一个具有空前震撼力的创举

一、一个具有空前震撼力的创举

长期以来，人们认为固体物质存在着两种基本构态：长程有序的“结晶态”与短程有序的“非晶态”。物质中存在的少量缺陷：空穴、空位、离子间隙、晶界、相界等往往都被认为是不利的因素，需要加以限制甚至消除。然而科学技术的发展，又常常会引起人们的“逆向思维”，即“反其道而行之”：如果原子排列连短程有序的条件都不具备（或不完善），物质处于完全不规则的缺陷状态，会不会出现性质与功能上超凡脱俗的特异甚至于突破呢？

物体通常具有气、液、固三种状态，液体与固体状态又称为“凝聚态”。凝聚态物体中同相晶粒间的交界面称为“晶界”，晶相与晶相间的交界互称为“相界”，而凝聚态与气相的交界面则称为“表面”，各类界面的示意图如图3-1所示。

图3-1　物质各类界面示意图

从几何角度而言，界面是一个几何面，不存在厚度。但是从原子排列或电子云分布的角度来看，Gibbs从热力学引进的表面概念则认为：表面大约只是具有几个原子厚度的过渡区，约0.5～2nm。金属表面约1～3个原子层，半导体为4～6个原子层，绝缘体则为10至几十个原子层，即数十至数nm。

由于物质内部原子间都承受着周围相邻原子的相互作用（设为相互吸引）力并处于低能态的稳定状态。而表面原子所处位置则由于其配位不足，只承受内部原子的吸引力（如图3-2所示），所以具有能态较高的活性状态，在较小外力作用下，便可脱离其平衡位置，或容易与其他原子结合，如吸附外界气体、产生氧化等反应，或甚至常温下（如金属钠超微粒子）即可在空气中被燃烧。

由此可见，当一个物体体积减小后，其总表面积将大大增加，例如一个1cm³的立方体，其表面积为6×1cm²=6 cm²，当将其切成边长为0.5cm的等分8小块后，其表面积总和则为12 cm²。如表3-1所示为粒子尺寸与表面原子数的关系实例。由表3-1可见，当粒径由10nm降至1nm时，比表面积由90m²/g增至900m²/g，表面原子比例由20%增至99%。由于超微粒子的表面原子处于特殊的受力状态，而表面原子占据的比率又特别大，所以人们对超微粒子的超常特性的研究和应用的兴趣便不言而喻了。

图3-2　物体内部原子及表面原子受力状态示意图

表3-1　微粒粒径与表面原子数及比表面积的关系

所谓纳米（Nanometer，nm）是一个长度单位，1nm=10⁻³μ=10⁻⁹m，1nm=10Ǻ，一个氢原子的直径为1 Ǻ，所以1nm约为10个氢原子尺度。而纳米材料则是指材料或其构成颗粒尺度为1～10²nm范围，即大于原子簇而小于晶粒范围的材料。目前纳米科学已大大超出了材料学的范围，根据1990年7月国际首届纳米科学与技术会议的意见，纳米科技已经涉及七大分支：即纳米物理学、纳米化学、纳米电子学、纳米材料学、纳米生物学、纳米机械学以及纳米加工、表征和测量技术。

追溯源头，我国古代早在1000多年前，就有对纳米材料运用的记载，如利用蜡烛燃烧所得的碳黑制作墨及染料以及采用SnO纳米薄膜涂在铜镜表面达到防锈目的的工艺。

最早提出纳米尺度科学和技术问题的是著名的物理学家、诺贝尔奖获得者R.P.Feynman（如图2-19所示）。1959年他在一次著名的讲演中提出：如果人类能够在原子/分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。并且指出，我们还需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。这样，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的一种技术。1974年，Taniguchi最早使用“纳米技术”（Nanotechnology）一词描述精细机械加工。20世纪70年代后期，麻省理工学院Drechsler提倡纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。

直到20世纪80年代初，出现了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术，才对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了它巨大的生命力，并迅速形成了一个具有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。

近代国际纳米科技的发展大致分为三个阶段：

第一阶段（1860～1990年）为孕育探索阶段。

1860年开始了对粒径为1～100nm的胶体粒子（Colloid）的研究，建立了胶体化学。Kohshuthe曾用金属作为电极，在空气中弧光放电后获得了金属氧化物胶体溶液。1940年，Ardeume首次利用透射电子显微镜（TEM）对烟状金属氧化物纳米颗粒进行观察研究。1945年，Buk在低压惰性气体中蒸发制得纳米金属颗粒。1962年R.Kubo（日）提出超微颗粒量子限域效应（Kubo理论），获得了诺贝尔奖。1963年，Ugeda采用气体冷凝法，在高纯气体中蒸发和冷凝获得具有清洁表面的纳米颗粒，并用TEM对单个纳米晶型结构和形象进行了分析研究。1970年江崎（日）、朱兆祥、张立纲等将一定厚度纳米薄膜层进行了人工堆积，并利用分子束外延技术制得能隙大小不同的半导体多层膜，提出量子阱和超晶格的概念并完成实验制作。1984年Gleiter（美）、Siegel（德）分别在惰性气体中用凝聚法原位加压制成离子晶体CaF₂和TiO₂，获得室温增韧陶瓷材料。1985年Kroto等用激光加热使石墨蒸发，并在甲苯中制成高稳定性碳团簇C₆₀及C₇₀，在掺杂处理后材料的特性出现了非常神奇的转换：从绝缘体——金属——半导体——超导体——铁磁体，从而在世界范围内引起了C₆₀研究的热潮。在此基础上，1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议（NST-1），正式将纳米科学作为材料科学的一个重要分支。接着《纳米技术》与《纳米生物学》两种国际性专业期刊也相继问世。

第二阶段（1990～1994年）为研究发展阶段。

1991年Iijima（日）制备出直径为4～10μm的多壁碳钠米管，从而引发了人们对于纳米丝、纳米电缆和纳米组装体系的极大关注。1991年IBM公司O.Eigler利用STM快速在Ni表面的相同位置重复地“捡起”或“放置”一个氙原子，创造出了原子级计算机中的单原子开关技术。1992年日本将纳米材料用于微机械产品中，制成可进入人体血管的机器人，美国IBM公司还制成了超微型碳分子算盘。波士顿大学则制成了由78个原子构成的分子马达。美国国家航天局对纳米管分子轴承进行了分子力学模拟，其中轴仅为2nm的单壁碳纳米管，齿为键合在纳米管上的酶，系统还包括由2596个原子组成的多级齿轮和拨杆（如图3-3所示）。我国清华大学范守善等研制成功直径为3～50nm，长达微米量级的GaN一维半导体纳米管。从而以1994年10月3日至7日在德国斯图加特召开的第二届国际纳米材料学术会议（NST-2）为标志，结束了从20世纪80年代末到20世纪90年代中期于纳米材料界

图3-3　纳米机械结构模拟图

面结构模型及微观结构理论的争论。会议认为，纳米界面结构不能用统一的模型来描述，当制备条件不同时，由于能量、缺陷、相邻晶粒取向、杂质偏析状况的差异，晶界能处于从有序到无序的过渡状态。今后对纳米材料微结构的研究，应着眼于对不同类型材料进行具体描述。

第三阶段（1994年～至今）为应用开发阶段。

在上述研究的基础上，人们能按自己的意愿设计与组装纳米结构组装体系或一维、二维、三维的纳米尺度图形材料。正如纳米材料先驱R.P. Feynmen所预言的那样：“我毫不怀疑，当我们在很小尺寸上控制物体的结构时，便可以使材料具备极其精彩多变的性质……如果有一天可以按人的意愿去安排一个个原子，将会产生多么伟大的奇迹！？”

近年来，纳米技术能使人们通过直接操纵和安排分子、原子来创造新的物质，这标志着人们认识和改造自然的能力已延伸到分子、原子的水平。并出现了一系列奇迹：人们最熟知的纳米机器就是蛋白质、脱氧核糖核酸（DNA）（如图3-23所示）以及能辅助细胞修复和再生及辅助制造蛋白质的酶，如今可根据储存的指令或控制其输入信号，实现人体器官的再造、环境的复原等惊人之举。利用扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）按需要排布单个原子，还可构成高密度数据存储器件，其密度比目前的磁盘高10亿倍，从而可实现每秒数十亿次的操作。纳米逻辑芯片装置则可控制单个电子乃至单个光子，在此基础上实现通信瞬时化。纳米器件制成的计算机的计算能力，可以提高千倍，而所需的能量仅为目前的百万分之一。纳米光电子学使通信带宽增加百倍，信息存量成千倍提高，一分钱硬币大小的存储器可以存储5兆信息单元，这样，一张光盘就可以把美国国会图书馆的书全部带走。

一位被称为“梦想家”的美国麻省理工学院青年科学家Drechsler博士，1997年就曾提出过模拟活细胞中人工装置生物分子的思考。他曾预言：“纳米科技将会像产业革命、抗生素乃至核武器那样，给人类带来极其深远的变革。”STM的发明者之一H.Rohrer博士认为：“150年前，微米成为新的精度标准，奠定了世界工业革命的基础。最早和最好学会使用微米科技的国家，都已在其后的工业发展中占据了巨大的优势。同样，未来的科技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。”

2000年2月，当时的克林顿政府以4.95亿美元优先实施“全美纳米科技计划”（NNI），实际上2004年投资额度已达8.5亿美元。在其《国家纳米技术倡议》中称：“纳米技术将与信息技术和生物技术一样，将引导下一场工业革命，应把它放在科学技术的顶级优先（Top priority）地位”。2004年我国政府投资2.5亿人民币建立国家纳米研究中心，目前已有100多个研究单位从事纳米基础技术和应用研究。在纳米材料制备、纳米图像有序化组装、纳米结构与特异物性、纳米功能分子与分子器件、生物芯片及基因组测量、岩矿介质的纳米颗粒分布研究等方面都取得了创新性成果。

当前，“纳米科技”这一具有空前巨大冲击波的创举，已经并正在震撼着整个世界！