納米技術(shù)找尋

庾　晉　周　艷　瓊子蔭

21世紀(jì)是“納米時(shí)代”

納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1納米=10－9米。納米技術(shù)是在01納米～100納米的尺度空間內(nèi)研究電子、原子、分子的內(nèi)在運(yùn)行規(guī)律和特性的嶄新技術(shù)。它的涵蓋面十分廣泛，包括納米電子技術(shù)、納米材料技術(shù)、納米機(jī)械制造技術(shù)、納米顯微技術(shù)以及納米物理學(xué)和納米生物學(xué)等不同學(xué)科和領(lǐng)域。

納米技術(shù)是世紀(jì)之交異軍突起的新興技術(shù)，它的出現(xiàn)，標(biāo)志著人類在改造自然方面進(jìn)入了一個(gè)新的層次，即從微米層次深入到原于、分子級(jí)的納米層次，使人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個(gè)原子和分子，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀世界的有效控制。專家們認(rèn)為，正像產(chǎn)業(yè)革命、抗生素、核能和微電子技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用所產(chǎn)生的巨大影響一樣，納米技術(shù)將創(chuàng)造人們想像不到的推動(dòng)新世紀(jì)前進(jìn)的奇跡。納米技術(shù)的發(fā)展不但會(huì)開(kāi)創(chuàng)一個(gè)科學(xué)技術(shù)的新時(shí)代，還將會(huì)對(duì)社會(huì)各領(lǐng)域引發(fā)重大變革。有人甚至斷言，人類迎來(lái)的21世紀(jì)將是“納米時(shí)代”。

納米技術(shù)一出現(xiàn)，許多國(guó)家將其列為“關(guān)鍵技術(shù)”范圍，投入巨資進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。納米技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)時(shí)間雖然很短，但已取得了令人矚目的成果，向世人展示了其誘人的發(fā)展前景。近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地，日本和西歐1997年在這個(gè)領(lǐng)域的支出超過(guò)了美國(guó)。日本、德國(guó)、英國(guó)、瑞典、瑞士和歐盟都在具體的納米技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造了中心優(yōu)勢(shì)，日本在納米設(shè)備和強(qiáng)化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，歐洲在分散、涂層和新儀器應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。美國(guó)目前雖在合成、化學(xué)品和生物方面處于領(lǐng)先地位，但是在納米裝置、納米設(shè)備的生產(chǎn)、極精確工程、陶瓷和其他結(jié)構(gòu)材料方面落后于其他國(guó)家。

納米科技發(fā)展簡(jiǎn)史

1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用“納米技術(shù)”一詞描述精密機(jī)械加工。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示出一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的l0倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來(lái)最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線路等。1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文名字和1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。l997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存儲(chǔ)容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量。此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。

美國(guó)納米技術(shù)的開(kāi)發(fā)情況

美國(guó)科學(xué)家正試圖利用精確控制形狀和成分的納米“磚塊”合成出自然界中沒(méi)有的材料，然后可以把這些材料組裝成更輕更強(qiáng)的較大結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)還可能具有可設(shè)計(jì)性。美國(guó)國(guó)家科學(xué)和技術(shù)委員會(huì)發(fā)布的一份研究報(bào)告描述了這些預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)的特種新奇材料的特性。這些材料將具有多種功能，并能夠感知環(huán)境變化以及做出相應(yīng)的反應(yīng)。研究人員預(yù)計(jì)，還會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度是鋼鐵的10倍的材料、重量只有紙張的1／10的材料、具有順磁性或者超導(dǎo)電性的材料、透明材料和具有更高熔點(diǎn)的材料。把納米技術(shù)用于存儲(chǔ)器，可使整個(gè)國(guó)會(huì)圖書(shū)館的信息放入一個(gè)只有糖塊大小的裝置中。

西北大學(xué)開(kāi)發(fā)的一種比色傳感器，已經(jīng)成功地探測(cè)出發(fā)疽和結(jié)核桿菌?？茖W(xué)家把探測(cè)對(duì)象的DNA附加在納米大小的黃金微粒上，當(dāng)互補(bǔ)的微粒在溶液中存在時(shí)，黃金微粒會(huì)緊緊地結(jié)合在一起，改變懸浮液的顏色。這種傳感器更加簡(jiǎn)單，且成本只是現(xiàn)有技術(shù)的1／10。

美國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)協(xié)會(huì)制定了一個(gè)處理器、傳感器、存儲(chǔ)器和傳輸設(shè)備的開(kāi)發(fā)路線圖，但是這個(gè)路線圖只延伸到了2010年，并且只達(dá)到了大小為100納米的結(jié)構(gòu)，這比全部是納米結(jié)構(gòu)的裝置要大。這個(gè)協(xié)會(huì)說(shuō)，科學(xué)發(fā)現(xiàn)發(fā)展成商業(yè)上可行的技術(shù)需要時(shí)間。該協(xié)會(huì)預(yù)計(jì)，納米技術(shù)還要再過(guò)10年～15年才能成熟。這個(gè)估計(jì)部分是基于磁阻效應(yīng)從發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)品上市所需的時(shí)間。1988年，科學(xué)家在經(jīng)過(guò)特殊處理的納米厚的有磁與無(wú)磁薄層中發(fā)現(xiàn)了巨大的磁阻效應(yīng)。到1991年，IBM公司展示了簡(jiǎn)便制造小型樣品的能力，到1997年12月就生產(chǎn)出了替代計(jì)算機(jī)磁頭的商業(yè)產(chǎn)品。

美國(guó)康奈爾大學(xué)的一個(gè)科研小組最近制成了400架“納米直升機(jī)”，現(xiàn)在正在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)。這是納米技術(shù)的一個(gè)新成果。這些“納米直升機(jī)”之所以被稱為“納米直升機(jī)”，是因?yàn)樗幸粋€(gè)用金屬鎳制成的螺旋槳，并且利用它的生物分子部件將人體內(nèi)產(chǎn)生的一種名叫ATP的物質(zhì)轉(zhuǎn)換成能量，利用這個(gè)能量它們可以在人的細(xì)胞內(nèi)“飛翔”和著陸?？茖W(xué)家希望它們能幫助醫(yī)生清除細(xì)胞的缺陷和釋放藥物。該生物分子部件坐落在一個(gè)也是由金屬鎳制成的柱體上。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，該螺旋槳每秒鐘可以轉(zhuǎn)8周，而且，令人驚訝的是，只要將上述的鎳螺旋槳、生物分子部件和鎳柱體等3個(gè)部件放在一起，它們就可以在由ATP轉(zhuǎn)換成的能量驅(qū)動(dòng)下自行組裝成“納米直升機(jī)”。不過(guò)，科學(xué)家目前只是在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn)，而且在400架“納米直升機(jī)”中，目前只有五架工作正常。但是參與研制的科學(xué)家指出，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)顯示，在人體生物能量的驅(qū)動(dòng)之下，這種三件式的“納米直升機(jī)”能自行組裝、維護(hù)和修理，這已經(jīng)是一個(gè)大突破了。

盡管美國(guó)在納米研究和開(kāi)發(fā)上仍處于世界領(lǐng)先水平，但是美國(guó)的優(yōu)勢(shì)最近幾年卻在下降。1950年，美國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值占發(fā)達(dá)國(guó)家總和的40％，開(kāi)展的研究開(kāi)發(fā)是世界其他國(guó)家總和的2倍～3倍。到1997年，美國(guó)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值只占全世界國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值的27％，開(kāi)展的研究開(kāi)發(fā)只占世界的40％。美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從l997年的116億美元增加到2001年的497億美元。

中國(guó)納米科技成就卓越

近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)家在納米科技領(lǐng)域?qū)覄?chuàng)佳績(jī)，世界權(quán)威科學(xué)刊物或者相關(guān)國(guó)際會(huì)議上，中國(guó)人頻頻在納米領(lǐng)域“露臉”，讓世界為之矚目。1993年，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著中國(guó)開(kāi)始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地，并居于國(guó)際科技前沿。l998年，清華大學(xué)范守善小組成功地制造出直徑為3納米～50納米、長(zhǎng)度達(dá)微米量級(jí)的氮化鎵半導(dǎo)體一維納米棒，使中國(guó)在國(guó)際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體。1998年，美國(guó)《科學(xué)》雜志上刊登了中國(guó)科學(xué)家的論文。中國(guó)科學(xué)家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國(guó)際刊物譽(yù)為“稻草變黃金——從四氯化碳制成金剛石。”近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院物理研究所的解思深研究員率領(lǐng)的科研小組，不僅合成了世界上最長(zhǎng)的“超級(jí)纖維”碳納米管，創(chuàng)造了一項(xiàng)“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細(xì)的碳納米管。l999年上半年，北京大學(xué)納米技術(shù)研究取得重大突破，電子學(xué)系教授薛增泉領(lǐng)導(dǎo)的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝出世界上最細(xì)且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。l999年，中科院金屬研究所成會(huì)明博士合成出高質(zhì)量的碳納米材料，使中國(guó)新型儲(chǔ)氫材料研究一舉躍上世界先進(jìn)水平。這種新材料能儲(chǔ)存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅(qū)動(dòng)汽車。不久前，中科院金屬研究所盧柯博士率領(lǐng)的小組，在世界上首次直接發(fā)現(xiàn)納米金屬的“奇異”性能——超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而“不折不撓”，被譽(yù)為“本領(lǐng)域的一次突破”，它第一次向人們展示了無(wú)空隙納米材料是如何變形的。

由中國(guó)科學(xué)家自行發(fā)明、研制的納米生物醫(yī)藥產(chǎn)品已橫空出世，并將大規(guī)模進(jìn)入平民百姓家庭。也是在1999年9月16日在中國(guó)深圳召開(kāi)的中國(guó)首屆納米生物醫(yī)藥學(xué)術(shù)研討會(huì)上，深圳安信納米科技控股有限公司宣布，利用納米技術(shù)研制生產(chǎn)出“廣譜速效納米抗菌顆?！?，并以此為原料成功開(kāi)發(fā)出納米醫(yī)藥類產(chǎn)品。其中創(chuàng)傷貼、潰瘍貼、燒燙傷敷料等3種納米醫(yī)用產(chǎn)品進(jìn)入規(guī)?；a(chǎn)階段，并陸續(xù)投放市場(chǎng)。安信公司為實(shí)現(xiàn)這個(gè)項(xiàng)目的突破花了近7年的時(shí)間。他們把在中國(guó)購(gòu)得的兩項(xiàng)納米發(fā)明專利在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行轉(zhuǎn)化，經(jīng)過(guò)數(shù)萬(wàn)次修改，終于在2000年研制出粒徑為25納米的“廣譜速效納米抗菌顆?！?。經(jīng)臨床應(yīng)用和中國(guó)科學(xué)院、中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院等多家權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測(cè)，證實(shí)是目前國(guó)際上最安全的抗菌、殺菌劑。它無(wú)毒、無(wú)味、無(wú)刺激，無(wú)過(guò)敏反應(yīng)，遇水殺菌力更強(qiáng)，是世界上惟一“不產(chǎn)生耐藥性的純天然抗感染醫(yī)藥產(chǎn)品”。與會(huì)專家一致認(rèn)為，這種納米抗菌材料的誕生，開(kāi)創(chuàng)了納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應(yīng)用的先河。安信公司由此成為世界上首家將納米速效抗菌材料運(yùn)用于生物醫(yī)藥工程領(lǐng)域的企業(yè)。值得自豪的是，這是中國(guó)人自己發(fā)明的惟一純天然的抗感染原料藥。某些性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的抗感染藥，它將廣泛應(yīng)用于人體皮膚和粘膜組織的抗菌?？芍委煁D女陰道炎、陰道止癢、除臭，還可以治療結(jié)膜炎、鼻炎、粉刺、口腔潰瘍以及燒燙傷、創(chuàng)傷、感染化膿、褥瘡、皮膚病等由細(xì)菌和真菌引起的疾病。特別是研制開(kāi)發(fā)的潰瘍貼，較好地解決了目前難以解決的糖尿病人創(chuàng)傷潰瘍難以愈合的醫(yī)學(xué)難題，實(shí)現(xiàn)了真正不含抗生素的長(zhǎng)效廣譜抗菌功效。它的成功研制和投產(chǎn)，標(biāo)志著人類在同細(xì)菌和真菌的斗爭(zhēng)中，在抗感染藥物領(lǐng)域進(jìn)行了一場(chǎng)革命。成冠倫圖