发布时间 : 星期日 文章纳米科技的应用及其发展论文 - 图文更新完毕开始阅读795799ddc1c708a1284a4439
1 纳米科技的内涵及其发展原因
纳米技术是近几十年来在微电子技术基础上发展起来的一门新的学科。自1959年费曼预言后的一、二十年，纳米技术一直处于探索阶段，当时科技界通常将如今的纳米技术称为“中尺度技术”。1981年，扫描隧道显微镜微观测试技术获得突破之后，尤其是1990年的第一届纳米科技学术会议之后，全世界掀起研究纳米技术的高潮。许多国家投入大量资金进行纳米技术研究，从而使得纳米技术得以加速发展。尽管目前离真正的纳米时代还有一段距离，但纳米技术在某些方面已经成熟(如:STM技术)或比较成熟（如:分子电路)，这使得收集和整理纳米技术的相关进展成为可能并且必要。
然而，我国纳米技术相对滞后，许多人对纳米技术了解并不系统，对纳米技术的相关概念甚至有不少误解。笔者认为，只有从科学的角度去系统了解纳米技术，我们才能真正在开发纳米技术的征途中有所为，也只有这样，才不至于在追求纳米的潮流当中迷失方向。
1.1 纳米技术的涵义
纳米技术(Nanotechnology)是一门应用科学，其目的在于研究于纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米技术是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术的次级分类，美国的国家纳米技术启动计划(National Nanotechnology Initiative)将其定义为“1～100” 纳米尺寸间的物体，其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。”要系统地了解纳米技术的内涵，必须将其分为四个基本的层次： 1.1.1 纳米(Nanometer)
纳米（符号为 nm）是长度单位，原称毫微米，就是 10-9米（10亿分之一米），即10-6毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位，相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米。举个例子来说，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它径向平均剖成 5万根，每根的厚度大约就是一纳米。
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1.1.2 纳米体系(Nanosystem)
在宏观领域和单个原子、分子的微观领域之间的神秘结合部——介观领域(前者是无数原子的集体行为形成了物质的整体性质，后者是量子力学占支配地位)，这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。以量子相干输运现象为主的介观物理状态在该领域应运而生，成为当今凝集态物理学研究的热点。
“从广义上来说，凡是出现量子相干输运的体系都称为介观体系，包括团簇(＜1nm)、纳米体系(1nm～100nm)和亚微米体系(0.1mm～1mm)。由于目前通常把亚微米级(0.lmm～1mm)体系有关现象的研究，特别是电输运现象的研究称为介观领域，这样纳米体系和团簇就从这种“狭义”的介观范围内独立出来，专门称为纳米体系”。纳米体系与物质的基本结构单元相邻接，确定了最小的天然结构，从而成为微型化过程的最终极限：不可能造出比它更小的结构了。 1.1.3 纳米材料(Nano-materials)
广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1nm～100nm)或由它们作为基本单元构成的宏观材料。纳米材料是纳米科技的主要基础，它和纳米电子学、纳米生物学、纳米检测与表征等组成纳米科技最基本的内容，显示出丰富的层次与学科交叉特征。纳米材料可从维数、组成相数、导电性能等不同角度进行分类，在纳米科学研究中通常按维数分类。纳米材料的基本单元按维数划分可以分为三类：①零维，指在空间中三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；②一维，指在空间中有二维处在纳米尺度，如纳米丝(Nanosilk)、纳米棒(Nanorods)、纳米管(Nanotubes)等；③二维，指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜(Ultrathin Membrane)、多层膜(Multilayer Membrane)、超晶格(Super Lattices)等。因为这些基本单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点(Quantum Dots)、量子线(Quantum Wires)和量子阱(Quantum Well)之称。
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图1.1 纳米丝、纳米棒
图1.2 纳米管
从几何角度来分，纳米材料的研究对象还包括：横向结构尺寸小于 100 nm 的物体，纳米微粒与常规材料的复合体，粗糙度小于 100 nm 的表面，纳米微粒与多孔介质的组装体系等由零维、一维、二维中一种或多种纳米材料组成的三维材料。我国著名的旅美纳米科学家王中林教授认为“纳米材料为颖粒或尺寸至少在一维尺度上小于 100nm，并
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且必须具有截然不同于块状材料的电学、磁学、光学、热学、化学或力学性能的一类材料体系。它包含所有的材料种类，例如金属、陶瓷、半导体等”。
美国国家科学基金会主管纳米计划事务的官员 Mihai1 C.Roco 认为纳米材料和系统必须具备几个关键特征：“第一，它们必须至少有一个维具有 lnm～100nm 的尺度；第二，它们的设计过程必须体现微观操控的能力，即能够从根本上左右分子尺度的结构的物理和化学性质；第三，它们能够组合起来形成更大的结构”。 1.1.4 纳米技术(Nanotechnology)
纳米技术(Nanotechnology)的基本概念是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的。纳米技术是指在纳米尺度（一般为 1nm～100nm，但对于很小的原子和很大的分子的物质往往会突破这个下限和上限）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。纳米技术的研究内容主要包括以下四个方面：
(1)创造和制备优异性能的纳米材料； (2)设计和制备各种纳米器件和装置； (3)探测与分析纳米区域的性质和现象；
(4)以原子、分子为起点，去设计制造具有特殊功能的产品。
纳米技术与以往的技术领域不同，它涉及物理学、化学、材料学、生物学和电子学等几乎所有的科学技术领域，并引发和派生了纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学和纳米医学等新的前沿科学，以及纳米材料、纳米器件、纳米测量与纳米加工等密切相关而又自成体系的纳米技术领域。
综合以上概念，笔者认为，所谓纳米技术就是在纳米体系(1nm～l00nm)内研究电子、原子和分子的运动规律，以便组建纳米材料并利用其实现特有功能和智能作用的先进技术。这是一种从原子着手由小到大的材料合成和控制途径。
但是，2000 年，美国国会研究局发布的一份报告指出：“虽然纳米技术有极其巨大的发展潜力，但部分科学家认为，这个领域的定义过于模糊，而且关于纳米技术的许多宣传可能是言过其实的炒作，并不符合当今科学预测的实际情况”。
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