一．纳米和纳米技术
纳米（Nano meter）又称为毫微米，是一种长度计量单位。把1米分成10亿份,每一份就是1纳米（1nm=10-9m）。这个计量单位在日常生活中很少出现,因为它实在是太小。拿“大东西”——头发相比,一根普通头发就有6万到7万纳米粗,拿“小东西”——原子相比,1纳米也就是5个原子排列起来的长度。
1982年,一种奇特的显微镜(扫描隧道显微镜)发明后,便诞生了一门以0.1至100纳米尺度空间为研究对象的前沿学科,也就是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新学科,它就是纳米科技。
纳米技术指的是在0.1纳米到几百纳米的尺度范围内对原子、分子进行观察、操纵和加工制造出具有特定功能的物质及产品的技术。
在20世纪，人们已经对毫微米技术运用的得心应手。但是，当人们企图向更微小的领域¾纳米尺度推进时，却遇到了极大的阻力。科学家们发现，在纳米尺度上物质发生了许多不同于宏观世界的奇特的物理和化学变化。许多我们习惯了的概念和方法在纳米范围行不通了。例如，我们称电子的流动叫电流，是形容它象水流动一样沿着导体传输。但是，如果这个导线的直径只有几十纳米时情况会怎样呢？研究发现，在波粒二象性的原则下，这时的电子是在波动地前进，导线已经不能对它进行有效的约束。这就是诡秘莫测但又充满诱惑的纳米世界，这里有多少未知的宝藏有待开发。
二．纳米材料的特点
特殊的光学性质
当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。
由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F－117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中就包含有多种纳米超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力，以欺骗雷达，达到隐形目的。在海湾战争中使用了该项技术，成功地实现了对伊拉克重要军事目标的打击。
特殊的热学性质
固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。
例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验发现，如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作为固体火箭的燃料、催化剂。例如,在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l％重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加l倍。
特殊的磁学性质
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为2*10-2微米的磁性氧化物颗粒。
小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料有显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6*10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。
利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。
特殊的力学性质
由于纳米材料粒度非常微小,具有良好的表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此,用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越，就象一种有千万对脚的毛毛虫，当它吸附在光滑的玻璃面上时，由于接触面积大，12级台风有也吹不掉它。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。
研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。至于金属---陶瓷等复合纳米材料，则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。
特殊的电学性质
把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内或一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。
由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。
还有一种奇怪的现象，当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时，金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。
这就使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓的单电子器件。
单电子器件的尺寸很小，一旦实现，并把它们集成起来做成计算机芯片。计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍。
三．国际纳米技术的研究与进展
纳米技术作为21世纪最重要的一项高技术，已成为国际科学界和工程技术界研究的热点。早在1993年,中国科学院北京真空物理实验室的科研人员在显微镜下,将一个个原子像下棋一样自如摆放,“写”出了“中国”二字和“画”出了“中国地图”。而IBM公司1996年11月宣布造出了超微型碳分子算盘,算盘架是蚀刻而成的铜槽和铜脊,槽脊柱只有一个原子高,算盘珠是由60个碳原子组成。日本本田汽车公司用微型部件组装了一辆一粒米那么大的能开动的微型汽车。德国美因兹微技术研究所制造了一架只有黄蜂那么大的直升飞机,重量不到0．5克,能升空130毫米,它的目的是要证实制造高性能一微伏发动机是可能的。这种发动机只有削尖了的铅笔尖那么大,但转速可达每分钟10万转,最终可用作电子显示器、手表、摄像机和激光扫描器的驱动器,也许最早的应用将是在微型外科器械方面。
像20世纪70年代微电子技术引发信息技术革命一样,纳米技术已经和正在引发一次新的工业革命,成为信息时代的核心技术,从而对目前的产业结构产生重大影响。世界上一些科技发达国家都竞相将纳米技术列为面向21世纪战略性基础研究的优先项目,并投入巨资抢占纳米技术战略高地。最近日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点;德国也把纳米技术列为新世纪创新的战略领域,19家研究机构专门建立纳米技术研究网;美国更是将纳米计划视为下一次工业革命的核心,仅美国政府部门在纳米科技基础研究方面的投资,就从1997年的1亿多美元增加到2001年的近5亿美元,试图要像微电子那样在这一领域独占老大地位。一时间,“纳米热”遍及全球。
四．纳米技术在中国
中科院在知识创新试点工程中,将纳米材料的研究和开发列入首批20个重大项目之一。并投入2000多万元予以强力支持,中科院纳米科技研究与发展中心正在筹建之中,纳米科技在我国也受政府部门的高度重视。朱熔基总理明确表示:政府将积极支持纳米科技的发展,并制定纳米技术近期和中长期发展计划。早在纳米科技兴起之初,中国就紧跟国际水平,国家科技部,中国科学院和国家自然科学基金会等部门纷纷在立项和资金上对纳米研究给予支持。从组装出世界上最细、性能良好的扫描隧道显微镜用探针,到合成出高质量的储氢碳纳米材料等,中国科学家在这一前沿学科领域里取得了一系列令世界为之瞩目的成绩,奠定了中国纳米技术在某些方面的世界领先地位。迄今为止,我国已建立10多条纳米材料和技术的生产线,纳米复合塑料,橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司近100个。
不久前,我国科学家研制出迄今世界上信息存储密度最高的有机材料,从而在超高密度信息存储研究上再创“世界之最”,保持了从1996年起就占据的国际领先地位。一纳米是十亿分之一。0．6纳米的直径意味着信息存储的密度可达每平方米10的14次比特(信息存储基本单位),其信息容量比现有光盘高100万倍。按照这一密度,可将美国国会图书馆的所有信息存放在一块方糖大的盘上。目前国际最好水平————信息存储的直径也仅有6纳米,和我国相比落后了一个数量级。
1998年,清华大学范守善小组在国际上首次用氮化镓制成一堆晶体。同年,我国科学家成功制备出金刚石纳米粉,被国际刊物誉为:“稻草变黄金———从四氯化碳制成金刚石”。
1999年,北大教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。
中科院研究组合成高质量的碳纳米材料,被认定为迄今为止“储氢碳纳米管研究”领域最令人信服的结果。还有世界上最细的碳纳米管,成功合成出世界上最长的碳纳米管,创造了“3毫米的世界之最”。
中国科学家还用纳米技术大幅提高了薄膜材料的溶点,解决了世界性的科学难题。而正在实施大开发的西部地区,纳米技术同样是科技界的宠儿。四川大学的科学家已成功研制出了纳米眼球和纳米骨头……纳米技术在中国方兴未艾。
五．纳米技术的应用
纳米这项新技术的诞生,其用途之广,涉及领域之多,前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科,学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等,有着十分宽广的学科领域。我国著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点,会是一次技术革命,而且还会是‘一次产业革命’”。二十一世纪,纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域,在未来的20至30年内,纳米技术将在三个方面对人类社会产生深刻影响:一、社会生产途径;二、人类生活方式,三、人们思维模式。所以,纳米技术的出现,标志着人类社会在发展进程中正迈向一个新的台阶。
纳米电子学
当今的时代，大规模集成电路的制造已经进入了微米和亚微米的量级。电子器件的集成度越来越高，已经接近了它的理论极限。在纳米尺度上，由于电子的波动性质而呈现各种量子效应，使得电子器件已无法按照通常的要求进行工作。纳米电子学正是面对这种挑战而诞生的。在纳米电子学这个天地里，新的发现，新的成果不断涌现。
纳米电子器件中最有应用前景的是各种量子元器件。这种利用量子效应制作的器件不仅体积小，还具有高速、低耗和电路简化的特点。纳米电子学中另一个有趣的研究热点是所谓的单电子器件。开发单电子晶体管,只要控制一个电子的行动即可完成特定功能,使功耗降低到原来的1000—10000分之一,从根本上解决集成电路日益严重的功耗问题,而响应速度提高1000—10000倍。
基于利用STM对分子、原子进行搬迁的事实，人们产生了利用该技术制造分子存储器甚至原子存储器的梦想。物体的表面，有原子的位置为“1”，没原子的位置为0”，这不就可以表示二进制吗？这不就是存储器吗？有人做过计算，一个分子存储器能够存储的信息，相当于100万张光盘的存储量；而一张同样大小的原子存储器的容量，将能够存入人类有史以来的全部知识！
纳米材料学
科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。本文开始时提到的纳米陶瓷材料能够弯曲180度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。如果纳米陶瓷的柔韧性优势得到利用，今后的发动机将甩掉笨重的冷却系统，汽车将跑的更快，飞机将飞的更高。
具有未来超级纤维之称的碳纳米管是当前材料研究领域中非常热门的纳米材料，它是一种由碳原子组成的、直径只有几个纳米的极微细的纤维管。碳纳米管具有极其奇特的性质：它的强度比钢高100倍，但是重量只有钢的六分之一；它的导电性十分怪异，不同结构碳纳米管的导电性可能呈现良导体、半导体、甚至绝缘体。因此它也许能成为纳米级印刷电路的材料。有人设想过碳纳米管的可能用途，例如做成纳米开关，或者做成极细的针头用于给细胞“打针”等等。
太空升降机用碳纳米管制造太空升降机,一根碳纳米管绳从地球同步轨道卫星上垂到地球表面,提供一种把人或构件提升到外层空间的可能方法。由于碳纳米管的强度高、重量轻，如果把它做成缆绳，即使缆绳的长度是从太空下垂到地面的距离，它也完全可以经得住自身的重量。到那个时候，人类到外太空旅行将是一件轻而易举的事情。
纳米壁挂电视利用碳纳米管制作显示屏,使壁挂电视成为可能。有人设想用纳米有机发光材料制作的电视屏幕甚至可以象一幅图画一样卷起来带走。纳米有机发光材料的特点是材料即具有柔性，同时可以在电场的作用下发出各种颜色的光。用碳纳米制成电子枪,可点亮新一代平面显示屏。
纳米固体燃料纳米颗粒材料潜在的应用前景是多方面的。例如，实验发现纳米铜和铝一遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸，这也许可以作为未来的固体燃料使火箭具有更大的推动力；
纳米隐身飞机在飞机外表面涂上纳米超微粒材料,可以有效吸引雷达波,这就是隐身飞机。纳米卫星、微型飞船和原子精密度计算机,都将一一成为现实。可以预期,纳米科学技术将使人类许许多多的异想天开的理想得以逐个实现。
纳米机械学
我们知道，机械加工的方法是用车、磨、铣、刨、钻等机床把料材加工成各种需要的工件。这是一种自上而下，或者说从大到小的加工方法。加工的过程必然要去掉一些下脚料，造成浪费。而纳米制造技术则是由相反的方向，直接由原子、分子来完整地构造器件。这真是机械加工的一场革命。不要把这种变革当成天方夜谭来看。实际上，原子、分子操纵技术、纳米加工技术、分子自组装技术等新科技已经为这种突破提供了可能性。目前，科学研究的前沿已经深入到单原子的探测和操纵中，制作具有特殊功能的人造分子和纳米器件已经成为可能。在一些实验室中科学家们已经开始了制造诸如纳米齿轮、纳米电池、纳米探针、分子泵、分子开关、甚至分子马达等纳米机械雏型的探索并取得了可喜的成果。我们可以想象，到人类可以按照自己的意愿创造物质结构的时候，世界将会变成怎样。
纳米机器人纳米机械中最具有卡通色彩的莫过于纳米机器人了。在科学家和画家的笔下，未来纳米世界是纳米机器人纵横驰骋的天下。你看，一次太空发射可以将成千上万的纳米飞船发射到外太空，这些飞船的目的是到其它星球去执行生产和复制的工作。具有特殊使命的纳米间谍被散播到敌方或竞争对手中去，它们的任务是侦察敌情和搜集情报。人的身体更是纳米机器人大显身手的地方。这些机器人比血红细胞还要小，可注入人体血管内,进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,吞噬病毒,杀死癌细胞。 纳米机器人将包含有纳米计算机和可以进行人机对话的装置。在一秒钟内完成数10亿次操作,使人类的劳动方式产生彻底的变革。
纳米机械产品 纳米技术使许多产品变“小”,而且美丽,这是未来科学技术发展的趋势。用极微小部件组装一辆比米粒还小,能够运转的汽车、能够运转的微车床;直径仅5．5毫米的“尺蠖”,有朝一日它也许会钻进核电站管道系统检查管道是否有裂缝;只有蜜蜂大小且能升空的直升机;眼睛几乎看不见的发动机;提供化工使用的火柴盒大小的反应器。
纳米生物学
生命过程是已知的物理、化学过程中最复杂的过程。不同于宏观生物学，纳米生物学是从微观的角度来观察生命现象、并以对分子的操纵和改性为目标的。纳米生物学发展时间不长就已经取得了可喜的成绩。生物科家在纳米生物学领域提出了许多富有挑战性的新观念。纳米生物学的加工技术可以向生物细胞学习。生物器件的特点是象遗传基因分子那样具有自我复制功能。这样一来，可以利用纳米加工技术，按照分子设计的方法合成、复制成各种用途的生命零件，例如具有生物智能、运算速度更快的生物计算机；利用生物零件可以组装具有特定功能的纳米生物机器人；生物零件与无机材料或晶体材料结合可以制成具有生命功能的纳米电路等。
我们知道人体中红血球的重要功能之一是向身体的各个部分输送氧分子，因为如果身体的某些部分缺氧，那部分就会感到疲劳。纳米人造细胞不仅具有比红血球携带氧分子多数百倍的功能，而且本身装有纳米计算机、纳米泵，可以根据需要将氧释放，同时将无用的二氧化碳带走。
科学家一直在研究微生物的机械本领并试图把它应用到纳米机械的设计中去。例如大肠杆菌等细菌的移动靠的是一种称为鞭毛马达的驱动机构。微生物的鞭毛马达虽然只有30至50纳米，但它的效率却极高。这种效率相当于只需百分之一马力就可以使体重60公斤的人像骑摩托车一样飞速前进。。
由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进行细胞修复等工作。
六．结语
1993年，因发明STM而获得诺贝尔奖的科学家罗雷尔博士在写信给江泽民主席的信中指出：“许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情，而没有什么实际意义。但我确信纳米科技已经具有与150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前，微米成为新的精度标准，并成为工业革命的技术基础，最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准、并首先学习和使用它的国家。”罗雷尔博士的话精辟地阐述了纳米科技对社会的发展将要起的重要作用。纳米科技的发展和实用化必将促进人类文明的进步。
