納米技術(shù)講座

“未來科學(xué)的發(fā)展將是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界挺進(jìn)”！——愛因斯坦物質(zhì)是由原子構(gòu)成的，其性質(zhì)依賴于這些原子的排列形式。如果我們將煤炭中的原子重新排列，就能得到鉆石；如果向沙子中加入一些微量元素，并將其原子重新排列，就能制成電腦芯片；而土壤、水和空氣的原子重新排列后就能生產(chǎn)出馬鈴薯。聽起來是不是有點(diǎn)玄？不過這決非天方夜譚，如果你能走進(jìn)納米世界，了解納米技術(shù)，就會(huì)知道上述目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)指日可待。1、什么是納米納米其本身是一個(gè)長度單位，即l米的十億分之一(10-9米)。（一米的千分之一是一毫米，一毫米的千分之一是一微米，一微米的千分之一是一納米。）想象一下納米有多大？納米技術(shù)中的“納”(nano)來自于希臘文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。作為一個(gè)前綴，“納”在科學(xué)上意味著某單位的十億分之一。l納米大概是l0個(gè)氫原子緊密排列的長度，比人的頭發(fā)的寬度要小8萬倍。形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般。這就是納米長度的概念。

1959年，美國著名的理論物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德﹒費(fèi)曼（RichardFeynman）《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）的演講中設(shè)想：“如果有朝一日人們能把百科全書存貯在一個(gè)針尖時(shí)，并能移動(dòng)原子，那么這將給科學(xué)帶來什么！”并且預(yù)言：“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。……我深信：當(dāng)人們能操縱細(xì)微物體的排列時(shí)，將可以獲得極其豐富的新的物質(zhì)性質(zhì)?！奔{米技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期興起的新技術(shù)，其基本含意是在納米尺寸(1一100納米)范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接操縱和安排原子、分子而達(dá)到創(chuàng)新的目的。主要是在納米尺度（1一100納米）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多科交叉性質(zhì)的科學(xué)和技術(shù)。

納米科技又是什么呢?“納米和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將是2l世紀(jì)的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”

----錢學(xué)森

10的25次方米大約是10億光年，10億光年大約是人類目前已經(jīng)觀測到的宇宙范圍。宇觀世界人們發(fā)現(xiàn)，在l一100納米的空間尺度內(nèi)，物質(zhì)存在許多奇異的性質(zhì)。由于這一層次介于微觀和宏觀之間，科學(xué)家就把這一尺度范圍稱為“介觀”。

介觀世界任何物質(zhì)到了納米量級，其物理、化學(xué)性質(zhì)都會(huì)發(fā)生巨大的變化，也會(huì)因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉，因具有了吸光性，而變成了黑色；它甚至于一改“不怕火燒”的“英雄本性”，而變成一旦遇到空氣，就能馬上燃燒起來，生成氧化鐵。納米感覺原子世界奇觀

掃描隧道顯微鏡（STM）是IBM公司蘇黎世研究所的G．Binnig和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)空間三維圖像。測量分辨率對平行和垂直于表面方向分別為0．1nm和0．01nm。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SIM已成為納米科學(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。IBM公司的科學(xué)家在1989年利用STM移動(dòng)氙原子，最后把一個(gè)個(gè)原子排列成IBM商標(biāo)。后來，他們又進(jìn)一步把一排鐵原子拼成漢字“原子”。STM掃描模式示意圖（a）恒電流模式；（b）恒高度模式S為針尖與樣品間距，I、Vb為隧道電流和偏置電壓，Vz為控制針尖在z方向高度的反饋電壓。掃描探針顯微鏡工作原理

用掃描隧道顯向鏡觀察到的

硅晶體表面的原子排列(Si(m)７×7結(jié)構(gòu))

自由地操縱單個(gè)原子或分子左圖是一個(gè)鐵原子與一氧化碳分子CO結(jié)合形成一個(gè)鐵羰基FeCO分子的過程。先用掃描隧道顯微鏡針尖拾取一個(gè)鐵原子將它移走，然后將CO放到Fe上面，形成FeCO分子右圖顯示的是繼續(xù)利用一個(gè)CO和FeCO結(jié)合成Fe（CO）2分子的過程。用這種方法還可以用原子組成各種圖形圖左，掃描隧道顯微鏡針尖移動(dòng)表面吸附原子的過程示意。圖右，用原子排列成的“原子”兩個(gè)字。納米科技是多學(xué)科交叉的綜合性學(xué)科，納米科技不單單只納米材料，納米材料是納米科技的基礎(chǔ)。2、納米科技大廈的建立：

科學(xué)家告訴我們，于細(xì)微處顯神奇的納米技術(shù)“潤物細(xì)無聲”，已經(jīng)悄然進(jìn)入尋常百姓的生活，滲透到了衣、食、住、行等領(lǐng)域。納米技術(shù)可使許多傳統(tǒng)產(chǎn)品“舊貌換新顏”，把納米顆粒或者納米材料添加到傳統(tǒng)材料中，可改進(jìn)或獲得一系列的功能。這種改進(jìn)并不見得昂貴，但卻使產(chǎn)品更具市場競爭力。納米的世界豐富多彩，離我們卻并不遙遠(yuǎn)。3、納米科技的應(yīng)用

碳納米管是一種非常奇特的材料，它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀"纖維"，內(nèi)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(jié)實(shí)。它的密度是鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結(jié)實(shí)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。

奇妙的碳納米管“太空電梯”的繩索

材料世界中的大力士--納米金屬塊體

金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會(huì)變得十分結(jié)實(shí)，強(qiáng)度比一般金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性.納米金屬銅的超延展性納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動(dòng)機(jī)工作在更高的溫度下，汽車會(huì)跑得更快，飛機(jī)會(huì)飛得更高。納米陶瓷剛?cè)岵?jì)！納米陶瓷

如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機(jī)械就容易多了。科學(xué)家用DNA（脫氧核糖核酸）制造出了一種納米級的鑷子。利用DNA基本元件堿基的配對機(jī)制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復(fù)開合。利用它將可以制造出分子大小的電子電路，使未來的計(jì)算機(jī)體積更小，運(yùn)算速度更快。匪夷所思的DNA鑷子用光刻技術(shù)做成的

微米尺寸的微機(jī)械用光刻技術(shù)做成的

微米尺寸的微機(jī)械被囚禁的電子和未來的電子學(xué)器件把自由運(yùn)動(dòng)的電子囚禁在一個(gè)小的納米顆粒內(nèi)，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個(gè)納米，會(huì)發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動(dòng)受到限制，電子動(dòng)或能量被量子化了。原本在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)不再成立了,被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻(xiàn)，會(huì)使材料發(fā)出強(qiáng)的光。用來讀寫光盤可使光盤的存貯密度提高幾倍。還有甚者，如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點(diǎn)來存貯數(shù)據(jù)，制成量子磁盤，存貯度可提高成千上萬倍。會(huì)給信息存貯的技術(shù)帶來一場革命。納米存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)密度可達(dá)每平方厘米10萬億字節(jié)。機(jī)器人配備納米“大腦”美國軍方日前公布了取名為“毫微科技戰(zhàn)士”研發(fā)計(jì)劃，希望十年內(nèi)打造出目前只能在電子游戲中才能看到的刀槍不入的“超級戰(zhàn)士”。美國未來“超級戰(zhàn)士”可能配備的裝備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包的軍服，自動(dòng)感知士兵身體情況并敷藥；有微涂層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由“鉸合分子”制造的比人體肌肉強(qiáng)壯10倍的“肌肉”，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和軍靴里，跳過高墻不在話下。“納米科技戰(zhàn)士”這種人手模型上的聚合體遇電會(huì)收縮彎曲，可裝備在作戰(zhàn)