神奇的纳米

第二节　神奇的纳米

继互联网之后，“纳米”又成为一个热点话题，有科学家预言，纳米技术对人类的影响可能会比微电子技术和信息技术更为深远。它为何有这么大的魅力？人们对它的了解又有多少？

什么是纳米

“纳米”对于大多数人来说熟悉又陌生，那么纳米到底是什么？

“纳米”是英文namomer的译名，是一种长度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也就是十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。

我们把度量单位按从大到小的排列如下：

米——厘米——毫米——微米——纳米

我们用肉眼看不见几纳米物质的长度，但它确实存在着。就像我们站在喜玛拉雅山顶上看山脚下的一只蚂蚁一样，我们无法看见它，但它却真实地存在。更形象地讲，一纳米的物体放到足球上，就好像一个足球放在地球上一样。

既然1纳米有45个原子串起来那么长，那么利用纳米技术，随意搬动原子便成为可能。

纳米技术是什么

纳米科学是研究在千万分之一米到十亿分之一米范围内，原子、分子等的运动和变化的学问。在这千分之一微米的微小世界里，人们将对这个世界里的变化洞若观火，从而制定出新的游戏规则，以改变这个微小世界。

至于什么是纳米技术，对于不同的研究领域和研究人员的看法大相径庭。从迄今为止的研究状况来看，大体上分为三种概念。

第一种概念就是德雷克斯勒博士1986年在《创造的机器》一书中提出的“分子纳米技术”的概念。即在0．1—100纳米尺度上对物质（存在的种类、数量和结构形态）进行精确地观测、识别与控制的研究与应用的高新技术。它的最终目标是直接以分子、原子在纳米尺度上制造具有该特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。也就是说随意地组装原子、分子，以创造出另一种物质。

用一种更为形象的比喻来说明德雷克斯勒博士的“分子纳米技术”概念就是：如果我们面前有两块木板，我们只能把它们搭成简单的几种形状。而如果把这两块木板分割成几十块小木块，那么我们就可像搭积木一样，根据想像搭成各种形状。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”，人工形成纳米大小的结构的技术。各种纳米级的加工技术将打破现有技术的发展极限，例如将使半导体微型化达到极限。而现有技术即便发展下去，从理论上讲终将会达到限度。这是因为，如果把电路的线幅变小，会使构成电路的绝缘膜的厚度变得极薄，这将破坏绝缘效果。此外还有发热和晃动等问题。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。生物在细胞和生物膜内本来就存在纳米级的结构。事实上，每个细胞都是活生生的纳米机器的例子，它们不仅可以将食物转变成能量，还能根据其DNA上的信息制造并输出蛋白质和酶。通过将不同物种的DNA重新组合；基因工程师已经学会了如何制造新的纳米装置。

但是，由于细胞各自具有固有的功能，使用生物技术很受限制。然而这种限制并没有打断人类“梦想”的翅膀，设想中的一种纳米机器可以把天然碳的分子逐个排列，制成完美无瑕的钻石，另一种机器可将二恶英的分子逐个分解成基本组件；一种可以在人体血液中运动的装置，它能发现并分解血管壁上沉积的胆固醇；还有一种装置可将剪下的草屑改造成面包……这就意味着人类可以从零开始制造几乎任何东西——因为化学和生物学说到底就是分子的改变和重排，而制造只不过是聚集大量分子并使它们组成有用物品的过程。

谁掀起原子的神秘“盖头”

纳米技术将彻底改变我们的生活，追根溯源，有赖于原子被发现。那么是谁最早把宇宙识破，并把它打成“最小的碎片”呢。

在远古时代，人们无法解释神秘莫测的宇宙以及一切生命的构成，于是便产生了各种各样的神话和寓言，认为宇宙与生命的形成正如他们所想像的那样。但也有人更加理性地思考：世间万物到底是怎样形成的？

大约在2000多年前，古希腊哲学家德谟克利特认为宇宙不是一个无法分割的整体，而是由独立的，不能再分的、肉眼不能看见的粒子组成的。他所谓的粒子，就是现在所说的原子。在中国，也有类似的看法。如《墨经》所说的“端”也就是原子，他们认为“端，体之无序而最前也。”在印度，原子论和不可再分的实体论也在公元后不久盛行一时。在古罗马，诗人卢克莱修详述了原子论的哲学。然而他们的思想因过于“新潮”，遭到了同时代人的冷落与嘲笑。

直到17世纪中期，一个叫皮埃尔·伽桑狄的法国神父受卢克莱修的影响，成为第一个真正提出物质是由“粒子”组成的人。伽桑狄不仅提出了原子论，而且还极力地宣传它，使得它的观点在哲学界、科学界受到广泛的关注。大约在17世纪中叶，一位年轻的英国科学家——波义耳把原子论从纯理论运用到实验室，从而为物质原子论拉开了现实依据的序幕。在伽桑狄去世后6年，波义耳发表了相关的论文。在论文中，他认为任何物质都可以分解成更简单的物质。此后，许多数学家、科学家、哲学家都对物质原子论进行深入的研究。并取得了令人震惊的突破。数学家笛卡尔发表了《方法论》。原子理论与笛卡尔的原子方法的结合，成为工业现实观的重要组成部分。

寂寞的演说

既然人类文明的脚步可以向宏观世界无休止地进发，为什么不能无休止地向微观世界探索呢。天才总习惯于这样的逆向思维，诺贝尔奖获得者、被认为继爱因斯坦之后最为睿智的理论物理学家理查德·费曼就是其中一位。1959年，他在加州理工学院发表了一个题为《底部有很大空间》的演讲。在演讲中，这位当时在加州理工大学任教的教授向听众们提出了一个令人震惊的想法：“为什么我们不可以从另外一个方向出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？”他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”在演讲中他提到也许有一天人们会造出仅由几千个原子组成的微型机器。他的演说正是纳米技术的最早萌芽。

如果真如理查德·费曼所说的那样，未来的世界将是多么奇妙。但他的想法相对他所处的时代过于超前，并没有引起广泛的注意。当时谁也没想到，几十年后，他的演讲重又浮出水面，它对人们的震撼是那样的真实，对人类的影响是那样的不可估量。

“科学巫师”的预言

现年42岁的德雷克斯勒被人们称为“科学巫师”，他在上世纪70年代中期还是麻省理工学院的一名大学生。那时的生物学家们还在研究如何控制构成DNA链的分子。年轻的德雷克斯勒就产生了“为什么不能用原子建造微型机器”的想法。

这种想法让德雷克斯勒着迷，他开始将这种想法付诸现实研究，在研究中他才知道几乎在20年前理查德－费曼就已经提出了类似看法。到1977年毕业时，德雷克斯勒已经大大推进了这项研究。他运用了更为通俗和形象的描述，他说：“我们为什么不制造出成群的、肉眼看不见的微型机器人。让它们在地毯上爬行，把灰尘分解成原子，再将这些原子组装成餐巾、肥皂和电视机呢？这些微型机器人不仅是一些只懂得搬原子的建筑‘工人’，并且还具有绝妙的自我复制和自我维修能力，由于它们同时工作，因此速度很快而且廉价得令人难以置信。”

与理查德·费曼的命运有些相似，多数主流派科学家对德雷克斯勒的想法不屑一顾，认为是一派胡言。但德雷克斯勒没有理会那些人，他仍然著书立说，阐述自己的观点。有的科学冢随后开始进行试验性的研究。对于纳米技术，德雷克斯勒认为：“它不是尺寸的延伸，它甚至根本不该被看做技术，而是一场认知的革命”。如果理查德·费曼与德雷克斯勒的梦想能成真的话，我们小仿再大胆的想像一下，随意组装原子会是什么样子。有一天，我们用的桌子能够像植物或动物那样生长；智能药店在人刚出生时就注入体内，它会将不同的来犯者歼灭；那医生呢？干什么去了？变成编程师了。将沙原子与植物原子、水原子组装成沙树，并自动复制，茫茫沙漠将成为绿洲……

打开纳米大门的钥匙

要洞察微观世界的秘密，需要借助仪器来开拓视野、延伸双手。

1981年，科学家发明了扫描隧道显微镜。这种显微镜像“芝麻开门”的口诀一样打开了一扇神秘大门，原子、分子世界从此展现在人们的眼前。

1989年，随意搬动原子的梦想变成了现实。美国斯坦福大学搬动原子团写下了“斯坦福大学”的英文名字。一年后，美国国际商用机器公司在镍表面用36个氤原子排出“IBM”字样，后来又用48个铁原子排列组成了汉字“原子”两字。4年后，西北大学的化学教授查德·米尔金利用一台纳米级的设备把费曼演讲的大部分内容刻在了一个大约只有10个香烟微粒大小的表面上。

1990年，美国贝尔实验室推出一个只有跳蚤大小但“五脏俱全”的纳米机器人。同年7月，在美国巴尔的摩举办了第一届国际纳米科学技术会议和第五届国际扫描隧道显微学术会议，标志着纳米科技的正式诞生，并正式提出了纳米科学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念。

1993年，中国科学院北京真空物理实验室搬动原子写出“中国”二字。

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。

1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的秤，这种秤能称出一个病毒的重量；不久，德国科学家发明更小的秤，它能称出单个原子的重量。

纳米技术的发展，大致经历了以下几个发展阶段：首先是在实验室探索用各种手段制备各种纳米微粒，合成块体。用研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。其次是利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。目前，主要是进行纳米组装体系、人工组装合成纳米结构材料的研究。虽然已经取得了许多重要成果，但纳米级微粒的尺寸大小及均匀程度的控制仍是一大难关。如何合成具有特定尺寸，并且料度均匀分布无团聚的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。科学家们设想能够设计出一种在纳米量级上尺寸一定的模型，使纳米颗粒能在该模型内生成并稳定存在，则可以控制纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。

随着各个国家对纳米技术的重视，纳米产品也将走出深闺，走进寻常百姓家。

纳米世界的另类游戏规则

当粒子的尺寸小到纳米级时，会表现出奇异的特性，很多客观和微观的物理定律就不再适用了，比如，在电学方面，欧姆定律就不适用于纳米材料；过去常用的描述原子集体行为的概念也不再适用。纳米世界的游戏规则将变得另类，也就是这些另类特性，形成了纳米梦幻般的世界。那么它到底有哪些特殊的表现呢？

表面效应

物体的表面积与体积之比称为比表面积，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分比将会显著增加。

例如，直径大于0．1微米的颗粒表面效应可忽略不计，而当尺寸小于0．1微米时，其表面原子百分比急剧增长。甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。若用高倍率电子显微镜对金属超微颗粒进行电视摄像和实时观察，就会发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体、十面体、二十面体）。这种状态既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。尺寸大于10纳米后就看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。

超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。

小尺寸效应

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质：

1．特殊的光学性质

当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即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。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

2．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纳米时会降低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℃。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业有很大的作用。例如，在钨颗粒中附加0．1%—0．5%重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200℃—1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

3．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。通过电子显微镜观察表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为微米级的磁性氧化物颗粒。小尺寸的磁性超微颗粒与大块材料显著不同。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1000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，已研制成高储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。

4．特殊的力学性质

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。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，因此表现出很强的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。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。金属—陶瓷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。

超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。

量子尺寸效应

各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释．由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带。由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看做是连续的。从能带理论出发，成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别。对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应。原有的宏观规律已不再成立。

量子隧道效应

电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相关器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

性格各异的纳米材料

纳米材料是纳米科技的核心，材料的发展从来就是人类文明和时代进步的标志。在人类文明史上，每一个时代都是以材料命名的，如新石器时代、青铜器时代等。那么，纳米材料的成熟与否在人类文明的历史上将是一个非常重要的里程碑。

纳米材料又称超微粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，这些颗粒的尺寸一般在1—100纳米之间。由于纳米微粒具有表面效应、小尺寸效应、量子效应、量子隧道效应，这些独特的效应使纳米材料形成了独特的个性。

1．脾气暴躁、易燃易爆的纳米金属颗粒

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成固体火箭的燃料、催化剂。

2．力大无比的纳米金属块体

金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。

3．奇妙的碳纳米管

碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍，轻便、柔软又非常结实，是做防弹背心的最好材料。如果用碳纳米管做绳索，从月球上挂到地球表面，不会被自身重量所拉断。想像一下，如果未来我们要修一条从地球到月球的高速公路，用这样的材料不就可以实现人类的梦想吗，那时普通人不就可以乘坐太空大巴去其他星球旅行了吗？

4．善变颜色的纳米氧化物材料

氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。用其制成士兵防护激光枪的眼镜、广告板或掺进服装面料中做成衣服，在电、光的作用下，世界会变得更加绚丽多彩。

5．刚柔并济的纳米陶瓷

纳米陶瓷粉具有高硬度、耐高温、高韧性、低温可塑等特点，纳米陶瓷制成的发动机能在更高的温度下工作，装上这种新材料发动机，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。

6．爱清洁的纳米材料

把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。

7．法力无边的半导体纳米材料

半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能，把它们直接变成电能。

8．运送药物的“导弹”

把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部。这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大地提高。当然，还有无数神奇的纳米材料，随着纳米技术的高速发展，它们将会被一一发掘、利用。