人类的第三度智慧空间与纳米世界

二、人类的第三度智慧空间与纳米世界

在人类数千年的文明进程中，人们在生存和生产实践所涉及和研究的对象中，包含着不同程度的所谓“智慧空间”。这便是从人眼不可见的人体细胞（17μm）（如图3-4（a）所示），不断扩大到陆地、海洋，直至宇宙太空（如图3-4（b）所示）。近几百年来，人类探求生存和发展的第一次飞跃是对于地球大陆的探求；自1982年《联合国海洋公约》开始的第二次飞跃，则是将海洋作为人类可持续发展的重要基地，这些被统称为“第一度智慧空间”（宏观系统）。近50年来人类的智慧空间又分别向着大和小的两极延伸和扩展。对于宏观系统向大则发展至无限空间，目前已实现对10²⁵m以外的太空进行观测和研究，这便是“宇观系统”，也被称为“第二度智慧空间”。另一个发展的极端，便是对微观系统的研究，其上限是原子、分子尺度，下限则是无限制的，如人们对染色体（如图3-4（c）所示）和原子核（如图3-4（d）所示）的研究。人类目前研究的微观世界，已达到10⁻¹⁹m（0.1am，阿米）大小，我们将之称为“微观系统”，也称为“第三度智慧空间”。宏观系统与微观系统的根本区别在于，前者所遵循的经典牛顿力学和运动学规律已不能成立，后者则是建立在全新的量子力学的概念之上。

图3-4　人类所研究的物质世界的不同尺度

20世纪80年代，人们在对微细材料粒子进行研究时发现，亚微米原子团簇出现很多特异性能：如SiO₂微粒比粗晶的电阻值下降几个数量级；Ag粒子将失去金属光泽，电阻值也增高几个数量级，而电阻温度系数则大大下降，甚至出现负值；很多绝缘体呈现导体特性；金一旦被加工成2μ的微粒，它的熔点会从1 000多摄氏度猛降到300多摄氏度，若被加工成200nm的微粒，它的熔点会降到33℃左右，人们靠体温就能将其熔化，拿在手心里时便不是“金粒”而是“金滴”，这样真金就不用火来炼了！10nm～25nm金属铁磁体矫顽力增加千倍，甚至在颗粒度小于10nm时为零值，呈现超顺磁特性；通常油在水中是不相溶的，当油滴为纳米尺寸时，出现完全互溶状态，且呈热力学稳定相，即使加热、振动或添加不同成分的盐，亦仍然保持稳定状态。

中国科学院金属物理研究所研究员卢柯等人在世界上首次直接观察到晶粒尺寸为30nm的铜在室温下能延伸50多倍，这种超塑延展性对传统的金属材料变形机制提出了挑战，必将对金属材料的精细加工、微机械的制造工艺产生重大影响。

进一步研究人们又发现，介于宏观尺度与微观尺度之间，存在着一个十分神奇的尺寸范围，从1nm～100nm，被称为介观（Mesoscopy）世界或纳米世界，其中物体是由有限个原子或分子构成的。它可能是原子团簇或纳米微粒，称为零维纳米材料，此外还存在一维纳米线、二维纳米膜和三维纳米材料。