纳米科学与技术

纳纳 米米 科科 学学 与与 技技 术术 黄金华黄金华 纳米是一长度概念 一米的千分之一是一毫米 毫米的千分之一是一微米 一微米的千分之一是一 纳米 即一纳米是十亿分之一米 我们普通人的一根头发丝的直径约为五十微米 那么一纳米相当于头 发丝直径的五万分之一 物质结构的最小单元是原子 纳米相当于五个原子并排起来的长度 那么原 子有多大 打个比方 把一个原子放大一亿倍 它的大小就如一乒乓球 把一乒乓球放大一亿倍 它的 大小就如月球 可见原子之小 必须用特别的显微技术才能直接观察到 纳米技术是以纳米材料为基础的 纳米材料被定义为颗粒或尺寸至少在一维尺度上小于 100 纳米 并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 可见 纳米材料是以维数尺寸所定义的材料 它包含所有的材料种类 例如金属 陶瓷 半导体等 纳米技术 是组建和利用纳米材料来实现特有功能和智能作用的高科技先进技术 这是一种从原子着手由小而大的 材料合成和控制途径 纳米材料是一门在原子级设计和组建新型材料的学科 纳米材料在晶粒尺寸 表 面与体内原子数比和晶粒形状等方面与一般材料有很大的不同 这些材料的奇异性能是由其本身原子尺 度上的结构 特殊的界面和表面结构所决定的 举例来讲 由于表而原子的效应 金属铂纳米颗粒的熔 点可以由大块固体的摄氏 1772 度降低到 700 度 由尺寸效应而导致的电子能级量子化 半导体纳米颗粒 CdSe 的光致发光的颜色可以由红色连续变化为蓝色 由于特殊的石墨层结构 碳纳米管在室温下可以具 有量子导电效应 即电子的非弹性散射自由程如此之长以至于它在碳管内的传输过程中无热损耗 这是 和我们普通的导线截然不同 纳米材料是贯穿于整个材料学科领域的一门综合性研究 对于未来的技术 谁掌握了先进的材料谁 就掌握了科学和技术的未来 一 纳米科技一 纳米科技 纳米科学技术 Nano ST 是 20 世纪 80 年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技 它的基本涵义是在纳 米尺寸 10 9 10 7m 范围内认识和改造自然 通过直接操作和安排原子 分子创制新的物质 早在 1959 年 美国著名的物理学家 诺贝尔奖获得者费曼就设想 如果有朝一日人们能把百科全 书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子 那么这将给科学带来什么 这正是对纳米科技的预言 也就是人们常说的小尺寸大世界 纳米科技是研究由尺寸在 0 1 100nm 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术 通俗地讲 纳米科技是一门用单个原子和分子建造事物的科学 这项技 术希望实现的最终目标是微型化 几十年来 科学技术一直进行着 自上而下 的微型化 人们设计了 由越来越小的微型芯片驱动越来越小的晶体管 与此相反 纳米科技学家们相信一种 自下而上 的方 法 他们说 以原子和分子为例 一般可以把它们制成大一些的物体 比如像超强度材料 设计大师使 用的原料 甚至还有微型机器人 纳米科技学家们的想像哪怕仅仅实现一部分 人类的未来就会变得非 常富有戏剧性 他们可以使互联网看起来就像有线电视机上多装的一个频道 在纳米体系中 电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当 这时电子不能被看成处在外场中运 动中运动的经典粒子 电子的波动性在输运的过程中得到充分的展现 纳米体系在维度上的限制 也使 得固体中的电子态 元激发和各种相互作用过程表现出与三维体系十分不同的性质如量子化效应 非定 域量子相干 量子涨落与混沌 多体关联效应和非线性效应等等 对这些新奇的物理特性的研究 使得 人们必须重新认识和定义现有物理理论和规律 这必将导致新概念的引入和新规律的建立 如纳米尺度 上的能带 费米能级及逸出功将意味着什么 另外 在纳米化学中 对表面的化学过程 如原子簇化合物 的研究对吸附质 载体系统的电子性质和对基底表面结构的影响 在纳米生物学中 除了对细胞膜 蛋 白质和 DNA 的微观研究外 还解决人工分子剪裁以及进行分子基因和物种再构 在纳米电子学中 电阻 的概念已不是欧姆定律 在纳米力学中 机械性质如弹性模量 弹性系数 磨擦和粗糙概念亦有质的变 化 作为纳米科技中的一个重要领域的纳米加工学 也将以崭新的方式进行原子的操纵 纳米尺度的加 工以及进行纳米器件的加工和组装 并进一步研究器件的特性及运行机理 纳米科技的前景是诱人的 其发展速度也令人吃惊 1990 年 7 月 在美国巴尔的摩召开了国际首届 纳米科学技术会议 Nano ST 在会上 各国科学家们对纳米科技 主要包括电子学 纳米机械学 纳 米生物学和纳米材料学 的前沿领域和发展趋势进行了讨论和展望 并决定出版三种杂志 纳米结构材 料 纳米生物学 和 纳米科技 1996 年 在中国召开了第四届纳米科技学术会议 到 2001 年为止 有关纳米科技的国际会议已开了四次 有关纳米材料的会议 每两年召开一次 首届纳米材料会议在墨 西哥召开 1994 年 在德国斯图加特召开了第二届国际纳米材料学术会议 第三届国际会议是 1996 年在 美国夏威夷召开的 1998 年 在瑞典斯德哥尔摩召开了第四届纳米材料会议 2000 年 在日本仙台举行 第五届国际纳米材料会议 纳米科技是 21 世纪科技产业革命的重要内容之一 是可以与产业革命相比拟 的 它是高度交叉的综合性学科 包括物理 化学 生物学 材料科学和电子学 它不仅包含以观测 分析和研究为主线的基础学科 同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学 所以纳米科学与技术 也是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系 纳米科技主要包括 纳米体系物理学 纳米化学 纳米材料学 纳米生物学 纳米电子 学 纳米加工学 纳米力学 这 7 个部分是相对独立的 隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位 它贯穿到 7 个分支领域中 以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作占有一半以上 应当指出的是 由于电子学在人类的发展和生活中起了决定性的作用 在纳米科技时代 纳米电子学也将继续对人类社 会的发展起更大的作用 因此 在纳米科技的各个分支学科的研究中 应当重视纳米电子学的研究 特 别是利用 STM 的相关技术进行超高密度信息存储的研究 纳米科技所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观 非微观的中间领域 从而开辟了人类认识世 界的新层次 也使人们改造自然的能力直接延伸到分子 原子水平 这标志着人类的科学技术进入了一 个新时代 即纳米科技时代 以纳米新科技为中心的新科技革命必将成为 21 世纪的主导 二 纳米材料二 纳米材料 1 纳米材料和技术领域研究的对象和发展的历史 纳米材料和技术是纳米科技最富有活力 研究内 涵十分丰富的学科分支 纳米 是一个尺度的度量单位 最早把这个术语用到技术上是日本在 1974 年 底 但是以 纳米 来命名的材料是在 20 世纪 80 年代 它作为一种材料的定义把纳米颗粒限制到 1 100nm 范围 实际上 对这一范围材料的研究还更早一些 在纳米材料发展的初期 纳米材料是指纳米颗 粒和由它们构成的纳米薄膜和固体 现在 广义的纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度 范围或由它们作为基本单元构成的材料 如果按维数 纳米材料的基本单元可以分为三类 零维 指 空间三维尺度均在纳米尺度 如纳米尺度颗粒 原子团簇等 一维 指在空间有两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 二维 指在三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶 格等 因为这些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有量子点 量子线和 量子阱之称 纳米材料大部分都是人工制备的 属于人工材料 但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米 固体 例如天体的陨石碎片 人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的 此外 浩瀚的海洋就是一个庞 大超微粒的聚集场所 原先认为海洋中非生命的亚微米的粒子 0 4 1 m 具有很丰富的浓度 约为 106 107 个 ml 最近 威尔斯等人在南太平洋发现小于 120nm 的海洋胶体粒子的浓度至少是亚微米粒子 的三倍 而且深度分布奇特 通过对这些纳米粒子的研究 可以了解海洋 生命的起源以及获取开发海 洋资源的信息 蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子 这种磁性的纳米粒子具有 罗盘 的作用 可以为 蜜蜂的活动导航 以前人们认为蜜蜂是利用北极星或通过摇摆舞向同伴传递信息来辨别方向的 最近 英国科学家发现 蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子 这种磁性颗粒子具有指南针功能 蜜蜂利用这种 罗 盘 来确定其周围环境在自己头脑的图像而判明方向 当蜜蜂靠近自己的蜂房时 它们就把周围环境的 图像储存起来 当它们外出采蜜归来时 就启动这种记忆 实质上就是把自己储存的图像与所看到的图 像进行对比和移动 直到这两个像完全相一致时 它们就明白自己又回到家了 研究生物体的纳米颗粒 对于了解生物的进化和运动的行为是很有意义的 磁性超微粒子的发现为了解螃蟹的进化历史提供了十 分有意义的科学依据 据生物科学家最近研究指出 人们非常熟悉的螃蟹原先并不像现在这样 横行 运动 而是像其他生物一样前后运动 这是因为亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定方向的纳米 微粒 就像是几只小指南针 螃蟹的祖先靠这种 指南针 堂堂正正地前进后退 行走自如 后来 由 于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转 使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用 于是使它失去了前 后行动的功能 变成了横行 真正利用磁性纳米微粒导航 进行几万公里长途跋涉的是大海龟 我们知 道海龟是世界上稀有的珍贵动物 美国科学家一直对东海岸佛罗里达的海龟进行了长期的研究 发现了 一个十分有趣的现象 这就是海龟通常在佛罗里达海边上产卵 幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西 洋的另一侧靠近英国的小岛附近海域生活 从佛罗里 达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线 不一样 相当于绕大西洋一圈 需要 5 6 年的时间 这样准确无误地航行靠什么导航 为什么海龟迁移的 路线总是顺时针的 最近美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒 它们就是凭借这种纳米微粒准 确无误地完成几万里的迁移 这些生动的事例告诉人们 研究纳米微粒对研究自然界的生物也是十分重 要的 同时还可以根据生物体内的纳米微粒为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益的依据 这也是 纳米科学研究的重要内容 人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到 1000 多年前 中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨 的原料以及用于着色的染料 这就是最早的纳米材料 中国古代铜镜表面的防锈层经检验 证实为纳米 氧化锡颗粒构成的一层薄膜 但当时人们并不知道这是由人的肉眼根本看不到的纳米尺度小颗粒构成 约在 1861 年 随着胶体化学 colloid chemistry 建立 科学家们就开始了对于直径为 1 100nm 的粒子 系统即所谓胶体 colloid 的研究 但是当时的化学家们并没有意识到这样一个尺寸范围是人们认识世界 的一个新层次 而只是从化学的角度作为宏观体系的中间环节进行研究 20 世纪 60 年代以后 人们开始对纳米进一步深入研究了 1962 年 久保 Kubo 及其合作者针对金 属超微粒子的研究 提出了著名的久保理论 也就是超微颗粒的量子限制理论或量子限制理论 从而推 动了实验物理学家向纳米尺度的微粒进行探索 1963 年 Uyeda 及其合作者用气体冷凝法 通过在高纯 的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒并对单个的金属超微颗粒的形貌和晶体结构进 行了透射电子显微镜研究 1970 年 江崎与朱兆祥考虑到量子相干区域的尺度 首先提出了半导体超晶 格的概念 这是按照一定的规则将一定厚度的纳米薄层人工堆积起来的结构 随后利用分子束外延技术 张立纲和江崎等制备了能隙大小不同的半导体多层膜 在实验中实现了量子阱和超晶格 观察到了极其 丰富的物理效应 量子阱和超晶格的研究成为半导体物理学最热门的领域 20 世纪 70 年代末到 20 世纪 80 年代初 对一些纳米颗粒的结构 形态和特性进行了比较系统的研究 描述金属颗粒费米面附近电子能状态的久保理论日臻完善 在用量子尺寸效应解释超微颗粒的某些特性 时获得成功 1984 年 德国萨尔大学的 Gleiter 教授等人首次采用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的纳米粒 子 然后在真空室中原位加压成纳米固体 并提出了纳米材料界面结构模型 随后发现 CaF2 纳米离子晶 体和 Ti02 纳米陶瓷在室温下出现良好韧性 使人们看到了陶瓷增韧的新的战略途径 1985 年 Kroto 等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇 质谱分析发现 C60 和 C70 的新 的谱线 而 C60 具有高稳定性的新奇结构 即由 60 个碳原子组成封闭的足球型 它是由 32 面体构成 其中有 20 个六边形和 12 个五边形构成 这种结构与常规的碳的同素异构体金刚石结构和石墨层状结构 完全不同 而且物理性质也很奇特 纯 C60 固体是绝缘体 用碱金属掺杂之后就成为具有金属性导体 适当的掺杂成分可以使 C60 固体成为超导体 Hebard 等首先发现了 K3C60 为 Tc 18K 的超导体 随后改变 掺杂元素 获得了 Tc 更高的超导体 Cs2RbC60 为 33K Rb2 7TI2 2C60 为 45K 这些结果表明 掺杂 C60 的 Tc 之高仅次于铜氧化物超导体的 Tc 同时 C60 固体还在低温下呈现铁磁性 C60 研究的热潮立即应运 而来 1990 年 7 月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议 正式把纳米材料科学作为材 料科学的一个新的分支公布于世 这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生 从此以后 纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视 很快形成了世界性的 纳米热 同年 发现纳米颗粒硅和多孔硅在室温下的光致可见光发光现象 1994 年在美国波士顿召开的 MRS 秋季会议上正式提出纳米材料工程 它是纳米材料研究的新领域 是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成 纳米添加发展新型的纳米材料 并通过纳米添加对传统材料 进行改性 扩大纳米材料的应用范围 开始形成了基础研究和应用研究并行发展的新局面 随后 纳米 材料的研究内涵不断扩大 这方面的理论和实验研究都十分活跃 现在 人们关注纳米尺度颗粒 原子 团簇 纳米丝 纳米棒 纳米管 纳米电缆和纳米组装体系 纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝 纳 米管为基本单元在一维 二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系 如人造超原子体系 介孔组 装体系 有序阵列等 对于纳米组装体系 不仅包含了纳米单元的实体组元 而且还包括支撑它们的具 有纳米尺度空间的基体 纳米材料包括零维 二维和三维材料 在这个时期 国际上还把 0 1nm 100nm 的技术加工的公差作为纳米科技的标准 1990 年在美国巴尔的摩召开的第一届纳米科技会议 统一了概 念 并决定出版正式学术刊物 从此以后 这些术语已广泛应用在国际学术会议 研讨会和协议书中 纵观纳米材料发展的历史 大致可以划分为三个阶段 第一阶段 1990 年以前 主要是在实验室探索 用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体 合成块体 包括薄膜 研究评估表征的方法 探索纳米材料 不同于常规材料的特殊性能 对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在 20 世纪 80 年代末期一度形成热 潮 研究的对象一般局限在单一材料和单相材料 国际上通常把这类纳米材料称为纳米晶或纳米相 nanocrystalline or nanophase 材料 第二阶段 1994 年前 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖 掘出来的奇特物理 化学和力学性能 设计纳米复合材料 通常采用纳米微粒与微粒复合 0 0 复合 纳米微粒与常规块体复合 0 3 复合 及发展复合纳米薄膜 0 2 复合 国际上通常把这类材料称为纳米复 合材料 这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向 第三阶段 从 1994 年到现在 纳米组装体系 nanostructured assembling system 人工组装合成的纳米结构的材料体 系越来越受到人们的关注或者称为纳米尺度的图案材料 pattering materials on the nanometre scale 它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝 管为基本单元在一维 二维和三维空间组装排列成具有纳米结 构的体系 其中包括纳米阵列体系 介孔组装体系 薄膜嵌镶体系 纳米颗粒 丝 管可以有序地排列 如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性 那么这一阶段研究的特点是强调按 人们的意愿设计 组装 创造新的体系 更有目的地使该体系具有人们所希望的特性 费曼曾预言 如 果有一天人们能够按照自己的意愿排列原子和分子 那将创造什么样的奇迹 就像目前用 STM 操纵 原子一样 人工地把纳米微粒整齐排列就是实现费曼预言 创造新奇迹的起点 美国加利福尼亚大学洛 伦兹伯克力国家实验室的科学家在 Nature 上发表论文 指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理 学的重要前沿课题 可见 纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向 纳米材料研究的内涵不断扩大 第一阶段主要集中在纳米颗粒 纳米晶 纳米相 纳米非晶等 以及 由它们组成的薄膜与块体 到第三阶段纳米材料研究又涉及到纳米丝 纳米管 微孔和介孔材料 包括凝 胶和气凝胶 例如气凝胶孔隙率高于 90 孔径大小为纳米级 这就是孔隙间的材料 实际上是纳米尺 度的微粒或丝 这种纳米结构为嵌镶 组装纳米微粒提供一个三维空间 纳米管的出现 丰富了纳米材 料研究的内涵 为合成组装纳米材料提供了新的机遇 从几何角度来分析 纳米材料科学的研究对象还包括以下几个方面 横向结构尺寸小于 lOOnm 的物 体 粗糙度小于 lOOnm 的表面 纳米微粒与多孔介质的组装体系 纳米微粒与常规材料的复合 重点发展超高精度纳米结构材料的制备技术有如下几个方面 球磨和机械合金化工艺和技术 化学 合成工艺和技术 等离子电弧合成技术 电火花制备技术 激光合成技术 生物学制备技术 磁控溅射 技术 燃烧合成技术 喷雾合成技术 纳米材料评价与测量技术 纳米微区的分析技术也应重点发展 2 纳米材料与其他学科的交叉 渗透 纳米材料科学是原子物理 凝聚态物理 胶体化学 固体化 学 配位化学 化学反应动力学和表面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点 纳米材料中涉 及的许多未知过程和新奇现象 很难用传统物理 化学理论进行解释 从某种意义上来说 纳米材料研 究的进展势必把物理 化学领域的许多学科推向一个新层次 也会给 21 世纪物理 化学研究带来新的机 遇 纳米材料为凝聚态物理提出许多新的课题 由于纳米材料尺寸小 可与电子的德布罗意波长 超导 相干波长及激子玻尔半径相比拟 电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间 电子运输受到限制 电 子平均自由程很短 电子的局限性和相干性增强 尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低 宏观固 定的准连续性能带消失了 而表现为分立的能级 量子尺寸效应十分显著 这使得纳米体系的光 热 电 磁等物理性质与常规材料不同 出现许多新奇特性 如金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大 电 阻温度系数的下降甚至变成负值 相反 原是绝缘体的氧化物当达到纳米级 电阻反而下降 10 25nm 的 铁磁金属微粒矫顽力比相同的宏观材料大 1000 倍 而当颗粒尺寸小于 lOnm 矫顽力变为零 表现为超顺 磁性 纳米氧化物和氧化物在低频下 介电常数增大几倍 甚至增大一个数量级 表现为极大的增强效 应 纳米材料 氧化物 对红外 微波有良好的吸收特性 在动量空间 由于导带低和价带顶的垂直跃迁 是禁阻的 通常没有发光现象 但当硅的尺寸达到纳米级 6nm 时 在靠近可见光范围内 就有较强的光 致发光现象 多孔硅的发光现象也与纳米尺度有关 在纳米氧化铝 氧化钛 氧化硅 氧化锆中 也观 察到常规材料根本看不到的发光现象 上述现象充分证明 纳米体系大大丰富了 21 世纪凝聚态物理学的 研究范围 纳米材料的另一个重要特点是表面效应 随着粒径减小 比表面大大增加 粒径为 5nm 时 表面将 占 50 粒径为 2nm 时 表面的体积的百分数增到 80 庞大的比表面 键态严重失配 出现许多活性 中心 表面台阶和粗糙度增加 表面出现非化学平衡 非整数配位的化学价 这就是导致纳米体系的化 学性质与化学平衡体系出现很大差别的原因 纳米材料在催化反应中具有重要作用 通常的金属催化剂铁 钴 镍 铂制成纳米微粒可大大改善 催化效果 粒径为 30nm 的镍可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高 10 15 倍 在环二烯的加氢反应中 纳米微粒做催化剂比一般催化剂的反应速度提高 10 15 倍 在甲醛生成甲醇的氢化反应中 以氧化钛 氧化硅 氧化镍加上纳米微粒镍 铷 反应速度大大提高 如果氧化硅等粒径达到纳米级 其选择性可 提高 5 倍 通过光催化从水 二氧化碳和氮气中提取有用物质 例如液体燃料 一直是人们研究的重要 课题 最近日本利用纳米铂作为催化剂放在氧化钛的载体上 在加入甲醇的水溶液中通过光照射成功地 制取了氢 产出率比原来提高几十倍 纳米微粒对提高催化反应效率 优化反应路径 提高反应速度和 定向的方面的研究是未来催化科学的重要研究课题 很可能给催化在工业的应用带来革命性的变革 纳米合成为发展新型材料提供新的途径和新的思路 非平衡动态的材料工艺学在 21 世纪将会有新的 突破 目前 在世界上的材料有近百万种 而自然的材料仅占 1 20 这就说明人工材料在材料科学发展 中占有重要地位 纳米尺度的合成为人们设计新型材料 特别是为人类按照自己的意愿设计和探索所需 要的新型材料打开了新的大门 例如 在传统的相图中根本不共溶的两种元素或化合物 在纳米态下可 以形成固溶体 制造出新生型材料 铁铝合金 银铁和铜铁合金等纳米材料已在实验室获得成功 利用 纳米微粒的特性 人们可以合成原子排列状态完全不同的两种或多种物质的复合材料 人们还可以把过 去难以实现的有序相和无序相 晶态相和金属玻璃 铁磁相和反铁磁相 铁电相和顺电相复合在一起 制备出有特殊性能的新材料 纳米材料的诞生也为常规的复合材料的研究增添了新的内容 把金属的纳米颗粒放入常规陶瓷中可 大大改善材料的力学性质 如纳米氧化铝粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性 放入金属或合 金中可以使晶粒细化 大大改善力学性质 纳米氧化铝弥散到透明的玻璃中既不影响透明度又提高了高 温冲击韧性 半导体纳米微粒 砷化镓 锗 硅 放入玻璃中或有机高聚物中 提高了三阶非线性系数 极性的钛酸铅粒子放在环氧树脂中出现了双折射效应 纳米磁性氧化物粒子与高聚物或其他材料复合具 有良好的微波吸收特性 纳米氧化铝微粒放入有机玻璃 PMMA 中表现出良好的宽频带红外吸收性能 最 近 美国成功地把纳米粒子用于磁制冷上 8nm 钇铝铁石榴石或钆镓铁石榴石新型致冷材料 使致冷温度 达到 20K 纳米粒子与纳米粒子复合 受到世界各国极大的重视 英国制定了一个很大的纳米材料发展计 划 重点制造纳米氧化铝 纳米氧化锆 纳米氧化铝 纳米氧化硅 纳米氧化铝 纳米氧化硅或碳化硅等新 型纳米复合陶瓷 纳米材料与医学药物领域的交叉是必然的发展趋势 美国 MIT 已成功研究了以纳米磁性材料为药物 载体的靶向药物 称为 生物导弹 即在磁性三氧化二铁纳米微粒包敷蛋白质表面携带药物 注射进人 体血管 通过磁场导航输运到病变部位释放药物 可减少肝 脾 肾等由于药物产生的副作用 纳米微 粒在医疗临床诊断及放射性治疗等方面的应用 如在人体器官成像研究中 纳米微粒可以作为增强显示 材料进入核磁共振生物成像领域 21 世纪特别引人注目的将是纳米半导体展现出的应用前景 虽然由于成本太高 目前已经商业化的 光伏电池难以大规模地推广应用 但是自从 Gratzel 首次报道经染料敏化的纳米晶光伏电子优异的光电 转化特性以来 各国科学家都被此所吸引 围绕纳米晶光伏电池的研究越来越热 这是由于纳米晶光伏 电池的制备较为简单 且具有较高的界面电荷转移效率 利用太阳能作为辐照光源即可获得较高的光电 转换效率 研究表明 除了纳米晶 Tio2 伏电池外 其他如 ZnO Fe2O3 WO3 SnO2 等单一氧化物和 CdS 等单一硒化合物纳米晶光伏电池亦显示出较好的光电转换特性 纳米半导体粒子的高比表面 高活性及其他 特殊的特性等使之成为应用于传感器方面最有前途的 材料 它对温度 光 湿气等环境因素是相当敏感的 外界环境的改变会迅速引起表面或界面离子价态 电子输运的变化 利用其电阻的显著变化可做成传感器 其特点是响应速度快 灵敏度高 选择性优良 纳米半导体微粒是在纳米尺度原子和分子的集合体 这个过去从来没有被人注意的非宏观 非微观 的中间层次出现许多新问题 例如电子的平均自由程比传统固体的短 周期性被破坏 过去建立在平移周 期上对电子的布洛赫波已不适应建立在亚微米范围内的半导体 pn 结理论对于小于 l0nm 的微粒已经失效 对纳米尺度上电子行为的描述必须引入新的理论 这也将促进介观物理和混沌物理的发展 该领域的研 究情况是 在纳米半导体制备方面 追求获得量大 尺寸可控 表面清洁 制备方法趋于多样化 种 类和品种繁多 在性质和微结构研究上着重探索普适规律 研究纳米尺寸复合 发展新型纳米半导 体复合材料是该领域的热点 纳米半导体的光催化及光电转换研究表现出诱人的前景 尽管纳米研究 刚刚起步 但它的一系列新奇特性能使它成为纳米材料科学的一个前沿领域 相信会有更新的突破 三 纳米结构三 纳米结构 著名的诺贝尔奖金获得者费曼早就提出一个令人深思的问题 如何将信息储存到一个微小的尺度 令人惊讶的是自然界早就解决了这个问题 在基因的某一点上 仅 30 个原子就隐藏了不可思议的遗传信 息 如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子 那将创造什么样的奇迹 今天 纳米结构 的问世以及它具有的奇特的物性正在对人们生活和社会发展产生重要的影响 费曼的预言已成为世纪之 交科学家最感兴趣的研究热点 纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵的一个重要的分支学科 由于该 体系的奇特物理现象及与下一代量子结构器件的联系 因而成为人们十分感兴趣的研究热点 20 世纪 90 年代中期 有关这方面的研究取得重要进展 研究的势头将延缓到 21 世纪的初期 所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础 按一定规律构筑或营造一种新的体系 它包括一维 的 二维的 三维的体系 这些物质单元包括纳米微粒 稳定的团簇或人造超原子 artificial supertaoms 纳米管 纳米棒 纳米丝以及纳米尺寸的孔洞 我们知道 以原子为单元有序排列可以形 成为有自身特点的 相对独立的一个新的分支学科 关于纳米结构组装体系的划分至今并没有一个成熟的看法 根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力 是靠外因 还是靠内因来划分 大致可分为两类 一是人工纳米结构组装体系 二是纳米结构自组装体 系 所谓人工纳米结构组装体系 按人类的意志 利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元 组装 排列构成一维 二维和三维的纳米结构体系 包括纳米有序阵列体系和介孔复合体系等 这里 人们的设计和参与制造起到决定性的作用 就好像人们用自己制造的部件装配成非生命的实体 例如机器 飞机 汽车 人造卫星等 一样 人们同样可以形成具有各种对称性和周期性的固体 人们也可以利用物 理和化学的办法生长各种各样的超晶格和量子线 以纳米尺度的物质单元作为一个基元 按一定的规律 排列起来 形成一维 二维 三维的阵列称之为纳米结构体系 所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱小的和较小方向性的非价键 如氢键 范德瓦尔斯键和弱的 离子键协同作用把原子 离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样 纳米结构由于它具有纳米微粒的特性 如量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应等特点 又存在由 纳米结构组合引起的新的效应 如量子藕合效应和协同效应等 其次 这种纳米结构体系很容易通过外 场 电 磁 光 实现对其性能的控制 这就是纳米超微型器件的设计基础 从这个意义上来说 纳米结 构体系是一个科学内涵 与纳米材料尚存在既有联系 又有一定差异的一个新范畴 有的文献上已出现 把纳米结构体系与纳米材料并列起来的提法 也有人从广义上把纳米结构体系也归结为纳米材料的一个 特殊分支 纳米结构体系与新的量子效应器件的研究在 20 世纪末取得了引人注目的新进展 与纳米结构组装体 系相关的单电子晶体管原型器件在美国研制成功 这是加利福尼亚大学洛杉矶分校 University of California Los Angeles 和 IBM 公司的华森研究中心 T J Watson Research Center 共同合作研 究的成果 他们出色的工作把 Nature 杂志副主编预计的单电子晶体管诞生的时间提前了 10 年 这种纳 米结构超微小型器件功耗低 适合于高度集成 是 21 世纪新一代微型器件的基础 把两个人造原子组合 到一起 利用耦合双量子点的可调隧穿的库仑堵塞效应研制成超微型的开关 美国 IBM 公司的华森研究 中心和加利福尼亚大学共同合作研制成功的室温下超小型激光器 主要设计原理是利用三维人造超原子 组成纳米结构的阵列体系 通过控制量子点的尺寸及三维阵列的间距达到对发光波长的控制 从而使该 体系的发光性质具有可调制性 美国贝尔实验室利用纳米硒化镉构成阵列体系 显示出波长随量子点尺 寸可调制的红 绿 蓝光 实现了可调谐发光二级管的研制 半导体内嵌入磁性的人造超原子体系 如 锰离子被注入到砷化镓中 经退火后生成了具有纳米结构的铁磁量子点阵列 每个量子点都是一个磁开 关 上述是近几年来纳米结构体系与微型器件相联系的具体例子 虽然仅是实验室的成果 但它却代表 了纳米材料发展的一个重要的趋势 从这个意义上来说 纳米结构和量子效应原理性器件是目前纳米材 料研究的前沿 并逐渐用自己制造的纳米微粒 纳米管 纳米棒组装起来营造自然界尚不存在的新的物 质体系 从而创造新的奇迹 从基础研究来说 纳米结构的出现 把人们对纳米材料出现的基本物理效应的认识不断引向深入 无序堆积而成的纳米块体材料 由于颗粒之间界面结构的复杂性 很难把量子尺寸效应和表面效应对奇 特理化效应的机理搞清楚 纳米结构可以把纳米材料的基本单元 纳米微粒 纳米丝 纳米棒等 分离开 来 这就使研究单个纳米结构单元的行为 特性成为可能 更重要的是人们可以通过各种手段对纳米材 料基本单元的表面进行控制 这就是我们有可能从实验上进一步调制纳米结构中纳米基本单元之间的间 距 进一步认识它们之间的藕合效应 因此 纳米结构出现的新现象 新规律有利于人们进一步建立新 原理 这为构筑纳米材料体系的理论框架奠定了基础 四 纳米科技的进展四 纳米科技的进展 纳米新科技诞生才短短十几年 就在几个重要的方面有了如下的进展 1 1990 年 美国商用机器公司 IB 两名科学家利用扫描隧道电子显微镜 STM 直接操作原子 成功地在 Ni 镍 的基板上 按自己的意志安排原子组合成 IBM 字样 日本科学家已成功地将硅原子堆 成一个 金字塔 首次实现了原子三维空间立体搬迁 人类第一次实现了操纵单个原子 并由此拉开了 世界纳米科技研究的序幕 1991 年 IBM 的科学家还制造了超快的氙原子开关 专家们预计 这一突破性 的纳米新科技研究工作将可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径仅为 0 3cm 的硅片上 据英 国 科学与共同政策 杂志报道 科学家们最近制造出一种尺寸只有 4nm 的复杂分子 具有 开 和 关 的特性 可由激光计算机提供可能的技术保证 2 近年来刚刚发展起来的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性 已引起科学家极大兴趣 德国萨尔大学格莱德和美国阿贡国家实验室席格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛 在室温下显 示良好的韧性 在 180OC 经受弯曲并不产生裂纹 这一突破性进展 使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世 纪的材料科学家们看到希望 英国著名材料科学家卡恩在 Nature 杂志上撰文说 纳米陶瓷是解决陶瓷 脆性的战略途径 纳米材料在光吸收 催化 敏感特性和磁性方面都表现出明显不同于同类传统材料的 特性 在高技术应用上显示出广阔的应用前景 3 继操纵单个原子之后的又一重大突破 中德科学家联合进行的一项研究 成功地用单个 DNA 分子 链写出 DNA 三个字母 实现了对单个生物大分子的纳米操纵 这项研究由中国科学院上海原子核研究 所和德国萨尔大学合作进行 科研人员首先利用分子操纵术 将凝聚缠绕在一起的双螺旋结构的单个 DNA 分子链 完整地拉直并构成二维的网状结构 然后利用能放大一亿倍的原子力显微镜 AFM 观察 针尖操 作等纳米操纵技术 将呈网状的单个 DNA 分子切割 弯曲 推拉 在非常平整的云母表面写出 DNA 三 个字母 每个字母外周仅相当于人的头发丝五百分之一 目前中德合作双方正在联合申请这项技术的国 际专利 复旦大学张志鸿教授指出 人类成功地实现了对 DNA 分子的纳米操纵 不仅是纳米科技与生命 科学相交叉在生物大分子层面上的一次重要突破 而且对人类探索纳米产品的自组装性能也有十分重要 的意义 他说 生命经过几十亿年的进化 生物细胞中贮藏了许多非常精巧 效率非常高的 纳米机器 对人类设计纳米产品具有重要的借鉴作用 如人体内的核糖体 不仅能自己组装 还能组装人体内所有 种类的蛋白质 并具有自己监控自己管理的功能 成功地将单个 DNA 分子链按照人类的意志进行组装排 列 无疑是迈出了对生命自组装功能研究的第一步 4 纳米生物学在 20 世纪 90 年代初露头角 面向 21 世纪 它的发展前途方兴未艾 纳米生物学在 纳米尺度上认识生物大分子的精细结构及其与功能的联系 并在此基础上按照自己的意愿进行裁剪和嫁 接 制造具有特殊功能的生物大分子 这使生命科学的研究上了一个新的台阶 势必在解决人类发展的 一系列重大问题上起到十分重要的作用 纳米科技使基因工程变得更加可控 人们可根据自己的需要 制造多种多样的生物 产品 农 林 牧 副 渔业也可能因此发生深刻变革 人类的食品结构也 将 随之发生变化 用纳米生物工程 化学工程合成的 食品 将极大地丰富食品的种类和数量 纳米科技 的出现很可能为解决人类由于人口迅速增加所面临的刻不容缓的问题提供新途径 5 纳米微型机械和机器人是十分引人注目的研究方向 纳米生物机器和生物部件零件的研制 用原 子和分子直接组装成纳米机器不但其速度 效率比现有的机器大大提高 而且应用范围之广 功能之特 殊 污染程度之低是现有机器人无法比拟的 纳米生物部件与纳米无机化合物及晶体结构 部件 相结 合 用纳米微电子学控制形成纳米机器人 尺寸比人体红血球还小 这种纳米机器人的问世将使未来高 技术出现新的飞跃 人类的医疗也因之发生深刻的革命 许多疑难病症将得到解决 医生可能应用纳米 机器人直接打通脑血栓 清出心脏动脉脂肪沉积物 也可以通过把多种功能纳米微型机器人注入血管内 进行人体全身检查和治疗 药物也可以制成纳米尺寸 直接注射到病灶部位 大大 提高医疗效果 减少 副作用 目前 纳米科学技术正处于重大突破的前期即基础研究阶段 是物理 化学 生物 材料 电 子等多种学科交叉汇合点 它取得的成绩已经使人们为之震惊 并引起关心未来发展的科学家们的思考 五 纳米科技对经济发展的影响五 纳米科技对经济发展的影响 科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命 而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展 纳米科技的产生和发展也不例外 随着纳米科技的产生和发展 一场新的工业革命即将发生 1 纳米科技在 21 世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色 纳米科技操纵单个原子和分子的能力 制造人体细胞大小的机器或研制具有理想性能的新材料和构 件 是一项无处不在的微型化技术 它纵深到其他各个技术和生产领域 随着纳米材料和纳米结构科学家在今后 20 年里致力于逐个原子的制造和控制复杂的系统 在电子装 置 电脑和其他高技术装置的小型化方面的突破 有望永久地改变技术发展的未来 纳米科技研究人员通过在原子水平上控制分子的行为和相互作用 可以利用通过自组过程产生的分 子替代常规元件 通过自组织过程 各种构件按照热力平衡自然地组合成理想的形式 兼具无机材料和 有机材料最佳特性的系统可能会被研究出来 在信息技术和电子技术方面 纳米科技的应用已经很明显 人们可以研制出这样一个分子 它所能 容纳的信息量大于一张彩色照片 一本书 遗传密码 人的大脑 美国国会图书馆或者一年的报纸和电 视节目加在一起 例如 飞机上的电脑可以让飞机在十亿分之一秒内获得所有的任务介绍信息 其中包 括图像等信息产品 在制造新型传感器方面 监视系统将受益于新的传感器 人们差不多可以像现在拦截声波信号那样 识别生物系统的探测器 这就使得读取分子特征标记和进行 DNA 分析成为可能 加利福尼亚理工学院已 经利用微型电子系统 其宽带为当前最先进技术的 10 倍 演示了一个硅基传感器 在通信方面 科学家们甚至预言 在不远的将来 原子将能利用光子装置和灵敏的定向管束 把信 息传递到另一个原子 从而能把美国西岸一个原子上的图像传输到东海岸的另一个原子上 在材料科学领域 军队将能够大幅降低地面车辆的重量 与此同时提供更为有力的保护 打破常规 极限定义的新一代飞行器和其他作战平台将会出现 在其他方面 还有纳米电子技术有望提高计算机的处理速度 减少能量需求 降低噪音 增加灵活 性 密码技术和加密技术也有望取得进展 微型卫星将变得普遍 从而导致协作卫星群和小孔径天线的 出现 当今 尽管纳米科技专家们还无法预测纳米科技方面关键性突破将在何时出现 纳米科技研究人员 仍然没有达到可以精确设计分子电子装置和量子效应 但在已经掌握的纳米科技中 看到了无处不在的 纳米科技 将在未来经济发展的巨变中扮演非常重要的角色和具有大有可为的前景 纳米科技 21 世纪扮演的角色主要有两个 第一 纳米科技本身所涉及的是科技发展到一定阶段必须 解决的一个问题 以芯片为例 它现在可以达到 0 1 微米左右的尺寸 再继续发展会有科学上的障碍 就要使用纳米材料和工艺 也就是说 纳米科技是信息技术 生物技术持续发展的一个基础 第二 纳 米科技本身也会产生许多新的技术和新的产业 例如它可以产生新材料 现在使用最多的是钢材 假如 通过纳米科技制造出一种新的材料 强度比钢材大 10 倍而比重只有钢材的几分之一 那就意味着现在很 多工业品重量将大大减轻 性能也更加优越 不仅保护环境 而且运作更加方便 另外 纳米科技是多 学科 综合性的科技 包含了各种各样的门类 它的成果会渗透到各个领域 能够很快地接近人们的日 常生活 所以 纳米科技是战略性的科学技术 纳米科技在 21 世纪经济发展中所扮演的重要角色 同时 也决定了它在 21 世纪经济巨变中所处的重要地位 2 纳米科技对世界工业经济和经济增长的主要影响 由于纳米科技的兴起 在 21 世纪的经济世界里将出现一大批新型的工业 如智能操作工业 生物工 业 隐形工业 环保绿色工业 太空工业等 这些新型的工业 组成了 21 世纪经济社会的主业群体 其 主要特征之一是纳米科技对各种工业技术的渗透 形成了纳米产业经济 到 21 世纪后期 人类将拥有自 己的袖珍世界 纳米科技时代的纳米工业产业群包括分子生物开发工业产业 纳米材料工业产业 微型 机器人制造产业 微型智能机制造产业 基因材料开发产业和微型星际机群产业等 纳米科技对世界工业经济的主要影响有 1 产品结构调整 在产品结构方面进行调整 精加工 高附加值 高科技的纳米材料和纳米结构产 品的生产比例和产值明显增大 并成为各国的主要收入 2 生产格局发生变化 在现代生产格局方面 生产纳米材料的企业开始成为国家经济体系中的重要 组成部分 3 原材料和能耗转变 在原材料结构上进行调整 由于纳米材料的兴起 成本低 质量高 功能多 的精加工原材料不断增大 在能耗及结构方面 大大节约和大大改善 4 投资重点转移 在投资结构方面进行调整 企业在纳米材料和纳米科技的应用上投资会加大 并 向有发展前景的纳米产业和纳米产品倾斜 用于生产新品种 提高质量以及环保 改造的投资所占比例 逐步增大 5 高附加值产品大量出现 在产品的生产基本流程的调整方面 纳米科技的应用将推动产品革新 使市场产品形成一个良性态势 即新产品 高科技 高附加值 这一迈向社会化大生产和发展新产 品的局面对传统耗能耗时的工业生产结构将产生较大冲击 由此可见 纳米科技作为当代和未来一个时期的高新技术都会成为经济增长的一个主要因素 纳米科技对经济增长的影响具体表现在以下几个方面 1 纳米科技能够在原子水平上进行设计 可以根据需要制造出任何材料 新材料的出现是劳动对象 和劳动资料的一场革命 不仅改变了旧的劳动对象 而且增加了新的劳动对象 不仅改善了传统的劳动 工具 而且可以增加新的劳动工具 不仅增加了使用价值 而且也增加了价值 纳米科技可以根据人们 的意愿生产出更多的新产品 新材料的出现不仅可以生产出新的产品 而且可以提高劳动生产率 2 纳米科技可以改变供给结构 通过供给结构的改善来启动新的需求 通过需求的增加来带动经济 增长 这是因为 纳米科技的诞生和广泛应用 不仅可以根据人们的需求任意地制造产品 而且可以根 据不同人的身体和生理的特征和需要制造出符合每个人特点的产品 传统意义上的批量化生产将让位于 个性化生产 传统意义上的产品也可能被新型的 纳米产品 所代替 因此 供给结构将发生根本性的 变化 从这一意义上来说 纳米科技的应用是对传统产品和传统生产方式的一场革命 3 纳米产品 具有很强的实用性 它既能够用于尖端的军事以及航天航空业 也能够直接用在民 用产品上 适合于普通居民的需求 其需求弹性相当大 纳米产品 能够渗透于人们生活的方方面面 既能够为低收人者提供消费 也能够为中等收入和高收入者提供消费 特别是伴随着居民收入的不断提 高 居民对 纳米产品 的需求量将呈现出加速增加的趋势 纳米产品 包括的主要类型有 新型产品 我们既然可以一个原子一个原子地制造产品 则纳 米科技就会完全控制了物质的结构 我们的任务只是构想一种产品的形状 规格和弹性 在主机计算机 上为它设计一个三维框架 再把指令传输给装配器和分子计算机 可信度高的产品 想象一下比钢硬 10 倍而又更具弹性的产品吧 由于纳米科技可使人类通过原子排列来制造出具有这些性能的产品 我们也 许可以使飞机避免现有制造水平下有时产生的灾难性后果 例如机翼折断等 智能产品 纳米科技能 够制成由几万亿个微型发动机和计算机组成的材料和物体 把各种零部件组合起来 使之具有一种有用 的功能 例如 我们早就设想过制造一种滑槽 止动器 内壁和帆都可以自行修复而不是趋于磨损的帐 篷 现在 这些东西还不在我们的视野之内 然而 一旦它们成了我们物质景观的一部分 我们就会奇 怪 没有它们我们怎么能活下去 清洁 廉价的产品 工业对环境的主要影响来自制造业的副产品 污染 有毒废品等等 我们对纳米科技的理解是 它即便在分子计算机和装配器发挥作用的复杂制造程 序中也可以进行生物递降分解 4 纳米科技的诞生和应用 开辟了经济增长的新的增长 域 这个新的增长域不同于增长点 增 长点只是一 点 而已 它只表现为少数几个带动经济的点 然而 纳米科技带动的是一个