未来神奇世界——21世纪三大支柱产业之一：纳米技术，本文主要内容关键词为：三大论文,纳米技术论文,支柱产业论文,神奇论文,未来论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
纳米和纳米技术
有一位先生说：无论是国内的陕西大米、宝山大米，还是国外的泰国大米、美国大米，都吃过了，现在看到报纸上在宣传一种新产的米，不知道煮的饭香不香？在哪里能买到？我问他是什么米，他说叫纳米。我说，纳米香得很啊，很吃香，人家都说21世纪是生物技术、信息技术和纳米技术的时代，只要翻开报纸，打开电视，遍地是纳米。有个叫崔广宇的29岁年轻人策划了一本书，叫《纳米世纪——奇迹、革命与未来世界》，它卖给美国西蒙新经济联合基金的版权费是152.6万美元，换成人民币是1200多万，是国内书籍已知的最高版权费。你算算，1200万元人民币可以买多少泰国大米？而实际的纳米，当然，肯定比一本书更值线吧？
但是，你要买纳米却很困难，再多的钱也买不到，不是我不卖你，实在是——唉，怎么说呢，纳米不是任何一个地方产的米，它看不见摸不着，它跟厘米、毫米一样，是长度单位(nm)，我怎么卖给你？而且，它太小啦，一纳米只有十亿分之一米，十亿分之一米是多少？如果你有显微镜，看看分子吧，它就像四个分子那么大，你要没有显微镜，拔一跟头发下来，把头发的直径分成一万份，那么，每一份就是一纳米。换句话说，一万纳米才像一跟头发丝大小。这么小的东西，即使我卖给你，我怕你也找不着！
这么小的“尺子”，哪儿去找比它更小的、能够让它度量的东西？也就是说，它哪来的实际用途？这你就不知道了。如果把某种物质粉碎到纳米大小，它就被称作纳米材料，神奇的是，同一种物质，只因为构造上以纳米为单位的变化，它的物理性能和化学性质就会产生意想不到的巨变。例如，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件；尽管各种块状金属有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒时，所有金属都呈现出黑色；纳米状态的金属银竟会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的精晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大；原是绝缘体的氧化物到了纳米级却几乎成了导电体；10～25纳米的铁磁金属微粒，其矫顽力比相同的宏观材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于10纳米，矫顽力变为零，表现为超顺磁性。纳米材料的另一特点是熔点低，金的熔点通常是1000多摄氏度，而晶粒尺度为3纳米的金微粒，其熔点仅为普通金的一半。同时纳米材料具有极强的吸附能力，这使得纳米粒子对于无论是促使物质腐败的氧原子、氧自由基，还是产生其他异味的烷烃类分子等，都具有极强的捕捉能力，使其具有防腐抗菌功能，还使纳米材料具有作为催化剂的基本条件。
如果能够在纳米尺度下控制分子的排列组合，我们就能够让纳米材料发挥它神奇的作用，提高材料的性质和设备的功能，其功能将远远超出我们现在所知道的或者认为可能的。要在纳米尺度下操纵分子，首先我们得看得见分子，也就是要有良好的、实用的工具，80年代末，具备看见并控制纳米微粒的能力的仪器已经出现。这些仪器，包括扫描隧道显微镜、原子力显微镜和近场磁力显微镜，他们提供了测量和操纵纳米结构的“眼睛”和“手指”。现在，迅速发展的电脑也能够在纳米范围内模仿材料的特性。
这种在0.1～100纳米尺度度范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的综合性科学技术，就被称为纳米技术。
21世纪的支柱产业
早在1959年，美国物理学家理查得·范曼大胆地提出了一个设想：“如果有一天可以按照人的意志安排一个个原子的话，将会产生怎样的奇迹？”日本在1974年底最早将“纳米”这个尺度术语用到技术上，但是，以“纳米”命名的材料则出现在80年代，它作为一种材料的定义，把纳米颗粒限制在0.1～100纳米范围。
纳米微粒在60年代初期由日本科学家首先在实验室制备成功，60年代的稍晚些时候德国科学家也在实验室获得纳米微粒。1989年，美国IBM公司的科学家实现了用单个原子排列写出IBM的商标，日本科学家用单个原子排列了汉字“原子”的字型。萨尔兰大学的格莱特教授以及美国阿贡实验室的席格尔相继以纳米微粒作为结构单元成功地合成了纳米块体材料。1990年在美国巴尔的摩召开的第一届纳米科技会议上统一了概念，正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式刊物。从此，这些术语广泛应用在国际学术会议、研讨论和协议书中，人类对于这种介于原子、分子和宏观物质之间的纳米技术的研究成为国际科技的一大热点。
从那时起，纳米技术的发展引起世界国际组织的极大关注，其中，欧盟委员会在1995年的一项研究报告中预测：国际纳米技术市场价值10年内将达到400亿英镑（约900亿美元）。纳米技术也受到世界各国的重视，特别是美国、日本、德国和英国等发达国家和地区，都不惜斥巨资进行研究开发，以谋求在国际竞争中处于主导地位。2000年初，美国总统克林顿向国会提出了“国家纳米技术计划”，并提出：“纳米技术将领导下一场工业革命。”而在提出这项计划之前，以美国国家科学基金会为首的十几个政府部门联合出资，委托世界技术评估中心对纳米技术的研究与开发现状和趋势进行了周密的调查研究。该中心组成了一个八人专家组，在美国国内和西欧、日本以及中国台湾地区的42所大学、工业公司和实验室进行了为期三年(1996-1998)的调查研究。调查结果之一是，美国在这方面的投资落后于西欧和日本。1997年，在纳米技术研究方面的政府投资，西欧为1.28亿美元，日本为1.20亿美元，而美国为1.16亿美元。在此基础上，美国国家科技委员会设立了一个“纳米科学、工程和技术”机构间工作组，制订了“国家纳米技术计划”，联邦政府投资5亿美元支持这一计划的实施。日本则为一个为期10年、耗资2.25亿美元、有26家公司参加的微系统技术研究项目提供资助；德国联邦政府每年都拿出6500万美元支持微系统研究。德雷克斯勒预言：只要有足够的研究费用，纳米技术大规模的应用可以在15年内成为可能。
“纳米”铺天盖地而来，大有“不懂纳米就是文盲”（套用“21世纪不懂电脑就是文盲”）之势。由于纳米技术应用极为广泛，它必将成为21世纪的支柱产业，所以，回到开头，一本介绍纳米对人类未来深远影响的书才会卖到152.6万美元的天价。
神奇的纳米世界
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）、人体修复材料、抗癌制剂等。
纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料、新型激光或发光二级管材料等。
纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化（如汽车尾气处理）材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。
纳米块体：是将纳米粉末高压成型成或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。
纳米材料的应用领域几乎是无所不包，从杀人武器（人类的先进发明几乎总是首先运用在军事领域）到救命利器，从日常生活到环境保护，几乎都是纳米技术和纳米材料大显身手的地方。
纳米武器可望称雄战场
据美国五角大楼的武器专家预测，由于纳米技术和纳米材料的广泛采用，5年内第一批由微型武器组成的“微型军”将诞生并服役，10年内可望大规模部署，未来战争将可能由数不清的具有各种功能的袖珍武器称雄天下。
“间谍草”，是一种看似小草的微型探测器，其内装有敏感的超微电子侦察仪器、照相机和感应器，能自动定位、定向和进行移动，绕过各种障碍物，可侦测出百米以外坦克、车辆等出动时产生的震动和声音。
“苍蝇”飞机，如同苍蝇大小的袖珍飞行器，能够在建筑物中飞行或附着在设备上，一般雷达难以发现。可在黑夜拍摄出清晰的红外照片，并将敌目标告知己方导弹发射基地，指引导弹实施攻击。目前，德国已制造出一架只有黄蜂大小的直升机，重量不到0.5克，能升空130毫米，其发动机只有削尖了铅笔尖儿大，但转速可达每分钟10万次。
重量小于0.1公斤的卫星，一枚火箭一次可发射数百乃至数千颗卫星，按不同轨道组成卫星网，覆盖全球，可监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。目前，我国清华大学已经开始研制纳米卫星(IB-NSI)，重量设计小于10千克，按计划在今年内发射升空。
“蚊子”导弹，直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和药弹库。
“蚂蚁士兵”，比蚂蚁还要小的机器人，具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。
纳米武器的出现和使用，将大大改变人们对战争力量对比的看法，使人们重新认识军事领域数量与质量的关系，产生全新的战争理念，使武器装备的研制与生产更加脱离数量规模的限制，进一步向质量智能的方向发展，从而彻底变革未来战争的面貌。
绿色世界显身手
过去，人们往往把环境保护的重点放在污染源的治理上，而对绿色技术、绿色设计、绿色制造等关注和应用得不够。纳米技术为彻底改善环境和从源头上根本控制新的污染源产生，创造了条件。
资源利用持续化，进入纳米时代后，世界上将会出现1微米以下的机器设备。日本已用极微小的部件组装成一颗只有米粒大小、能够运转的汽车；直径只有1～2毫米的静电发电机，其体积只有常规机器的万分之一。在我国也已有微直升飞机、微马达、微泵、微喷器、微传感器等一系列纳米微机电系统元器件问世。产品微型化使所需资源减少，不仅可达到“低消耗、高效益”的可持续发展目的，而且其成本极为低廉。
尾气排放无害化，纳米材料催化剂的催化效率极高，经它催化的石油中硫的含量小于0.01%，用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽车尾气不再产生氮氧化物等。
污水处理纯净化，纳米级净水剂具有很强的吸附能力，它是普通净水剂的10～20倍，可将污水中的悬浮物和铁锈、异味等污染物除去，通过纳米孔径的过渡装置，还能把水中的细菌、病毒去除。
医学与健康
美容美发护理剂：纳米氧化锌粉末无毒、无味、对皮肤无刺激性，并具有很强的吸收紫外线的功能，适用于作美容美发护理剂中的活性因子。
疾病检测指示剂：纳米粒子微细结构使其对环境中的化学或物理指标的变化极为敏感，因此可对人体内的病原体作出早期预测，肿瘤只有几个细胞大小时就可以将期检测出来，加以根除。
抗菌剂：有关的定量试验表明：在5分钟内纳米氧化锌的浓度为1%时，金黄色葡萄球菌的杀菌率为98.86%，大肠杆菌的杀菌率为99.93%。
纳米导向剂：将以纳米磁性颗粒为载体的药物注入人体后，药物在外磁场的作用下会聚集于体内的局部，从而可在对人体的整体副作用很小的情况下对病理位置进行高浓度的药物治疗。这对于癌症、结核等有固定病灶的疾病十分适合。目前，该项医疗技术在美、德等发达国家已进入临床实验，疗效显著。
其他：快速、高效的基因团测序、基因诊断和基因治疗技术；用药的新方法和药物导弹技术；耐用的人工组织和器官；复明和复聪器件；疾病早期诊断的纳米传感器系统。
其他
化纤布料制成的衣服虽然艳丽，但因磨擦容易产生静电损伤皮肤，而在生产时只要加入少量的金属纳米微粒，就可以摆脱烦人的静电现象。化纤地毯放电，容易吸附灰尘，如在生产时放进一些金属纳米微粒，同样可以解决这一问题。把银纳米微粒加入到袜子中能够清除脚臭味。冰箱、洗衣机等电器设备使用时间长了也容易产生细菌污染，而采取了纳米材料新设计的冰箱、洗衣机既可以抗菌，又可以除味，增强其防污性能；把金属的纳米颗粒放人常规的陶瓷中，可大大改善材料的力学性质；纳米二氧化硅粒子放入橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性；纳米陶瓷一冲就干净；纳米氧化铝的悬浮液被用于高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的抛光；纳米微粒加入油墨中可改善油墨的流动性……