纳米技术革命的未来展望与现实关注，本文主要内容关键词为：纳米论文,现实论文,技术革命论文,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。
中图分类号：N031
文献标识码：A
文章编号：1003-5680(2003)01-0058-04
一 “纳米风暴”的冲击
20世纪人类社会开始经历着足以与史前人类由野蛮走向文明的伟大转变相提并论的又一次根本性转折。20世纪初的物理学革命是这一转折的先行科学准备；世纪中叶诞生的信息科学、计算机科学技术、分子生物科学技术，就成为造成这一转折的主要动力，并以其实际作用于传统社会的巨大效应，将梦想般的未来时代推到人类视野之中；世纪末爆发、并迅猛席卷世界的“纳米风暴”，则使这一转折从模糊变为清晰、从可能变为必然，为人类建构着梦想通往现实的桥梁。
以相对论、量子力学为代表的物理学革命，除了产生出一项并未能成为能源技术主角的核能技术之外，迟迟未能为人类社会作出如经典物理学将蒸汽机时代、内燃机时代、电气时代奉献给人类一样的划时代贡献。当以计算机技术、基因技术为代表的信息时代来到之时，甚至使人感到物理学的辉煌不再。然而，纳米技术的崛起，却使人领略到物理学在新时代不减当年的风采，回味起世纪初物理学革命对时代变革的深远意义。
距今40年前，诺贝尔奖金获得者、量子场论奠基者之一、美国科学家费曼所作的《底部还有很大空间》的演讲，被公认为纳米技术思想的来源。他当时间道：为什么人们不可以用单个分子、单个原子组装的方式达到人们需要的目标呢？他说“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。”费曼还假定：一旦原子的语言被简洁地编码后，就可以对分子进行精确的加工，把一个原子放到另一个原子上，制造出最小的人工机器。[1]
1纳米等于10[-9]m，而原子的尺度约在10[-10]m即0.1纳米左右。对单个原子进行测量或排列组合的工作是在纳米级尺度上进行的，因此被简称为纳米技术。纳米级尺度接近于微观尺度，量子力学的效应开始表现；20世纪初物理学革命的重要成果之一量子力学，就成为世纪末纳米技术的重要理论基础之一。纳米技术从理论设想到实际操作的最初突破，正是发生于量子隧道效应被成功地应用于微观世界的探测、观察。1981年瑞士科学家海因里希·罗赫尔和联邦德国科学家格尔德·宾尼格在IBM公司的苏黎士实验室成功研制了世界上第一台扫描隧道显微镜（英文缩写为STM），打开了人类通往认识、变革纳米世界的大门。[2][3]该项成果很快为国际科学界所瞩目，并获1986年诺贝尔物理奖。
量子隧道效应就是当两导体被足以体现量子效应的距离的绝缘带分隔两侧时，电流可以一定几率从一侧导体穿越绝缘层到达另一侧的现象，它就仿佛依靠量子效应在绝缘带开通了一条隧道一样。这一效应的理论根据是：接近微观尺度时，粒子的运动不再服从确定性的宏观运动规律，而服从于呈现几率分布的量子力学规律。扫描隧道显微镜的基本结构是加上一定电压的导电探针和样品，针尖与样品表面距离小于1纳米，探针亦可用纳米材料如碳纳米管等制作。由于隧道效应扫描隧道显微镜的针尖与样品之间会产生隧道电流，当电压一定时，电流的大小与针尖、样品表面之间的距离有关。使针尖沿样品表面作扫描运动，若保持针尖沿针尖至样品表面垂直方向的位置不变，则通过隧道电流的变化就可以测出样品表面的精细形状；若保持隧道电流不变，则通过针尖在垂直方向位置随样品表面而起伏的变动，同样也可以测出样品表面的精细形状。前者称为扫描隧道显微器的等高工作模式，后者被称为稳流工作模式。为了进一步提高分辨度，科学家还在STM基础上成功地研制了一种更先进的扫描探针显微镜，即原子力显微镜（英文缩写为AFM）。[4]AFM的基本结构是在STM的探针与样品之间再加一个对微弱力极其敏感的悬臂探针；悬臂方向平行于样品表面，其上方与STM针尖之间存在纳米级间隙，其下方固定着垂直向下伸出、与样品表面相距极近的AFM探针。由于AFM的探针针尖与样品表面原子之间存在与距离相关的微弱斥力，当AFM针尖沿样品表面扫描时如保持斥力不变，则针尖垂直位置会随样品表面原子分布而起伏变化；AFM针尖的起伏变化引起其悬臂与STM探针针尖距离的变化，导致隧道电流的变化，从而测出样品表面精细形状。STM与AFM不仅可以在纳米尺度上测量样品表面原子的分布与形状，而且可以通过以下方法实现对个别原子的操纵：由于当扫描探针距样品表面近到几个埃（1埃为0.1纳米）时会对样品表面产生吸引力，利用这种引力就可以在再次提升针尖时将原子吸起，并把它放到指定位置被其它原子所吸附。1990年IBM公司的科学家利用扫描隧道显微镜将35个惰性气体原子一个一个地放在一块金属镍的表面，写下了用原子组成的IBM3个英文字母；这一使操纵原子从幻想变为现实的奇迹令世界震惊，宣告着纳米技术已经由想象、构思、探索走向了实用技术阶段。1990年7月第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开，标志着纳米科学技术的正式诞生。
于是，被称为“纳米风暴”的纳米技术革命就像迅速扩展的旋风一样，在几年时间便横扫全球，并使它的运动成为引导着21世纪技术革命方向的强劲潮流。[5]
1991年，在用电弧法制备C[,60]分子时发现碳纳米管。以后，人们制成了内径0.6纳米～1.8纳米、长度达几毫米的纳米碳管，其质量密度为钢的1/6，机械强度为等截面钢的20倍以上，导电能力为等截面铜的1000倍。[6]碳纳米管及其它以纳米技术制作的原子构件可用来制造纳米级的电子器件——其中10纳米～100纳米尺度称为准纳米级，1纳米～10纳米称为纳米级，0.1纳米～1纳米称为亚纳米级。于是，集成度高于现有亚微米级集成电路上百万倍的纳米尺度的量子集成电路的设计制作被提上日程。这意味着更高集成度、功能更为惊人的计算机时代将要来临。
纳米材料，即用纳米技术处理过、具有纳米尺度（广义的纳米尺度为0.1纳米到100纳米范围）结构的材料，如纳米微粒防菌保洁涂层材料、纳米微粒陶瓷、纳米磁性材料、纳米光学材料、纳米电子材料、纳米敏感材料、纳米生物医学材料、纳米储能材料、纳米隐身材料等等。近年来具有奇异优越性能的纳米材料纷纷出现，为纳米技术进入各行各业、千家万户开辟了广阔前景。目前，世界以纳米材料为主体的纳米技术产品营业额已达500亿美元，预计2010年将达14400亿美元。
1986年美国加州伯克利分校的科学家克里斯·皮斯特制造出2微米厚的齿轮等部件，1988年制成直径为0.1毫米左右的马达；1996年哈佛大学毫微技术中心制成直径7微米的涡轮机。陆续出现的微机械、微型发动机、微型机器人，越来越趋向于纳米尺度的结构；而纳米技术也为纳米尺度超微机械、超微机器人由幻想到实现提供着日益翔实的技术基础。美国迈特公司的科学家詹姆斯·C·埃伦博根预言：纳米技术将创造比灰尘还要微小的机器人、物质变成软件、可从互联网上下载硬件等奇迹。[7][5]人们已经充分感受到纳米风暴即将完全冲破计算机尚未能彻底取代的工业时代数百年庞大根基的强大力量，和行将把现有人工自然世界隐藏到无形、微小之中的神奇魔力。
由于作为生命基础的细胞中的核酸、蛋白质组织结构的作用基本上是发生在纳米尺度上，所以纳米技术实际上也正在或将要揭示生命自组织过程的秘密，从而开辟了人工干预控制生命自组织过程和使人工自然物质结构具备生命自组织的道路。纳米风暴在即将彻底变革人工自然世界的同时，还显现着它将要把生命这一天然自然产物同样纳入其变革范围的空前博大的气势。
二 未来纳米时代展望
20世纪末、21世纪初的纳米风暴，其实还只是走向纳米时代的序曲。尽管纳米技术革命或许还要经历一个需要耗费相当时日的成长发展时期，才能推出以全面成熟的纳米技术为基础的纳米时代；但对纳米时代远景的展望仍然是那样的激动人心。
作为人类又一科学技术时代，纳米时代不仅决不取代信息时代；而恰恰是更完全意义的信息时代。因为，信息时代的来到，意味着人类从主要认识、利用物质能量资源，主要运用物质能量形态工具，转变为重在认识、利用信息资源，重在运用信息工具。但信息仍然需要物质能量载体。因此，大量的传统产业如冶金、机械、建筑、化工、交通、交通工具制造、农牧业、军工都不可能被计算机等信息产业取代而成为所谓“夕阳产业”。完全意义的信息时代，是以物质能量载体大幅度压缩、减小为条件的。纳米技术革命的方向则恰恰是通过人类成功地在纳米尺度上变革自然，实现各类物质能量载体的大幅度压缩、减小。纳米技术革命推动的工具的超微化及其消耗能量的越来越微小正是一场最大限度缩小载体的革命。人类社会的纳米时代，将是一个信息量密度极高，载体极为微小的奇异时代：
由纳米级电子器件、纳米级线路组成的纳米级量子集成电路的大规模生产和运用，不仅可使功能完备的电脑缩小到黄豆、米粒般大小，使功能较简单的电脑缩小到灰尘般大小；而且有可能产生出容量、功能与人脑相提并论的超微电脑，有可能产生出可以取代部分人脑细胞的电路芯片，和在人脑中装设扩展人思维能力的芯片作为“体内电脑”。用纳米技术建构的生物芯片，将有可能使人类制造出可以像生物一样自行生长、修复、繁殖的生物计算机，和可以生长出同类物并可自行进化的生物机器人。
纳米机械、纳米机器人技术，即具有纳米尺度结构的超微机械、超微机器人技术的广泛应用，将使工业时代遗留的庞大厂房、机器、矿山、熔炉、反应罐等笨重的生产设备都因多余而统统被废弃、拆除。人类的所有工具都改变为受电脑，乃至受人脑控制的各种类型用途的微型、超微型机器人。采矿、冶金超微机器人直接进入矿层并提炼出合格的金属；加工超微机器人如蜜蜂一般自动摄取各种原料加工为产品，如蚂蚁一样将大型材料通过切削、焊接等加工成形，甚至如真正的生物一样由产品生长出同类产品；农牧业超微机器人或者自动维护农作物、家养动物的生长，或者直接从自然界吸取原料物质、能量制作食物；运输超微机器人可用最小的自重、耗能实现最大的运输量，或者装配在人身体上使人方便快速地运动；通信超微机器人则将空间电磁波传来的网络信息直接变换为图象、声音信息，并传递人发送的各种信息。而毫微箱[8]、万能装配器、万能雾[9]等具有万能工作、加工功能并可自复制的超微机器人，则可以无所不能地完成人所需要的任何工作。
更为奇妙的是纳米技术应用于生物医学工程中，将不仅有可能采用如细胞般大小或比细胞还小的超微机器人，进入人的血管、组织细胞中，有效地杀死体内各种有害微生物、修复细胞、进行各种手术，使任何疾病都不再能够危害人类的生命与健康；而且还有可能在纳米尺度上改造人自身，使作为载体的人自身趋向于小型、微型化，从而使与人有关的人工自然载体，如建筑物、车船、人的各种用具都趋向于小型、微型化，并使人的物质能量消耗量大大降低，使世界自然资源量相对大辐度增长。此外，纳米技术用于生物基因工程，有可能使基因技术更加准确、可控，从而为人类带来巨大福利和有效防范其危害。
人类社会内部社会集团的斗争，在历史上基本围绕着争夺有限的物质能量产品和有限的物质、能量资源的矛盾。当社会需求、社会生产转移到以信息为中心时，信息的共享性便在一定程度上缓解着上述斗争，但仍因作为基础的载体不可缺少无法消除这一斗争。而纳米时代造成的物质能量载体消耗大幅度下降、地球上可利用资源相对大幅度增长；因超微机器人技术广泛使用实现的地球内、外新的可利用自然资源的大量开拓，自然物质形态到产品物质形态转变的高效易行，都使得人类社会可望实现充分的社会协同。
正如一切科学技术都可能产生正负两种效应一样，纳米时代也就被设想为人类运用具有无比威力的纳米武器进行战争的时代。纳米技术便表现为巨大而高效的破坏力：即只需要消耗微小的能量就可引起惊人的破坏。纳米军事技术的基本形式是采用具有纳米尺度结构的超微结构、超微机器人、超微飞行器作为侦察器或攻击武器。例如重量为毫克级的微型飞机、小草般的间谍草，黄蜂、苍蝇般大小的机器飞虫，蚂蚁般大小的机器蚂蚁，以及“米粒”弹、“蚊子”导弹、“麻雀”卫星等等。[10]它们不仅可以传感和发送所获取的各种军事情报信息，为攻击武器导向；而且可以直接攻击对方武器控制系统使之丧失功能、造成对方武器系统瘫痪失效或毁坏；还可以潜入对方核武器等危险物放置场所，引起核爆炸或其它可怕的危险事故发生。纳米武器和生物技术结合，可以将天然的昆虫装备为受人控制搜集情报和实施攻击的武器。纳米武器中的超微机器人士兵可以进入人的身体，影响大脑的结构功能实施杀伤或破坏。纳米武器还可以施放能穿过皮肤间隙的纳米微粒进入人体造成损害，使人患“纳米病”。可见，纳米军事技术不仅将使重装备武器败在超微纳米武器之下，从而被后者所取代，使战争从以大量物质能量为载体的庞大舰艇、飞机、坦克、导弹、火炮之间的较量变为由纳米武器、超微机器人部队之间的较量；而且将有可能导致比使用大物质能量载体武器更令人恐怖的后果——无孔不入、防不胜防的纳米武器使战争双方两败俱伤，人类高度发展的物质文明成果被毁于一旦，恐怖分子引发的核爆炸的死亡硝烟、幅射弥漫全球，世界上每一个角落充满着超微武器制造散布的火灾、毒气、洪水甚至致命微生物、毒性纳米微粒，绝大部分人类都被几乎无法防御的超微机器人士兵所杀伤或变为废人。由于没有一种其它武器可以造成纳米武器所产生的如此彻底的破坏力，由于纳米微粒在一定条件下进入人体造成危害的事还有可能在人们无意时发生，美国《发现》杂志甚至将纳米技术列为威胁人类的20种重大天灾人祸之一。就是说，尚未出现的纳米时代，以其负面效应可能产生的对人类自身的巨大危险，已经引起了当代一些人深深的担忧。
然而，上述的担忧真正变为现实的可能性却实在很小。这是因为从纳米技术革命兴起到真正进入纳米时代，人类还有一段很长的路要走。纳米技术在它的实际成果达到足以制造更加危险的未来战争及其它危害之前，就同时在以其对人类巨大的正面效应消除着战争的原因，并充分实现对纳米技术的有效控制。纳米技术及信息时代的高科技物质文明成果，为信息形态的人类精神文明的发展提供着日益优越的条件；反过来将使得人类越来越善于以精神文明指导和控制物质文明成果，从而最大限度地实现对纳米技术及一切科技成果的趋利避害。在充分实现了对科技成果的趋利避害的纳米时代，原来可用于战争的纳米军事技术，最终也将被用于为人类谋取福利。超微飞行器、机器飞虫等将被广泛用于探索新的自然资源和生活空间。如可以向宇宙空间发射机器虫般的恒星际飞船[11]，由于其轻小，可用加速器产生的高能粒子轰击飞船靶板的方法将它加速到1/3光速，从而以万倍于当代宇宙探测器的高速探测恒星际空间；如可以同时发射成千上万颗超微卫星，安全、有效回收对人类太空活动产生威胁的“太空垃圾”；如可以发射大量超微空气调节机器人分布在大气层中，以实现人类调控全球天气的目标等等。
纳米时代的人类甚至还可以发射、“派遣”大批超微机器人到月球、火星和其它一些天体，让那些超微机器人在地球人类控制下进行开发、生产活动，建起等待地球人类来临的生活设施，将环境改造为适合地球人类生存；地球人类就可以在一切准备就绪后，“坐享其成”，直接移民到那里去生活。当无效智能超微机器人飞越亿万光年空间、散布于宇宙的各个角落时，过去只能是狂想、梦呓的人类变革，乃至控制宇宙的宏图，就有可能成为遥远未来的现实。已在宇宙各处大量繁殖的智能超微机器人将通过有目的的干预推进宇宙更大范围的整体有序；在地球一次又一次宇宙环境危机中给地球人类以切实的帮助：如使地球通过一定的轨道变更远离晚年的太阳，并使新的稳定恒星通过一定的轨道接近地球，如通过建构自组织系统在宇宙空间生长出新的适合于人类生存的天体等。这一切并不是神话，而是纳米时代科学技术有可能实际创造的人间奇迹。正是由于了望到纳米时代遥远的辉煌，人类才会将如此疯狂般的热忱给予了当代方兴未艾的纳米技术革命。
定量的认识把握客体，标志着人类进入文明时代。
“尺尺度或英尺尺度”的认识、把握客体，造就了人类运用自然物质资源生产物质产品的农牧时代。
“毫米尺度”的认识、把握客体，造就了人类运用自然能量的工业时代。
“微米尺度”的认识、把握客体，使人类进入以运用信息资源、信息工具为基本特征的信息时代。
“纳米尺度”的认识、把握客体，使人类摆脱庞大物质能量载体，进入以精细微小物质能量为载体，从而拥有认识、变革自然空前能力的纳米时代。
认识把握客体的尺度从大到小，相应于人类认识变革自然能力的从小到大。由此可以看出，纳米时代出现的某种历史必然性。
三 当代纳米技术产业化之路
“纳米时代”在今天基本上还是对纳米技术远景的推想。其中一些不可思议的奇迹也许还属于遥远的未来。对于纳米技术，人们除了用引人入胜的远景鼓舞今日的投入之外，更重要和具有现实意义的当然是近期、中期所要实现、所能实现的目标。而无论是远景目标，还是现实目标，都离不开将纳米技术成果推向产业化这一中心问题。产业化之路，也是使近期、中期、远景目标实现有机联系的纽带。
应当说，纳米技术革命的全面展开，尤其是具有纳米尺度结构的超微机械、超微机器人的产业化，即它们的大规模批量制造，以及它们在各个生产领域、医学等实际应用场合的广泛运用，还不是近在眼前的事，还要经历一段艰巨的开拓工作。其中还有待于取得进一步实质性突破的技术环节，便是如何使目前运用类似集成电路制作工艺的微机械制造技术，真正进入纳米尺度；如何使实验室运用扫描隧道显微镜探针、原子力显微镜探针控制原子的方法，升级为实用性生产规模的批量化控制、组合原子的工艺。尽管目前尚未解决“升级”的一系列具体技术，但却不难发现通达这些技术的途径。扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针好比是人类伸到纳米世界中的一只“手”，这只“手”可以同最初从事变革自然的人类的手一样先用“手”制作“手工工具”；再用“手工工具”制作“机器”；再用“机器”制造“机器”系统和自动化生产线。如此，从纳米世界的“手”到纳米尺度结构的“机器系统和自动化生产线”，就没有无法逾越的沟堑。也正如从人变革自然的手到“自动化生产线”经历了漫长的历程一样；从纳米世界的“手”，到纳米世界的规模性批量化生产系统，也需要经历包含复杂步骤的进化过程——日益精湛的计算机与自动控制技术是加速这一过程的决定性条件，用宏观方法制造各种纳米材料为实现这一过程提供着重要的物质基础，介于宏观、微观的纳米尺度物理规律的研究创新则为把握这一过程提供理论指导。虽然这一过程的完成可能延伸到遥远的未来；但这一过程的起动完全可以在近期实现。
因此，当前纳米技术革命产业化的进展领域主要仍局限两个方面：一是纳米电子科学技术对计算机技术进步的推动，二是各种功能纳米材料的研制、生产、应用。目前的纳米材料基本上还不是直接用纳米尺度结构的工具生产，而是在纳米尺度上研究、认识一定的具有纳米尺度结构的材料后，再用宏观方法把它批量生产出来，并运用于科研、生产、医药、军事、环保及人们生活的各个方面——当然，首先是应用于纳米技术开发本身和用于纳米电子器件、纳米集成电路的研制。用宏观方法生产的纳米材料大致分为纳米尺度微粒（又称超微粒子）、管线、板片，和具有宏观尺度、但却保持着纳米尺度材料性质的材料两类。虽然宏观方法制备纳米材料远远不是纳米技术革命的主要目标，但纳米技术当前所产生的经济效益却主要来自于这一方面。而纳米技术革命的精彩部分，即以纳米机械、纳米机器人技术为代表的纳米机械科学技术等主干方向，则暂时还不具备在产业化中崭露头角的现实性，还有待于条件具备时陆续推出到产业化过程之中。
值得注意的是，尽管今天的纳米技术还只能算是刚刚破土而出的幼苗，但已经有一些追求不正当经济利益的人迫不及待地对纳米技术进行人为炒作和夸大宣传：有的混淆纳米技术的非现实性长远目标和近期现实性成果；有的泡制虚假“纳米技术产品”，例如把微米级技术说成“纳米级”，把不具备纳米材料独特性质的材料称为“纳米材料”；有的甚至把与纳米技术风马牛不相及的事物也称为“纳米技术”，如兜售毫无科学根据的所谓“纳米水”等。这些做法不仅是以伪劣技术、产品欺骗消费者的行为；而且会导致盲目的过热投资、一哄而上，使经济建设遭到不必要的损失。正由于如此，科学技术界一些有识之士纷纷呼吁要为当前社会上的“纳米热”降温。[12]当然，这并不意味着对确实有条件转化为现实生产力的纳米技术成果采取任何消极的态度；只不过意味着任何积极投入的行动，都必须以严谨的科学性为基础。
纳米技术虽然堪称神奇，却决不是随心所欲的凭空设想；而是需要一步一个脚印具体实施的应用性技术。纳米技术作为新世纪高科技产业化潮流的主力，它的进步需要以计算机技术、信息技术等多个领域高科技的同步发展为条件。和已经以成千上万倍于投入的巨大经济效益回报人类的计算机技术、信息技术革命不同，纳米技术革命就其主干方向来说，当今时代还远远不是人类获取丰收的季节；而主要仍是“播种“、“施肥”、“耕耘”的时期。当代纳米技术的投资，从本质上说还是属于“前人栽树、后人乘凉”的“百年大业”。虽然纳米技术长成“参天大树”后必将硕果累累，虽然它在长成之前也会以随时生出的片片绿叶为人类遮荫造福，但却有可能令急于得到巨额经济回报的投资者大失所望。
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