纳米科技的发展与应用
摘要: 纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、研究和工陶瓷材料公司业化，以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的一门综合性技术体系。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。 关键词：纳米科技，纳米材料，发展，应用
纳米科技的灵感，来自于诺贝尔奖获得者Richard Feyneman于 1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲。他以“由下而上的方法”(bottom up) 出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言：“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”纳米技术未来的目标是按照需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等，这七个相对又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。
一、 纳米科技的发展历史
(一) 70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，
科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；
(二) 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为
我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；
(三) 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，
标志着纳米科学技术的正式诞生； (四) 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，
强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；
(五) 1993年，继19年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大
学英文、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”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地； (六) 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技
术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；
(七) 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最
小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；
(八) 到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达
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到500亿美元；
(九) 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术
战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业的核心，美国部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。
二、 纳米科技的应用
(一) 在微电子学上的应用
纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍认为是70nm左右。目前国际上最窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。新概念器件的形成，单原子操纵是重要的方式。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料[30]。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。
利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance, TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。 (二) 在医学上的应用
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。
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纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。
正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。
纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。 (三) 在国防科技上的应用
纳米技术将对国防军事领域带来性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。 在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级，的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。
(四) 纳米陶瓷的补强增韧
先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一，
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纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上[34]，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶与a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料。
目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工艺和新方法不断出现，已具备了生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。我们研究组提出利用原位选择性反应法制备了纳米晶TiC和TiN复合TZP的复合粉料，为陶瓷材料的显微结构设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化手段也趋于多样化，其中微波烧结和放电等离子体烧结(SPS)具有良好的效果。美国宾州大学陈一苇教授利用无压烧结制备平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料，为发展纳米陶瓷带来新的希望。2001年6月，日本经济产业省报道将纳米陶瓷等新型材料应用于飞机部件制造技术。
(五) 纳米科技在其它方面的应用
纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高100倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。 小型化本身并不代表纳米技术，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”(top down)尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”( bottom up)的方法来构建纳米器件。目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术，日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧，使功能性微器件的制备接受有了新的突破。另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1-2nm的单层的场效应晶体管，这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要的一步。这方面的工作现在还仅限于实验
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室研究阶段。
三、 我国纳米技术目前产业化状况
1993年，因发明STM而获得Nobel物理学奖的科学家海·罗雷尔(Heinrich Rohrer)博士写信给。他写道：“我确信纳米科技已经具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。” 罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展将要起的重要作用。为了避免重蹈我国在半导体、激光、计算机等技术领域起步早，转化难，最终落后的覆辙，一些国家级的纳米研究专家在2000年6月联名向党、提出关于加快制定国家纳米技术科技发展计划，尽快抢占这一世界前沿科技领域的建议。建议引起了领导的高度重视，并被采纳，由此拉开了我国纳米技术产业化的序幕。
目前我国纳米技术的应用成了热门。据2001年6月的一项调查，国内已有323家纳米企业，其中，以“纳米”字样注册的企业57家，三十多条纳米材料的生产线，社会投入资金约30亿元。然而纳米科技的产业化效果还不太理想：这是由于许多纳米技术项目研发时间仅有一年左右，属启动阶段。科研院所的纳米科技论文水平很高，潜心于后续的应用开发和技术支持显得力不从心。而大部分企业属于生产型，缺乏持续创新和应用开发能力，只能接受非常成熟的技术。二者接口的差异，导致纳米技术成果不能顺利转化。虽然国内已建立了几十条纳米材料和技术的生产线，但是产品主要集中在制备纳米粉体方面。市场上很多的“纳米商品”还不是真正意义上的“纳米产品”，急需国家制定一个指导性的纳米技术准入标准。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变或较大的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造会给传统产业带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。
纳米技术的产业化较互联网经济更注重实业。基于纳米技术的生产过程有着极强的规模经济效应，尤其是这种生产的总成本大部分必须是一次性投入，故纳米技术产业化同样具有很大的投资风险。这种投资方式对资本市场提出了严峻的考验，对中国风高浪大的主板市场和犹抱琶琵半遮面的二板市场而言尤其如此。事实上，纳米技术刚走出实验室，才向产业化阶段迈出第一步。即便在美国，“NNI计划”也只是在年前才出台，要真正实现大规模应用，国内外专家普遍认为须有不少于20年的时间。
发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点。以国家目标为导向，纳米器件的研制和集成是纳米科技的核心，纳米材料的制备和研究是工作的重点，“由上而下的方法”(top down)还将是目前主要的研究方法，用创新推动技术创新，使纳米科技的产业化得到健康的发展。相信通过中国科技人员创造性的工作，我国一定会在已揭开战幕的纳米科技全球竞争中赢得令人瞩目的地位。
总的来说，无论是国内还是国外，纳米是一门前瞻性、战略性、基础性的科技，但目前仍集中在基础研究方面。科学家认为，虽然90年代初科学家已经
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成功搬动原子,但离自如操纵原子还很远。像基因组技术一样，纳米技术还有很长一段路要走。有人把纳米技术、信息技术和生物技术看中21世纪的三大关键技术，因此，21世纪也将是纳米世纪。尽管纳米技术已经开始走入百姓的生活,但是纳米科技要像信息技术一样产生广泛而深刻的影响，那将是二三十年以后的事情。
参考文献：
(一) 朱雪琴, 纳米技术的研究及其应用, 新技术新工艺, 1996.
(二) 王淼, 李振华, 鲁阳, 齐仲甫, 李文铸. 纳米材料应用技术的新进
展. 材料科学与工程,2000.
(三) 周国泰，军事高科技与高技术武器装备.国防大学出版社.2005.
(四) 纳米技术 百度百科 http://baike.baidu.com/view/3585.htm。
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