纳米科技导论

纳米技术的发展与应用

【摘 要】2l世纪人类进入了一个科技发展的新纪元，高新技术的发展引起的技术革命浪潮将对人类经济社会的发展产生巨大的影响。重视研究高新技术特别是纳米技术的发展对经济社会变革的影响，对于中国在新世纪制定正确的科技发展政策，促进科技和经济社会的全面进步有着非常重要的意义。

【关键词】纳米技术，科学，产业革命，发展应用，成果

一、什么是纳米技术

纳米技术是20世纪80年代末期刚刚诞生并正在迅速崛起的用原子和分子创制新物质的技术，是研究尺寸范围在1一100nm之间的物质的组成。这个极其微小的空间，正好是原子和分子的尺寸范围，也是它们相互作用的空间。在这样的一个尺度空间，由于量子效应、物质的局域性及巨大的表面和界面效应，使物质的很多性能发生质变。这些变化渗透到各个工业领域后，将引导一轮新的工业革命。纳米技术所追求的最终目标，正像Feynman当年预言的那样，就是要使人类能够按照自己的意愿任意地操纵单个原子和分子，并在对自然界物质的本质进行深入探讨和研究的基础之上，按照人们的期望，在原子和分子的水平上设计和制造全新的物质。

纳米技术是一门以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，是现代科学（量子力学、分子生物学等）和现代技术（微电子学技术、计算机技术、高分辨显微技术、核分析技术等）结合的产物。纳米技术在不断渗透到现代科学技术的各个领域的同时，形成了许许多多的与纳米技术相关的新兴学科，如纳米医学、纳米机械学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学等 纳米技术的内涵非常广泛，它包括纳米材料的制造技术，纳米材料向各个领域应用的技术(含高科技领域)，在纳米空间构筑一个器件实现对原子、分子的翻切、操作以及在纳米微区内对物质传输和能量传输新规律的认识等等。但是，我们不要把纳米技术仅仅看作是纳米材料，也不能把纳米材料仅仅理解为是纳米粉体。纳米粉体仅仅是纳米材料的一个内涵，实际上纳米丝、纳米管、纳米线、纳米电缆、纳米薄膜、三维纳米块体、复合材料等等都是纳米材料，范围相当广。另外，纳米材料不单纯是固态的，也有液态，例如纳米水，用高频超声处理，使水分子结成小汽团。

二、纳米技术的战略地位

纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术。原因是这种技术能对社会发展、经济振兴、国家安全乃至人民生活水平的提高等各个领域都能起到关键作用，而且这种技术影响面极广，向各个领域渗透能力相当强，可以带动很多行业的发展。21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术，这已是不以人的意志为转移的客观规律。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据有利地位。从生物技术及其产业发展来看，在人类测定出基因组排序以后，我们对遗传疾病、疑难病症又有了新的认识，而且利用基因排序，可以进行医药、

医疗方面的研究。目前，基因芯片研究已经进入实验室，生物芯片组装就是用纳米技术，而生物酶也是纳米尺度，这些研究对象是纳米生物学研究内涵之一，下一步生物技术的发展，就要和纳米技术相结合。譬如为什么病毒顽固，现在没有一种药物能治疗，就因为它非常小，用纳米结构组装一种寻找病毒的药物后，艾滋病、病毒性感冒等都可以治疗，2003年以后这将成为又一个研究热点。生物技术，包括生物制药等相关产业发展应用纳米技术已是刻不容缓。从下一次工业革命的特点来看，节约资源、节约能源、净化环境是下一次工业革命的必然趋势。在下一次工业革命中要想节约资源、能源，就要用纳米尺度的材料做成器件，它的特点是工具小、节省材料、能耗低。纳米技术在新的工业革命当中将发挥重要的作用。从纳米产业未来的市场发展来看，世界各国正在纷纷抢占纳米产业这个巨大的市场。

三、纳米技术的现有成果 （1）碳纳米管：碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。轻而柔软又非常结实的材料最好用途是制作防弹背心。如果用碳纳米管作出绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它制造地球－月球乘人的电梯，人们在月球定居就成为一件很容易的事情了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。 （2）纳米陶瓷：我们平常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点，一摔就碎。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷更坚韧、更耐高温和耐腐蚀，它将会在汽车发动机上大显身手，汽车会跑的更快，飞机会飞的更高。添加了纳米陶瓷粉体的特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。

（3）纳米机械：近10多年来，科学家们成功地制出了纳米齿轮、纳米弹簧、纳米喷嘴、纳米轴承等微型零件，并且发明了纳米发动机，它的直径只有200微米，一滴油可以灌满四五十个这种发动机。而且，纳米级的传感器、纳米级执行器也相继制成。如果加上电路和出口，就能组成完整的纳米机电系统了。

四、中国科学家在这一领域所取得的主要成果：

“中国”，1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。

一维纳米，1998年，清华大学范守善小组成功地制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体；

“稻草变黄金”，1998年，美国《科学》上刊登了我国科学家的论文。中国科技大学钱逸泰等用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金－从四氯化碳制成金刚石。 ” 最长的碳纳米，1999年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。

最细的探，1999年，北京大学纳米技术研究取得重大突破，电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装

出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。

高质量的储氢碳纳米材，1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可能做成燃料电池驱动汽车。

“能屈能伸、百折不挠”的纳米铜，2000年，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能－超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。

纳米电缆 2000年，我国成功合成出只有头发丝5万分之一细的纳米级同轴电缆，这项工作是国家重点基础研究规划纳米领域首席科学家张立德研究员率领的研究小组完成的。同轴纳米电缆的内芯是直径仅有10纳米左右的碳化物，外层包有氧化硅绝缘体。显微图片显示，放大几十万倍后，纳米电缆的直径仍只有普通电缆一般粗细。据悉，我国科学家有关同轴纳米电缆的论文在国际被引用次数已达18次。

“神奇”纳米布，人们一直希望自己的衣料能像荷花般出污泥而不染，现在这种梦想已由中国科学家实现。中科院化学所雷江教授等2000年宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料——超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不染油污。它的诞生可使石油工人的衣服不再油渍斑斑，也使生产研制水陆两用服成为可能。如果将这一材料用于建筑物表面，还具有自清洁和防雾、防霜效果，可免除人工清洗。

纳米带，2001年3月8日的美国《科学》杂志刊登了三位留美中国科学家的研究成果－“纳米带”。这三位科学家是美国亚特兰大州佐治亚理工学院的王中林教授、潘正伟博士和戴祖荣博士，他们利用金属氧化物制造出10至15纳米厚、30至300纳米宽的新材料，这是世界上首次发现并合成出半导体氧化物的纳米级带状结构材料。这种材料有可能制造出价格便宜的超微感应器和元件。

五 纳米技术应用领域展望 （1）日常生活

对普通百姓来说，纳米是一个远比网络、基因更为陌生的科技新名词，似乎既不可望更不可及。其实纳米离我们的生活并不遥远。的确，一纳米仅为十亿分之一米，是一个肉眼无法感知的微观世界，似乎比梦想更为遥远。但事实上，生活中的化妆品、涂料、食品??都可能应用了纳米技术。我们就可以根据需要在各种产品中加入不同的纳米微粒，改变传统产品的性能、颜色等等。于细微处显神奇的纳米技术“润物细无声”，正悄然进入我们寻常百姓的生活中。让我们首先从自己身边的衣、食、住、行说起。

衣：在人们格外追求美的今天，工业化布料带给我们许多的烦恼，像衣服的静电现象，我们每个人在脱衣服时都曾有过被静电所扰的经历。而应用纳米技术，在化纤布料中加入少量的金属纳米微粒就可以使这一问题迎刃而解。 随着纳米技术的突破和应用，未来的衣服还可以自己清洗和修补。衣服的特殊面料通过细微的物质运动，能自动将衣服表面上的污垢排挤掉，如同人类肺部的污垢自动从鼻孔和喉咙中排出一样。

纳米微粒添加的纤维具有红外吸收特性，还具有保暖作用，可用来制作隐身服或保暖服。

食：在食物中添加纳米微粒，可以除味杀菌。聪明的厂家利用这一技术生产

出可以抗菌的冰箱，放在里面的食品延长了食用期，居民不用过于担心食品腐烂。在食品制造中采用纳米技术，可以帮助我们提高肠胃吸收能力。

住：把纳米技术运用到涂料中，使外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到了1万多次，老化时间也延长了两倍多。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何粘在表面上的脏物，包括油污、细菌，在光的照射下，由于纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质。表面“涂”上透明的纳米颗粒的镜子，在充满水蒸气的浴室会依然光亮。 行：过去轮胎通常是“一统天下”的黑色，原因是生产橡胶制品过程中需要加入碳黑来提高强度、耐磨性和抗老化性。但运用纳米材料生产的轮胎不仅色彩鲜艳，性能上也大大提高，轮胎侧面胶的抗折性能将由10万次提高到50万次。不久的将来，我们周围的汽车、摩托车、自行车轮胎都是彩色的，我们的街道将汇成五彩缤纷的流动风景。 用：目前已有许多防晒油、化妆品因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。纳米氧化铝粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管使用寿命上。在塑料、油漆制品中加入纳米微粒，亦可防止老化。纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。20世纪80年代以来，人们用纳米二氧化硅和纳米二氧化钛微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电。 （2）生物医学

纳米技术不光改变着或即将改变着我们的生活，而且在生物医学方面，纳米技术更是潜力巨大。人类控制基因的实现必须以纳米技术作为支撑和依赖，纳米技术可以重新排列遗传密码。人类可以利用基因芯片迅速查出自己基因密码中的错误，并迅速利用纳米技术进行修正，使人类可以消灭各种遗传缺陷。 分子马达，分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。旋转式分子马达工作时，类似于定子和转子之间的旋转运动，比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶。美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备－“纳米直升机”。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件，其中的生物分子组件将人体的生物“燃料”ATP转化为机械能量。据美国《科学》杂志报道，研究人员把金属镍制成的螺旋桨嫁接到ATP酶分子中轴上，制造了400个分子马达。当它们被浸于ATP溶液后，其中395个保持不动，但另5个则转动了起来，转速达到每秒钟8转。据介绍，这种马达只有在显微镜下才能被观察到，其镍螺旋桨相对来说较长，达到750纳米。根据拍摄到的画面，研究人员可以看到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入、再被甩出的情景。研究人员说，分子马达潜在的应用价值非常巨大。如果在分子上嫁接其它东西，可以制造出其它纳米机器，譬如可探测有害化学物质的纳米传感器。当被有害物质激活后，这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质告警。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。（右图为“纳米直升机”示意图）。

纳米探针，一种探测单个活细胞的纳米传感器，探头尺寸仅为纳米量级，当它插入活细胞时，可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤。此传感器还可以探测基因表达和靶细胞的蛋白生成，用于筛选微量药物，以确定哪种药物能够最有效地阻