电子科学与技术专英6.4.doc

6.4什么是纳米技术 1。简介 尽管政府对纳米技术的资金投入和公众对其的关注之大是前所未有的,但很少人能准确地定义这项技术的应用范围或潜在应用领域。纳米科学家和技术人员面临的一个最紧迫的问题是与非科学界的沟通。由于几十年的炒作,这一领域产生了大量虚构的事,这让公众,甚至商界和金融界很难理解我们看待自己与自然界之间的互动的方式的基本转变是什么。本文试图解决其中的一些错误认识,并解释为什么科学家、企业和各级政府都在花大量的时间和金钱在纳米尺度的研究和开发。2。什么是纳米科技？ 采取随机选择的科学家、工程师、投资者和社会公众,问他们纳米技术是什么,你会收到像纳米技术本身一样宽广的一系列回答。对许多科学家,它并不是多么的新;毕竟,通过电子显微镜、扫描探针显微或简单地成长并分析薄膜，我们已经在纳米级方面研究了几十年。然而,对于大多数的其他群体而言,纳米科技意味着某种更具雄心的东西，比如在血液中的微型潜艇,由原子组成的小齿轮和齿轮组、用纳米碳管做的空间电梯,以及太空殖民。难怪人们经常把纳米技术与科幻小说混淆。3。什么是纳米？尽管一米被国际标准化组织定义为光在1/299 458秒内真空中传播的距离，一纳米为10 - 9米，但这对于科学家向非科学家讲解纳米没有什么帮助。通过参照日常事物来联系各种尺寸是人类的本能，而对纳米最简单的定义就是和人类一根头发的宽度相联系。 不幸的是,人类的毛发具有高度不确定性,从几十到几百微米直径(10- 6米),这取决于色彩、类型以及它们取自身体的哪一部份,他们从那里拿,所以我们需要的是一个能与纳米相联系的标准。叫人们去想像一个东西的百万分之一或十亿分之一，很少人能够轻松地做到这，但让纳米技术跟原子相联系却可以让人更容易想像纳米级。虽然很少纳米科学家对原子有多大有一个清晰的认识,把一纳米定义为10个氢原子或5个硅原子排成一条线的尺寸还是在人们思维的可理解范围内。相对于解释纳米技术正处理着我们所能操纵的最微小的事物而言，原子的确切大小就没那么重要了。 4。科幻小说 虽然普遍认为纳米技术是未来25年之后才得以应用的一项未来技术、但纳米技术决不是科幻小说。在过去15年里超过一打的诺贝尔奖被授予的纳米技术领域,从扫描探针显微镜(SPM)到富勒烯的发现。根据CMP Cientifica，,已有超过600家公司目前在纳米技术上活跃,从小风险投资创业公司到一些世界上最大的公司如IBM和三星。在过去的一年里，全球的政府和企业花费逾40亿美元到纳米技术,独自一人。世界上几乎每一个大学有一个纳米技术部门,或者至少会为此申请资助。 甚至更重要的是,已经有公司把纳米技术应用于多种我们已购买的产品上,如汽车配件、服装和滑雪蜡。纳米技术已经在我们的周围,如果你知道到哪里去看。困惑出现的部分原因是因为在商业世界里的许多人不知道到哪里去看。在过去的十年里,技术已经成为计算机、软件和通讯的同义词,无论是互联网还是移动电话。许多纳米技术的初步应用是材料相关的,如塑料添加剂、改善钢的纳米碳粒子添加剂、涂料和石化工业上的改进催化剂。所有这些都是技术型产业,也许不是新的,但是有着数十亿美元的市场。5。纳米技术产业 现在越来越经常听到人们提及的纳米技术产业，就像软件或移动通讯产业，但这样的东西会永远存在么？许多纳米技术公司只是简单地把我们的纳米知识应用于现存的产业，无论是改善了制药行业的给药机制，或者生产用于塑料工业纳米粘土粒子。事实上，与其说纳米技术是一个行业，不如说它是一个有利的技术。没有人会说微软公司和甲骨文公司是电力行业的一部分，即使没有电，软件产业就不会存在。相反，纳米技术是一个关于自然在原子尺度上如何运作的基础认识。这样的认知将导致新的产业的产生，正如对电子在导体中通过电位差移动的认知，导致电力照明，电话，计算机，互联网等诸多行业的产生，如果没有这个认知，所有这些都不可能发生。虽然可以买一包纳米产品，例如一克纳米管，但它的内在价值将为零。该些管的真正价值在于他们的应用，无论是在现有产业，还是使之产生一个全新的产业。 6。神奇航程 缩小机器尺寸到能够放进人体的程度，以便进入人体来检测和修复病变细胞，这是纳米技术应用的一个热门话题，并且是一个接近现实的想法。许多公司都已经在着手基于纳米技术的药物释放机制的临床试验，但不幸的是他们没有涉及微型潜艇。原来，有一系列更有效的方法，纳米技术可以使药物传输机制更好而不需要依靠纳米机器。 只是在身体里导航的方式将无法承担严格的审核。想象一下，企图在动脉中逆向移动，这就像在快速流动的河流逆向游泳一样，同是还有房屋大小的巨石，红，白血细胞，下雨般砸向你。当前医疗纳米技术的应用更可能涉及改进传输方式，如肺或表皮的方法，以避免必须经过胃和包装的传输和释放延迟，最终会把检测与传输相结合，以便使药物准确地送到需要它们的地方，从而减少对健康的组织和细胞的副作用。正如导航，传输将沿着与人体使用的完全相同的路径进行，顺着血流，当药物到达目标的时候抛锚。7。收缩的东西 另一种常见的误解是，纳米技术主要是使东西缩小。通过微型的公牛图像和可用针尖弹奏微型吉他，这种误解被加剧了，虽然有新闻价值，只是表明我们的新发现实现了在亚微米尺度上的控制。虽然几乎所有微技术的注意力都在宏观尺度的设备上，例如晶体管和机械系统，使他们更小，但纳米技术更关注我们从底层创造的能力。在电子业，人们越来越认识到，由于CMOS发展到10纳米左右的尺寸就已经到头了，结合冯纽曼电子2纳米尺寸的主要不确定性限制，仅仅是让事物变得更小对我们帮助不大。把一个器件上的CMOS晶体管更换成某种类型的纳米器件会造成制造成本的大幅提高，然而就目前的技术对器件的改善却是有限的。 然而，通过从底层构建器件，纳米技术为我们提供了一条走出这种技术和成本的困局的路。技术，如自组装技术，也许需要纳米印刻出的模板辅助，一个有名的欧洲人成功了，他通过结合我们对的聚合物和分子，如纳米级的Rotoxane分子的理解，开辟出新的可能性。无论是通过切换到塑胶电子还是使用分子电子学来避免摩尔第二定律，我们对分子级材料的理解允许我们用各种可替代的方法来生产出更聪明，更便宜的器件。新的认识也将允许我们来设计新架构，最终结果是该功能将变得比晶体管尺寸更有效，或每秒的运算速度更快。 8。纳米技术是新的 得知罗马和中国在数千年前就利用纳米，这常常使人吃惊。同样，你每次点燃火柴，富勒烯都会产生。 自20世纪20年代起Degusssa一直在生产炭黑，一种使汽车轮胎变黑和提高了橡胶耐磨性的一种材料。当然，他们并不知道他们正在使用纳米技术，因为他们没有对颗粒大小进行控制，甚至没用到任何纳米级的知识，所以他们并没有使用目前的定义的纳米技术。 我们不仅能够看到和在纳米尺度上进行操作，而且我们能够理解原子级间的相互作用，这就是我们关于纳米技术的新。 9。建筑用原子原子 在1989年，当Don Eigler 用SPM把氙原子拼写成IBM几个字母时，是纳米技术的决定性刻之一。第一次我们可以把原子准确地放在我们想放的地方，即使在大大高于绝对零度之上想把他们维持在那里被证明是一个问题。把原子一个接一个地连在一起，虽然对我们理解纳米世界有帮助，但在对工业生产程好像没多大用处。由于奔腾4处理器包含4200万个晶体管，即使把晶体管简化为每边各含100个原子的立方，也需要42 102个操作，那还是我们没把处理器所需的其它材料和器件考虑进去的情况。 当然，我们已经有能力用一个个原子创造新的东西，并且是在一个非常大的规模上，它就是所谓的物理化学，并已经用于工业上生产各种东西从硝酸盐到盐，超过一个世纪了。要做到这一点，我们不需要任何像电影星际旅行中的桌面装配器，通常是几桶随时可用的化学品，也许再加一点催化剂，这就是所需的一切。 把这与一个原子接一个原子地生产有机产品的难度相比，例如香肠。每个人都对香肠的大尺寸材料很熟悉，一些肉类，也许一些肥肉，软骨或其他类型的组织，甚至一些骨头，所有这些东西用动物的肠包起来。不要在意，这只是向装配器的支持者证明，更小尺度的东西更简单。 比起我们所要尝试复制与细胞，细胞质，线粒体，染色体，核糖体和许多其他高度复杂的自然工程项目，缩小到微尺度我们仍然有着比之多得多的复杂性。越接近纳米级，我们仍然要处理与核酸，核苷酸，多肽和蛋白质，对于这些我们一个也没有完全理解，甚至有计算机的辅助也没想过在不久的将来能做到。 在我们的投资回报方面，一个农家庭院含有几只猪比起我们的任何设计都是一个更为有效的香肠机器，并且有几个其他的副产品，如火腿和一个高效废物处理系统。这足以说明我们距离复制自然还有多么远了。 10。进攻的杀手纳米机器人 在捕捉公众的想象力，释放自我复制的设备，从他们的道路实验室和攻击任何逃避是永远都会有成群的流行术语。不幸的性质我们已经击败它，几百万年。自然发生的纳米机器，不仅可以复制和变异，因为他们这样做是为了避免在根除我们尽了最大努力，但也可以通过大气逃脱报警主机和减轻他们的旅行。难怪，病毒是最成功的生物在地球上，与他们机械被纳入纳米领域井最多。不过，也有向这些纳米机器人通常由他们的能力，或缺乏转换的材料足够广阔的范围内为将来的扩展需要，确定，传播范围有限。事实上，许多物种的，免疫系统，而不能完全neutralize流鼻涕等没有副作用的病毒，那么在这样的威胁，且为不同的技术可提供范围广泛的一个大型复杂的有机体有效地处理时，结果类型面临着一个目的纳米级之一。对于任何因纳米世界的威胁成为一种危险，它必须包括更多的智慧和灵活性，可能比我们可以设计进去。 我们的基因组学和蛋白组学的理解是比较原始的性质，并有可能在可预见的将来仍然如此。对于任何决心担心纳米对人类的威胁，应考虑在诸如艾滋病毒的病毒通过蚊子传播将允许或流感病毒，这比什么都值得更关注纳米技术可能会产生致命的版本突变。 11。结论 纳米技术，像任何其他科学分支，主要关注的是了解大自然如何工作。我们已经讨论了如何生产器件，但和自然相比我们仍然处在一个非常原始的阶段。自然有能力设计高能效的系统，运作起来精度高，不浪费，仅仅对需要修的地方修，对需要工作的地方进行工作，没有多余的动作。但我们却做不了，虽然有一天我们对纳米现象的理解可能使我们至少能够复制自然能够轻松做到的事的一部分。虽然现现在许多纳米技术的分支并不是新的，但把现有技术与我们新发现结合在一起来实现对纳米级的观察和操作却让纳米技术很受科学界，商界和政界的关注。对于科学家，推进人类知识的总和早已发现背后的驱动力，从17世纪和18世纪，我们目前的学术基础设施的绅士科学家。纳米技术是在我们试图了解我们周围的世界非常早期的阶段，并将为许多代科学家的灵感和动力。 对企业来说，纳米技术是没有任何其他技术一样：这将是它能否赚钱的判断。这可能是在生产成本降低，例如，在化工行业的使用更有效率或更有选择性的催化剂，通过开发新的药物传递等机制或防污衣服，或创造完全新产品新市场作为聚合物的理解多亿欧元塑料行业一样。 政治上，可以说，恐惧是主要动机。美国已开辟了在经济增长方面遥遥领先，尽管最近的挫折，因此，如