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即將引發(fā)工業(yè)革命的納米技術(shù) 文.林鴻溢 科技的發(fā)展完全地改變了人類的生活，每一項(xiàng)重大技術(shù)的出現(xiàn)可以影響一代人甚至幾代人的生活方式。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)使得人們告別了手工作坊的時(shí)代，進(jìn)入了蒸汽時(shí)代，爆發(fā)了第一次重要的工業(yè)革命。電的發(fā)明使得整個(gè)世界明亮和高速起來，人類進(jìn)入了電氣時(shí)代，這是又一次的工業(yè)革命。晶體管的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了電腦和網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，使得人類的聯(lián)系空前便利起來。現(xiàn)在，一項(xiàng)新的技術(shù)正在悄悄地影響著人類文明的進(jìn)程，它的影響終將爆發(fā)性地改變?nèi)祟惖纳睿l(fā)新的工業(yè)革命，它就是并不為人們完全熟知的納米技術(shù)。 倍受關(guān)注的納米材料 在20世紀(jì)的最后10年，一門嶄新的學(xué)科──納米科技誕生了，其新穎性、獨(dú)特的思路和首批研究成果的問世，在科學(xué)技術(shù)界引起巨大反響，受到廣泛關(guān)注。納米科技的主要任務(wù)是研究納米材料的性質(zhì)和應(yīng)用。常規(guī)材料中的基本顆粒的直徑小到幾微米大到幾毫米，包含幾十億個(gè)原子。而納米材料中的基本顆粒直徑不到100納米(1納米＝10-9米)，包含的原子頂多幾萬個(gè)。一個(gè)直徑3納米的原子團(tuán)包含大約900個(gè)原子，幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條30米長的帆船跟整個(gè)地球的比例。 美國IBM公司首席科學(xué)家阿莫特朗(Amotrong)說：“正如70年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下一世紀(jì)信息時(shí)代的核心。”許多國家已紛紛制定納米技術(shù)相關(guān)戰(zhàn)略和計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地，美國、日本、德國等國家均把納米技術(shù)列入國家科技戰(zhàn)略開發(fā)重點(diǎn)。從2000年10月1日起，美國實(shí)施了一項(xiàng)稱為“美國國家納米技術(shù)倡議──導(dǎo)致下一次工業(yè)革命”的新的納米技術(shù)計(jì)劃，克林頓總統(tǒng)說：“我的預(yù)算將支持一項(xiàng)價(jià)值5億美元的新的國家納米倡議”，就是說經(jīng)費(fèi)比上一年度增加接近一倍，把納米技術(shù)作為美國政府當(dāng)前科技研究與開發(fā)的第一優(yōu)先計(jì)劃。納米技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子信息、醫(yī)藥、新材料等領(lǐng)域，專家預(yù)測，納米技術(shù)在未來二三十年內(nèi)將極大地影響人類的生活。納米技術(shù)的全球年產(chǎn)值有望從目前的500億美元，提高到2010年的14500億美元。 原子世界奇觀 納米是微觀世界的一種長度的度量單位，它等于十億分之一米。那么，在這么小的尺寸上，科學(xué)家們是怎樣對這些材料進(jìn)行研究的呢？原來，他們借助了一種先進(jìn)的儀器──掃描隧道顯微鏡(STM)。STM是IBM公司蘇黎士研究所的賓尼格(G.Binnig)和羅爾(H.Rohrer)于1981年發(fā)明的，他們因此共同獲得1986年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。STM是一種基于量子隧道效應(yīng)的新型高分辨率顯微鏡，它能以原子級空間分辨率來觀測物質(zhì)表面原子或分子的幾何分布和態(tài)密度分布，確定物體局域光、電、磁、熱和機(jī)械特性。借助STM人們可以在真空、大氣或液體中對樣品進(jìn)行原子級分辨的無損觀測。 STM可以實(shí)時(shí)測量物體表面的實(shí)空間三維圖象。對平行和垂直于表面方向的測量分辨率分別為0.1納米和0.01納米。這將會(huì)實(shí)現(xiàn)人類長期追求的直接觀察原子真面目的愿望。STM還具有廣泛的適用性，如刻劃納米級微細(xì)線條、移動(dòng)原子等實(shí)際操作。因此STM已成為研究納米科學(xué)技術(shù)的主要工具。 STM還可在自然條件下對生物大分子進(jìn)行原子級直接觀察，因而在生命科學(xué)研究中具有極大的潛力。 物質(zhì)的奇異性探索 物質(zhì)世界有千千萬萬形態(tài)各異、特性不同的材料，人們經(jīng)過長期的研究已有不同程度的認(rèn)識，但仍然有許多沒有認(rèn)識到的方面，納米態(tài)的物質(zhì)就有許多鮮為人知的奇異特性，有待人們?nèi)ラ_發(fā)應(yīng)用。 1、納米電子學(xué)：控制單個(gè)電子 美國IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已研制成單電子晶體管。傳統(tǒng)的晶體管是通過控制成群電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來形成開關(guān)、振蕩和放大等功能的，而單電子晶體管只是控制單個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。開發(fā)單電子晶體管，只要控制一個(gè)電子的行為即可完成特定功能，可使功耗降低到原來的1/1000，從根本上解決日益嚴(yán)重的集成電路功耗問題。 對電子在真空中和在固體中的行為進(jìn)行控制，已產(chǎn)生舉世矚目的輝煌成果。但是，作為電子器件，迄今為止只利用了電子波粒二象性的粒子性；其次，各種傳統(tǒng)電子元器件都是通過控制電子數(shù)量來實(shí)現(xiàn)信號處理的。例如，開關(guān)器件是以控制電子流的有或無來實(shí)現(xiàn)電路通斷的，放大器件則是通過控制電子數(shù)量多少來完成放大功能的。而量子器件不單純通過控制電子數(shù)目的多少，主要是通過控制電子波動(dòng)的相位來實(shí)現(xiàn)某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應(yīng)速度和更低的功耗。 現(xiàn)有的硅(Si)和砷化鎵(GaAs)器件無論怎樣改進(jìn)，其響應(yīng)速度最高只能達(dá)到10-12秒，功耗最低只能降至1微瓦。然而量子器件在響應(yīng)速度和功耗方面可以比這個(gè)數(shù)據(jù)優(yōu)化1000～10000倍。由于器件尺度為納米級，集成度大幅度提高，同時(shí)還具有器件結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，納米電子學(xué)的發(fā)展，可能會(huì)在電子學(xué)領(lǐng)域中引起一次新的電子技術(shù)革命，從而把電子工業(yè)技術(shù)推向一個(gè)更高的發(fā)展階段。 2、納米材料科學(xué)：奇異性探索 物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念是視晶體的有序排列為物質(zhì)的主體，而其中的缺陷、雜質(zhì)等是次要的。德國物理學(xué)家格萊特(Gleiter)1984年創(chuàng)造性地提出把缺陷作為物質(zhì)的主體，經(jīng)過多年研究，他終于獲得雙組元材料，即晶態(tài)組元和界面組元，兩者的體積各占50%。晶態(tài)組元原子仍然是有序排列的，而界面組元?jiǎng)t存在大量缺陷，原子有序排列發(fā)生變化。這種具有特殊結(jié)構(gòu)的材料被稱為物質(zhì)新態(tài)──納米材料。 實(shí)驗(yàn)表明，納米材料具有許多鮮為人知的奇異特性，下面舉幾個(gè)例子來說明納米材料的奇異性： (1)納米銅(晶粒尺寸為8納米)的自擴(kuò)散系數(shù)比晶格擴(kuò)散系數(shù)增大1019倍，膨脹系數(shù)比普通銅成倍增大。 (2)納米硅的光吸收系數(shù)比普通單晶硅增大幾十倍。 (3)在通常情況下陶瓷是脆性材料，因而限制了其應(yīng)用范圍，納米二氧化鈦(TiO2)陶瓷卻變成韌性材料，在室溫下可以彎曲，塑性形變高達(dá)100%。 (4)納米金屬顆粒以晶格形式淀積在硅表面，可以形成高效電子元件或高密度信息存貯材料。 (5)超細(xì)顆粒鐵表面覆蓋一層5～20納米厚的聚合物，可固定大量蛋白質(zhì)或(左酉右每)，在控制生物反應(yīng)和(左酉右每)工程中將起重要作用。 (6)據(jù)報(bào)導(dǎo)，英國已經(jīng)制備成功一種尺寸只有4納米的復(fù)雜分子，具有“開”和“關(guān)”特性，可以由激光驅(qū)動(dòng)，開關(guān)時(shí)間很快，這將為激光計(jì)算機(jī)的研制提供技術(shù)基礎(chǔ)。 由于納米材料微小的結(jié)構(gòu)顆粒對光、機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級的結(jié)構(gòu)顆粒，納米材料從宏觀上顯示出許多奇妙的特性，例如納米銅強(qiáng)度比普通銅高5倍；納米陶瓷是摔不碎的。 只要控制結(jié)構(gòu)顆粒的大小，就能制造出強(qiáng)度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米材料。這也許具有最大的商業(yè)價(jià)值。科學(xué)家在了解這些無與倫比的材料及其有用的特性方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，已用納米材料做出了各種產(chǎn)品──從陶瓷到電子產(chǎn)品。 可能引發(fā)新的工業(yè)革命 納米技術(shù)的科學(xué)家們堅(jiān)信，“小”不僅是美麗的，而且是未來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢。日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的汽車；工程師們制成了直徑只有1～2毫米的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)；體積只有常規(guī)機(jī)器萬分之一、能夠動(dòng)轉(zhuǎn)的車床以及直徑僅5.5毫米的“尺蠖”──有朝一日它也許會(huì)鉆進(jìn)核工廠的管道系統(tǒng)檢查管道是否有裂縫。德國工程師制成了一架只有黃蜂大小且能升空的直升機(jī)、肉眼幾乎看不見的發(fā)動(dòng)機(jī)以及供化學(xué)行業(yè)使用的火柴盒大小的反應(yīng)器。 更加引人注目的是，科學(xué)家已開始在硅片上造出微機(jī)電系統(tǒng)。這些裝置把電路和運(yùn)轉(zhuǎn)著的機(jī)器合裝在一個(gè)硅芯片上。這些裝置最終將像目前的硅芯片一樣普遍。幾種基本的微機(jī)電系統(tǒng)已經(jīng)在美國、日本和德國使用，包括在上百萬輛汽車?yán)锇惭b的一種細(xì)如發(fā)絲的傳感──致動(dòng)器，當(dāng)它“感覺”到撞擊時(shí)，就會(huì)立即打開保險(xiǎn)氣袋，防止撞傷。 中國正積極開展納米技術(shù)研究與開發(fā)，已有微直升飛機(jī)，微馬達(dá)，微泵，微噴器，微傳感器等一系列微機(jī)電系統(tǒng)元器件問世。此外，中國在超高密度存儲(chǔ)，醫(yī)療器械，環(huán)境保護(hù)和太陽能利用等方面也在加緊進(jìn)行探索研究。 光明的應(yīng)用前景 1、納米機(jī)器人 納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具誘惑力的內(nèi)容。第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，如(左酉右每)和納米齒輪的結(jié)合體。這種納米機(jī)器人可注入人體血管內(nèi)，可以進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)。這是一種可以進(jìn)行人機(jī)對話的裝置。這種納米機(jī)器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內(nèi)完成數(shù)10億次操作。人類的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。 2、太空升降機(jī) 巴基球(C60)是由60個(gè)碳原子聚集在一起形成的足球狀結(jié)構(gòu)，具有若干特殊的性質(zhì)。在巴基球的基礎(chǔ)上，又研制成功碳納米管。碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6。單個(gè)碳納米管的直徑只有1.4納米，5萬個(gè)碳納米管并排在一起相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。 碳納米管的最異想天開的用途，是用于太空升降機(jī)。一根碳納米管纜繩從地球同步軌道上垂到地球表面，與鋼或其他任何物質(zhì)不同的關(guān)鍵是它能支持住自身的重量。這就提供了一種把人或物品提升到外層空間的可能方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。 碳納米管在1991年被人類發(fā)現(xiàn)，被譽(yù)為未來的材料。碳納米管韌性極高，兼具金屬性和半導(dǎo)體性。碳納米管的出現(xiàn)使壁掛電視進(jìn)一步成為可能，并可能替代硅芯片，引發(fā)電腦行業(yè)革命。 3、儲(chǔ)氫燃料電池 中國科學(xué)家成會(huì)明等人最近合成高質(zhì)量的碳納米材料，這種新材料能儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車，國際權(quán)威刊物認(rèn)為這是世界范圍內(nèi)迄今為止最令人信服的結(jié)果。氫能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，但儲(chǔ)存等方面的問題制約著氫能的開發(fā)利用。已有的稀土等材料由于儲(chǔ)氫量少，應(yīng)用受到限制。各國科學(xué)家已在新型儲(chǔ)氫材料研究上展開一場競賽。納米級的碳材料合成十分困難，大量低成本、高效率的合成更難。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備相對簡單的情況下，成會(huì)明等人勇于創(chuàng)新，采用與眾不同的新方法，快速合成出大量高質(zhì)量的碳納米纖維和單壁碳納米管，不僅純度高，而且直徑較粗，預(yù)示著較好的儲(chǔ)氫性能。在進(jìn)一步的研究中，成會(huì)明等人發(fā)現(xiàn)，這些自制的納米材料在室溫下具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫性能，儲(chǔ)氫能力達(dá)到百分之四以上，至少是稀土的兩倍。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推測，室溫常壓下，約2/3的氫能從這些可被多次利用的納米材料中釋放。這些棉花似的黑色絮狀物，能儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車。中國科學(xué)家的成果一經(jīng)發(fā)表，立刻引起世界矚目，美、德、日等國研究機(jī)構(gòu)紛紛邀請成會(huì)明前往講學(xué)。 4、納米電子槍與納米探頭 碳納米管眾多可能用途中，以下幾種令人耳目一新：作為其他分子之間的“分子導(dǎo)線”；用作能“感覺”物體表面單個(gè)原子結(jié)構(gòu)的納米探頭(由于納米管非常小，小到不會(huì)打擾運(yùn)動(dòng)中的細(xì)胞，可以用作生物系統(tǒng)的電子探頭)；用作納米級電子槍，來點(diǎn)亮新一代平面顯示屏上的發(fā)光體。 5、電子隧道 眾所周知，光導(dǎo)纖維是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通過。碳納米管可以充當(dāng)電子快速通過的隧道，成為一根直徑只有一個(gè)原子大小的金屬導(dǎo)線。據(jù)分析，碳納米管可能成為最佳超微導(dǎo)線，一根納米管的直徑只有計(jì)算機(jī)芯片上最細(xì)電路直徑的1/100。 6、納米隱身術(shù) 近年來關(guān)于納米材料具有高的電磁波吸收系數(shù)的報(bào)導(dǎo)，引起軍事科研人員的極大興趣，提出以納米材料作為新一代隱身材料的設(shè)想和探索。 由于納米材料的特異結(jié)構(gòu)，物質(zhì)的表面、界面效應(yīng)和量子效應(yīng)將十分顯著地表現(xiàn)出來，對吸波性能產(chǎn)生重要影響，納米超微�？梢灾瞥删哂辛己梦ㄐ阅艿耐繉�。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級超微粒，在細(xì)化過程中，使組成粒子的原子數(shù)大大減少，活性大大增加。納米材料對電磁波兼具吸收和透過之功能，其吸波性能和透波性能取決于超微粒的尺度。納米材料具有十分巨大的界面面積，這對提高對雷達(dá)波的損耗是十分有利的，從而達(dá)到隱身的目的。目前，國際上制造的隱形飛機(jī)也在考慮用納米材料作機(jī)身涂層。 為了獲得兼具寬頻帶、多功能、質(zhì)量小和厚度薄等性質(zhì)，正在研究納米復(fù)合隱身材料，可以期望出現(xiàn)吸收或透過厘米波、毫米波、紅外、可見光等很寬波段的復(fù)合隱身材料，甚至可望研制成與加固技術(shù)兼容的復(fù)合隱身材料。 7、納米衛(wèi)星與微型飛船 在小衛(wèi)星系列中，可以分為小型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星。它們的重量分別在10～500千克，0.1～10千克和0.1千克以下。以硅為襯底的專用集成微型儀器，可以應(yīng)用于制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制、推進(jìn)、能源和通信等航天器系統(tǒng)。美國科學(xué)家提出在非常小的航天器上建造性能優(yōu)越的計(jì)算機(jī)。最終設(shè)計(jì)出能夠飛到其他星球上去從事生產(chǎn)的微型飛船。可以發(fā)射幾百萬個(gè)這樣的飛船進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。 8、原子精密度計(jì)算機(jī) 美國國家航空航天局的科學(xué)家指出，21世紀(jì)初，將必須制造具有原子精密度的計(jì)算機(jī)。并提出了分子探針的設(shè)計(jì)，這種探針可以區(qū)分緊密排在金剛石表面兩種類型的原子：F原子和H原子。如果把F原子的值定為1，把H原子的值定為0；同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)能非�？焖匍喿x它們的探針，這樣就有可能得到一個(gè)原子型的二進(jìn)制碼，作為新一代計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。 9、納米多功能抗菌塑料 這種塑料不僅具有抗菌功能，而且具有抗老化、增韌和增強(qiáng)作用。這一新型塑料的研制開發(fā)成功，開辟了高分子材料的新領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。提高電冰箱和冷柜等家用電器外部和內(nèi)部表面的抗菌性，是當(dāng)前國內(nèi)外家用電器廠家為提高家電產(chǎn)品的市場競爭力而競相研究的一個(gè)熱門課題，而最佳途徑是在塑料中加入抗菌劑，從而賦予家用電器外部和內(nèi)部表面材料本身以抗菌性。納米多功能抗菌塑料采用的是物理法和化學(xué)法相結(jié)合的生產(chǎn)方法，這一抗菌劑對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、黑色枯草芽胞桿菌等多種常見細(xì)菌均有抗菌、殺菌作用。 摘自《科學(xué)畫報(bào)》2000.11 |
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