納米科學

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子製造物質的科學技術。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如納電子學、納米材料學、納機械學等。

基本介紹

• 中文名：納米技術
• 外文名：nanotechnology
• 定義：用單個原子、分子製造物質的技術
• 實例：納電子學、納米材科學、納機械學

名詞定義

納米科學技術是研究於納米尺寸（1~100nm）時，物質和設備的設計方法、組成、特性以及套用的套用科學。“納米科學”最初的構想來自於著名物理學家費曼1959年在加州理工大學的一次演講。經過半個多世紀的發展，特別是上世紀末期，隨著測量與表征技術的顯著提高，納米科學技術得到了飛速的發展，已經成為一門集前沿性、交叉性和多學科特徵的新興研究領域，其理論基礎、研究對象涉及物理學、化學、材料學、機械學、微電子學、生物學和醫學等多個不同的學科。

進入21世紀，世界各國紛紛意識到納米科技對社會的經濟發展、科學技術進步、人類生活等方面產生了巨大影響，加大了對納米科學技術研究力度，將其列為21世紀最重要的科學技術。美國、歐盟、日本紛紛將納米科學技術的研究和發展列為國家科學技術發展的重要組成部分，我國也於2003年成立國家納米科學研究中心，並於2006年將納米科學與技術研究列為《國家中長期科學技術發展規劃綱要》的四大重點學科之一。

能操作細小到0.1～100nm物件的一類新發展的高技術。生物晶片和生物感測器等都可歸於納米技術範疇。

套用

當前納米技術的研究和套用主要在材料和製備、微電子和計算機技術、醫學與健康、航天和航空、環境和能源、生物技術和農產品等方面。用納米材料製作的器材重量更輕、硬度更強、壽命更長、維修費更低、設計更方便。利用納米材料還可以製作出特定性質的材料或自然界不存在的材料，製作出生物材料和仿生材料。

1、納米是一種幾何尺寸的度量單位，1納米=百萬分之一毫米。

2、納米技術帶動了技術革命。

3、利用納米技術製作的藥物可以阻斷毛細血管，“餓死”癌細胞。

4、如果在衛星上用納米集成器件，衛星將更小，更容易發射。

5、納米技術是多科學綜合，有些目標需要長時間的努力才會實現。

6、納米技術和信息科學技術、生命科學技術是當前的科學發展主流，它們的發展將使人類社會、生存環境和科學技術本身變得更美好。

7、納米技術可以觀察病人身體中的癌細胞病變及情況，可讓醫生對症下藥。

納米顆粒

納米顆粒是納米材料基元。用物理、化學及生物學的方法製備出只包含幾百個或幾千個原子、分子的“顆粒”。這些“顆粒”的尺寸只有幾個納米。

★脾氣爆燥、易燃易爆的納米金屬顆粒 金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑。實驗上發現如果將金屬銅或鋁作成納米顆粒，遇到空氣就會激烈燃燒，發生爆炸。可用納米顆粒的粉體作成功固體火箭的燃料、催化劑

★材料世界中的大力士--納米金屬塊體 金屬納米顆粒粉體製成塊狀金屬材料，它會變得十分結實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富於彈性。

★奇妙的碳納米管 碳納米管是由石墨中一層或若干層碳原子而捲曲而成的籠狀“纖維”，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。比重只有鋼的六分之一，而強度卻是鋼的100倍。輕而柔軟又非常結實的材料最好是作防彈背心。如果，用碳納米管作出繩索，是從月球上掛到地球表面，而唯一不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它作為地球--月球乘人的電梯。

★善變顏色的納米氧化物材料 氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。作成士兵防護雷射槍的眼鏡和廣告板，在電、光的作用下，會變得更加喧麗多彩。

★剛柔並濟的納米陶瓷 納米陶瓷粉製成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發動機工作在更高的溫度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。

★愛清潔的納米材料 把透明疏油、疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上，大樓不會被空氣中的油污弄髒，玻璃也不會沾上水蒸氣而永遠透明。將這種納米顆粒放到織物纖維中，做成的衣服不沾塵，省去不少洗衣的麻煩。

★法力無邊的半導體納米材料 半導體納米材料的最大用處是可以發出各種顏色的光，可以做成超小型的雷射光原。它還可以吸收太陽光中的光能；把它們直接變成電能。

★運送藥物的“飛彈”把藥物製成納米顆粒或者把藥物放入磁性納米顆粒的內部。這些顆粒可以自由地在血管和人體組織內運動，如果在人體外部加以導向，使藥物集中到患病的組織中，那么藥物治療的效果會大大地提高。

★新型納米材料--碳納米管 最近，科學家正在致力於一種新型納米材料--碳納米管的研究，這是一種非常奇特的材料，它是石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀"纖維"，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。這樣的材料很輕，但很結實。它的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。 納米碳管的細尖極易發射電子。用於做電子槍，可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏，這是電視製造業的發展方向。

發展史

納米技術（nanotechnology）是用單個原子、分子製造物質的科學技術。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，它是現代科學（混沌物理、量子力學、介觀物理、分子生物學）和現代技術（計算機技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術）結合的產物，納米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如納電子學、納米材科學、納機械學等。①

現如今，人類能夠研究的物質世界的最大尺度約為10億光年，這是我們已觀測到的宇宙大致範圍。而人類所研究的物質世界的最小尺度約為0．1阿米。

所謂納米科技中的“納米”用國際單位表示為m，用符號表示為nm，用物理中的原子來說，一個原子的直徑為0.1-0.3nm。

納米科技是指在納米尺度(1nm到l00nm之間)上研究物質的特性和相互作用，比如原子和分子，以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。當物質小到1-100nm時，其量子效應、物質的局域性及巨大的表面及界面效應使物質的很多性能發生質變，呈現出許多既不同於巨觀物體，也不同於單個孤立原子的奇異現象。納米科技的最終目標是直接以原子、分子及物質在納米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學特性製造出具有特定功能的產品。

關於納米技術的起源，最早提出納米尺度上科學和技術問題的是著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理察·費恩曼。1959年他在一次著名的講演中提出：如果人類能夠在原子和分子的尺度上來加工材料、製備裝置，我們將有許多激動人心的新發現。他指出，我們需要新型的微型化儀器來操縱納米結構並測定其性質。那時，化學將變成根據人們的意願逐個地準確放置原子的問題。1974年，Taniguchi最早使用納米技術一詞描述精細機械加工。20世紀70年代後期，麻省理工學院德雷克斯勒教授提倡納米科技的研究，但當時多數主流科學家對此持懷疑態度。②

雖然當時的主流科學家對納米技術不是很看好，總是懷疑的態度，但是隨著科學技術的發展，納米技術就像出水芙蓉一樣漸漸的展現在科學家們的眼前。

20世紀70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，科學家們想通過納米技術來實現當時不能完成化學材料和生物材料，但是仍有很多科學家持反面意見，他們認為納米技術只是一個只能幻想而不可能完成的技術。直到1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工。從此，納米技術慢慢地被人們認可

1982年，科學家發明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，這個重要的工具使得人類世界中誕生了一門以0.1到100納米長度為研究的分子世界，它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能的產品。這個重要的工具對納米科技發展產生了積極的促進作用。

1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標誌著納米科學技術的正式誕生。
1991年，碳納米管被人類發現，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍，這項技術的發現使得納米技術成為科學家們研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用於超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。
1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年後研製成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。
1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當於一個病毒的重量;此後不久，德國科學家研製出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。③
到1999年，納米技術逐步走向市場，全年納米產品的營業額達到500億美元。
近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計畫，投入巨資搶占納米技術戰略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計畫的研發重點;德國專門建立納米技術研究網;美國將納米計畫視為下一次工業革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元，近些年的投入也在保持大幅增加。

總而言之，納米科技的迅速發展是在80年代末、90年代初。80年代初發明了費恩曼所期望的納米科技研究的重要儀器——掃描隧道顯微鏡(STM)、原子力顯微鏡(AFM)等微觀表征和操縱技術，它們對納米科技的發展起到了相當大的積極促進作用。

目前，納米技術已經成為人類科學中相對普遍的一項科學，但是納米技術的發展卻剛剛開納米技術將在未來為人類帶來很多意想不到的利益。

據日本阿普萊德研究所提供的材料介紹，以研究分子機械而著稱的美國風險企業宰貝克斯公司的一項預測認為，納米技術的發展可能會經歷以下五個階段：

第一階段的發展重點是要準確地控制原子數量在100個以下的納米結構物質。這需要使用計算機設計/製造技術和現有工廠的設備和超精密電子裝置。這個階段的市場規模約為5億美元。

第二個階段是生產納米結構物質。在這個階段，納米結構物質和納米複合材料的製造將達到實用化水平。其中包括從有機碳酸鈣中製取的有機納米材料，其強度將達到無機單晶材料的3000倍。該階段的市場規模在50億至200億美元之間。

在第三個階段，大量製造複雜的納米結構物質將成為可能。這要求有高級的計算機設計/製造系統、目標設計技術、計算機模擬技術和組裝技術等。該階段的市場規模可達100億至1000億美元。

納米計算機將在第四個階段中得以實現。這個階段的市場規模將達到2000億至1萬億美元。

在第五階段里，科學家們將研製出能夠製造動力源與程式自律化的元件和裝置，市場規模將高達6萬億美元。

宰貝克斯公司認為，雖然納米技術每個階段到來的時間有很大的不確定性，難以準確預測，但在2010年之前，納米技術有可能發展到第三個階段，超越“量子效應障礙”的技術將達到實用化水平。④

我相信納米技術在不久的未來會給人類帶來巨大的利益，將會是繼計算機、基因技術之後世界強國追逐的又一大科技熱點。因為納米科技的魅力主要在於它幾乎可以將人類目前所有的高科技重新定義。隨著納米科技的逐漸起步，很多在科幻小說中形容的外星人高科技對地球人來說也開始變得極為可能。

①摘自：納米材料物理基礎 張邦維化學工業出版社

②摘自：納米材料電化學 G.霍茲科學出版社

③摘自：納米生物技術:概念‘套用和前景 C.M.尼邁耶(Christof M.Niemeyer)、C.A墨爾金(Chad A.Mirkin)、馬光輝、蘇志國化學工業出版社

④摘自：中國科協信息中心