納米科學(xué)與技術(shù)簡(jiǎn)介

納米材料學(xué)

Nano-materialsScience王菲菲物理學(xué)院參考書(shū)：1、納米技術(shù)與納米材料，張志焜、崔作林著，國(guó)防工業(yè)出版社，20002、納米材料與納米結(jié)構(gòu)，張立德等著，科學(xué)出版社，20013、納米材料和器件，朱靜等著，清華大學(xué)出版社，20034、NanoscaleScienceandTechnology,RobertW.Kelsall，JohnWiley&SonsLtd,20055、國(guó)外著名雜志：Science,Nature,Nat.Mater.,Nat.Nanotech.,Angew.Chim.Int.Ed.,J.Am.Chem.Soc.,Adv.Mater.,NanoLetters第一章納米科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介第二章納米結(jié)構(gòu)單元第三章納米材料的檢測(cè)分析技術(shù)第四章納米科學(xué)的基本理論第五章納米微粒的結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)特性第六章納米材料的制備方法第一章納米科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介教學(xué)目的：了解納米科技的基本內(nèi)涵、發(fā)展歷史、進(jìn)展和趨勢(shì)。

重點(diǎn)內(nèi)容：1、掌握基本概念介觀領(lǐng)域、納米科學(xué)技術(shù)、納米材料、納米陶瓷、納米器件、量子器件、蓮花效應(yīng)、納米組裝體系、自上而下、自下而上。2、納米材料與傳統(tǒng)材料的差別。3、納米科技的分類。4、納米科技的前沿動(dòng)態(tài)。

難點(diǎn)內(nèi)容：納米科技的前沿動(dòng)態(tài)中的部分內(nèi)容。熟悉內(nèi)容:了解納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展史。了解發(fā)展納米科技的意義。

納米技術(shù)在國(guó)內(nèi)的研究情況及取得的成果。主要英文詞匯:Mesostructure,Macrostructure,Nanostructure,Nanotechnology;nanomaterial,Nanostructure,Nanodevice，Top-down,Bottom-up.緒論(Introduction)美國(guó)盧克斯研究公司2005調(diào)查報(bào)告:2004年美國(guó)聯(lián)邦政府在納米技術(shù)領(lǐng)域投入了10億美元，各州又另外投入了4億美元。迄今只有很少一些納米技術(shù)產(chǎn)品走向市場(chǎng)，也幾乎沒(méi)有盈利，但對(duì)納米技術(shù)的前景保持樂(lè)觀。1997年各國(guó)政府對(duì)納米技術(shù)的投入總計(jì)不到5億美元，到2003年就增長(zhǎng)到35億美元。(摘自：科技日?qǐng)?bào)2005-01-27)“紐約時(shí)報(bào)”2006年9月26日?qǐng)?bào)道，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)在向國(guó)會(huì)提交的有關(guān)美國(guó)“國(guó)家納米科技計(jì)劃”的一份評(píng)估報(bào)告中表示，美國(guó)納米科技研究繼續(xù)在國(guó)際上保持領(lǐng)先，但要使政府所投入的高達(dá)數(shù)十億美元的資金成效顯著還要等上數(shù)十年時(shí)間。報(bào)告中，既充滿希望又對(duì)目前的形勢(shì)比較謹(jǐn)慎。但評(píng)估報(bào)告中也提出警告，處理納米級(jí)別的物質(zhì)可能會(huì)對(duì)我們的健康和環(huán)境產(chǎn)生潛在的危害，對(duì)這方面研究的資金投入明顯不夠。納米科技研究涉及一系列快速發(fā)展的設(shè)備和工業(yè)流程，要求對(duì)單一的原子或分子簇進(jìn)行加工處理，這些材料通常只有1納米到100納米大小。在納米級(jí)別，一些傳統(tǒng)的材料可以表現(xiàn)出其有價(jià)值的特性，如不同尋常的強(qiáng)度、電導(dǎo)性或者通過(guò)肉眼無(wú)法察覺(jué)的某些性質(zhì)，可以通過(guò)對(duì)不同納米級(jí)材料間的重新組合制造出新的藥物、新的食品和設(shè)備。將對(duì)全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響。但同時(shí)科學(xué)家們也有一些擔(dān)憂，這些新材料的產(chǎn)生也可能帶來(lái)新的安全威脅，科學(xué)家們對(duì)這些新威脅可能要經(jīng)過(guò)數(shù)十年才能完全了解。

報(bào)告中表示，由于納米科技屬于一項(xiàng)基礎(chǔ)科技，納米技術(shù)的進(jìn)步使得其它一些科技創(chuàng)新成為可能，對(duì)納米科技研究的投資，從邏輯上來(lái)說(shuō)，應(yīng)該像對(duì)計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的早期投資一樣，這兩項(xiàng)科技也是在早期投資20到40年后才顯示出其對(duì)社會(huì)的深遠(yuǎn)影響的。但報(bào)告中也警示，目前對(duì)納米科技研究的投資也出現(xiàn)一些問(wèn)題，如政府對(duì)于納米技術(shù)研究的投資缺乏必要的分類和投資的連貫性，而且對(duì)于投入的資金所產(chǎn)生的回報(bào)也缺乏一個(gè)明確的評(píng)估管理體系。評(píng)估報(bào)告中提出安全研究資金撥款不足問(wèn)題，得到了布什總統(tǒng)的國(guó)家科技理事會(huì)專家小組的響應(yīng)。一些專家表示，每年對(duì)納米科技安全領(lǐng)域的研究的撥款不足4000萬(wàn)美元，這一撥款額度確實(shí)太小。同時(shí)專家在報(bào)告中還表示，每個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家都選擇有自己獨(dú)立的項(xiàng)目，缺乏一個(gè)中心方向。國(guó)際科學(xué)基金會(huì)負(fù)責(zé)人阿爾丁·貝曼特表示，“我要說(shuō)的是，納米科技研究這一領(lǐng)域錯(cuò)綜復(fù)雜，我認(rèn)為不可能有誰(shuí)或哪個(gè)小型機(jī)構(gòu)的研究人員能夠足夠聰明，確定所有存在的風(fēng)險(xiǎn)，確定研究的優(yōu)先事項(xiàng)以及制定出所謂的研究策略。”

新華網(wǎng)洛杉磯2007年2月18日電：在舊金山舉行的美國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)年會(huì)上，美國(guó)納米技術(shù)專家科爾文提出，開(kāi)發(fā)和應(yīng)用納米技術(shù)必須首先保證其安全性。

根據(jù)科爾文公布的動(dòng)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)，小于100納米的物質(zhì)進(jìn)入動(dòng)物體內(nèi)后會(huì)侵入大腦和中樞神經(jīng)系統(tǒng),從而影響大腦和神經(jīng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?！?.1納米科學(xué)技術(shù)簡(jiǎn)介

Nanoscalescience&technology人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)分為兩個(gè)層次：一是宏觀領(lǐng)域，二是微觀領(lǐng)域。宏觀領(lǐng)域是指以人的肉眼可見(jiàn)的物體為最小物體開(kāi)始為下限，上至無(wú)限大的宇宙天體；微觀領(lǐng)域是以分子原子為最大起點(diǎn)，下限是無(wú)限的領(lǐng)域?；玖Ｗ樱弘娮?、質(zhì)子、中子等；亞粒子：夸克。介觀領(lǐng)域：在宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域之間，存在著一塊近年來(lái)才引起人們極大興趣和有待開(kāi)拓的“處女地”。三維尺寸都很細(xì)小，出現(xiàn)了許多奇異的嶄新的物理性能。1959年，著名理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾預(yù)言：“毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)我們得以對(duì)納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍”。這個(gè)領(lǐng)域包括了從微米、亞微米，納米到團(tuán)簇尺寸(從幾個(gè)到幾百個(gè)原子以上尺寸)的范圍。介觀領(lǐng)域中產(chǎn)生以相干量子輸運(yùn)現(xiàn)象為主的介觀物理，成為當(dāng)今凝聚態(tài)物理學(xué)的熱點(diǎn)。（導(dǎo)體與絕緣體的轉(zhuǎn)變，磁性變化、納米碳管導(dǎo)電性等）。從廣義上來(lái)說(shuō)，凡是出現(xiàn)量子相干現(xiàn)象的體系統(tǒng)稱為介觀體系，包括團(tuán)簇、納米體系和亞微米體系。納米體系和團(tuán)簇就從這種介觀范圍獨(dú)立出來(lái)，形成一個(gè)單獨(dú)的領(lǐng)域（狹義的介觀領(lǐng)域）。一、納米科學(xué)技術(shù)的基本概念和內(nèi)涵納米(nanometer)是一個(gè)長(zhǎng)度單位，簡(jiǎn)寫(xiě)為nm。1nm=10(-9)m=10埃。頭發(fā)直徑：50-100m,1nm相當(dāng)于頭發(fā)的1/50000。氫原子的直徑為1埃，所以1納米等于10個(gè)氫原子一個(gè)一個(gè)排起來(lái)的長(zhǎng)度。Nanotechnologyisthetermusedtocoverthedesign,constructionandutilizationoffunctionalstructureswithatleastonecharacteristicdimensionmeasuredinnanometers.Howsmallis1nanometer?

HumanHair一納米有多小？跳蚤頭發(fā)紅細(xì)胞病毒從宏觀世界到微觀世界Pt/TiO2催化劑UnderstandingSizeHowbig(small)arewetalkingabout?10centimeters1centimeterUnderstandingSize100micrometersUnderstandingSize10micrometersUnderstandingSize1micrometerUnderstandingSize100nanometersUnderstandingSize10nanometersUnderstandingSize1nanometerUnderstandingSize1.納米科學(xué)技術(shù)(Nano-ST):20世紀(jì)80年代末期剛剛誕生并正在崛起的新科技，是研究在千萬(wàn)分之一米(10–7)到十億分之一米(10–9米)內(nèi)，原子、分子和其它類型物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和變化的科學(xué)；同時(shí)在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子、分子等進(jìn)行操縱和加工的技術(shù)，又稱為納米技術(shù)。

2.納米科技的主要研究?jī)?nèi)容:創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料、制備各種納米器件和裝置、探測(cè)和分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象。（基礎(chǔ)，目標(biāo)，前提）1993年，國(guó)際納米科技指導(dǎo)委員會(huì)將納米技術(shù)劃分為6個(gè)分支學(xué)科（1）納米電子學(xué)、（2）納米物理學(xué)、（3）納米化學(xué)、（4）納米生物學(xué)、（5）納米加工學(xué)、（6）納米計(jì)量學(xué)。其中，納米物理學(xué)和納米化學(xué)是納米技術(shù)的理論基礎(chǔ)，而納米電子學(xué)是納米技術(shù)最重要的內(nèi)容。3.納米材料(nanomaterials)的定義:把組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的尺寸控制在100納米以下的具有特殊功能的材料稱為納米材料。即三維空間中至少有一維尺寸小于100nm的材料或由它們作為基本單元構(gòu)成的具有特殊功能的材料。“功能”概念，即“量子尺寸效應(yīng)”。Theobjectsmaydisplayphysicalattributessubstantiallydifferentfromthosedisplayedbyeitheratomsorbulkmaterials.常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬(wàn)個(gè)。一個(gè)直徑為3nm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(wàn)分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長(zhǎng)的帆船跟整個(gè)地球的比例。4.納米材料的分類(Classificationofnanostructures)amorphous,singlecrystallineorpolycrystalline按結(jié)構(gòu)(維度thenumberofdimensions）分為5類：(1)0維材料quasi-zerodimensional—尺寸為納米級(jí)(100nm)以下的顆粒狀物質(zhì)。SystemsconfinedinthreedimensionsFullerenes，ColloidalparticlesSemiconductorquantumdotsHRTEMimageofmagneticironoxidenanoparticle(2)1維材料—線徑為1—100nm的纖維(管)。SystemsconfinedintwodimensionsIncludenanowires,nanorods,nanofilamentsandnanotubes.(3)2維材料—厚度為1—100nm的薄膜。Systemsconfinedinonedimension.includediscsorplatelets,ultrathinfilmsonasurfaceandmultilayeredmaterials.(4)體相納米材料（由納米材料組裝而成）。Interfacialpropertiesananocrystallinesolidconsistingofnanometre-sizedcrystallinegrainseachinaspecificcrystallographicorientation.(5)納米孔材料（孔徑為納米級(jí)）。MCM-41;SAB-16;Nanoporoussilicon;ActivatedcarbonsMCM-416,9,20,26nmSAB-16按組成（component）分類金屬納米材料、半導(dǎo)體納米材料、有機(jī)和高分子納米材料、復(fù)合納米材料、……復(fù)合納米材料：無(wú)機(jī)納米粒子與有機(jī)高分子復(fù)合材料、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu)量子阱(超晶格)材料…………5.納米材料的新性質(zhì)：當(dāng)物質(zhì)小到1~100nm(10-9~10-7m)時(shí),由于其巨大的表面及界面效應(yīng),物質(zhì)的很多性能發(fā)生質(zhì)變,呈現(xiàn)出許多既不同于宏觀物體,也不同于單個(gè)孤立原子的奇異現(xiàn)象（如量子化效應(yīng)，非定域量子相干效應(yīng)，量子漲落與混沌，多體關(guān)聯(lián)效應(yīng)和非線性效應(yīng)等等）。

6.納米科技的最終目標(biāo)：直接利用物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來(lái)的新穎的物理化學(xué)和生物學(xué)特性（如納米尺度上的能帶、費(fèi)米能級(jí)及逸出功特意味著什么?）制造出具有特定功能的產(chǎn)品。7.納米材料與傳統(tǒng)材料的主要差別：第一、這種材料至少有一個(gè)方向是在納米的數(shù)量級(jí)上。比如說(shuō)納米尺度的顆粒，或者是分子膜的厚度在納米尺度范圍內(nèi)。尺寸第二、由于量子效應(yīng)、界面效應(yīng)、表面效應(yīng)等，使材料在物理和化學(xué)上表現(xiàn)出奇異現(xiàn)象。比如物體的強(qiáng)度、韌性、比熱、導(dǎo)電率、擴(kuò)散率等完全不同于或大大優(yōu)于常規(guī)的體相材料。性能二、納米科技的分類納米科技從研究?jī)?nèi)容上可以分為三個(gè)方面：納米材料納米器件納米尺度的檢測(cè)和表征1納米材料納米材料是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級(jí)尺度,并且具有特殊性能的材料。是納米科技發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。主要類型為：團(tuán)簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料的制備技術(shù)、原理及性質(zhì)。納米材料的研究包括兩個(gè)方面：一、系統(tǒng)地研究納米材料的微結(jié)構(gòu)和譜學(xué)特征,通過(guò)和常規(guī)材料對(duì)比,找出納米材料特殊的規(guī)律,建立描述和表征納米材料的新概念和新理論。二、發(fā)展新型納米材料。例如：納米陶瓷。目前，納米材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是在大規(guī)模制備的質(zhì)量控制中,如何做到均勻化、分散化、穩(wěn)定化。根據(jù)性質(zhì)設(shè)計(jì)各種特殊功能納米材料。2納米器件納米科技的最終目的是以原子分子為起點(diǎn),去制造具有特殊功能的產(chǎn)品。因此,納米器件的研制和應(yīng)用水平是進(jìn)入納米時(shí)代的重要標(biāo)志。--微米時(shí)代（微米技術(shù)）Moore（Intel創(chuàng)始人）定律：芯片上晶體管數(shù)量每18個(gè)月將會(huì)增加1倍。集成度越高，器件尺寸越小。由于量子遂穿效應(yīng)，特征尺寸在50nm以下的器件難以工作。目前，45nm，正在開(kāi)發(fā)32nm。所謂納米器件，就是指從納米尺度上，設(shè)計(jì)和制造功能器件。有人預(yù)計(jì)，目前微米級(jí)的信息技術(shù)到2010年時(shí)會(huì)走到盡頭，進(jìn)一步發(fā)展會(huì)受到物理的局限。根據(jù)美國(guó)半導(dǎo)體協(xié)會(huì)的預(yù)計(jì)，那時(shí)整個(gè)器件的尺度可以小到100納米，而電子器件小到100納米時(shí)，量子效應(yīng)就會(huì)起到很重要的作用，利用量子效應(yīng)而工作的電子器件稱為量子器件。這時(shí)就需要用全新的理論和方法來(lái)構(gòu)建新的納米器件。與電子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降為1/1000)、高效、高集成度、經(jīng)濟(jì)可靠、信息存儲(chǔ)量大（在一張不足巴掌大的5英寸光盤(pán)上，至少可以存儲(chǔ)30個(gè)北京圖書(shū)館的全部藏書(shū)）等優(yōu)點(diǎn)。納米技術(shù)與微電子技術(shù)的主要區(qū)別是：納米技術(shù)研究的是以控制單個(gè)原子、分子來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備特定的功能，是利用電子的波動(dòng)性來(lái)工作的；而微電子技術(shù)則主要通過(guò)控制電子群體來(lái)實(shí)現(xiàn)其功能，是利用電子的粒子性來(lái)工作的。人們研究和開(kāi)發(fā)納米技術(shù)的目的，就是要實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)微觀世界的有效控制。制造納米產(chǎn)品的技術(shù)路線可分為兩種：

“自上而下”(topdown)：是指通過(guò)微加工或固態(tài)技術(shù),不斷在尺寸上將人類創(chuàng)造的功能產(chǎn)品微型化。如：切割、研磨、蝕刻、光刻印刷等。從大到小“自下而上”(bottomup)：是指以原子分子為基本單元,根據(jù)人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)和組裝,從而構(gòu)筑成具有特定功能的產(chǎn)品，這種技術(shù)路線將減少對(duì)原材料的需求,降低環(huán)境污染。如化學(xué)合成、自組裝、定位組裝等。Theuseofbottom-upandtop-downtechniquesinmanufacturing3納米尺度的檢測(cè)和表征納米尺度的檢測(cè)與表征手段：在納米尺度上研究材料和器件的結(jié)構(gòu)及性能。包括：在納米尺度上原位研究各種納米結(jié)構(gòu)的電、力、磁、熱、光學(xué)特性。納米空間的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程、物理傳輸過(guò)程。研究原子分子的排列組裝與奇異物性的關(guān)系。納米技術(shù)發(fā)展的典型代表掃描隧道電子顯微鏡1981年，IBM公司的G.Binning和H.Rohrer根據(jù)電子的隧道效應(yīng)發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope,STM），獲1986諾貝爾物理獎(jiǎng)。目前，人們可以利用掃描隧道電子顯微鏡來(lái)觀察原子、分子和直接操縱安排原子。至今，具有最高的分辨率。Z軸分辨率達(dá)到0.01nm。世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡(STM)A1990年，美國(guó)加州的IBM研究室D.M.Eigler等人利用STM在4K和超真空環(huán)境中，在Ni的表面上將35個(gè)氙原子排布成最小的IBM商標(biāo)。這張放大了的照片登在《時(shí)代》周刊上，被稱為當(dāng)年最了不起的公司廣告。每個(gè)字母高5nm。Xe原子間最短距離約為1nm。這種原子搬遷的方法就是使顯微鏡探針針尖對(duì)準(zhǔn)選中的Xe原子、使針尖接近Xe原子、使原子間作用力達(dá)到讓Xe原子跟隨針尖移動(dòng)到指定位置而不脫離Ni的表面。用這種方法可以排列密集的Xe原子鏈。在Xe原子搬遷后，又實(shí)現(xiàn)了分子的搬遷排列。在鉑單晶的表面上、將吸附的一氧化碳分子(CO)用STM搬遷排列起來(lái)、構(gòu)成一個(gè)身高僅5nm的世界上最小的人的圖樣。用來(lái)構(gòu)成這圖樣的CO分子間距離僅為0.5nm,人們稱它為"一氧化碳小人"。來(lái)自同一實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家又用48個(gè)鐵原子排列在銅表面上組成了漢字“原子”兩字。漢字的大小只有幾個(gè)納米。用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱48個(gè)Fe原子，使它們排成圓形。圓形上原子的某些電子向外傳播，逐漸減小，同時(shí)與相內(nèi)傳播的電子相互干涉形成干涉波。B1991年，日本日立研究室實(shí)驗(yàn)了在室溫下用STM移去二硫化鉬晶體表面上的一些原子，進(jìn)行單原子操縱，以原子空穴的形式寫(xiě)下了“Peace91”的字樣，其每個(gè)字母的尺寸均小于1.5納米。C1994年，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)所和中國(guó)科學(xué)院北京真空物理室利用STM在單晶硅表面上通過(guò)提走硅原子的方法，獲得了（線寬2nm）硅原子的“毛澤東”。在石墨表面刻出線寬10nm的“中國(guó)”字符。漢字的大小只有幾個(gè)納米白春禮院士1988年4月12日，中國(guó)第一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制的STM研制成功。這些技術(shù)的突破對(duì)于高密度信息儲(chǔ)存、納米電子器件、量子阱器件、新型材料的形成和物種再選等方面具有非常重要和廣泛的應(yīng)用。光刻技術(shù)線寬為幾百納米§1.2納米科學(xué)技術(shù)發(fā)展史一、納米材料及納米技術(shù)的自然存在1人和動(dòng)物堅(jiān)硬牙齒的外表面，即牙釉質(zhì)，是由納米尺寸的微晶組成。2天體隕石的碎片和海洋中存在的亞微米膠體粒子3蜜蜂的定向蜜蜂的體內(nèi)存在磁性的納米粒子，具有“羅盤(pán)”的作用，可以為蜜蜂的活動(dòng)導(dǎo)航。以前人們認(rèn)為蜜蜂是利用北極星或通過(guò)搖擺舞向同伴傳遞信息來(lái)辨別方向。最近，英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂利用羅盤(pán)來(lái)判明方向。4海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導(dǎo)航5螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂6蓮花效應(yīng)—蓮花出污泥而不染荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突。乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。7壁虎飛檐走壁每只腳底部長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)根極細(xì)的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細(xì)的分支。這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。動(dòng)植物按照微基準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，就是納米機(jī)器的組合體。這些納米機(jī)器，就是人們熟知的蛋白質(zhì)。而細(xì)胞則可以說(shuō)是由這些納米機(jī)器在組裝而成的微米機(jī)器。

二、納米技術(shù)的人工造就1、無(wú)意識(shí)的方面：人工制備納米材料至少追溯到1000多年前。中國(guó)古代利用蠟燭來(lái)燃燒收集碳黑作為墨的原料（中國(guó)古代字畫(huà)歷經(jīng)千年而不褪色），是最早的納米材料。中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗(yàn)為納米氧化錫顆粒構(gòu)成的一層薄膜。古代的寶劍等微晶化增強(qiáng)已經(jīng)得到科學(xué)證實(shí)。但當(dāng)時(shí)人們并不知道這其中的原因，不知道是納米技術(shù)的作用，因?yàn)槿说娜庋鄹揪涂床坏郊{米尺度小顆粒。他們只知道這樣的工藝所做的工件好。2、有意識(shí)的制作：

1959年12月，著名理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼作了“There‘sPlentyofRoomattheBottom”的報(bào)告：“我認(rèn)為物理學(xué)原理并不排斥通過(guò)操縱單個(gè)原子來(lái)制造物質(zhì)。這樣做并不違反任何定理，而且在原則上是可以實(shí)現(xiàn)的”。《在底部還有很大空間》約1861年，膠體化學(xué)的建立(ColloidChemistry)，科學(xué)家就開(kāi)始了對(duì)于直徑1~100nm的粒子系統(tǒng)，即所謂膠體的研究。但是當(dāng)時(shí)并沒(méi)有意識(shí)到在這個(gè)尺寸范圍是人們認(rèn)識(shí)世界的一個(gè)新層次，而只是從化學(xué)的角度研究，并沒(méi)有從納米材料的角度或其特殊性能作為重點(diǎn)?！癟heprinciplesofphysics,asfarasIcansee,donotspeakagainstthepossibilityofmaneuveringthingsatombyatom.”“Puttheatomsdownwherethechemistsays,andsoyoumakethesubstance.”

-RichardFeynman(1959) PhysicsNobelLaureate1932年，德國(guó)的Ruska發(fā)明了世界上第一臺(tái)透射電子顯微鏡，為探索微觀物質(zhì)世界打下了基礎(chǔ)。1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)到1998年，電子顯微鏡的分辨率已達(dá)到1.3埃。而用光學(xué)顯微鏡是看不到納米尺寸的物體的。但是電子顯微鏡只能看，不能搬動(dòng)原子。3、自覺(jué)地研究（理論研究的開(kāi)始）人們自覺(jué)地研究納米微粒，始于上個(gè)世紀(jì)60年代，并開(kāi)始發(fā)現(xiàn)納米尺寸物體的特殊性能。久保理論1962年，久保(Kubo)針對(duì)金屬超微粒子的研究提出了久保理論----超微粒子的量子限域理論。由于粒子中原子數(shù)的減少，使能帶中能級(jí)間隔加大，變?yōu)椴贿B續(xù)能級(jí)，具有類似孤立原子中的不連續(xù)性稱為久保效應(yīng)(不遵守費(fèi)米統(tǒng)計(jì)，及小于10nm的趨向于電中性)。

氣體蒸發(fā)冷凝法制得納米微粒

1963年，Uyeda通過(guò)金屬在高純惰性氣體中蒸發(fā)和冷凝過(guò)程獲得清潔表面的超微顆粒，并用透射電子顯微鏡研究了單個(gè)顆粒金屬的形貌和晶體結(jié)構(gòu)。半導(dǎo)體超晶格1970年，江畸等考慮到量子相干區(qū)域的尺度，首先提出了半導(dǎo)體超晶格的概念。就是按照一定規(guī)則將一定尺度的納米薄層人工堆積起來(lái)的結(jié)構(gòu)。利用分子束外延技術(shù)制備了能隙大小不同的半導(dǎo)體多層膜，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了量子阱和超晶格，成為半導(dǎo)體物理中熱門的領(lǐng)域。Self-assembly4、系統(tǒng)研究（久保理論日臻完善）70年代末到80年代初，人們對(duì)納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，描述金屬顆粒費(fèi)密面附近電子能級(jí)狀態(tài)的久保理論日臻完善。在用量子尺寸效應(yīng)理論解釋超微顆粒的某些特性時(shí)獲得成功。1974年,Taniguchi最早使用納米技術(shù)(nanotechnology)一詞,即“納米加技術(shù)”并用于精細(xì)機(jī)械加工，原意為公差在納米尺度的加工技術(shù)。1977年美國(guó)麻省理工學(xué)院德雷克斯勒（時(shí)為大學(xué)生）提出,可以從模擬活細(xì)胞的生物分子的人工類似物---分子裝置開(kāi)始研究,用原子建造無(wú)機(jī)機(jī)器，并稱之為納米科技。他70年代末在斯坦福大學(xué)建立第一個(gè)納米科技研究小組。當(dāng)時(shí)多數(shù)主流科學(xué)家對(duì)此的反應(yīng)是：一派胡言！

但巴基球的誕生使研究人員開(kāi)始著手做這件事。他想，為什么不建造有自行復(fù)制能力的機(jī)器呢？一臺(tái)機(jī)器會(huì)變成兩臺(tái)，兩臺(tái)變成四臺(tái)，然后再變成八臺(tái)……這樣無(wú)窮地變下去。給那些能把簡(jiǎn)單的原料加工成特定非生物制品的機(jī)器加上這個(gè)功能，他認(rèn)為唯一可能的結(jié)果就是它所帶來(lái)的難以想像的財(cái)富。被德雷克斯勒稱為裝配工的小型機(jī)器人會(huì)給饑餓的人生產(chǎn)無(wú)窮數(shù)量的食物，或者為無(wú)家可歸的人建造無(wú)數(shù)的房屋，它們還可以在人的血管里游戈并修復(fù)細(xì)胞，從而可以防止疾病和衰老。實(shí)際上，人類有朝一日可以消遣放松一下，而納米機(jī)器人則可以像科幻小說(shuō)作家描寫(xiě)的那樣承擔(dān)世界上所有的工作。分子納米技術(shù)（MNT）“灰古”（greygoo）世界STM的發(fā)明1981年，G.Binning和H.Rohrer博士（IBM的）發(fā)明了掃描隧道電子顯微鏡，使得人類首次在大氣及常溫下觀察到了原子。這是到目前為止，表面分析最精密的儀器。分辨率達(dá)到0.01nm,可以直接觀察到原子，且能搬動(dòng)原子。納米結(jié)構(gòu)材料首次合成1984年，德國(guó)薩爾大學(xué)的Gleiter教授等人首次采用惰性氣體冷凝法制備了具有清潔表面的納米金屬粉末，然后在真空室中原位加壓成納米固體，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型，制備了具有清潔表面的納米晶體Pd,Fe,Cu等塊狀材料。隨后發(fā)現(xiàn)TiO2納米陶瓷在室溫下出現(xiàn)良好韌性，使人們看到了改善陶瓷脆性的希望。NanostructuredmaterialsC60等富勒烯（Fullerence）1985年Smalley（2005.10去世）與英國(guó)的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來(lái)收集碳團(tuán)簇、用質(zhì)譜儀分析發(fā)現(xiàn)了由60個(gè)碳原子構(gòu)成的碳團(tuán)簇豐度最高，通稱為C60。見(jiàn)下圖.Fullerenes–1985(1996)RobertF.CurlJr.RichardE.SmalleySirHaroldW.Kroto納米多晶體1987年美國(guó)Argon實(shí)驗(yàn)室Siegel博士用惰性氣體原位加壓法制備出來(lái)了納米晶材料TiO2多晶體。發(fā)現(xiàn)超韌性陶瓷。巨磁電阻效應(yīng)1988年，法國(guó)的費(fèi)爾在鐵、鉻相間的多層膜電阻中發(fā)現(xiàn)，微弱的磁場(chǎng)變化可以導(dǎo)致電阻大小的急劇變化，其變化的幅度比通常高十幾倍，他把這種效應(yīng)命名為巨磁電阻效應(yīng)（GiantMagneto-Resistive，GMR）。有趣的是，就在3年前，德國(guó)格林貝格爾教授在具有層間反平行磁化的鐵/鉻/鐵三層膜結(jié)構(gòu)中也發(fā)現(xiàn)了完全同樣的現(xiàn)象。阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾因分別獨(dú)立發(fā)現(xiàn)巨磁阻效應(yīng)而獲得2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巨磁阻效應(yīng)自從被發(fā)現(xiàn)以來(lái)就被用于開(kāi)發(fā)研制用于硬磁盤(pán)的體積小而靈敏的數(shù)據(jù)讀出頭（ReadHead）。阿爾貝·費(fèi)爾和彼得·格林貝格爾所發(fā)現(xiàn)的巨磁阻效應(yīng)造就了計(jì)算機(jī)硬盤(pán)存儲(chǔ)密度提高50倍的奇跡。單以讀出磁頭為例，1994年，IBM公司研制成功了巨磁阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤(pán)記錄密度提高了17倍。1995年，宣布制成每平方英寸3Gb硬盤(pán)面密度所用的讀出頭，創(chuàng)下了世界記錄。硬盤(pán)的容量從4ＧB提升到了600ＧB或更高。1990年，費(fèi)曼指出：納米科技的基本思想是在分子水平上，通過(guò)操縱原子來(lái)控制物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。它使我們可以利用單個(gè)原子組建分子系統(tǒng)，制備不同類型的納米器件。1991年，日本NEC基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的飯島教授（S.Iijima）在利用透射電子顯微鏡分析電弧放電產(chǎn)物時(shí)，發(fā)現(xiàn)多壁納米碳管；Y.Ando隨后，他還發(fā)現(xiàn)了僅由單層碳原子石墨層層卷曲而成的單層納米碳管。納米科技的發(fā)展大致可以劃分為3個(gè)階段：第一階段(1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法。第二階段(1994年前)人們關(guān)注的熱點(diǎn)是根據(jù)奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料：納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)，復(fù)合納米薄膜(0-2復(fù)合)。

第三階段(從1994年到現(xiàn)在)納米組裝研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。所謂納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝一種新的體系。納米組裝體系是以納米顆?；蚣{米絲、納米管及納米尺寸的孔洞為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。

根據(jù)納米結(jié)構(gòu)體系構(gòu)筑過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)力是靠外因，還是靠?jī)?nèi)因來(lái)劃分，大致可分為兩類:一是人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，二是納米結(jié)構(gòu)自組裝體系。所謂人工納米結(jié)構(gòu)組裝體系，按人類的意志，利用物理和化學(xué)的方法人工地將納米尺度的物質(zhì)單元組裝、排列構(gòu)成一維、二維和三維的納米結(jié)構(gòu)體系。

所謂納米結(jié)構(gòu)的自組裝體系是指通過(guò)弱的和較小方向性的非共價(jià)鍵，如氫鍵、范德瓦耳斯鍵和弱的離子鍵協(xié)同作用把原子、離子或分子連接在一起構(gòu)筑成一個(gè)納米結(jié)構(gòu)或納米結(jié)構(gòu)的花樣。納米自組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，稱為納米尺度的圖案材料（patterningmaterialsonthenanometerscale）。伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在Nature上指出：納米尺度的圖案材料是現(xiàn)代材料化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題。第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議1990年7月，在美國(guó)巴爾德摩召開(kāi)了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。NanostructuredMaterials,Nanobiology,Nanotechnology1992年9月，在墨西哥CauCan城召開(kāi)了第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議。張志焜和崔作林參加80年代以來(lái)，各國(guó)已投入大量人力，物力開(kāi)展納米超微粒的研究，如美國(guó)、日本。美國(guó)的政策：從1999年開(kāi)始,美國(guó)政府把納米科技研究列入21世紀(jì)前10年11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一。2000年美國(guó)總統(tǒng)克林頓宣布將以4.95億美元投入全美納米科技計(jì)劃。美國(guó)總統(tǒng)科技助理寫(xiě)信給國(guó)會(huì)稱:納米技術(shù)將與信息技術(shù)或生物技術(shù)一樣，對(duì)21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)、國(guó)防和社會(huì)產(chǎn)生重大影響，可能引導(dǎo)下一場(chǎng)工業(yè)革命(leadingtothenextindustrialrevolution)，應(yīng)把它放在科學(xué)技術(shù)的最優(yōu)先地位(toppriority)。納米技術(shù)是80年代初迅速發(fā)展起來(lái)的前沿學(xué)科，它使人們認(rèn)識(shí)、改造微觀世界的水平提高到了一個(gè)新的高度。納米技術(shù)將用于下一代的微電子器件即納米電子器件，使未來(lái)的電腦、電視機(jī)、衛(wèi)星、機(jī)器人等的體積變得越來(lái)越小.

1）可以制造一種材料，其強(qiáng)度為鋼的幾倍，而重量?jī)H為鋼的幾分之一。碳管

2）可以將國(guó)會(huì)圖書(shū)館的信息都存儲(chǔ)在一塊方糖大小的存儲(chǔ)器上。

3）可以檢測(cè)出幾個(gè)癌細(xì)胞。----克林頓

我國(guó)的發(fā)展情況1995年，我國(guó)召開(kāi)“材料中的前沿問(wèn)題研討”香山科學(xué)會(huì)議，納米材料的制備為主題之一。1997年，我國(guó)召開(kāi)納米化學(xué)香山會(huì)議，研討我國(guó)的納米化學(xué)的發(fā)展。2000年,中共中央明確提出將新材料和納米科學(xué)的進(jìn)展作為“十五”規(guī)劃中科技進(jìn)步和創(chuàng)新的重要任務(wù)。國(guó)際納米科技發(fā)展態(tài)勢(shì)和特點(diǎn)2002-2006

一、各國(guó)競(jìng)相出臺(tái)納米科技發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃(一)發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)雄心勃勃為了搶占納米科技的先機(jī)，美國(guó)早在2000年就率先制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì)劃，其宗旨是開(kāi)展納米尺度的科學(xué)、工程和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作。2003年11月，通過(guò)了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開(kāi)發(fā)法案》，標(biāo)志著納米技術(shù)已成為聯(lián)邦的重大研發(fā)計(jì)劃，從基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究到研究中心、基礎(chǔ)設(shè)施的建立以及人才的培養(yǎng)等全面展開(kāi)。日本政府將納米技術(shù)視為“日本經(jīng)濟(jì)復(fù)興”的關(guān)鍵。第二期科學(xué)技術(shù)基本計(jì)劃將生命科學(xué)、信息通信、環(huán)境技術(shù)和納米技術(shù)作為4大重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域。歐盟在2002～2007年實(shí)施的第六個(gè)框架計(jì)劃也對(duì)納米技術(shù)給予了空前的重視。該計(jì)劃將納米技術(shù)作為一個(gè)最優(yōu)先的領(lǐng)域，有13億歐元專門用于納米技術(shù)和納米科學(xué)、以知識(shí)為基礎(chǔ)的多功能材料、新生產(chǎn)工藝和設(shè)備等方面的研究。

(二)新興工業(yè)化經(jīng)濟(jì)體瞄準(zhǔn)先機(jī)

韓國(guó)政府2001年制定了《促進(jìn)納米技術(shù)10年計(jì)劃》，2002年頒布《促進(jìn)納米技術(shù)開(kāi)發(fā)法》，2003年又頒布了《納米技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)施規(guī)則》。目標(biāo)是融合信息技術(shù)、生物技術(shù)和納米技術(shù)3個(gè)主要技術(shù)領(lǐng)域，提升前沿技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)的水平；到2010年計(jì)劃結(jié)束進(jìn)入世界前5位。中國(guó)臺(tái)灣自1999年開(kāi)始，制定了《納米材料尖端研究計(jì)劃》、《納米科技研究計(jì)劃》，這些計(jì)劃以人才和核心設(shè)施建設(shè)為基礎(chǔ)，以追求“學(xué)術(shù)卓越”和“納米科技產(chǎn)業(yè)化”為目標(biāo)建立產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

(三)發(fā)展中大國(guó)奮力趕超中國(guó)政府在2001年7月就發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會(huì)。南非科技部正在制定一項(xiàng)國(guó)家納米技術(shù)戰(zhàn)略，在2005年度執(zhí)行。印度政府也通過(guò)加大對(duì)從事材料科學(xué)研究的科研機(jī)構(gòu)和項(xiàng)目的支持力度，加強(qiáng)材料科學(xué)中具有廣泛應(yīng)用前景的納米技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。

二、世界各國(guó)納米科技發(fā)展各有千秋

(一)在納米科技論文方面日、德、中三國(guó)不相上下2000~2002年納米研究論文，美國(guó)以較大的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)先于其他國(guó)家，3年累計(jì)論文數(shù)超過(guò)10000篇，幾乎占全部論文產(chǎn)出的30%。日本(12.76%)、德國(guó)(11.28%)、中國(guó)(10.64%)和法國(guó)(7.89%)列在其后，它們各自的論文總數(shù)都超過(guò)了3000篇。

在上述5國(guó)之后，英國(guó)、俄羅斯、意大利、韓國(guó)、西班牙發(fā)表的論文數(shù)也較多，各國(guó)三年累計(jì)論文總數(shù)都超過(guò)了1000篇。(二)申請(qǐng)納米技術(shù)發(fā)明專利方面美國(guó)獨(dú)占鰲頭美國(guó)專利商標(biāo)局2000～2002年共受理2236項(xiàng)關(guān)于納米技術(shù)的專利。其中最多的國(guó)家是美國(guó)(1454項(xiàng))，日本(368項(xiàng))和德國(guó)(118項(xiàng))。60%、16.46%和5.28%列在第二位和第三位。英國(guó)、韓國(guó)、加拿大、法國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣的專利數(shù)也較多，所占比例都超過(guò)了1%。專利反映了研究成果實(shí)用化的能力。在論文數(shù)最多的20個(gè)國(guó)家和地區(qū)中，專利數(shù)所占比例超過(guò)論文數(shù)所占比例的國(guó)家和地區(qū)只有美國(guó)、日本和中國(guó)臺(tái)灣。這說(shuō)明，很多國(guó)家和地區(qū)在納米技術(shù)研究上具備一定的實(shí)力，但比較側(cè)重于基礎(chǔ)研究，而實(shí)用化能力較弱。(三)就整體而言納米科技大國(guó)各有所長(zhǎng)

美國(guó)納米技術(shù)的應(yīng)用研究在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等領(lǐng)域快速發(fā)展。隨著納米技術(shù)在癌癥診斷和生物分子追蹤中的應(yīng)用，目前美國(guó)納米研究熱點(diǎn)已逐步轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。醫(yī)學(xué)納米技術(shù)已經(jīng)被列為美國(guó)國(guó)家的優(yōu)先科研計(jì)劃。在納米醫(yī)學(xué)方面，納米傳感器可在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)多種癌癥進(jìn)行早期診斷，而且，已能在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)前列腺癌、直腸癌等多種癌癥進(jìn)行早期診斷。2004年，美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院癌癥研究所專門出臺(tái)了一項(xiàng)《癌癥納米技術(shù)計(jì)劃》，目的是將納米技術(shù)、癌癥研究與分子生物醫(yī)學(xué)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)2015年消除癌癥死亡和痛苦的目標(biāo)；利用納米顆粒追蹤活性物質(zhì)在生物體內(nèi)的活動(dòng)也是一個(gè)研究熱門，這對(duì)于研究艾滋病病毒、癌細(xì)胞等在人體內(nèi)的活動(dòng)情況非常有用，還可以用來(lái)檢測(cè)藥物對(duì)病毒的作用效果。利用納米顆粒追蹤病毒的研究也已有成果，未來(lái)5~10年有望商業(yè)化。

雖然醫(yī)學(xué)納米技術(shù)正成為納米科技的新熱點(diǎn)，納米技術(shù)在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域的應(yīng)用仍然引人關(guān)注。美國(guó)科研人員正在加緊納米級(jí)半導(dǎo)體材料晶體管的應(yīng)用研究，期望突破傳統(tǒng)的極限，讓芯片體積更小、速度更快。納米顆粒的自組裝技術(shù)是這一領(lǐng)域中最受關(guān)注的地方。不少科學(xué)家試圖利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)合成納米顆粒，并按照一定規(guī)則排列這些顆粒，使其成為體積小而運(yùn)算快的芯片。這種技術(shù)未來(lái)有望取代傳統(tǒng)光刻法制造芯片的技術(shù)。在光學(xué)新材料方面，目前已有可控直徑5納米到幾百納米、可控長(zhǎng)度達(dá)到幾百微米的納米導(dǎo)線。

日本納米技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)實(shí)力強(qiáng)大，某些方面處于世界領(lǐng)先水平，但尚未脫離基礎(chǔ)和應(yīng)用研究階段，距離實(shí)用化還有相當(dāng)一段路要走。在納米技術(shù)的研發(fā)上，日本最重視的是應(yīng)用研究，尤其是納米新材料研究。除了碳納米管外，日本開(kāi)發(fā)出多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，如納米鏈、中空微粒、多層螺旋狀結(jié)構(gòu)、富勒結(jié)構(gòu)套富勒結(jié)構(gòu)、納米管套富勒結(jié)構(gòu)、酒杯疊酒杯狀結(jié)構(gòu)等。在制造方法上，日本不斷改進(jìn)電弧放電法、化學(xué)氣相合成法和激光燒蝕法等現(xiàn)有方法，同時(shí)積極開(kāi)發(fā)新的制造技術(shù)，特別是批量生產(chǎn)技術(shù)。細(xì)川公司展出的低溫連續(xù)燒結(jié)設(shè)備引起關(guān)注。它能以每小時(shí)數(shù)千克的速度制造粒徑在數(shù)十納米的單一和復(fù)合的超微粒材料。東麗和三菱化學(xué)公司應(yīng)用大學(xué)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)能把制造碳納米材料的成本減至原來(lái)的1/10，兩三年內(nèi)即可進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。日本高度重視開(kāi)發(fā)檢測(cè)和加工技術(shù)。目前廣泛應(yīng)用的掃描隧道顯微鏡、原子力顯微鏡、近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡等的性能不斷提高?？茖W(xué)家村田和廣成功開(kāi)發(fā)出亞微米噴墨印刷裝置，能應(yīng)用于納米領(lǐng)域，在硅、玻璃、金屬和有機(jī)高分子等多種材料的基板上印制細(xì)微電路，是世界最高水平。日本企業(yè)、大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)積極在信息技術(shù)、生物技術(shù)等領(lǐng)域內(nèi)為納米技術(shù)尋找用武之地，如制造單個(gè)電子晶體管、分子電子元件等更細(xì)微、更高性能的元器件和量子計(jì)算機(jī)，解析分子、蛋白質(zhì)及基因的結(jié)構(gòu)等。不過(guò)，這些研究大都處于探索階段。歐盟在納米科學(xué)方面頗具實(shí)力，特別是在光學(xué)和光電材料、有機(jī)電子學(xué)和光電學(xué)、磁性材料、仿生材料、納米生物材料、超導(dǎo)體、復(fù)合材料、醫(yī)學(xué)材料、智能材料等方面的研究能力較強(qiáng)。中國(guó)在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無(wú)機(jī)非金屬納米材料為主，約占80%，高分子和化學(xué)合成材料也是一個(gè)重要方面，而在納米電子學(xué)、納米器件和納米生物醫(yī)學(xué)研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家有明顯差距。

§1.3發(fā)展納米科技的意義費(fèi)曼：1959年，著名理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者費(fèi)曼曾預(yù)言：“毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)我們得以對(duì)納微尺度的事物加以操縱的話，將大大的擴(kuò)充我們可能獲得物性的范圍”。還設(shè)想“如果有朝一日人們能把百科全書(shū)儲(chǔ)存在一個(gè)針尖大小的空間并能移動(dòng)原子，那么這將給科學(xué)帶來(lái)什么？”這正是對(duì)納米科技的預(yù)言—小尺寸大世界。量子動(dòng)力學(xué)19651991年：IBM的首席科學(xué)家Armstrong曾預(yù)言：“我們相信納米科技將在信息時(shí)代的下一個(gè)階段占中心地位，并發(fā)揮革命的作用，正如20世紀(jì)70年代初以來(lái)微米技術(shù)已經(jīng)起的作用那樣?！奔{米技術(shù)可能是下個(gè)世紀(jì)前二十年最重要的技術(shù).克林頓著名科學(xué)家錢學(xué)森也預(yù)言：“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一個(gè)階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將使21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命?！蔽⒚准夹g(shù)曾同樣被認(rèn)為對(duì)使用牛耕地的農(nóng)民無(wú)關(guān)緊要。的確，微米與牛毫無(wú)關(guān)系但它卻改變了耕作方式，帶來(lái)了拖拉機(jī)。H.Rohrer,1993年

這些預(yù)言十分精辟的指出了納米體系的地位和作用。1993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家?！ち_雷爾(HeinrichRohrer)博士寫(xiě)信給江澤民主席。他寫(xiě)道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會(huì)并使用微米技術(shù)的國(guó)家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢(shì)。同樣，未來(lái)的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國(guó)家?！?/p>

一納米技術(shù)的應(yīng)用及其前景納米科技的重要進(jìn)展表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：[1]直接操縱原子方面：日本科學(xué)家成功將硅原子堆成一個(gè)“金字塔”，首次實(shí)現(xiàn)原子三維空間的立體搬遷。1991年，IBM的科學(xué)家制造了超快的氙原子開(kāi)關(guān)?？赡軐⒚绹?guó)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的全部藏書(shū)存儲(chǔ)在一個(gè)直徑為0.3cm的硅片上。美國(guó)科學(xué)家們制造出一種尺寸只有4nm的復(fù)雜分子，具有“開(kāi)”和“關(guān)”的特性，由激光驅(qū)動(dòng)，并且開(kāi)、關(guān)速度很快。納米刻蝕：目前微電子技術(shù)中最細(xì)刻度為幾分之一微米，即激光光列。如果把搬遷原子的位置按照電路的方式搬遷，便可以用STM進(jìn)行納米級(jí)的刻蝕。我國(guó)已能用STM刻出10nm的細(xì)線。一是可制備高密度的存儲(chǔ)器。日本NEC公司研制出高密度記錄技術(shù)，在一張郵票大小的襯底上可以記錄下400萬(wàn)頁(yè)報(bào)紙的內(nèi)容。二是可用分子束外延技術(shù)制造出三維納米量子器件。[2]新材料的出現(xiàn)傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，其應(yīng)用受到限制。納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性（理想）。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料。也就是說(shuō)，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。要制備納米陶瓷，關(guān)鍵需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團(tuán)聚體的控制和分散，塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個(gè)納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘模軌虬l(fā)生100%的韌性形變。并發(fā)現(xiàn)納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無(wú)與倫比的優(yōu)點(diǎn)。英國(guó)著名科學(xué)家萊恩Cahn在Nature雜志上撰文說(shuō)：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑?！奔{米陶瓷的應(yīng)用方面：摔不碎的陶瓷，防彈玻璃。設(shè)計(jì)新型復(fù)合材料碳納米管/高分子復(fù)合材料----高強(qiáng)度材料模擬生物功能設(shè)計(jì)新型材料鮑魚(yú)殼鮑魚(yú)殼牙質(zhì)腱[3]納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用

納米電子學(xué)是基于納米粒子的量子效應(yīng)來(lái)設(shè)計(jì)并制備納米量子器件。它包括納米有序（無(wú)序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)：是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。目前，已經(jīng)利用納米電子學(xué)研制成功各種納米器件。美國(guó)威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個(gè)電子的量子點(diǎn)。在一個(gè)針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。此外，若能將幾十億個(gè)量子點(diǎn)連結(jié)起來(lái)，每個(gè)量子點(diǎn)的功能相當(dāng)于大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，再結(jié)合微電子機(jī)械系統(tǒng)方法，它將為研制智能型微型電腦帶來(lái)希望。美國(guó)普林斯頓NEC研究所和賴斯頓大學(xué)的科學(xué)家已造出了少量的納米管，納米管的強(qiáng)度比鋼高100倍，重量只有其1/6，納米管很細(xì)，5萬(wàn)個(gè)納米管排列起來(lái)才只有一根頭發(fā)絲那么粗。輕而柔軟，結(jié)實(shí)的材料用作防彈背心。預(yù)計(jì)它是理想的導(dǎo)體，它的導(dǎo)電性很可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅，是最佳超微導(dǎo)線和超微開(kāi)關(guān)的首選新材料。納米管最終可以用于納米級(jí)的電子線路。

英特爾將碳納米管技術(shù)用于未來(lái)芯片設(shè)計(jì)芯片廠商英特爾正指望用碳納米管取代半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的銅連線。這種轉(zhuǎn)變總有一天會(huì)消除芯片廠商面臨的一些大問(wèn)題。芯片連線已經(jīng)成為半導(dǎo)體廠商面臨的一個(gè)頭疼的問(wèn)題。根據(jù)摩爾定律，芯片廠商每?jī)赡昃鸵s小一次半導(dǎo)體芯片內(nèi)部的元件。然而，縮小連線會(huì)增加電阻，降低芯片的性能。芯片廠商在90年代從把連線從鋁線轉(zhuǎn)變?yōu)殂~線從而繞過(guò)了這個(gè)問(wèn)題。遺憾的是，隨著芯片尺寸的縮小，這個(gè)電阻問(wèn)題將成為英特爾等芯片廠商遇到的大問(wèn)題。碳納米管導(dǎo)電性比金屬要好，有可能成為替代金屬連線的解決方案。2008年2月1日亞利桑那州立大學(xué)DavidK.Ferry提出利用納米線連接電路建立三維堆砌芯片的構(gòu)想，將大大提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度。碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩在航天事業(yè)中，利用碳納米管制造人造衛(wèi)星的拖繩，不僅可以為衛(wèi)星供電，還可以耐受很高的溫度而不會(huì)燒毀。用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，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?cè)谠虑蚨ň泳秃苋菀琢恕＠眉{米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)(giantmagnetoresistance)和很大的隧道磁電阻(tunnelingmagnetoresistance)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤(pán)記錄密度提高30多倍。1997年，明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤(pán)，長(zhǎng)度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤(pán)。它利用磁納米線陣列的存儲(chǔ)特性，存貯密度可達(dá)400Gb×in-2。

[4]納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，使光電器件的性能大大提高。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過(guò)此結(jié)構(gòu)。激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時(shí)只需約100微安的電流。最近科學(xué)家們把光子導(dǎo)線縮小到只有五分之一立方微米體積內(nèi)。在這一尺度上，此結(jié)構(gòu)的光子狀態(tài)數(shù)少于10個(gè)，接近了無(wú)能量運(yùn)行所要求的條件。麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子，其效率之高，令人驚訝。碳納米管場(chǎng)發(fā)射顯示器1999年韓國(guó)，2000年日本制成顯示器樣管五光子糾纏態(tài)理論潘建偉：在量子物理學(xué)及量子信息學(xué)的交叉實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域做出了一系列令世界矚目的研究成果，并成為首個(gè)被歐、美兩大物理學(xué)會(huì)同年評(píng)入年度國(guó)際物理學(xué)十大進(jìn)展的中國(guó)科學(xué)家?！蹲匀弧冯s志發(fā)表評(píng)論時(shí)說(shuō)，“盡管五粒子糾纏以及終端開(kāi)放的量子態(tài)隱形傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)非常困難，但是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和他的同事們完成了這一壯舉，他們的實(shí)驗(yàn)方法將在量子計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化的量子通信中有重要的應(yīng)用”。潘建偉的5個(gè)首次：首次成功地實(shí)現(xiàn)了量子態(tài)隱形傳送以及糾纏態(tài)交換；首次成功實(shí)現(xiàn)三光子、四光子糾纏態(tài)，并利用多粒子糾纏態(tài)首次成功地實(shí)現(xiàn)了GHZ定理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；首次成功地實(shí)現(xiàn)了自由量子態(tài)的隱形傳送；首次實(shí)現(xiàn)糾纏態(tài)純化以及量子中繼器的成功實(shí)驗(yàn)；首次取得五粒子糾纏態(tài)的制備與操縱。[5]納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粒子作為光催化劑的優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大，光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會(huì)重新結(jié)合。因此，化學(xué)反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來(lái)觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度的影響。利用具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。一般認(rèn)為，其體系中只需含納米二氧化鈦0.5~1%，即可充分屏蔽紫外線。目前，日本等國(guó)已有部分納米二氧化鈦的化妝品問(wèn)世。紫外線不僅能使肉類食品自動(dòng)氧化而變色，而且還會(huì)破壞食品中的維生素和芳香化合物，從而降低食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。如用添加0.1~0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝食品，既可以防止紫外線對(duì)食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。分子篩（納米）反應(yīng)器分子篩具有獨(dú)特的孔狀結(jié)構(gòu)，大的比表面、較高的機(jī)械強(qiáng)度做成納米反應(yīng)器。該反應(yīng)器能夠使化學(xué)反應(yīng)局限于一個(gè)很小的范圍內(nèi)進(jìn)行。在納米反應(yīng)器中，反應(yīng)物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同時(shí)限制了反應(yīng)物分子和反應(yīng)中間體的運(yùn)動(dòng)，這種取向、排列和限制作用將影響和決定反應(yīng)的方向和速度。1992年，Kresge等首次采用介孔氧化硅材料為基，利用液晶模板技術(shù)，在納米尺度上實(shí)現(xiàn)有機(jī)／無(wú)機(jī)離子的自組裝反應(yīng)。其特點(diǎn)是孔道大小均勻，孔徑可以在5~10nm內(nèi)連續(xù)可調(diào)，具有很高的比表面積和較好的熱穩(wěn)定性。使其在分子催化、吸附與分離等過(guò)程，展示了廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，這類材料在較大范圍內(nèi)可連續(xù)調(diào)節(jié)其納米孔道結(jié)構(gòu)，可以作為納米粒子的微型反應(yīng)容器。

碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運(yùn)動(dòng)在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。---納米反應(yīng)器清華大學(xué)的范守善教授利用SiO2氣體與N2在碳納米管中反應(yīng)生長(zhǎng)出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。還制備出了GaN納米線。1998年與美國(guó)斯坦福大學(xué)合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(zhǎng)，大大推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨(dú)特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。[6]納米技術(shù)在生物學(xué)上的應(yīng)用

每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開(kāi)關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來(lái)設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。DNA----蛋白質(zhì)合成DNA發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)研制成功，可能用于清理血管的任務(wù)。美國(guó)南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題—“哈密頓路徑問(wèn)題”。分子計(jì)算機(jī)目前處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。在整個(gè)光循環(huán)過(guò)程中，細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過(guò)程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機(jī)制和用作三維存儲(chǔ)器的潛能。通過(guò)調(diào)諧激光束，將信息并行地寫(xiě)入細(xì)菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲(chǔ)器可提供比二維光學(xué)存儲(chǔ)器大得多的存儲(chǔ)空間。在納米尺度上認(rèn)識(shí)大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)與功能的聯(lián)系，按自己的意志進(jìn)行剪彩和嫁接，進(jìn)行基因修補(bǔ)、治療、改良，農(nóng)、林、漁、牧等也可能因此發(fā)生深刻變革。[7]納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動(dòng)。將超微粒子注入到血液中，可以作為監(jiān)測(cè)和診斷疾病的手段。磁性導(dǎo)航藥物、分子識(shí)別藥物，熒光標(biāo)識(shí)等。但也有缺點(diǎn)。（納米粒子的毒性）cancer成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離。用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。小型攝像機(jī)：用于檢測(cè)消化系統(tǒng)疾病。Molecular-scalemachinescouldonedayhavemedicalapplicationssuchasremovingcancerouscells.Nature

451,770-771(14February2008)|[8]納米技術(shù)在分子組裝方面的應(yīng)用

納米技術(shù)的以往的研究主要集中在：A在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。B研究評(píng)估表征的方法，并探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。C利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特的物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料。目前主要是進(jìn)行納米組裝體系、人工組裝合成納米結(jié)構(gòu)材料的研究。但納米級(jí)微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關(guān)。1996年，IBM公司利用分子組裝技術(shù)，研制出了世界上最小的“納米算盤(pán)”，算盤(pán)架是蝕刻而成的銅槽和銅脊，算珠由球狀的C60分子構(gòu)成，槽脊柱只有一個(gè)原子高，每個(gè)槽內(nèi)可容納任意個(gè)巴基球，巴基球由掃描隧道顯微鏡操縱在銅槽內(nèi)滑動(dòng)。理論上金澤夫斯基的算盤(pán)儲(chǔ)存信息的容量是常規(guī)電子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的10億倍。1999年，（王中林）美國(guó)、中國(guó)、法國(guó)和巴西科學(xué)家用精密的電子顯微鏡測(cè)量納米管在電流中出現(xiàn)的擺頻率時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以測(cè)出納米管上極小微粒引起的變化，從而發(fā)明了能稱量?jī)|億分之二百克的單個(gè)病毒的“納米秤”。該成果在《Science》發(fā)表，這種世界上最小的秤，為科學(xué)家區(qū)分病毒種類，發(fā)現(xiàn)新病毒作出了貢獻(xiàn)。日前美國(guó)波士頓大學(xué)的化學(xué)家T·RossKelly制備出世界上最小的馬達(dá)，該分子馬達(dá)由78個(gè)原子構(gòu)成。制備這個(gè)極小馬達(dá)花費(fèi)了科研人員4年的時(shí)間。“能夠讓一個(gè)分子像馬達(dá)一樣工作是非常奇妙的。”《自然》雜志還報(bào)道了另一個(gè)由荷蘭和日本科學(xué)家研究的另一種由太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的分子馬達(dá)，其在光照作用下，能夠連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)。分子馬達(dá)不但能夠?yàn)槲磥?lái)的分子機(jī)械提供動(dòng)力，而且還可以幫助我們更深入地了解一些具有相似結(jié)構(gòu)的生命有機(jī)體，例如肌肉纖維及推動(dòng)細(xì)菌運(yùn)動(dòng)的紡織錐形鞭毛。1999年，美國(guó)哈佛大學(xué)的Philip

Kim

和Charles

Lieber研制出納米鑷子能抓住直徑約500納米的聚苯乙烯原子團(tuán)，納米鑷子是在一個(gè)圓錐形的直徑約100納米的微型滴管的內(nèi)外壁沉積金電極制成的，鑷子的每個(gè)臂則是用一束像蔥一樣的同心層碳納米管制作，而這些同心層中的一層用導(dǎo)電的膠粘在每根電極上。

NanotubeNanotweezersCharlesM.Lieber，納米鑷子

納米鑷子用電操縱，使用它時(shí)，在兩根電極上加電壓，使一根納米管臂帶正電，另一根納米管臂帶負(fù)電通過(guò)改變所加電壓的大小，可增加或減少鑷子之間的吸力(即夾東西的力量)。試驗(yàn)表明，鑷子的兩臂在電壓達(dá)到8.5伏時(shí)可完全合攏，而加較低的電壓時(shí)，鑷子兩臂間可留下一定的間隙?，F(xiàn)在制成的實(shí)驗(yàn)性納米鑷子，.臂的寬度約50納米、長(zhǎng)度約4微米。而如果直接在電極上沉積單層納米管，就可能生產(chǎn)出足以抓住單個(gè)分子的微型鑷子。[9]納米技術(shù)在其它方面的應(yīng)用利用先進(jìn)的納米技術(shù)，在不久的將來(lái)，可制成含有納米電腦的可以人—機(jī)對(duì)話并具有自我復(fù)制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內(nèi)完成數(shù)十億個(gè)操作動(dòng)作。A在軍事方面，把分子機(jī)器人植入昆蟲(chóng)的神經(jīng)系統(tǒng)中控制昆蟲(chóng)飛向敵方收集情報(bào)。B利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關(guān)節(jié)等仿生納米材料。(清華大學(xué)崔福齋）C將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，并通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。D利用碳納米管來(lái)制作儲(chǔ)氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲(chǔ)備箱”。見(jiàn)圖E利用具有強(qiáng)紅外吸收能力的納米復(fù)合體系來(lái)制備紅外隱身材料。碳納米管儲(chǔ)氫高質(zhì)量的碳納米管能儲(chǔ)存大量氫氣，從而可以實(shí)現(xiàn)用氫氣為燃料驅(qū)動(dòng)無(wú)污染汽車。H2acarbonnanotubebactivatedcarbonccarbonnanotubecalcinedat900oCStorageofhydrogeninsingle-walledcarbonnanotubesH2原子和C納米管§1.4納米技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究情況及取得的成果納米技術(shù)是最具有市場(chǎng)應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù)，一些發(fā)達(dá)國(guó)家都投入大量的資金進(jìn)行研究工作。如美國(guó)最早成立了納米研究中心日本文教科部把納米技術(shù)，列為材料科學(xué)的四大重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目之一。在德國(guó)，以漢堡大學(xué)和美因茨大學(xué)為納米技術(shù)研究中心，政府每年出資6500萬(wàn)美元支持微系統(tǒng)的研究。下面介紹一些知名的納米專家：PeidongYangHierarchicallyOrderedOxidesRoom-TemperatureUltravioletNanowire

Nanolasers880-905oC加熱石墨和ZnO，銅格子覆蓋模式納米激光器泵浦的激光光束以10度角入射聚焦在納米線的對(duì)稱軸上。這樣一來(lái)，受激輻射發(fā)射的光便沿著ZnO納米線中心袖的方向在納米線的末端表平面上會(huì)聚。在發(fā)射光譜的變化過(guò)程中，隨著功率的增加可以觀察到激光產(chǎn)生的過(guò)程．當(dāng)激勵(lì)的能量超過(guò)ZnO納米線的閾值時(shí)(其閾值約為40kW／cm2)，經(jīng)測(cè)量，發(fā)射光譜出現(xiàn)了線寬為0.3微米的尖峰，這比低于閾值時(shí)的自發(fā)輻射產(chǎn)生的約15微米的峰值線寬要小得多。正是這些窄線寬和發(fā)射能量的快速增長(zhǎng)便可斷定納米線發(fā)生了受激輻射．ZhongLin(ZL)WangYounanXiaOursynthesisisbasedonthermalevaporationofoxidepowdersundercontrolledconditionswithoutthepresenceofcatalyst.Thedesiredoxidepowderswereplacedatthecenterofanaluminatubethatwasinsertedinahorizontaltubefurnace,wherethetemperature,pressure,andevaporationtimewerecontrolled.ThermalevaporationofZnOpowders(purity:99.99%;meltingpoint:1975°C)at1400°Cfor2hoursresultedinwhitewoollikeproductsthatformedinhighyieldonthesurfaceofthealuminaplate.NanobeltsofSemiconductingoxidesSingle-crystalnanoringsofZnOweregrownbyasolid-vaporprocess.TherawmaterialwasamixtureofZnO(meltingpoint1975°C),indiumoxide,andlithiumcarbonatepowdersataweightratioof20:1:1,anditwasplacedatthehighesttemperaturezoneofahorizontaltubefurnace.Beforeheatingtoadesiredtemperatureof1400°C,thetubefurnacewasevacuatedto10-3torrtoremovetheresidualoxygen.Thesourcematerialswerethenheatedto1400°Cataheatingrateof20°C/min.ZnOdecomposesintoZn2+andO2–athightemperature(1400°C)andlowpressure(10-3torr),andthisdecompositionprocessisthekeystepforcontrollingtheanisotropicgrowthofthenanobelts.Afterafewminutesofevaporationanddecomposition,theArcarriergaswasintroducedatafluxof50standardcubiccentimetersperminute.Thesynthesisprocesswasconductedat1400°Cfor30min.Thecondensationproductsweredepositedontoasiliconsubstrateplacedinatemperaturezoneof200°to400°CunderArpressureof500torr.TheZnOnanohelicesweregrownwithhighreproducibilitybyavapor-solidprocessandbyusingtemperaturetocontrolgrowthkinetics.Theexperimentalsetupconsistsofahorizontalhigh-temperaturetubefurnace,analuminatube,arotarypumpsystem,andagas-controllingsystem.First,2gofcommercialZnOpowderwerecompacted,loadedintoanaluminaboat,andpositionedatthecenterofthealuminatubeasthesourcematerial.Thesystemwasprepumpedto2*10-2mbar,andtherampratewascontrolledat20oC/minto25-C/minwhenthetemperaturewasraisedfromroomtemperatureto800oC.Thefurnacewasthenheldat800oCfor20min,andthetemperaturewasrampedat20oC/minfrom800-to1400-C.Whenthetemperaturereached1000-C,argonwasintroducedasacarriergastoraisethepressurefrom2*10-2mbartothedesiredsynthesispressureof200to250mbarwithin~2.5min.Thesolid-vapordepositionwascarriedoutat1400-Cfor2hoursunderapressureof200to250mbar.Theargoncarriergaswaskeptataflowrateof50sccm(standardcubiccentimetersperminute).Theas-grownnanohelicesofZnOweredepositedontoapolycrystallineAl2O3substrateatalocaltemperatureof700-to800oCandcharacterizedbyavarietyofmicroscopes.納米發(fā)電機(jī)王中林教授成功地在納米尺度下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，在世界上首次研制成功納米發(fā)電機(jī),能達(dá)到17％－30％的發(fā)電效率。王中林巧妙的利用豎直結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米線的獨(dú)特性質(zhì)，在原子力顯微鏡的幫助下，研制出將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的世界上最小的發(fā)電裝置－納米發(fā)電機(jī)。他們利用氧化鋅納米線容易被彎曲的特性而在納米線內(nèi)部外部分別造成壓縮和拉伸。同時(shí)，豎直生長(zhǎng)的氧化鋅是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，同時(shí)具有半導(dǎo)體性能和壓電效應(yīng)。哈佛大學(xué)國(guó)際納米技術(shù)領(lǐng)軍人CharlesLieber教授高度評(píng)價(jià)說(shuō)“該工作是極其令人振奮的，因?yàn)樗岢隽私鉀Q納米技術(shù)中一個(gè)極其要害問(wèn)題的方案，那就是如何來(lái)實(shí)現(xiàn)許多研究組所發(fā)明的納米器件的供電問(wèn)題…在認(rèn)識(shí)和解決該重大科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題上王教授充分發(fā)揮了他的原創(chuàng)性，那就是利用他所先創(chuàng)的氧化鋅納米線來(lái)實(shí)現(xiàn)把力能轉(zhuǎn)換為電能”。PiezoelectricNanogeneratorsBasedonZincOxideNanowireArraysZhongLinWang高溫?zé)嵴舭l(fā)氣相