介观物理学的悄然兴起，本文主要内容关键词为：物理学论文，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。
顾名思义，“介观”世界是指介乎宏观世界和微观世界的过渡区，它的空间尺度在10[-10]～10[-7]米的范围内，因此可以认为是具有微观特征的宏观体系.长期以来，由于种种原因，人们的绝大部分注意力一直集中在10[-10]米以下的微观世界和10[11]米以上的宇观世界（当然，不用说在10[-7]～10[11]米范围内的宏观世界了），因此，介观世界一直是未被“开垦”的领域.直到20世纪50年代末，美国物理学家——1965年的诺贝尔物理学奖得主之一费因曼提出了一种大胆的设想：“如果有一天可以按照人们的意志来安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？”意思就是说，如果能够逐级减少生产装置，最后能根据实际需要来逐步排布原子，以期实现体积最小、质量最轻、消耗最少、成本最低、功能最佳、效率最高的生产装置，那该是多么理想的前景啊！这在当时显然只是一个美妙的梦想.但自从1981年美国国际商用机器公司（IBM）苏黎世研究实验室的宾尼恪和罗雷乐发明了扫描隧道显微镜（STM）后，介观世界成为十分活跃的领域.1990年，纳米科学技术正式诞生，从而使这一美梦有可能成为现实，他们两人也为此荣获1986年的诺贝尔物理学奖.从狭义的范围来说，介观体系是指尺寸足够小，致使电子的运动从连续过程变为量子过程，出现量子干涉效应，对固体电子学的发展形成限制的领域.因此，研究电子输运的量子效应、电导涨落、弹道输运、库仑阻塞等，探索如何突破现有固体器件的物理极限，已成为研究的热点.从广义的范围来说，还应包括原子、分子团簇和纳米材料、团簇的形成及其新现象和新特性的研究，尤其是C[，60]的发展和研究，更推动了该领域的发展.可以说，纳米材料的制备、表征及特性已经成为物理学、化学和材料科学交叉研究的前沿.
纳米科学技术是一门在0.1～100纳米（即10[-10]～10[-7]米）尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律及其特性的崭新高技术学科.它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子，以便制造具有特定功能的产品，它包括纳米物理学、纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学、纳米计量学等.它是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用探索紧密联系的新型科学技术.在人类社会即将进入世纪之交的关键时期，各国政府先后制定了国家关键技术.美国、日本、德国、法国以及中国等都把纳米技术列为国家关键技术.可以预料，一场围绕纳米科学技术的竞争已经开始.
纳米物理学将深入揭示在纳米空间内的物理过程和物理特征，它以纳米固体为研究对象，对若干重要的物理问题进行研究，例如结构的奇异性、鲜为人知的光学性质、特殊的导电机理、量子效应以及小尺寸界面效应等.这些问题的明朗化将对开发物质潜在信息和电子技术产生重大的影响.总之，它既有重要的理论意义，又有突破性的应用前景.下面简单介绍纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学三个方面的情况.
纳米电子学
通常认为，100纳米是微电子技术发展的极限，因为在纳米空间内，电子的波动性将以明显的优势显示出来.因此，原来把电子视为粒子的微电子技术就失去赖以工作的基础，于是纳米电子学便应运而生.利用电子的量子效应制作的器件称为量子器件或纳米器件，利用等离子体增强化学气相淀积方法已经成功地制成了纳米级硅薄膜，它的结构特点是其内部晶态组分与界面组分各占50％，晶粒的尺寸为数纳米，界面宽度约1纳米.可以设想各纳米级晶粒之间的界面区形成势垒，而纳米级晶粒本身即为势阱，这样就形成了所谓量子“点”结构.日本电气公司（NEC）已成功地制作了量子点阵列——在GaAs衬底上淀积InP形成的许多纳米级岛状结晶的量子点结构，当用激光照射这些量子点使之激励时，从量子点释放出呈蓝色的光.此外，美国IBM公司和日本日立制作所（HITACHl）中央研究所都已研制成功单电子晶体管.
对电子在真空中和在固体中的行为进行控制，已经产生了举世瞩目的辉煌成果，但是作为电子器件，迄今为止主要只利用了电子波粒二象性中的粒子性，并且各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的.例如，开关器件以控制电子流的有或无来实现电路的通或断的，放大器件则是通过控制电子数量的多少来完成放大功能的，等等.而量子器件则不仅是通过控制电子数目的多少，而且还通过控制电子波的相位来实现某种功能的.因此，量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗，现有的Si和GaAs器件，无论怎样改进，其响应速度最高只能达到10
秒，功耗最低只能降至1微瓦；并且随着集成度的提高，功耗已日益成为严重的问题.而量子器件在响应速度和功耗方面都可以比传统器件优越1000倍，即响应速度可达10[-15]秒，而功耗可降低至1纳瓦.有充分的理由可以想像，随着纳米电子学的发展，必将引起一场新的电子技术革命，从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段.
纳米材料学
实验表明，线度在2～10纳米的纳米材料，在声、光、电磁、热力学等方面具有许多鲜为人知的奇异特性.例如，声子谱发生改变，光吸收显著增大，由磁有序向磁无序、超导相向正常相转变等.在高倍率电子显微镜下，可以观察到2纳米的纳米金微粒外形从八面体到双晶十二面体自发可逆性随时间而变化；纳米微粒对光的吸收能力极强，任何金属的纳米微粒都呈黑色.纳米固体在较宽的频谱范围内显示出对光的均匀吸收性，利用它可以制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，这种材料可以屏蔽电磁波，如用于制造隐形飞机，这种飞机能够吸收雷达发射的微波，从而有效地躲避雷达的侦察.由于纳米材料的表面与界面体现出量子效应，导致纳米材料的导电性与宏观特征显著不同.例如，普通金属是导体，而纳米金属微粒在低温下则呈现电绝缘性.纳米强磁性微粒具有高矫顽力的特性和良好的热稳定性、工艺稳定性及腐蚀性，可以广泛地用于微电机和电声器件，并制造微型和异形永磁器件，例如磁性信用卡、磁性钥匙和磁卡车票等.而由超微强磁性金属颗粒制成的磁性液体，则可广泛地应用于阻尼器件、旋转密封、润滑以及选矿等方面.
综上所述，尽管纳米材料的研究和应用目前还正处在初始阶段，但它已经体现出强大的生命力和无限广阔的前景.美国材料科学学会最近已将纳米材料誉为“21世纪最有前途的材料”.
纳米生物学
纳米生物学的主要内容可以归纳为以下三个方面：（1）在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与生物大分子功能的联系；（2）在纳米尺度上获取生命信息，例如利用STM获得细胞膜和细胞器表面的结构信息，用亚微米扫描质子探针测定元素成分的信息，用微传感器和纳米传感器获取各种生化反应的化学信息和电化学信息；（3）进行纳米机器人的研制.其中，纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容.
第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，如酶和纳米齿轮的结合体.这种纳米机器人可以注入人体的血管内，进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉血管中的脂肪淀积物，吞噬病毒并杀死癌细胞，第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置；而第三代纳米机器人将包含有纳米计算机，这是一种可以进行人机对话的装置.这种纳米机器人一旦研制成功，有可能在1秒钟内完成10[9]～10[10]次操作.人类的劳动方式将由此而产生彻底的变革.
一般半导体随机存储器所能达到的信息存储密度为10[7]比特/厘米[2]，而存储在脱氧核糖核酸（DNA）内的基因信息密度达到10[14]比特/厘米[2]，三维生物体系最大的分子存储密度可达10[20]比特/厘米[2].美国纽约州立大学锡拉丘兹分校的分子电子中心正在研制一种大容量、高速度的系统，他们用BR蛋白质作为三维随机存储器，可使存储量增大10[4]倍，该中心还提出制造分子水平器件的一种设想，将合成DNA序列插入微生物DNA链中，由微生物生产出蛋白质，以便形成完整的集成电路.
此外，澳大利亚最近研制成功了世界上第一批实用的生物传感器.这种完全用单个分子构成的传感器可能会有广泛的用途，尤其是在生物学和医学方面更为突出.这种传感器十分灵敏，如果有人把一块质量不足100克的方糖扔到2000年奥运会的举办地——悉尼港口的海水中去，它可以测出那里海水中的糖含量有多少.这种传感器的中心部分是一个极其微小的电子开关，其尺寸只有1纳米左右，它能起到一个离子通道的作用.它比较实际的用途是检测药品和病毒直到基因筛选和环境监测，最终可以植入人体中，并将人体内的生物化学变化转换成电信号，医生可以通过检查一滴血或者一点唾液就能确定患者是否患有消化不良症、糖尿病或者心脏病.
综上所述，纳米科学技术是跨世纪的新学科，必将发展成为21世纪最重要的高新技术之一，它已成为国际科学界和工程技术界关注的热点.目前，纳米科学技术正处于重大突破的前夜，它所取得的成果，已经足以使全世界为之震动.美国IBM公司的首席科学家阿姆斯特朗最近说过：“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心.”全世界正密切注视着纳米科学技术领域不断涌现的奇异现象和崭新进展.应该说，纳米科学技术的前景确实是十分诱人的，它必将对经济建设、科学发展以至整个社会进步产生巨大的影响.
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