|
納米科學(xué)技術(shù)的新進(jìn)展
在20世紀(jì)的最后十年，一門(mén)嶄新的學(xué)科——納米科學(xué)技術(shù)以其新穎性、獨(dú)特的思路和首批研究成果的問(wèn)世，在科學(xué)技術(shù)界和軍界引起巨大反響，受到廣泛關(guān)注。美國(guó) IBM公司首席科學(xué)家Amotrong說(shuō)：“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。”
從幻想到現(xiàn)實(shí)
50年代末著名的物理學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 R．Feynman曾指出，科學(xué)技術(shù)發(fā)展的途徑有兩條，一條是“自上而下”的過(guò)程。另一條是“自下而上”的過(guò)程。近幾十年來(lái)，科學(xué)技術(shù)一直沿著“自下而上”的微型化過(guò)程發(fā)展。納米科學(xué)技術(shù)專(zhuān)家們相信“自下而上”的途徑，即從原子、分子開(kāi)始組裝具有特定功能的成品，例如在一定物理化學(xué)條件下，通過(guò)自組織效應(yīng)，生長(zhǎng)具有納米結(jié)構(gòu)特征的半導(dǎo)體薄膜；形成超強(qiáng)度材料；制備量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)器件等，都是“自下而上”方法的實(shí)例。
原子世界奇觀(guān)
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) OlSTM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(jí)空間分辨率來(lái)觀(guān)測(cè)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(duì)樣品進(jìn)行原子級(jí)分辨的無(wú)損觀(guān)測(cè)。
STM可以實(shí)時(shí)測(cè)量物體表面的實(shí)空間三維圖像。測(cè)量分辨率對(duì)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(lèi)長(zhǎng)期追求的直接觀(guān)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(jí)微細(xì)線(xiàn)條、移動(dòng)原于等實(shí)際操作。因此STM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(duì)生物大分子進(jìn)行原子級(jí)直接觀(guān)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)疝原子，最后把一個(gè)個(gè)原子排列成 IBM商標(biāo)。后來(lái)，他們又進(jìn)一步把一排鐵原子拼成漢字“原子”。
納米物理學(xué)：開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在信息
50年代，R．Feynamn曾說(shuō)：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，那將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡?”人們突破傳統(tǒng)觀(guān)念的限制、深入到物質(zhì)的內(nèi)部按人們的意志直接操縱單個(gè)原子，組裝具有特定功能的產(chǎn)品，這必將深刻影響全人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)、生活方式和人類(lèi)自身。
納米物理學(xué)將深入揭示物質(zhì)在納米空間的物理過(guò)程和物性表征。它以納米固體為研究對(duì)象，對(duì)若干重要物理問(wèn)題進(jìn)行研究，如結(jié)構(gòu)的奇異性、鮮為人知的光學(xué)性質(zhì)、特殊的導(dǎo)電機(jī)理、莊子尺度效應(yīng)。小尺寸界面效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)和庫(kù)倉(cāng)阻塞效應(yīng)等。這些問(wèn)題的明朗化將對(duì)開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在信息和結(jié)構(gòu)潛力，以及電子技術(shù)產(chǎn)生重大的影響?？傊扔兄匾睦碚撘饬x，又有重要的應(yīng)用前景。
納米電子學(xué)：控制單個(gè)電子。
美國(guó) IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已經(jīng)研制成功單電子晶體管。傳統(tǒng)的晶體管是控制成群電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，形成開(kāi)關(guān)、振蕩和放大等功能的。單電子晶體管只是控制一個(gè)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。開(kāi)發(fā)單電子晶體管，只要控制單個(gè)電子的行為即可完成特定功能，可使功耗降低到原來(lái)的1／1000，從根本上解決日益嚴(yán)重的集成電路功耗問(wèn)題。
對(duì)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(guò)控制電子數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理的，而量子器件不單純通過(guò)控制電子數(shù)目的多少，主要是通過(guò)控制電子波動(dòng)的相位來(lái)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 Si和 GaAs器件無(wú)論怎樣改進(jìn)，其響應(yīng)速度最高只能達(dá)到10秒，功耗最低只能降至1μW。然而量子器件交響應(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(jí)，集成度大幅度提高，同時(shí)還具有器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。
納米材料科學(xué)：奇異性探索
實(shí)驗(yàn)表明，納米材料具有許多鮮為人知的奇異性。納米銅的自擴(kuò)散系數(shù)比晶格擴(kuò)散系數(shù)增大10倍，膨脹系數(shù)比普通銅成倍增大。納米硅的光吸收系數(shù)比普通單晶硅增大幾十倍。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％。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。超細(xì)顆粒鐵表面覆蓋一層5nm到20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白質(zhì)或酶，在控制生物反應(yīng)和酶工程中將起重要作用。北京理工大學(xué)納米技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研制的納米ZnO薄膜具有很好的 C軸取向，有良好的壓電效應(yīng)；該實(shí)驗(yàn)室利用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，成功地生長(zhǎng)出納米硅薄膜，具有良好的壓阻效應(yīng)。據(jù)英刊報(bào)道，已經(jīng)制備成功一種尺寸只有4nm的復(fù)雜分子，具有“開(kāi)”和“關(guān)”的特性，可以由激光驅(qū)動(dòng)，開(kāi)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)。
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。而納米相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30m長(zhǎng)的帆船跟整個(gè)地球的比例。由于它們微小的結(jié)構(gòu)顆粒對(duì)光、機(jī)械應(yīng)力和電的反應(yīng)完全不同于微米或毫米級(jí)的結(jié)構(gòu)顆粒，納米相材料從宏觀(guān)上顯示出許多奇妙的特性，例如納米相銅強(qiáng)度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的。
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(mǎn)足用戶(hù)要求的納米相材料。這也許具有最大的商業(yè)價(jià)值?？茖W(xué)家在了解這些無(wú)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，已經(jīng)用納米相材料做出了各種產(chǎn)品——從陶瓷到電子產(chǎn)品。它們肯定還會(huì)在無(wú)數(shù)其他領(lǐng)域找到更為廣泛的應(yīng)用。
納米生物學(xué)：納米機(jī)器人
納米生物學(xué)的近期設(shè)想，是在納米尺度上應(yīng)用生物學(xué)原理，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，研制可編程的分子精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的聯(lián)系；(2)在納米尺度上獲得生命信息，例如利用掃描隧道顯微鏡獲取細(xì)胞膜和細(xì)胞器表面的結(jié)構(gòu)信息，利用納米傳感器獲得各種生化反應(yīng)的化學(xué)信息和電化學(xué)信息；(3)納米機(jī)器人的研制。
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，如酶和納米齒輪的結(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(duì)話(huà)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(lèi)的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。
可能引導(dǎo)新的工業(yè)革命
納米技術(shù)的科學(xué)家們堅(jiān)信，“小”是未來(lái)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。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(chē)；工程師們制成了直徑只有 lnm到2nm的靜電發(fā)動(dòng)機(jī)；體積只有常規(guī)機(jī)器萬(wàn)分之一、能夠運(yùn)轉(zhuǎn)的車(chē)床以及直徑僅5.5nm的“尺蠖”，有朝一日它也許會(huì)鉆進(jìn)核工廠(chǎng)的管道系統(tǒng)檢查管道是否有裂縫。德國(guó)工程師制成了一架只有黃蜂大小和能夠升空的直升機(jī)、肉眼幾乎看不見(jiàn)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器。
更加引人注目的是，科學(xué)家已經(jīng)開(kāi)始在硅片上造出微機(jī)電系統(tǒng)。這些裝置把電路和在運(yùn)轉(zhuǎn)著的機(jī)器合裝在一個(gè)硅片上，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(guó)、日本和德國(guó)使用，包括在上百萬(wàn)輛汽車(chē)?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(jué)”到撞擊時(shí)，就會(huì)立即打開(kāi)保險(xiǎn)氣袋，防止撞傷。
只有削尖了的鉛筆尖大小、每分鐘轉(zhuǎn)速高達(dá)10萬(wàn)轉(zhuǎn)的 1伏特發(fā)動(dòng)機(jī)最終將推動(dòng)電子顯示器、手表、攝錄機(jī)和激光掃描器的發(fā)展。
納米科學(xué)技術(shù)可能引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命，這是值得關(guān)注的問(wèn)題。
奇妙的應(yīng)用暢想
納米材料具有獨(dú)特的性質(zhì)，因此可能存在奇妙的應(yīng)用前景。科學(xué)家和工程技術(shù)人員提出了異想天開(kāi)的可能應(yīng)用。
太空升降機(jī) 巴基球是由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1．4nm，50000個(gè)碳納米管并排在一起相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。據(jù)專(zhuān)家說(shuō)，它們可能成為未來(lái)理想的超級(jí)纖維。對(duì)纖維強(qiáng)度起決定作用的參數(shù)是長(zhǎng)度與直徑的比值。材料工程師希望得到長(zhǎng)度與直徑之比至少是20：1。而即使在目前，納米管的長(zhǎng)度也是其直徑的幾千倍，所以具有高強(qiáng)度是不奇怪的。
碳納米管的最異想天開(kāi)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(lèi)移居外星球的理想方法。
電子遂道 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(guò)。碳納米管可以充當(dāng)電子快速通過(guò)的隧道。由6原子環(huán)組成的碳納米管能把一個(gè)由60個(gè)原子組成的巴基球正好裝在中間。把一個(gè)金屬原子嵌入巴基球中，并且在納米管中裝滿(mǎn)一串這種巴基球，這樣，碳納米管就成為一根直徑只有一個(gè)原子大小的金屬導(dǎo)線(xiàn)。
分析，碳納米管可能成為最佳超微導(dǎo)線(xiàn)。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。預(yù)計(jì)它將成為理想導(dǎo)體，導(dǎo)電性能大大超過(guò)銅。納米管最終可以用于納米級(jí)電子線(xiàn)路。
納米隱身術(shù) 近年來(lái)關(guān)于納米材料具有高的電磁波吸收系數(shù)的報(bào)道，引起軍界研究人員的極大興趣，提出以納米材料作為新一代隱身材料的設(shè)想和探索。
納米材料由于其結(jié)構(gòu)特征尺寸進(jìn)入納米領(lǐng)域，物質(zhì)的表面、界面效應(yīng)、量子效應(yīng)將十分顯著地表現(xiàn)出來(lái)，對(duì)吸彼性能產(chǎn)生重要影響。納米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂層。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級(jí)超微粒，在細(xì)化過(guò)程中，使組成粒子的原于數(shù)大大減少，活性大大增加。在微波場(chǎng)的輻射下，使原子、電子運(yùn)動(dòng)加劇，促使磁化，使電磁能轉(zhuǎn)化為熱能。納米超微粒的磁損耗大，對(duì)電磁波兼具吸收和透過(guò)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(duì)提高雷達(dá)波的損耗是十分有利的。
為了獲得兼具寬頻帶、多功能、質(zhì)量小和厚度薄等性質(zhì)，正在研究的納米復(fù)合隱身材料，可以期望出現(xiàn)對(duì)厘米波、毫米波、紅外、可見(jiàn)光等很寬波段的復(fù)合隱身材料，甚至可望研制成與結(jié)構(gòu)材料復(fù)合、與抗核加固技術(shù)兼容的隱身材料。
納米電子抬與納米探頭 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(xiàn)”；用作能“感覺(jué)”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(jí)電子槍來(lái)點(diǎn)亮新一代平面顯示屏上的發(fā)光體。
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10kg到500kg，0．1kg到10kg和0．Ikg以下。以硅為襯底的專(zhuān)用集成微型儀器，可以應(yīng)用于制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制、姿態(tài)控制、推進(jìn)、能源和通信等航天器系統(tǒng)。
美國(guó)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?？梢园l(fā)射幾百萬(wàn)個(gè)這樣的飛船進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。
原于精密度計(jì)算機(jī) 美國(guó)國(guó)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)分緊密排列在金剛石表面的 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)能非常快速閱讀它們的探針，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)。
| 
