纳米科学技术发展

第二节　纳米科学技术发展

一、自然界中存在的纳米材料及纳米技术

事实上，纳米技术并不是人类的专利。早在宇宙诞生之初，纳米材料和纳米技术就已经存在了。

一提到莲花，人们很自然地就会联想到莲叶上滚动的水珠，莲叶能不沾水，是因为莲叶表面覆盖着无数尺寸约10微米的突包，而每个突包的表面又布满了直径仅为几百纳米的更细的绒毛。当莲叶上有水珠时，风吹动水珠在叶面上滚动，水珠便可以粘起叶面上的灰尘，从而使得莲叶能够更好地进行光合作用。

壁虎可以在任何墙面上爬行，反贴在天花板上，甚至用一只脚在天花板上倒挂，它依靠的也是纳米技术。壁虎脚上覆盖着十分纤细的茸毛，使壁虎能以几纳米的距离大面积地贴近墙面。尽管这些绒毛很纤弱，但可以利用范德华力，提供数百万个附着点，以支撑其体重。这种附着力还可像撕开胶带一样“剥落”，使壁虎能够穿行。

贝类是纳米黏合技术的高手。当贝类想把自己贴在一块岩石上时，就会打开贝壳，把触角贴到岩石上，它将触角拱成一个吸盘，然后通过细管向低压区注射无数条黏液和胶束，释放出强力水下胶黏剂。这些黏液和胶束瞬间形成泡沫，起到“减振器”的作用。贝类通过弹性足丝停泊在这个“减振器”上。这样，它们就可以随波起伏，而不至于受伤。这种牢固的胶黏效果就来自黏液和岩石纳米尺度下分子之间的相互作用。

壁虎的脚部及其纳米结构

科学家们发现，包括蜜蜂、海龟等在内的许多生物体内都存在着纳米尺寸的磁性颗粒，它们对于生物的定位与运动行为具有重要意义。这种磁性的纳米粒子具有类似指南针的功能，生物利用这种“罗盘”来确定其周围环境，利用在磁性纳米粒子中存储的图像来判明方向。例如，当蜜蜂采蜜归来时，实际上就是把自己原来存储的图像和沿途所见的图像进行对比。如果两个图像一致，即可据此来判断出蜂巢的所在。利用这种纳米磁性颗粒进行导航，蜜蜂可以完成数千米的旅程。

二、人工造就的纳米材料

事实上，人工制备纳米材料至少追溯到1000多年前。中国古代利用蜡烛燃烧来收集的碳黑是最早的纳米材料，而中国古代铜镜表面的防锈层经检验为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜。但当时人们并不知道这其中的原因，不知道是纳米技术的作用，因为人的肉眼根本就看不到纳米尺度小颗粒，他们只知道这样的工艺所做的工件更好。

1861年，胶体化学建立，科学家开始对于直径为1～100纳米的粒子系统，即所谓胶体进行研究。但是当时人们并没有意识到这个尺寸范围是认识世界的一个新层次，而只是从化学的角度研究，并没有从纳米材料的角度研究或以其特殊性能作为重点。

1932年，德国的鲁斯克发明了世界上第一台透射电子显微镜，为探索微观物质世界打下了基础。到1998年，电子显微镜的分辨率已达到1.3埃，但是电子显微镜只能看，不能搬动原子。

透射电子显微镜

人们开始自觉地研究纳米微粒并发现纳米尺寸物体的特殊性能，始于20世纪60年代。1962年，日本理论物理大师久保针对金属超微粒子的研究提出了久保理论——超微粒子的量子限域理论。1963年，日本著名电子显微镜专家上田良二通过金属在高纯惰性气体中蒸发和冷凝过程获得清洁表面的超微颗粒，并用透射电子显微镜研究了单个颗粒金属的形貌和晶体结构。

1970年，美国IBM实验室的江畸等考虑到量子相干区域的尺度，首先提出了半导体超晶格的概念，这是一种按照一定规则将一定尺度的纳米薄层人工堆积起来的结构。

20世纪70年代末到80年代初，人们对纳米颗粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，描述金属颗粒费米面附近电子能级状态的久保理论日臻完善，在用量子尺寸效应理论解释超微颗粒的某些特性时也获得成功。1974年，科学家唐尼古奇最早使用“纳米技术”一词，用于描述精细机械加工技术，原意为公差在纳米尺度的加工技术。1977年，美国麻省理工学院德雷克斯勒（时为大学生）提出，可以从模拟活细胞的生物分子的人工类似物——分子装置开始研究，用原子建造无机机器，并称之为纳米科技，并于20世纪70年代末在斯坦福大学建立第一个纳米科技研究小组。但当时多数主流科学家对此的反应却是：一派胡言！

1984年，德国萨尔大学的格莱特教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体钯、铁、铜等块状材料。随后发现二氧化钛纳米陶瓷在室温下表现出良好韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。

1985年，英国的克罗托等人采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇，用质谱仪分析发现，由60个碳原子构成的碳团簇丰度最高，通称为C₆₀。1987年美国阿贡实验室西格尔博士用惰性气体原位加压法制备出了纳米晶体材料二氧化钛多晶体。

碳团簇

碳纳米管

1990年，费曼指出：纳米科技的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件。

1991年，日本NEC基础研究实验室的饭岛教授在利用透射电子显微镜分析电弧放电产物时，发现多壁纳米碳管，之后他又发现了仅由单层石墨碳原子层层卷曲而成的单层纳米碳管。

总体来说，纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段：

第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索，用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法。

第二阶段（1994年前）人们关注的热点是根据奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料：纳米微粒与纳米微粒复合、纳米微粒与常规块体复合、复合纳米薄膜。

第三阶段（从1994年到现在）纳米组装研究。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系。纳米组装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管及纳米尺寸的孔洞为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳米结构体系根据构筑过程中的驱动力是靠外因还是靠内因来划分，大致可分为两类：一是人工纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。所谓人工纳米结构组装体系，是按人类的意志，利用物理和化学的方法人工地将纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二维和三维的纳米结构体系。所谓纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德华力和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样。

纳米自组装

纳米自组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，称为纳米尺度的图案材料。美国伯克利国家实验室在科学杂志《Nature》上指出：纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。纳米技术将用于下一代的微电子器件即纳米电子器件，使未来的电脑、电视机、卫星、机器人等的体积变得越来越小。