000～2001年联邦政府机构的纳米研究开发经费分配
政府机构〖〗2000财年
(百万美元)〖〗2001财年
(百万美元)〖〗增长率
(%)国家科学基金会〖〗97〖〗217〖〗124国防部〖〗70〖〗110〖〗587能源部〖〗58〖〗96〖〗66航空航天局〖〗4〖〗20〖〗400商务部〖〗8〖〗18〖〗125国家卫生研究院〖〗32〖〗36〖〗13总计〖〗270〖〗497〖〗84
美国按研究项目分配的纳米研究开发经费
项目〖〗经费(亿美元)〖〗占总经费的比例
(%)基础研究〖〗195〖〗392重大挑战项目〖〗110〖〗221杰出中心和研究网络〖〗077〖〗155基础研究设施〖〗087〖〗175伦理、法律、社会影响
及教育培训〖〗028〖〗56总计〖〗495〖〗100
(2)日本
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225亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制订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科技到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的表现出的战略眼光，这一历史教训迫使政府民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31亿美元，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“官产学”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。研究物重点方面是纳米级材料的制造技术和功能，通信用高速度、高密度的电子元件和光存储器等。日本的野心是组建“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。”
(3)欧洲
德国在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。
英国也制订了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域遴选了8个项目进行研究。
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6万平米，拥有3500人的微米/纳米技术发配中心，配备最先进的仪器和超净室，并成立微米纳米技术之家。
欧共体从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54亿欧元。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。
1999年美国对各国纳米技术的研究现状进行调合指出，当前美国在纳米材料合成、化学品和生物方面占优势，而在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和其它结构材料方面略逊于欧洲。日本则在纳米器件和复合纳米结构主面有优势，而在分子电子学技术领域仅次德国在纳米测量技术、超薄膜等领域具有很强的优势。美国、日本、德国、英国、瑞典、瑞士等国家都已经建立了优秀的纳米技术研究中心。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。
(4)中国
我国对纳米科技的重要性已有较高的认识，想方设法从经费上给予了一定的支持。从“八五”、“九五”开始就设立了“攀登计划”项目和相关的重点、重大项目。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
我国拥有一支比较精干的纳米科技队伍，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科技前沿。1998年，清华大学范守善小组在国际上首次制备出直径3～50nm、长度达微米级的发蓝光氮化镓(GaN)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目前世界上最长(达3nm)、直径 最小(05nm)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，认为我国的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。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几乎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科技领域的竞争中占有一席之地。第三章纳米科技的重要意义
和产业前景
31重要意义
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业巨大变革方面所具有的重要意义决定的。
(1)纳米科技将促使人类认知的革命
人类对客观世界的认识是随着科学技术的发展而不断深入的。认识从直接用肉眼就能看到的事物开始，然后不断深入，逐渐发展为两个层次：一是宏观领域；二是微观领域。这里的宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始，直至无限大的宇宙天体。微观领域是指以分子原子为起点，下至无限小的领域。然而，在宏观领域与微观领域之间，还存在着一个过渡区称之为介观领域。它包括从微米、亚微米(01～1μm)、纳米(1～100nm)到团簇尺寸(由n个～几百个原子组成)的范围。介观领域特别是纳米尺度范围内，出现了许多奇异的物理和化学特性，从而引起人们极大的研究兴趣。但是，纳米尺度内的物质世界及其特性是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土。在纳米尺度上有许多新现象，新规律有待发现，它充满了原始创新的机会，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类为任何一门传统的学科领域。而且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。因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待揭示的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。
纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将承担对新发现和新理论重新学习和理解的任务。而一旦对这一领域探索过程中形成的理论和概念在我们的生活中得以广泛应用，那么人类将建立不同于我们肉眼所能观察到的物质世界的新概念，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。这种影响绝不亚于信息社会和生物技术对人类的影响。
(2)纳米科技是人类实现可持续发展的保证
20世纪是大发展的年代，但也是对环境大破坏的年代。从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技是从原子、分子出发制造材料和产品，原材料消耗少，对环境造成的污染程度低。因此，纳米科技推动产品的微型化、变性能化以及对环境友好化，这将极大地节约资源和能源，减少人类对其过分的依赖，并促进生态环境的改善。从此，将在新的层次上为可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证。
(3)纳米科技将引发一场新的工业革命
纳米科技是未来信息技术和生物技术等各种学科深入发展的一个重要基础。它本身又可以形成一个很大的新兴产业。最初，纳米科技的一个主要推动力来自于信息产业。由于量子效应，一般认为微电子器件的极限线宽是70nm。如果半导体器件的尺寸能做到100nm以下，则纳米技术下的计算机运算和存储能力将比目前向来主技术下的计算机性能呈指数倍提高，这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻革命。美国和日本都已经研制成功单个电子晶体管，它可以控制单个电子的运动状态并完成特定功能；还可以使功耗降低到原先的1/1000，从而将根本上解决日益严重的功耗问题。与传统的电子之器件相比，这种量子器件具有响应速度快、结构简单、可靠性强、成本低等优点。美国IBM公司于1991年制造出了一种氙原子开关，开关速度居然达到了3005纳秒(200亿分之一秒)。有关专家预计，这一突破性的发明可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径约03米的硅电上。
同样，生命科技和生物技术也面临着纳米科技影响下的变革。例如，以20种氨基酸为原料，利用纳米技术按分子设计合成所需的蛋白质“零件”，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架和纤维结构，从而制造出分子机器人。可利用这种分子机器人在人体血液中循环，对身体各部位检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。又如将药物储存在纳米碳管中，随血液流动输送到人体的各个部位，并通过一定的机制激发药剂的释放，使定位病变治疗和可控药剂成为现实。在人工器官外表面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应。研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件。研制生物仿生化学药品和生物可降解材料，研制测定DNA用的基因芯片，对动植物进行基因改善和治疗等。
纳米科技不仅对信息和生物技术产生革命性的影响，而且也促使传统产业技术升级和“旧貌换新颜”。这是目前出现纳米研究热的重要原因之一。纳米技术已经渗透到衣、食、住、行等，传统产业中，如染料、涂料、食品、建材等。通过纳米材料的研究，在化纤和纺织制品中加入主TiO2、SiO2、Al2O3等微粒，可以起到除味、杀菌、防静电、保暖等作用。无菌餐具、无菌玩具、自洁瓷砖、自洁玻璃、抗老化塑料、防紫外化妆品等新产品相继问世。把纳米Al2O3微粒加入到金属或合金中，可以细化晶粒，大大改善力学性能；加入到橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性；加入到透明的玻璃中，既不影响透明度，又提高了高温冲击韧性；加入到有机玻璃(PMMA)中，表现出良好的宽频带红外吸收性能。通过纳米技术的应用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到10000多次，老化时间也延长了2倍多。利用纳米粉末，可以使废水彻底变成清水，在环保方面具有极为广阔的应用前景。
32产业前景
德国科学技术部曾经对2000年纳米技术市场进行预测。他们认为，到2000年纳米结构器件市场容量将达到6357亿美元，纳米粉末、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料的市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量达到272亿美元。1996年，德国科学技术部又对2010年的纳米技术市场做了预测，估计2010年能达到14400亿美元。目前，全世界纳米技术的实际应用每年可创造500亿美元的营业额。
1997年，德国研究技术部预测2000年纳米技术市场的情况表明，微电子器件、微传感器、光学器件、精密喷嘴、精密滤器等将成为最主要的市场突破领域。实际上，利用纳米技术生产的计算机硬驱动器的关键部件——“读磁头”，已经实现年产值340亿美元。
1997年德国对世界纳米技术市场的调查和预测(亿英磅)
年份〖〗纳米结构器件〖〗薄膜〖〗超精密工程〖〗纳米计量〖〗纳米晶体1991〖〗4348〖〗578〖〗326〖〗39〖〗031995〖〗8696〖〗804〖〗609〖〗52〖〗052000〖〗13957〖〗1122〖〗1130〖〗70〖〗07
另外，有人预测具有小于1nm微孔的催化剂载体将形成一个每年超过300亿美元的产业。孔径10～100的纳米材料将在消除水和空气中的污染物方面具有十分广泛的应用前景。
美国人指出，纳米粉末仍然是今后一段时间纳米技术市场的主流产品。德国人也预测，2001年世界纳米粉末市场将达到125亿美元，今后几年的年平均增长率将达15～20%。2001年全世界对纳米粉末的需求量将达到32万吨，主要应用领域是：机械(403%)，热能(346%)，电磁(129%)，生物医学(89%)，光学(24%)，其它09%)。
2000年美国对纳米材料在美国总需求量的调查和预测
纳米材料〖〗1996年
(百万美元)〖〗2001年
(百万美元)〖〗年平均增长率
(%)纳米粉末〖〗413〖〗1486〖〗292纳米涂层〖〗10〖〗60〖〗431总计〖〗423〖〗1546〖〗296
日本人认为，纳米技术的中期应用主要是通过芯片尺寸来改进电子器件，设计新药，绿色污染过滤制造超敏传感器等。而长期应用是“智能化”的模拟反应材料，原子层次、纳米点和自组装的方式设计智能化材料。
鉴于纳米科技对未来工业的革命性影响和对传统产业技术改造的广泛性，据预测，在未来20～30年纳米科技将形成一个巨大的产业市场。而由美国国家科学基金会(NSF)于1999年组织召开的由一流科学家和工程师组成的一个委员会会议对纳米科技进行评价的结果表明，在今后10～20年中在纳米尺度上的新发现有望带来革命性的商业应用。因为根据美国半导体工业协会(SIA)的预计，大约到2010年，半导体芯片可以达到100nm的精度，即人类离纳米结构器件相距不远了。
我国已建成10多条纳米材料生产线，涉及纳米科技的企业已达100多家。纳米产业呈现出良好的发展前景。1998年，中国仅塑料抗菌剂产量为40吨，销售额300万元；抗菌制品产值达到30亿元。1999年，抗菌剂产量猛增至160吨，销售额1200万元；抗菌制品产值达到100亿元。可见，我国的无机抗菌市场前景十分乐观。我国已经开发成功的纳米材料以纳米粉末为主，产品有纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米ZiO2 、纳米CaCO3、纳米Ti、纳米Cu、纳米SiC、纳米Si3N4、纳米金刚石。
纳米科技的很多应用前景是以纳米材料为基础的。目前的研究开发方向主要是将纳米粉末掺到某种传统材料中去，或者将纳米粉末制成纳米固体，看看是否具有不同于常规材料的性能，然后这种新材料推出去寻找应用领域。但是，目前的大多数科研成果从实验到产业化还不完全成熟，主要障碍是批量生产能力和产品成本等问题。第四章纳米科技的应用领域
纳米科技横跨多个学科、涉及面十分广泛，包括物理、化学和生物学在内的所有与材料有关的工程领域。概念中的、正在开发的和已经商业化的纳米科技正在不断发展，对许多传统科技领域乃至整个社会都产生了巨大的影响，为人们展示了无限商机。目前，全世界纳米科技的应用每年可创造500亿美元的营业额。据预测，10年后的纳米科技市场容量可达14400亿美元。
41材料与制造
纳米科技正在从根本上改变今后材料和器件的制造与生产方式。传统的制造方式是把原料如钢板、混凝土等，经过压、切、铸等工艺和过程制成部件和产品。而应用纳米科技可以从原子和分子开始制造材料和产品，即原子、分子出发，到纳米粉末纤维和其它小结构组件，再到材料和产品。这种从小到大的制造方式，需要的材料较少，消耗能源较少，造成的污染程度较低。在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和组成来合成纳米结构单元，然后再将它们组合成具有独特性能和功能的较大结构，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点；以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料——生物材料和仿生材料；实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复……这些能力将使未来材料制造业发生革命性的变化。
科学家们期望能够在材料中加进复杂的象生命一样的功能，创造出具有象生命一样行为的合成物，使材料变得聪明。比如混凝土能在内部检测到下降的征兆，或者能够对外来的腐蚀做出响应，并释放化学物质来抵抗腐蚀。又如能或其它建筑材料可以感觉天气状况并且通过改变其内部结构，以使空气和湿气能够渗透，从而对天气变化做出响应。将来建筑物的舒适性和能源效率将会大大的改善，并能对敏感危害自动采取纠正或避免措施。今后我们还可能制造出能在任何地点、任何时间改变形状和颜色以便与环境相近的类似变色龙的伪装材料。我们还可以制造出具有自我修复功能的合金，这种会自动地填充、弥合并加强细微的裂纹。把塑料的分子链与陶瓷纳米粒子相综合而制成的材料将更加耐磨。在不久的将来，我们能借助纳米科技开发出许多以前在自然界中没有见过的材料。
在这里还要着重介绍一下纳米技术在陶瓷材料领域的应用前景。陶瓷材料在日常生活和工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性和强度都较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。美国科学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。Cleiter也指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下任意弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能掌握单位纳米陶瓷在烧结过程中抑制晶粒长大的技术，以使将陶瓷晶粒尺寸控制在50nm以下，则纳米陶瓷将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。纳米陶瓷的硬度和强度一般比相同成分的普通陶瓷高出4～5倍。目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的宝温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其它材料不可替代的作用。
42微电子、光电子与计算机
未来所有的纳米电子器件都将具有更小(集成度更高)、更快(响应速度更快)、更冷(单个器件的功耗更小、温升低)的特点。如果记录媒体采用纳米层和纳米点的形式，1000张CD盘中的信息就可能存储到一个手表大小的存储器中。除了存储量千百倍甚至百万倍地增加外，计算机的速度也将大幅度提高。传送电磁信号(包括无线电信号和激光信号)的器件将变得更加小巧而功能却更加强大。任何人、任何物体都将可能在任何时间、任何地点与未来的互联网相连；而将来的互联网更象是一个无处不在的信息环境，而不仅仅是一个计算机网络。
美国半导体工业协会(SIA)制订一个关于信息处理器件在小型化、速度和功耗方面不断改善的技术发展线路。这些信息处理器件包括用于信号获取的纳米传感器、用于信号处理的逻辑器件、用于数据记忆的存储器、用于可视化的显示器和用于通信的传输器件。根据SIA的预测，大概到2010年，半导体片可以达到100nm的精度，与纳米结构器件相距不远。实际上，1999年，美国加州大学与惠普公司合作获已经研制成功100nm的芯片。1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制出了量子磁盘，密度高达10″bit/in２，美国商家认为2005年的市场可达到400亿美元。
目前，利用纳米技术已经研制成功多种纳米器件。单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器已经问世。日本日立公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态来完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳几十亿个这样的量子点。利用量子点可制成体积小、耗能低的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微细加工工艺，它将为研制智能型微型电脑带来希望。日本NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs半导体衬底上成功制作了具有开关功能的量子点阵列。美国也已经成功研制出尺寸只有4nm的具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。
纳米技术的发展，还使微电子和光电子的结合更加紧密，纳米技术在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面的应用，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术应用于现有雷达信息处理上，可能使其能力大大提高，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现：纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，纳米激光器工作时只需微安级的电流。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器件，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。由于只需极少的能量就可以发射激光，这类装置可实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适用于光纤通信。美国贝尔实验室已能将导线设计得细度等于头发丝的四百分之一，而且还能设计得更细。贝尔实验室还在1997年成功利用电子束加工集成电路的技术，线宽仅为80nm，大大增加了相同尺寸内容纳的电路数目。他们利用这些纳米技术所制备出的电晶体，其宽不到一根头发的千分这一宽，每个指甲般大小的晶粒上可有10亿个这样的电晶体。
目前制备纳米电子器件的思路分发为两种类型：第一是制备最小线宽为50nm左右的集成电路，大体上仍然延用目前的基本设计、制造和测试的思想，但完全不能使用目前常用的光刻、掺杂等集成电路工艺第二是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子器件。目前已在试验各种可能的器件模式，如量子点、量子线、量子阱、单电子晶体管、单原子开关等。使用的技术包括纳米级的刻蚀技术、掺杂元素的定位技术以及寻找更高级分辨率的成象和分析技术。
43医学与健康
生命系统是由纳米尺度上的分子行为所控制的，如生物体内的RNA蛋的质复合体，其线度在15～20nm之间，并且生物体内的核酸、类脂物、碳氢化合物多种病毒等，也是纳米粒子。因此，纳米科技在医学上的应用将带来一场革命。
使用经纳米技术加工的表面和器件，可使费时费力的基因测试和基因表达检测效率大大提高。
新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如果粒子为纳米尺度，则可溶于10nm以下的纳米粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血液中自由流动。将包裹有纳米粒子的智能药物注入到血液中，输送到病灶细胞，为药物传开辟了一个崭新的途径，也极大地增了药物治疗的效力。纳米管可以吸取药物分子，并且一定的时间内缓慢释放，使可控药剂成为现实。科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。
纳米科技还大大地促进了细胞生物学和病理学的基础研究。随着能够探测纳米世界的新的分析工具的发展，使得我们表征细胞的化学和力学特性以测量单个分子的特性越来越成为可能。因此，研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生命大分子的精细结构及其功能的关系，从而获取生命信息。
科学家设想利用纳米技术，以20种氨基酸为原料，按分子设计合成所需的蛋白质“零件”，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架和纤维结构制造分子机器人。分子机器人在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，如疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以吞噬病毒，杀死癌细胞。在不久的将来，被视为当今疑难病症的艾滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解。
通过对纳米结构进行控制，还可以制备出与生物兼容的高性能材料，从而带来新一代的医疗修复术和植入物。植入物表面是经过分子设计的或在人工器官外面涂上纳米粒子，从而可与人体产生交互作用，预防移植后的排斥反应，甚至有助于吸收和组合体液中的原始材料，以便再生骨骼、皮肤以及缺失或受损的组织。
新型纳米结构疫苗可以避免传统的用病毒和细菌制备的疫苗的副作用。
利用纳米技术还可以制成人类血液替代品。
只有芯片大小的包含纳米级检测和处理组件的家用诊断器件，将大量进入家庭，从而使病人与医生之间的关系发生根本性的变化。
44生物工程与农业
生物结构单元包括蛋白质、核酸、类脂物、碳氢化合物，以及它们的非生物学仿制物，都具有由其在纳米尺度上的大小、折叠和构型所决定的特性。把生物结构单元与合成材料整合能够把生物的机能结合到我们所期望的材料特性中。生物合成和生物处理技术为化工和医药新产品的制造提供了崭新的方法。生物系统仿真为若干学科开辟了一个很大的研究领域，例如仿生化学就是基于生物系统仿真的一个活跃的学科。此外，生物分子也是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式工进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性，并结合纳米技术可以设计分子计算机。
纳米技术在很多方面对农业起到直接的助进作用，例如经过分子设计的生物降解化学制品用于植物的培养和防虫；动植物的基因改变；对动物进行基因和药物传导；基于纳米阵列的测试技术(基因芯片)用于DNA测试等等。
45环境与能源
纳米科技对能源的开发与利用有着巨大的潜在市场。纳米科技还可应用于监测和减轻环境污染，减少污染物的排放，开发新的绿色处理技术，以使不需要的副产品减少到最低程度。
以下是几项应用于环境与能源的纳米技术：
(1)具有小于1nm微孔的结晶材料的催化剂的使用，形成了一个每年超过300亿美元的产业。
(2)从工业废水中滤除有毒物质或筛选贵重微粒，或者能够低成本地淡化海水的选择性滤膜；具有孔径在10～100nm范围内的有序间隙孔材料MCM-41正在广泛地应用于清除超微细污染物。
传统的污水处理技术，效率低，成本高，又存在二次污染问题。纳米技术用于处理污水即不存在这些问题，并且还可将污水中的贵金属金、钙、钯、铂等完全炼出来，变废为宝。
(3)有几家化工公司正在开发一种可以用来代替汽车中的金属构件的纳米粒子增强型复合材料。这种纳米复合材料的广泛使用，可能使汽油的燃烧量每年减少15亿公斤，二氧化碳的排放量每年至少减少50亿公斤。
(4)用粘土和聚合物的纳米粒子替代轮胎中的碳黑，是一项生产环保型、耐磨损轮胎的新技术。
(5)新型电池、使用人工光合作用的清洁能源、量子阱式太阳能电池、氢燃料的安全贮存等。
46航空与航天
纳米科技在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载体，更重要的是使耗能指标呈指数倍的降低。因此，轻型航空航天器，经济的能量发生器和控制器，微型机器人等可望研制成功。这方面的研究内容还包括：研制低能耗、抗辐射、高性能计算机；抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。
47国家安全
由于纳米科技对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。美国国防部10年前就清楚地认识到纳米技术的重要性，在对发展纳米科技的支持上一直起着重要的作用，每年投入3500万美元用于研制纳米新武器。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队占据信息上的优势，在预警、导弹拦截等领域做出快速反应。通过纳米机械学、微小机器人的应用，无人驾驶战斗机由于不存在驾驶员受加速度力的限制，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性。用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高。通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐蚀性、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。基于纳米电子学的更加先进的虚拟现实系统使军事训练变得更加经济、高效、利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中，控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。
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