纳米技术讲座

“未来科学的发展将是继续向宏观世界和微观世界挺进”！——爱因斯坦物质是由原子构成的，其性质依赖于这些原子的排列形式。如果我们将煤炭中的原子重新排列，就能得到钻石；如果向沙子中加入一些微量元素，并将其原子重新排列，就能制成电脑芯片；而土壤、水和空气的原子重新排列后就能生产出马铃薯。听起来是不是有点玄？不过这决非天方夜谭，如果你能走进纳米世界，了解纳米技术，就会知道上述目标的实现指日可待。1、什么是纳米纳米其本身是一个长度单位，即l米的十亿分之一(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纳米。）想象一下纳米有多大？纳米技术中的“纳”(nano)来自于希腊文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。作为一个前缀，“纳”在科学上意味着某单位的十亿分之一。l纳米大概是l0个氢原子紧密排列的长度，比人的头发的宽度要小8万倍。形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。这就是纳米长度的概念。

1959年，美国著名的理论物理学家、诺贝尔奖获得者理查德﹒费曼（RichardFeynman）《在底部还有很大空间》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）的演讲中设想：“如果有朝一日人们能把百科全书存贮在一个针尖时，并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”并且预言：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。……我深信：当人们能操纵细微物体的排列时，将可以获得极其丰富的新的物质性质。”纳米技术是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸(1一100纳米)范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而达到创新的目的。主要是在纳米尺度（1一100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及如何利用这些特性和相互作用的具有多科交叉性质的科学和技术。

纳米科技又是什么呢?“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是2l世纪的又一次产业革命。”

----钱学森

10的25次方米大约是10亿光年，10亿光年大约是人类目前已经观测到的宇宙范围。宇观世界人们发现，在l一100纳米的空间尺度内，物质存在许多奇异的性质。由于这一层次介于微观和宏观之间，科学家就把这一尺度范围称为“介观”。

介观世界任何物质到了纳米量级，其物理、化学性质都会发生巨大的变化，也会因此而具有一些新的特性。例如，纳米铁粉，因具有了吸光性，而变成了黑色；它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本性”，而变成一旦遇到空气，就能马上燃烧起来，生成氧化铁。纳米感觉原子世界奇观

扫描隧道显微镜（STM）是IBM公司苏黎世研究所的G．Binnig和H．Rohrer于1981年发明的，他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖。STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜，它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布，确定物体局域光、电、磁、热和机械特性。借助STM人们可以在真空、大气或液体中对样品进行原子级分辨的无损观测。STM可以实时测量物体表面的实空间三维图像。测量分辨率对平行和垂直于表面方向分别为0．1nm和0．01nm。这将会实现人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望。STM还具有广泛的适用性，如刻划纳米级微细线条、移动原子等实际操作。因此SIM已成为纳米科学技术的主要工具。STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察，因而在生命科学研究中具有极大的潜力。IBM公司的科学家在1989年利用STM移动氙原子，最后把一个个原子排列成IBM商标。后来，他们又进一步把一排铁原子拼成汉字“原子”。STM扫描模式示意图（a）恒电流模式；（b）恒高度模式S为针尖与样品间距，I、Vb为隧道电流和偏置电压，Vz为控制针尖在z方向高度的反馈电压。扫描探针显微镜工作原理

用扫描隧道显向镜观察到的

硅晶体表面的原子排列(Si(m)７×7结构)

自由地操纵单个原子或分子左图是一个铁原子与一氧化碳分子CO结合形成一个铁羰基FeCO分子的过程。先用扫描隧道显微镜针尖拾取一个铁原子将它移走，然后将CO放到Fe上面，形成FeCO分子右图显示的是继续利用一个CO和FeCO结合成Fe（CO）2分子的过程。用这种方法还可以用原子组成各种图形图左，扫描隧道显微镜针尖移动表面吸附原子的过程示意。图右，用原子排列成的“原子”两个字。纳米科技是多学科交叉的综合性学科，纳米科技不单单只纳米材料，纳米材料是纳米科技的基础。2、纳米科技大厦的建立：

科学家告诉我们，于细微处显神奇的纳米技术“润物细无声”，已经悄然进入寻常百姓的生活，渗透到了衣、食、住、行等领域。纳米技术可使许多传统产品“旧貌换新颜”，把纳米颗粒或者纳米材料添加到传统材料中，可改进或获得一系列的功能。这种改进并不见得昂贵，但却使产品更具市场竞争力。纳米的世界丰富多彩，离我们却并不遥远。3、纳米科技的应用

碳纳米管是一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。

奇妙的碳纳米管“太空电梯”的绳索

材料世界中的大力士--纳米金属块体

金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性.纳米金属铜的超延展性纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米陶瓷刚柔并济！纳米陶瓷

如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”

控制这种镊子反复开合。利用它将可以制造出分子大小的电子电路，使未来的计算机体积更小，运算速度更快。匪夷所思的DNA镊子用光刻技术做成的

微米尺寸的微机械用光刻技术做成的

微米尺寸的微机械被囚禁的电子和未来的电子学器件把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动或能量被量子化了。原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了,被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，会使材料发出强的光。用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。还有甚者，如果用“囚禁”原子的小颗粒量子点来存贮数据，制成量子磁盘，存贮度可提高成千上万倍。会给信息存贮的技术带来一场革命。纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节。机器人配备纳米“大脑”美国军方日前公布了取名为“毫微科技战士”研发计划，希望十年内打造出目前只能在电子游戏中才能看到的刀枪不入的“超级战士”。美国未来“超级战士”可能配备的装备有：埋有传感器的头盔，使士兵多只后眼不至于被打闷棍；藏有微处理器和药包的军服，自动感知士兵身体情况并敷药；有微涂层的军服可以抵抗生化武器袭击；由“铰合分子”制造的比人体肌肉强壮10倍的“肌肉”，这种人造肌肉一旦装到手套、制服和军靴里，跳过高墙不在话下。“纳米科技战士”这种人手模型上的聚合体遇电会收缩弯曲，可装备在作战