纳米技术的诞生与发展的介绍

纳米技术的诞生与发展

1．纳米技术的诞生

纳米科学技术已在国际上形成研究开发的热潮，世界各国将发展纳米技术作为国家科学技术发展战略目标的一部分，投入巨资用于纳米技术和材料的研究开发。纳米材料是纳米技术的重要组成部分，日益受到各国的重视，并制定了相应的发展战略和计划。这类计划希望能指导和推进纳米技术和纳米材料的发展，将支持纳米技术和材料领域的研究开发作为21世纪技术创新的主要驱动力，纳米技术和材料展现了广阔的发展前景。

研究远古陨石的结构发现，它们多是由原子构成的纳米团簇在引力下聚集而成的。有人认为这种纳米结构材料始于宇宙大爆炸。从贝壳到人体等生物系统中，也能找到许多天然的纳米结构。但是，可控制地制造纳米结构却绝非易事。20世纪60年代，东京大学的久保亮五（1920～1995）曾发表一篇关于量子约束理论的论文。这篇论文谈到了超细微粒子的独特性质，但在当时并未引起人们的注意。20世纪70年代，德雷克斯勒提出一个用模拟细胞生物分子的分子装置制造超细微粒的设想，并把它命名为纳米技术。此后，他与斯坦福大学联合成立了纳米技术（NST）研究组。

2．纳米物理研究

真正对纳米物理展开系统研究始于20世纪90年代初。1982年，宾尼（1947～ ）和罗雷尔（1933～ ）发明扫描隧道显微镜，它以高分辨率向人们展现了一个可见的原子、分子世界。宾尼和罗雷尔因此获得1986年诺贝尔物理学奖。到20世纪80年代末，扫描隧道显微镜已经由一个助视仪器发展为费曼所设想的排布原子的工具。20世纪90年代初，纳米物理学作为独立的学科研究领域正式诞生。

1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届国际NST会议。此时和此后不久，世界上纳米技术研究的环境已经有了重大变化。两种专业国际刊物《Nanobi－ology》和《Nanotechnology》出版；日本、英国等少数国家制定了发展纳米技术的国家科学规划；美国自然科学基金会将纳米技术作为优先发展项目；冠以“纳米”的新名词和新概念正式在各种科学技术书籍与文献中出现，如纳米电子学、纳米材料、纳米加工和纳米生物学等。这表明纳米物理学已经作为一门独立学科步入了物理学殿堂，它的诞生与发展不仅对物理学，也对整个自然科学与技术产生着重大影响。

纳米的基础物理研究，是介观物量、量子力学与混沌物理的交叉结合，它与计算机技术、微电子学及扫描隧道显微技术相结合，形成了纳米科学技术群（见图14－2）。自20世纪90年代起，这门全新的科学技术群，在全世界范围内兴起，正以惊人的速度，向更多的科学技术领域渗透着。

图14－2　扫描隧道显微镜

3．纳米电子学

纳米学科的研究，不仅在研究对象的空间尺度上具有特殊性，而且在对传统概念的革新中表现出全新的观点与思维方式。纳米电子学的发展说明了这一点。目前的半导体理论，即PN结原理把电子视为微粒，它的有效范围只到亚微米尺度。微电子技术的核心——集成电路朝向超大规模发展的同时，微电子器件的尺寸在日益缩小，迟早会进入到一个新的阶段，到那时，经典电磁理论将不再适用，电子将不能再被视为微粒。在纳米尺度上，电子的表现即以波动性为主，这些效应表现为量子隧道效应、量子尺寸效应、特殊的伏安特性、特殊的磁性质等。

纳米电子学的任务就是研究纳米量子微粒的这些全新性质，并由此设计、制作全新的量子电子器件与集成电路。乐观地展望未来，新型量子电子器件及全新集成电路的实现，将为原理和结构都完全更新的计算机的设计与制造奠定基础。与此同时，超小尺寸量子电子器件也为物理基础理论的研究提供了微型实验室，可以进行富有成效的研究。

以现在的知识水平和科学观点来看，纳米技术是材料建设者的最后疆界，影响将是巨大的。1998年4月，当时的美国总统科学技术顾问就评论说，启动纳米科学技术的计划将会对未来产生突破性的影响。

一些潜在的可能实现的突破包括：提高单位表面储存能力1 000倍以上，可以把美国国会图书馆或中国国家图书馆的资料压缩到一块方糖大小的存储设备中；可以从一个原子、一个分子开始制造材料和产品，可以节约原材料、降低污染，并生产出比钢的强度大10倍而质量只有其几分之一的材料来制造各种更加轻便、节省燃料的交通工具；通过极小的记忆芯片，数百万倍地提高电脑速度和效率；运用基因和药物传送纳米级的核磁共振对照剂来发现癌细胞或定位人体组织器官（见图14－3）；去除水和空气中最细微的污染物，得到更清洁的环境和可饮用水。

图14－3　检测癌组织的达马蒂安方法

4．介观磁性

在对物质磁性的研究和应用中，除了常见的宏观磁性和微观磁性以外，由于研究的深入和应用的扩大以及相邻学科和新技术的发展，还出现了新的介观磁性的研究和应用。顾名思义，介观磁性是介于宏观磁性与微观磁性之间、具有其特点的磁性。介观磁性是介观物理特性的一种。介观磁性是在物质尺度等于或小于其相位相干长度而大于原子和分子的尺度情况下出现的，物质中载流子（如电子）散射的平均自由程一般为1～100纳米。介观磁性主要包括介观磁效应和纳米（强）磁性材料。

1959年，阿哈勒诺夫和玻姆发表论文，认为在电子运动空间中，无论是否存在电磁场，电子波函数的相位都会受到空间中电磁势的影响。因此，在量子理论中，电磁势要比经典电磁理论中的电场与磁场强度更有意义。这就是著名的AB效应。

阿哈勒诺夫善于研究那些通常被人们忽视的物理现象，他所预言的一些效应先后被实验证实，由于具有重要意义，在物理界引起不小的波澜，AB效应就是其中的一个。