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即將引發工業革命的納米技術 文.林鴻溢 科技的發展完全地改變了人類的生活，每一項重大技術的出現可以影響一代人甚至幾代人的生活方式。蒸汽機的出現使得人們告別了手工作坊的時代，進入了蒸汽時代，爆發了第一次重要的工業革命。電的發明使得整個世界明亮和高速起來，人類進入了電氣時代，這是又一次的工業革命。晶體管的發現導致了電腦和網絡的出現，使得人類的聯系空前便利起來�，F在，一項新的技術正在悄悄地影響著人類文明的進程，它的影響終將爆發性地改變人類的生活，引發新的工業革命，它就是并不為人們完全熟知的納米技術。 倍受關注的納米材料 在20世紀的最后10年，一門嶄新的學科──納米科技誕生了，其新穎性、獨特的思路和首批研究成果的問世，在科學技術界引起巨大反響，受到廣泛關注。納米科技的主要任務是研究納米材料的性質和應用。常規材料中的基本顆粒的直徑小到幾微米大到幾毫米，包含幾十億個原子。而納米材料中的基本顆粒直徑不到100納米(1納米＝10-9米)，包含的原子頂多幾萬個。一個直徑3納米的原子團包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條30米長的帆船跟整個地球的比例。 美國IBM公司首席科學家阿莫特朗(Amotrong)說：“正如70年代微電子技術引發了信息革命一樣，納米科學技術將成為下一世紀信息時代的核心。”許多國家已紛紛制定納米技術相關戰略和計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地，美國、日本、德國等國家均把納米技術列入國家科技戰略開發重點。從2000年10月1日起，美國實施了一項稱為“美國國家納米技術倡議──導致下一次工業革命”的新的納米技術計劃，克林頓總統說：“我的預算將支持一項價值5億美元的新的國家納米倡議”，就是說經費比上一年度增加接近一倍，把納米技術作為美國政府當前科技研究與開發的第一優先計劃。納米技術被廣泛應用于電子信息、醫藥、新材料等領域，專家預測，納米技術在未來二三十年內將極大地影響人類的生活。納米技術的全球年產值有望從目前的500億美元，提高到2010年的14500億美元。 原子世界奇觀 納米是微觀世界的一種長度的度量單位，它等于十億分之一米。那么，在這么小的尺寸上，科學家們是怎樣對這些材料進行研究的呢？原來，他們借助了一種先進的儀器──掃描隧道顯微鏡(STM)。STM是IBM公司蘇黎士研究所的賓尼格(G.Binnig)和羅爾(H.Rohrer)于1981年發明的，他們因此共同獲得1986年諾貝爾物理學獎。STM是一種基于量子隧道效應的新型高分辨率顯微鏡，它能以原子級空間分辨率來觀測物質表面原子或分子的幾何分布和態密度分布，確定物體局域光、電、磁、熱和機械特性。借助STM人們可以在真空、大氣或液體中對樣品進行原子級分辨的無損觀測。 STM可以實時測量物體表面的實空間三維圖象。對平行和垂直于表面方向的測量分辨率分別為0.1納米和0.01納米。這將會實現人類長期追求的直接觀察原子真面目的愿望。STM還具有廣泛的適用性，如刻劃納米級微細線條、移動原子等實際操作。因此STM已成為研究納米科學技術的主要工具。 STM還可在自然條件下對生物大分子進行原子級直接觀察，因而在生命科學研究中具有極大的潛力。 物質的奇異性探索 物質世界有千千萬萬形態各異、特性不同的材料，人們經過長期的研究已有不同程度的認識，但仍然有許多沒有認識到的方面，納米態的物質就有許多鮮為人知的奇異特性，有待人們去開發應用。 1、納米電子學：控制單個電子 美國IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已研制成單電子晶體管。傳統的晶體管是通過控制成群電子的運動狀態來形成開關、振蕩和放大等功能的，而單電子晶體管只是控制單個電子的運動狀態。開發單電子晶體管，只要控制一個電子的行為即可完成特定功能，可使功耗降低到原來的1/1000，從根本上解決日益嚴重的集成電路功耗問題。 對電子在真空中和在固體中的行為進行控制，已產生舉世矚目的輝煌成果。但是，作為電子器件，迄今為止只利用了電子波粒二象性的粒子性；其次，各種傳統電子元器件都是通過控制電子數量來實現信號處理的。例如，開關器件是以控制電子流的有或無來實現電路通斷的，放大器件則是通過控制電子數量多少來完成放大功能的。而量子器件不單純通過控制電子數目的多少，主要是通過控制電子波動的相位來實現某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應速度和更低的功耗。 現有的硅(Si)和砷化鎵(GaAs)器件無論怎樣改進，其響應速度最高只能達到10-12秒，功耗最低只能降至1微瓦。然而量子器件在響應速度和功耗方面可以比這個數據優化1000～10000倍。由于器件尺度為納米級，集成度大幅度提高，同時還具有器件結構簡單、可靠性高、成本低等諸多優點，因此，納米電子學的發展，可能會在電子學領域中引起一次新的電子技術革命，從而把電子工業技術推向一個更高的發展階段。 2、納米材料科學：奇異性探索 物理學的傳統觀念是視晶體的有序排列為物質的主體，而其中的缺陷、雜質等是次要的。德國物理學家格萊特(Gleiter)1984年創造性地提出把缺陷作為物質的主體，經過多年研究，他終于獲得雙組元材料，即晶態組元和界面組元，兩者的體積各占50%。晶態組元原子仍然是有序排列的，而界面組元則存在大量缺陷，原子有序排列發生變化。這種具有特殊結構的材料被稱為物質新態──納米材料。 實驗表明，納米材料具有許多鮮為人知的奇異特性，下面舉幾個例子來說明納米材料的奇異性： (1)納米銅(晶粒尺寸為8納米)的自擴散系數比晶格擴散系數增大1019倍，膨脹系數比普通銅成倍增大。 (2)納米硅的光吸收系數比普通單晶硅增大幾十倍。 (3)在通常情況下陶瓷是脆性材料，因而限制了其應用范圍，納米二氧化鈦(TiO2)陶瓷卻變成韌性材料，在室溫下可以彎曲，塑性形變高達100%。 (4)納米金屬顆粒以晶格形式淀積在硅表面，可以形成高效電子元件或高密度信息存貯材料。 (5)超細顆粒鐵表面覆蓋一層5～20納米厚的聚合物，可固定大量蛋白質或(左酉右每)，在控制生物反應和(左酉右每)工程中將起重要作用。 (6)據報導，英國已經制備成功一種尺寸只有4納米的復雜分子，具有“開”和“關”特性，可以由激光驅動，開關時間很快，這將為激光計算機的研制提供技術基礎。 由于納米材料微小的結構顆粒對光、機械應力和電的反應完全不同于微米或毫米級的結構顆粒，納米材料從宏觀上顯示出許多奇妙的特性，例如納米銅強度比普通銅高5倍；納米陶瓷是摔不碎的。 只要控制結構顆粒的大小，就能制造出強度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米材料。這也許具有最大的商業價值�？茖W家在了解這些無與倫比的材料及其有用的特性方面已經取得了很大的進展，已用納米材料做出了各種產品──從陶瓷到電子產品。 可能引發新的工業革命 納米技術的科學家們堅信，“小”不僅是美麗的，而且是未來科學技術發展的趨勢。日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運轉的汽車；工程師們制成了直徑只有1～2毫米的靜電發動機；體積只有常規機器萬分之一、能夠動轉的車床以及直徑僅5.5毫米的“尺蠖”──有朝一日它也許會鉆進核工廠的管道系統檢查管道是否有裂縫。德國工程師制成了一架只有黃蜂大小且能升空的直升機、肉眼幾乎看不見的發動機以及供化學行業使用的火柴盒大小的反應器。 更加引人注目的是，科學家已開始在硅片上造出微機電系統。這些裝置把電路和運轉著的機器合裝在一個硅芯片上。這些裝置最終將像目前的硅芯片一樣普遍。幾種基本的微機電系統已經在美國、日本和德國使用，包括在上百萬輛汽車里安裝的一種細如發絲的傳感──致動器，當它“感覺”到撞擊時，就會立即打開保險氣袋，防止撞傷。 中國正積極開展納米技術研究與開發，已有微直升飛機，微馬達，微泵，微噴器，微傳感器等一系列微機電系統元器件問世。此外，中國在超高密度存儲，醫療器械，環境保護和太陽能利用等方面也在加緊進行探索研究。 光明的應用前景 1、納米機器人 納米機器人是納米生物學中最具誘惑力的內容。第一代納米機器人是生物系統和機械系統的有機結合體，如(左酉右每)和納米齒輪的結合體。這種納米機器人可注入人體血管內，可以進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細胞。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人將包含有納米計算機。這是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內完成數10億次操作。人類的勞動方式將產生徹底的變革。 2、太空升降機 巴基球(C60)是由60個碳原子聚集在一起形成的足球狀結構，具有若干特殊的性質。在巴基球的基礎上，又研制成功碳納米管。碳納米管的強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的1/6。單個碳納米管的直徑只有1.4納米，5萬個碳納米管并排在一起相當于一根頭發絲的直徑。 碳納米管的最異想天開的用途，是用于太空升降機。一根碳納米管纜繩從地球同步軌道上垂到地球表面，與鋼或其他任何物質不同的關鍵是它能支持住自身的重量。這就提供了一種把人或物品提升到外層空間的可能方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。 碳納米管在1991年被人類發現，被譽為未來的材料。碳納米管韌性極高，兼具金屬性和半導體性。碳納米管的出現使壁掛電視進一步成為可能，并可能替代硅芯片，引發電腦行業革命。 3、儲氫燃料電池 中國科學家成會明等人最近合成高質量的碳納米材料，這種新材料能儲存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅動汽車，國際權威刊物認為這是世界范圍內迄今為止最令人信服的結果。氫能是取之不盡、用之不竭的清潔能源，但儲存等方面的問題制約著氫能的開發利用。已有的稀土等材料由于儲氫量少，應用受到限制。各國科學家已在新型儲氫材料研究上展開一場競賽。納米級的碳材料合成十分困難，大量低成本、高效率的合成更難。在實驗設備相對簡單的情況下，成會明等人勇于創新，采用與眾不同的新方法，快速合成出大量高質量的碳納米纖維和單壁碳納米管，不僅純度高，而且直徑較粗，預示著較好的儲氫性能。在進一步的研究中，成會明等人發現，這些自制的納米材料在室溫下具有優異的儲氫性能，儲氫能力達到百分之四以上，至少是稀土的兩倍。根據實驗結果推測，室溫常壓下，約2/3的氫能從這些可被多次利用的納米材料中釋放。這些棉花似的黑色絮狀物，能儲存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅動汽車。中國科學家的成果一經發表，立刻引起世界矚目，美、德、日等國研究機構紛紛邀請成會明前往講學。 4、納米電子槍與納米探頭 碳納米管眾多可能用途中，以下幾種令人耳目一新：作為其他分子之間的“分子導線”；用作能“感覺”物體表面單個原子結構的納米探頭(由于納米管非常小，小到不會打擾運動中的細胞，可以用作生物系統的電子探頭)；用作納米級電子槍，來點亮新一代平面顯示屏上的發光體。 5、電子隧道 眾所周知，光導纖維是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通過。碳納米管可以充當電子快速通過的隧道，成為一根直徑只有一個原子大小的金屬導線。據分析，碳納米管可能成為最佳超微導線，一根納米管的直徑只有計算機芯片上最細電路直徑的1/100。 6、納米隱身術 近年來關于納米材料具有高的電磁波吸收系數的報導，引起軍事科研人員的極大興趣，提出以納米材料作為新一代隱身材料的設想和探索。 由于納米材料的特異結構，物質的表面、界面效應和量子效應將十分顯著地表現出來，對吸波性能產生重要影響，納米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂層。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級超微粒，在細化過程中，使組成粒子的原子數大大減少，活性大大增加。納米材料對電磁波兼具吸收和透過之功能，其吸波性能和透波性能取決于超微粒的尺度。納米材料具有十分巨大的界面面積，這對提高對雷達波的損耗是十分有利的，從而達到隱身的目的。目前，國際上制造的隱形飛機也在考慮用納米材料作機身涂層。 為了獲得兼具寬頻帶、多功能、質量小和厚度薄等性質，正在研究納米復合隱身材料，可以期望出現吸收或透過厘米波、毫米波、紅外、可見光等很寬波段的復合隱身材料，甚至可望研制成與加固技術兼容的復合隱身材料。 7、納米衛星與微型飛船 在小衛星系列中，可以分為小型衛星、微型衛星和納米衛星。它們的重量分別在10～500千克，0.1～10千克和0.1千克以下。以硅為襯底的專用集成微型儀器，可以應用于制導、導航、控制、推進、能源和通信等航天器系統。美國科學家提出在非常小的航天器上建造性能優越的計算機。最終設計出能夠飛到其他星球上去從事生產的微型飛船�？梢园l射幾百萬個這樣的飛船進行大規模生產。 8、原子精密度計算機 美國國家航空航天局的科學家指出，21世紀初，將必須制造具有原子精密度的計算機。并提出了分子探針的設計，這種探針可以區分緊密排在金剛石表面兩種類型的原子：F原子和H原子。如果把F原子的值定為1，把H原子的值定為0；同時設計一個能非常快速閱讀它們的探針，這樣就有可能得到一個原子型的二進制碼，作為新一代計算機的基礎。 9、納米多功能抗菌塑料 這種塑料不僅具有抗菌功能，而且具有抗老化、增韌和增強作用。這一新型塑料的研制開發成功，開辟了高分子材料的新領域，具有廣闊的應用前景。提高電冰箱和冷柜等家用電器外部和內部表面的抗菌性，是當前國內外家用電器廠家為提高家電產品的市場競爭力而競相研究的一個熱門課題，而最佳途徑是在塑料中加入抗菌劑，從而賦予家用電器外部和內部表面材料本身以抗菌性。納米多功能抗菌塑料采用的是物理法和化學法相結合的生產方法，這一抗菌劑對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、黑色枯草芽胞桿菌等多種常見細菌均有抗菌、殺菌作用。 摘自《科學畫報》2000.11 |
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