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即将引发工业革命的纳米技术 文.林鸿溢 科技的发展完全地改变了人类的生活，每一项重大技术的出现可以影响一代人甚至几代人的生活方式。蒸汽机的出现使得人们告别了手工作坊的时代，进入了蒸汽时代，爆发了第一次重要的工业革命。电的发明使得整个世界明亮和高速起来，人类进入了电气时代，这是又一次的工业革命。晶体管的发现导致了电脑和网络的出现，使得人类的联系空前便利起来。现在，一项新的技术正在悄悄地影响着人类文明的进程，它的影响终将爆发性地改变人类的生活，引发新的工业革命，它就是并不为人们完全熟知的纳米技术。 倍受关注的纳米材料 在20世纪的最后10年，一门崭新的学科──纳米科技诞生了，其新颖性、独特的思路和首批研究成果的问世，在科学技术界引起巨大反响，受到广泛关注。纳米科技的主要任务是研究纳米材料的性质和应用。常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米大到几毫米，包含几十亿个原子。而纳米材料中的基本颗粒直径不到100纳米(1纳米＝10-9米)，包含的原子顶多几万个。一个直径3纳米的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条30米长的帆船跟整个地球的比例。 美国IBM公司首席科学家阿莫特朗(Amotrong)说：“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心�！毙矶喙乙逊追字贫擅准际跸喙卣铰院图苹�，投入巨资抢占纳米技术战略高地，美国、日本、德国等国家均把纳米技术列入国家科技战略开发重点。从2000年10月1日起，美国实施了一项称为“美国国家纳米技术倡议──导致下一次工业革命”的新的纳米技术计划，克林顿总统说：“我的预算将支持一项价值5亿美元的新的国家纳米倡议”，就是说经费比上一年度增加接近一倍，把纳米技术作为美国政府当前科技研究与开发的第一优先计划。纳米技术被广泛应用于电子信息、医药、新材料等领域，专家预测，纳米技术在未来二三十年内将极大地影响人类的生活。纳米技术的全球年产值有望从目前的500亿美元，提高到2010年的14500亿美元。 原子世界奇观 纳米是微观世界的一种长度的度量单位，它等于十亿分之一米。那么，在这么小的尺寸上，科学家们是怎样对这些材料进行研究的呢？原来，他们借助了一种先进的仪器──扫描隧道显微镜(STM)。STM是IBM公司苏黎士研究所的宾尼格(G.Binnig)和罗尔(H.Rohrer)于1981年发明的，他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖。STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性。借助STM人们可以在真空、大气或液体中对样品进行原子级分辨的无损观测。 STM可以实时测量物体表面的实空间三维图象。对平行和垂直于表面方向的测量分辨率分别为0.1纳米和0.01纳米。这将会实现人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。STM还具有广泛的适用性，如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此STM已成为研究纳米科学技术的主要工具。 STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察，因而在生命科学研究中具有极大的潜力。 物质的奇异性探索 物质世界有千千万万形态各异、特性不同的材料，人们经过长期的研究已有不同程度的认识，但仍然有许多没有认识到的方面，纳米态的物质就有许多鲜为人知的奇异特性，有待人们去开发应用。 1、纳米电子学：控制单个电子 美国IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已研制成单电子晶体管。传统的晶体管是通过控制成群电子的运动状态来形成开关、振荡和放大等功能的，而单电子晶体管只是控制单个电子的运动状态�？⒌サ缱泳骞�，只要控制一个电子的行为即可完成特定功能，可使功耗降低到原来的1/1000，从根本上解决日益严重的集成电路功耗问题。 对电子在真空中和在固体中的行为进行控制，已产生举世瞩目的辉煌成果。但是，作为电子器件，迄今为止只利用了电子波粒二象性的粒子性；其次，各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的。例如，开关器件是以控制电子流的有或无来实现电路通断的，放大器件则是通过控制电子数量多少来完成放大功能的。而量子器件不单纯通过控制电子数目的多少，主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的。因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗。 现有的硅(Si)和砷化镓(GaAs)器件无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10-12秒，功耗最低只能降至1微瓦。然而量子器件在响应速度和功耗方面可以比这个数据优化1000～10000倍。由于器件尺度为纳米级，集成度大幅度提高，同时还具有器件结构简单、可靠性高、成本低等诸多优点，因此，纳米电子学的发展，可能会在电子学领域中引起一次新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段。 2、纳米材料科学：奇异性探索 物理学的传统观念是视晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质等是次要的。德国物理学家格莱特(Gleiter)1984年创造性地提出把缺陷作为物质的主体，经过多年研究，他终于获得双组元材料，即晶态组元和界面组元，两者的体积各占50%。晶态组元原子仍然是有序排列的，而界面组元则存在大量缺陷，原子有序排列发生变化。这种具有特殊结构的材料被称为物质新态──纳米材料。 实验表明，纳米材料具有许多鲜为人知的奇异特性，下面举几个例子来说明纳米材料的奇异性： (1)纳米铜(晶粒尺寸为8纳米)的自扩散系数比晶格扩散系数增大1019倍，膨胀系数比普通铜成倍增大。 (2)纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍。 (3)在通常情况下陶瓷是脆性材料，因而限制了其应用范围，纳米二氧化钛(TiO2)陶瓷却变成韧性材料，在室温下可以弯曲，塑性形变高达100%。 (4)纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面，可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料。 (5)超细颗粒铁表面覆盖一层5～20纳米厚的聚合物，可固定大量蛋白质或(左酉右每)，在控制生物反应和(左酉右每)工程中将起重要作用。 (6)据报导，英国已经制备成功一种尺寸只有4纳米的复杂分子，具有“开”和“关”特性，可以由激光驱动，开关时间很快，这将为激光计算机的研制提供技术基础。 由于纳米材料微小的结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，纳米材料从宏观上显示出许多奇妙的特性，例如纳米铜强度比普通铜高5倍；纳米陶瓷是摔不碎的。 只要控制结构颗粒的大小，就能制造出强度、颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米材料。这也许具有最大的商业价值�？蒲Ъ以诹私庹庑┪抻肼妆鹊牟牧霞捌溆杏玫奶匦苑矫嬉丫〉昧撕艽蟮慕�，已用纳米材料做出了各种产品──从陶瓷到电子产品。 可能引发新的工业革命 纳米技术的科学家们坚信，“小”不仅是美丽的，而且是未来科学技术发展的趋势。日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小、能够运转的汽车；工程师们制成了直径只有1～2毫米的静电发动机；体积只有常规机器万分之一、能够动转的车床以及直径仅5.5毫米的“尺蠖”──有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝。德国工程师制成了一架只有黄蜂大小且能升空的直升机、肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的反应器。 更加引人注目的是，科学家已开始在硅片上造出微机电系统。这些装置把电路和运转着的机器合装在一个硅芯片上。这些装置最终将像目前的硅芯片一样普遍。几种基本的微机电系统已经在美国、日本和德国使用，包括在上百万辆汽车里安装的一种细如发丝的传感──致动器，当它“感觉”到撞击时，就会立即打开保险气袋，防止撞伤。 中国正积极开展纳米技术研究与开发，已有微直升飞机，微马达，微泵，微喷器，微传感器等一系列微机电系统元器件问世。此外，中国在超高密度存储，医疗器械，环境�；ず吞裟芾玫确矫嬉苍诩咏艚刑剿餮芯�。 光明的应用前景 1、纳米机器人 纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容。第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如(左酉右每)和纳米齿轮的结合体。这种纳米机器人可注入人体血管内，可以进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪淀积物，吞噬病毒，杀死癌细胞。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置。第三代纳米机器人将包含有纳米计算机。这是一种可以进行人机对话的装置。这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成数10亿次操作。人类的劳动方式将产生彻底的变革。 2、太空升降机 巴基球(C60)是由60个碳原子聚集在一起形成的足球状结构，具有若干特殊的性质。在巴基球的基础上，又研制成功碳纳米管。碳纳米管的强度比钢高100倍，而重量只有钢的1/6。单个碳纳米管的直径只有1.4纳米，5万个碳纳米管并排在一起相当于一根头发丝的直径。 碳纳米管的最异想天开的用途，是用于太空升降机。一根碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面，与钢或其他任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量。这就提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。 碳纳米管在1991年被人类发现，被誉为未来的材料。碳纳米管韧性极高，兼具金属性和半导体性。碳纳米管的出现使壁挂电视进一步成为可能，并可能替代硅芯片，引发电脑行业革命。 3、储氢燃料电池 中国科学家成会明等人最近合成高质量的碳纳米材料，这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车，国际权威刊物认为这是世界范围内迄今为止最令人信服的结果。氢能是取之不尽、用之不竭的清洁能源，但储存等方面的问题制约着氢能的开发利用。已有的稀土等材料由于储氢量少，应用受到限制。各国科学家已在新型储氢材料研究上展开一场竞赛。纳米级的碳材料合成十分困难，大量低成本、高效率的合成更难。在实验设备相对简单的情况下，成会明等人勇于创新，采用与众不同的新方法，快速合成出大量高质量的碳纳米纤维和单壁碳纳米管，不仅纯度高，而且直径较粗，预示着较好的储氢性能。在进一步的研究中，成会明等人发现，这些自制的纳米材料在室温下具有优异的储氢性能，储氢能力达到百分之四以上，至少是稀土的两倍。根据实验结果推测，室温常压下，约2/3的氢能从这些可被多次利用的纳米材料中释放。这些棉花似的黑色絮状物，能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。中国科学家的成果一经发表，立刻引起世界瞩目，美、德、日等国研究机构纷纷邀请成会明前往讲学。 4、纳米电子枪与纳米探头 碳纳米管众多可能用途中，以下几种令人耳目一新：作为其他分子之间的“分子导线”；用作能“感觉”物体表面单个原子结构的纳米探头(由于纳米管非常小，小到不会打扰运动中的细胞，可以用作生物系统的电子探头)；用作纳米级电子枪，来点亮新一代平面显示屏上的发光体。 5、电子隧道 众所周知，光导纤维是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通过。碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道，成为一根直径只有一个原子大小的金属导线。据分析，碳纳米管可能成为最佳超微导线，一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的1/100。 6、纳米隐身术 近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报导，引起军事科研人员的极大兴趣，提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索。 由于纳米材料的特异结构，物质的表面、界面效应和量子效应将十分显著地表现出来，对吸波性能产生重要影响，纳米超微�？梢灾瞥删哂辛己梦ㄐ阅艿耐坎�。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粒，在细化过程中，使组成粒子的原子数大大减少，活性大大增加。纳米材料对电磁波兼具吸收和透过之功能，其吸波性能和透波性能取决于超微粒的尺度。纳米材料具有十分巨大的界面面积，这对提高对雷达波的损耗是十分有利的，从而达到隐身的目的。目前，国际上制造的隐形飞机也在考虑用纳米材料作机身涂层。 为了获得兼具宽频带、多功能、质量小和厚度薄等性质，正在研究纳米复合隐身材料，可以期望出现吸收或透过厘米波、毫米波、红外、可见光等很宽波段的复合隐身材料，甚至可望研制成与加固技术兼容的复合隐身材料。 7、纳米卫星与微型飞船 在小卫星系列中，可以分为小型卫星、微型卫星和纳米卫星。它们的重量分别在10～500千克，0.1～10千克和0.1千克以下。以硅为衬底的专用集成微型仪器，可以应用于制导、导航、控制、推进、能源和通信等航天器系统。美国科学家提出在非常小的航天器上建造性能优越的计算机。最终设计出能够飞到其他星球上去从事生产的微型飞船�？梢苑⑸浼赴偻蚋稣庋姆纱写蠊婺Ｉ�。 8、原子精密度计算机 美国国家航空航天局的科学家指出，21世纪初，将必须制造具有原子精密度的计算机。并提出了分子探针的设计，这种探针可以区分紧密排在金刚石表面两种类型的原子：F原子和H原子。如果把F原子的值定为1，把H原子的值定为0；同时设计一个能非�？焖僭亩了堑奶秸�，这样就有可能得到一个原子型的二进制码，作为新一代计算机的基础。 9、纳米多功能抗菌塑料 这种塑料不仅具有抗菌功能，而且具有抗老化、增韧和增强作用。这一新型塑料的研制开发成功，开辟了高分子材料的新领域，具有广阔的应用前景。提高电冰箱和冷柜等家用电器外部和内部表面的抗菌性，是当前国内外家用电器厂家为提高家电产品的市场竞争力而竞相研究的一个热门课题，而最佳途径是在塑料中加入抗菌剂，从而赋予家用电器外部和内部表面材料本身以抗菌性。纳米多功能抗菌塑料采用的是物理法和化学法相结合的生产方法，这一抗菌剂对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑色枯草芽胞杆菌等多种常见细菌均有抗菌、杀菌作用。 摘自《科学画报》2000.11 |
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