新世纪的纳米科技，本文主要内容关键词为：新世纪论文,纳米论文,科技论文，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。
今年3月份，美国总统克林顿在加州理工大学发表演讲， 呼吁国会向全国纳米技术计划拨款4.97亿美元。他说，这样做有足够的理由：新产生的某种新材料的强度是钢铁的10倍，而比重还不到钢铁的零头；国会图书馆的全部信息能够压缩到一张邮票大小的存储介质上；恶性肿瘤在刚有几个细胞大时就能被探测出来。
随心所欲搬原子
自从扫描隧道显微镜发明以后，世界上便诞生了一门以0.1～100纳米尺度为研究范围的前沿学科，这就是纳米科技。它以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的分子原子世界，使直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品成为现实。
纳米技术的灵感来自己故物理学家理查德·范曼于1959年所作的“在底部还有很大的空间”的演讲。这位当时在美国加州理工大学任职的教授提出了一个新想法：人类有史以来的所有技术都是一次性地消去或者融合数以亿计的原子以做成有用的物质形态，为什么不可以从另一个角度出发，从单个分子甚至原子开始进行组装以获得我们所需的东西呢？依他看来，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。
1990年，纳米技术取得一项关键突破，IBM 公司阿尔马登研究所的科学家成功地对单个原子进行了重排。他们使用一种称为扫描探针的设备，慢慢地把35个原子移动到相应位置，组成“IBM”3个字母，3用单个氙原子拼出的纳米名片“IBM”个字母加起来还没有3个纳米长。这证明范曼的思路是正确的。
不久，科学家不仅能操作单个原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子，目前制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个只有分子大小的马达，有人称之为纳米领域的“T”型发动机”。测试报告说，这台马达以每秒3～4圈的速度运转了40分钟。如果进一步开发，这种发动机可用于抽水、开关阀门，并且为大量的纳米装置提供动力。
惠普公司的研究人员为世界上首台分子计算机的研究奠定了基础，这些研究人员希望最终能够制造出比细菌还小的存储器芯片。去年3月份，IBM公司的科学家宣布他们使用自我组装原理制造出一种新的磁性材料，这种材料将把计算机硬盘存储能力提高100倍。
1996年，诺贝尔化学奖由一组研究“纳米管”的科学家获得。有人预测他们如果能成功地把纳米管编织成再粗一些的丝线，这种线的强度将比钢丝高100倍，导热性能优于金刚石而导电性能比铜更好。用这种纤维制成的薄膜可制造功率高得多、体积却小得多的充电电池。
最近，东京大学的藤岛昭教授主持的一个科研组成功研制出金刚石纳米管材料。加工过程中，他们首先在铝板上钻满微孔，其直径即所需纳米管的直径，然后用化学气相淀积法把极细的金刚石微粒附着在微孔内壁上，用氟化氢等酸液溶去铝板部分，纳米管就分离了出来。它与原子呈筒状结合的石墨纳米管材料相似，但原子排列不同，试制的样品管口径为300纳米，壁厚只有几个纳米，长约10微米， 这些超微细管集束后形成一种新材料。
虽然金刚石纳米管材料的详细性能还在进一步分析当中，但它比石墨纳米管坚固是毋庸置疑的，而且耐高电压的特性还可用来制作高效释放电子的电极。目前的平面显示屏就是用石墨纳米管材料电极激发荧光体发光，如改用金刚石纳米管材料将明显提高发光效率，并在新一代超薄显示屏的开发进程中发挥更大作用。
出奇制胜的“杀手锏”
1纳米为10[－9]米，而原子半径在10[－10]米数量级，因此纳米尺度的物质颗粒很接近原子的大小，此时量子效应已经开始影响到物质的性能和结构。由纳米颗粒制成的材料与普通材料相比，在机械性能、磁、光、电、热等方面都有很大的不同，这些不同导致了各种性能优异的特殊材料的诞生。
目前，纳米材料的制备方法不少于30种，但是尚未形成一套较完备的生产工艺。最常见的方法是利用惰性气体凝聚技术，具体做法是：首先将金属原料置于一个电加热的蒸发皿中，使其在惰性气体的封闭空间里加热蒸发，金属上方设置一部液氮冷凝器，让蒸发出来的金属原子团淀积在上面；待金属全部蒸发掉以后，抽走惰性气体，在真空状态下把冷凝器上附着的金属微粒刮下来压制成块，经反复累积就得到了固体的纳米金属材料。
从结构上分，金属是晶态材料，由许多晶粒组成，在晶粒内部原子按严格规则成点阵排列，而在晶粒间界面处的原子则排列无序。纳米材料的“鼻祖”——德国科学家格莱特教授曾预测：如果将构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级，那么它的塑性变形能力在室温下也会极大地提高。多年来，尽管这一预测经计算机模拟已得到肯定，但科学家的实验结果却令人失望。孔隙大、密度小、易污染等因素使绝大多数纳米金属在冷轧中易出现裂纹，塑性很难提高。
不久前，中国科学院金属研究所的一个科研小组利用新工艺合成出高密度、高纯度的纳米铜，其晶粒尺寸只有30纳米。在室温下的冷轧机上，1厘米左右的纳米铜可延伸到近1米，厚度也从1毫米轧至20微米，变形量达50多倍而没有丝毫裂纹，这是世界上首次直接观察纳米金属材料具备的“奇异”性能——室温下的超塑性延展，是我国纳米材料研究取得的新突破。
材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展。由于颗粒极度细化，晶界所占体积百分数增加，使得材料的某些性能发生截然不同的变化。例如，在人们印象中脆而易碎的陶瓷，其组织结构进入纳米尺寸以后，居然可以在机床上加工制造发动机零件；尽管各种块状金属具有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒时，所有金属都呈现出黑色。
纳米材料的另一特点是熔点会随着颗粒尺寸的减小而降低。通常情况下，黄金的熔点为1064℃，而当它的晶粒尺寸加工至10纳米时，熔点会降至940℃，如果进一步加工至2纳米时，它在33℃就开始熔化。
日常生活中的纳米技术更加神奇。前不久，中国科学院化学研究所成功地开发出世界首例二元协同纳米界面材料，经这种材料处理过的织物既防水透气又耐油污，穿脏以后在清水中一涮，即刻干爽如初。而且无须任何洗涤剂，用它处理过的玻璃、瓷器具有自洁功能，防雾又永保清洁。其原理是纳米单位的几何形状在特定材料表面上形成互补结构，其间的纳米级凹凸表面可使吸附在上面的气体原子更趋稳定，阻断油污、水滴与材料表面的直接接触。
纳米新世纪
科学家为人类勾勒出一幅若干年后的蓝图。纳米电子学将使量子元件代替微电子器件，像“银河”那样的巨型计算机将缩小到可以放在口袋里。纳米医学还将推出1微米以下的机器人，给药物在体内的传输提供新的方式和途径。比如“纳米炸弹”就是一种具有空前杀伤力的微型药丸，但是这种炸弹不会爆炸，它只是一些分子尺寸的液滴，大小只有针尖的1/5000，作用是炸毁危害人类的各种微小敌人，包括含有致命生化武器的炭疽孢子。在测试中纳米炸弹获得了百分之百的成功，一些针对性极强的炸弹还能在大肠杆菌、沙门氏菌或者李氏杆菌进入肠道之前杀灭它们。医学进入纳米水平以后，人体的DNA将不仅负责细胞的复制，而且还指使细胞如何用单个分子组成新的细胞，比如头发、乳汁乃至需要移植的组织、器官。
在日常生活的很多领域里，还可以看到纳米技术对传统生产工艺的革命性创新。化纤织物中加入少量金属纳米微粒，就可以永远摆脱摩擦产生静电带来的烦恼；有些纳米材料的织物还可以吸收紫外线；利用纳米粉末还可以让游泳池永保清洁，无须换水、过滤，为环保带来更广阔的前景。
纳米技术的下一个发展阶段，借用了从大自然学来的方法。在活细胞中含有各种各样的由蛋白质组成的纳米马达，这些马达能够完成无数机械和化学任务，如肌肉收缩、光合作用等。也许可以仿造或者重新设计这些马达，以创造出对人类有用的产品和流程。
用纳米技术勾兑出带有陈年佳酿味道的新酒，让酒的窖藏成为历史；组装一只带有开关的生物机器狗，纳米芯片使它更忠诚。另外，超轻型新材料有可能使太空旅行更便宜更容易。纳米科技出现的时间不长，但是它所带来的冲击是显而易见的，人类正在迈入一个奇妙的新世纪。
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