纳米技术的发展和应用

二、纳米技术的发展和应用

人类已经无意之中应用纳米技术达数千年，如炼钢、上油漆、硫化橡胶等。这些过程依赖纳米尺度的随机形成的原子集合的性质（与化学不同）。1917年Zsigmondy发表他用高倍显微镜观察金溶胶及其他纳米材料的结果，小至20纳米，他首次用纳米一词并测定为1毫米的100万分之一。1959年诺贝尔奖金获得者Feynman提出有可能开发出操纵个别分子和原子的能力。尺度很小时引力不重要，而表面张力和范德瓦尔引力更重要。1965年英特尔公司创始者之一Gordon Moore提出Moore定律：在下一个10年晶体管数量每18个月翻一番。结果1971～1981年晶体管从2000增加到4000万，但电子元件从几毫米减少到数百纳米。2007年晶体管从10微米缩至45～65纳米。同时化学、生物化学和分子遗传学能够在试管或生物机体内进行合成。20世纪最后25年人们能够控制和操纵光，我们能产生短到几个femtoseconds（飞秒，1fs＝10-15s）的光脉冲。光也有大小，约为数百纳米的尺度。这三项技术在纳米尺度上相遇，使电子学和生物学可能革命化。

1959年诺贝尔奖金获得者Feynman提出有可能开发出操纵个别分子和原子的能力。他提供了两笔奖金，每笔1000美元，解决两项挑战：

挑战1：制造纳米机（nanomotor），出乎他意料的是，William Mclellan于1960年11月完成了。

挑战2：将字母缩小到可将大不列颠百科全书按在针尖上，这由Tom Newman于1985年完成。

1974年东京科学大学Norio Taniguchi定义纳米技术为用原子或分子使材料分离、巩固和变形的过程。当时纳米技术的尺度在100纳米左右，显现量子力学的特点，称为量子点（quantum dots）。1980sEric Drexler深入地在概念上探讨了用决定论而不是随机方法操纵个别原子或分子的纳米技术，他的纳米技术概念是分子纳米技术。他预见了分子机器的制造，利用分子制造系统可建造小于细胞的计算机，可作为修复细胞的装置。他创建先见之明（Foresight）研究所，鼓励负责任地发展纳米技术，提高对纳米技术发展中伦理问题的意识。

20世纪80年代由于两大进展使得纳米技术和纳米科学蓬勃发展：cluster science的诞生和隧道扫描显微镜（STM）的发明，这导致1985年发现富勒烯和碳纳米管的结构，以及半导体纳米晶体管的合成及对其性质的研究。90年代Huffman和Kraetschmer发现了如何大量合成和纯化富勒烯，这使得研究富勒烯的特征和功能成为可能。1992年T.Ebbesen描述了碳纳米管的发现及其特征。于是以纳米管为基础的纳米技术得到进一步发展。纳米技术可能有5个阶段：准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质；生产纳米结构物质；大量制造复杂的纳米结构物质；制造纳米计算机；研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。

1990年第一届国际纳米技术会议在美国加州举行，讨论了原子的显微镜研究、分子结晶的自我装配，蛋白质工程和微机器。Drexler乐观地预测用纳米技术可研制出：几乎免费的消费品；比今天快几十亿倍的计算机；安全和支付得起的空间旅行，疾病、衰老和死亡的终止；减少污染和污染物的自动清理；饥荒的终止；对儿童的超级教育；重新引入绝灭动植物；改造地球和太阳系。同时，Drexler也警告：What is possible可能？What is achievable可行？What is desirable合意？取决于安全、道德、人权、尊严和宗教。

纳米技术可应用于广泛的领域，例如：

纳米医学：纳米技术可提高药物的生物药效率（目前仅20％），减少副作用，减少浪费（每年650亿美元）。纳米可使药物到达病变部位；纳米药物可进入细胞膜，可确定癌症部位，杀死癌细胞；纳米材料可帮助检测查器形成更清晰影像，改善诊断质量；纳米材料和激光未来可代替手术。实验研究表明，用纳米材料和激光可使两块鸡肉长成一块，没有瘢痕；纳米技术可帮助再生或修复受损组织，用纳米材料和生长因子刺激细胞繁殖，即组织工程，可代替器官移植和人工植入物；医用机器人可进入人体修复缺损，清除感染，杀死细菌病毒、癌细胞。细胞修复机可拆卸损坏细胞，重建健康细胞，以及组织、器官。

纳米技术应用于环境、能源领域：例如纳米粒子可有利于污水处理、空气纯化和能量储存；利用纳米技术可减少能源消费，增加能源生产的效率：目前使用的灯泡仅将5％的电能转化为光，最佳的太阳能电池仅能利用太阳能的40％，商用只有15～20％。利用纳米结构可大大增加光-电能转换效率。

纳米技术应用于信息领域：利用碳纳米管开发超高密度记忆，称为纳米RAM，利用纳米材料可使硬盘数据储存密度达到十亿字节（gigabyte），或使计算机具有磁性随机可及记忆MRAM。例如英特尔开发出可将芯片电路元件缩小到只有32纳米（目前是45纳米）的制作流程，使晶体管更节能、更精密、更高效；惠普已经研制成功用新的纳米元件“忆阻”（memristor）替代晶体管，可大幅度提高电脑性能，预计三年内投放市场。

纳米技术在工业中的应用：在交通方面，纳米技术为航空、宇航、运输工具提供更轻、更坚固的材料，设备小型、微型化，使用纳米材料可使滑翔机少一半重量，但增加强度和坚韧度。可使飞机、车辆更快、更安全，发动机引擎更耐用和更抗热。在纺织工业方面，已经利用纳米纤维制造抗水、抗污渍、抗皱、耐磨的织物，经纳米技术处理的纺织物品可不必经常洗涤，可在低温洗涤。在食品方面，有纳米混合物涂层的薄膜，含抗细菌剂，可改善食品包装，可检出食品内生物化学改变。在家务方面，纳米陶瓷粒子可改善瓷器和玻璃设备的光滑性和耐热性。

纳米技术科学家还预计，纳米技术给人类带来的未来受益包括：普遍提供洁净的水，改善环境；用纳米技术制造的食品和作物生产率高，所花劳动少；“聪明”的食品更富营养；产生便宜和更强大的能源；制造业更干净、高效；药物制造极大改进，诊断大大改进；大得多的信息储存和通讯能力；“聪明”的仪器，通过汇聚技术增强人的能力。