普及纳米知识推动科技进步

普及纳米知识推动科技进步 作者：张家港高级中学倪洪祥 0520-8126756 邮编：215600

在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，“毛估估”的做法说明了我们对这个世界认知的粗浅。在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，“毛估估”的做法说明了我们对这个世界认知的粗浅。　以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类认知推向毫米层次。

　第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一———微米诞生了。随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次———纳米层次，才会有更大的突破，比如将现在的笔记本电脑变得像手表一样小，或更小，可以把它固定在纺织品面料上。　第二次工业革命，发明了电，从机械时代进入微电子时代，毫米不够用了，毫米的千分之一———微米诞生了。随着科学技术的发展，微米层次的局限越来越明显，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次———纳米层次，才会有更大的突破，比如将现在的笔记本电脑变得像手表一样小，或更小，可以把它固定在纺织品面料上。

正如牛顿力学只适用于低速的宏观物体，而高速运动，只能用相对论来解释;在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用，世界将从此是另一个模样。我们现在所熟悉的“原材料”将是小至纳米级的原子、分子。正如牛顿力学只适用于低速的宏观物体，而高速运动，只能用相对论来解释;在纳米层次，许多原来在宏观尺度上使用的规律、定理、方式、方法，都将不再适用，世界将从此是另一个模样。我们现在所熟悉的“原材料”将是小至纳米级的原子、分子。

１９５９年，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—理查得·费因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从上而下”的，他提出：为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进行组装，达到我们的要求？……物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。” １９５９年，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—理查得·费因曼教授在加州理工大学发表了题为《在底部还有很大空间》的演讲。在费因曼看来，人类社会目前的生产方式，总是“从上而下”的，他提出：为什么我们不可以从单个分子、甚至原子开始出发，进行组装，达到我们的要求？……物理学的规律不排除一个原子一个原子制造物品的可能。” 那么什么是纳米呢？ 1纳米=十亿分之一米国际上公认0.1～100nm为纳米尺度空间。

德国人跨出第一步 美国人拉开序幕

铅表面的原子世界 １９８１年，德国科学家发明了纳米显微镜，即扫描隧道显微镜（ＳＴＭ）人类从此可以直观地观察到单个原子了。

看得见原子只是第一步！第二步就是要能够操纵它。 １９９０年，美国加州ＩＢＭ实验室，将３５个氙原子排布成“ＩＢＭ”３个字母，总面积只有几个平方纳米，人类第一次实现了操纵单个原子，纳米科技的序幕拉开了。江苏省张家港高级中学倪洪祥量子围栏在扫描隧道显微镜下，科学家将48个铁原子排列在铜表面上，形成一个圆形围栏。

纳米齿轮 纳米轴承量子围栏纳米铜具纳米陶瓷碳纳米管纳米陶瓷

1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。1993年后，我国科学家先后操纵原子写出“中国”、“原子”、绘出中国轮廓图。世界上最小的键盘纳米存储器

中国我国纳米科技成果一览 1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地，并居于国际科技前沿。 1998年，清华大学范守善小组成功地制造出直径为3－50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒，使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。

1998年，美国《科学》杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金———从四氯化碳制成金刚石。”1998年，美国《科学》杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法，制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金———从四氯化碳制成金刚石。” 近年，中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组，不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管，创造了一项“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最细的碳纳米管。

1999年上半年，北京大学电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。 1999年，中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。

不久前，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能—超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破”。不久前，中科院金属研究所卢柯博士率领的小组，在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能—超塑延展性，纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”，被誉为“本领域的一次突破”。先是纳米管，接着纳米线，现在留美的三位中国科学家又为纳米世界迎来一位新客人——“纳米带”。这是世界上首次发现并合成出半导体氧化物的纳米级带状结构材料。

研究人员现在已经成功开发出氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化镉和氧化镓的“纳米带”。并预测整个半导体金属氧化物都可能制造出“纳米带”。这项成果刊登在2001年4月8日出版的美国《科学》杂志上。利用金属氧化物制造出10至15纳米厚、30至300纳米宽的新材料。这种材料有可能制造出价格便宜的超微感应器和元件。 “这是纳米技术中非常重要的一个研究领域。如果我们能够成功地开发出其应用方法，将可能引发纳米级感应器和功能设备的巨大进步，制造出能耗低敏感度高的产品。”

纳米技术在医学领域内的发展前景 纳米器件有可能成为未来保卫人类健康的一支忠实可靠的“卫队”。 (1)纳米生物传感器：用于监测、收集、播送体内细胞的健康状态和病变信息； (2)纳米药物存储器(药泵)：用于存储、运输指定存储的药物，并按指定的部位存放，即定点给药，其体积可达数个微米； ⑶纳米生物导弹：直接用于治疗各种细胞水平的疾病，对病变组织有亲和力，对病变细胞有杀伤力，可特异性地杀灭肿瘤细胞；

(4)纳米细胞修复器：用于修复细胞内的各种病变，如线粒体、细胞核的病变； (5)纳米细胞监督器：用于监视免疫细胞、白细胞等细胞正常功能的发挥； (6)纳米细胞清扫器：帮助清除体内的代谢废物以及外界进入体内的有害物质； (7)纳米细胞检疫器：巴西和美国科学家最近发明了世界上最小的“秤”，能够称量10 克的物体，即相当于一个病毒的重量。利用纳米“秤”可称出不同病毒的重量，可以发现新的病毒。可定点于口腔、咽喉、食道、气管等外界开放的部位，以充当“检疫”。 -9

目前，纳米技术已广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯，一年的营业额已经达到５００亿美元。有预测说，到２０１０年，纳米技术的市场容量将达１４４００亿美元。纳米电子学将使量子元件代替微电子器件，巨型计算机就能装入口袋里；通过纳米化，易碎的陶瓷可以变成韧性的，成为一种重要材料；世界上还将出现１微米以下的机器甚至机器人；纳米技术还能给药物的传输提供新的方式和途径，对基因进行定点等。

中国纳米科技中心理事会理事长 白春礼院士说，目前，我国纳米科技的研究工作主要集中在纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、纳米电子学以及少量纳米技术的应用等方面。在纳米科技中心的实验室里，防水防油的领带、吸水性强的化纤织物、具有自洁功能的空调和冰箱、性能超常的纳米粉体材料等研究成果，已引起了各界人士极大兴趣。

所以说：“如果仅仅将纳米技术等同于纳米材料，那就太狭隘了”。 “如果仅仅将纳米看成一种时尚、潮流，那就太短浅了”。它是一场认知的革命，会产生雷霆万钧的力量，彻底改变人类的整个生存状态、生产方式，它是一把双刃剑，只是更为锋利-----纳米热全球只是时间问题。

　　纳米科技的终极目标，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。 　　纳米科技的终极目标，是按人的意愿，操纵单个原子、分子，构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。现在人们的生产模式，是从大到小，从上到下的，比如造一个橱，要从粗木到木材到成品，造电脑，从半导体硅片，经过切、割、刻、蚀、渗杂等许多步骤，变成电子元器件，这个过程，原材料浪费大、能耗大。

而纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。纳米技术将极大地提高人类储存、处理信息的能力。相对于同等体积、重量的微电子芯片，按纳米结构做成的纳电子芯片可储存１００万至１０００万倍的信息量。而纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。纳米技术将极大地提高人类储存、处理信息的能力。相对于同等体积、重量的微电子芯片，按纳米结构做成的纳电子芯片可储存１００万至１０００万倍的信息量。

如果我们将因特网技术和纳米技术结合起来，将来我们从因特网上不仅能下载软件，而且能下载具有特定功能的硬件——例如纳米传感器。比如我需要一个手机，通过因特网告诉企业我的需求，对方根据我的需求设计出相应软件，通过因特网指挥一个“纳米盒”（比如类似于打印机大小的个性化工厂，如纳米操纵器）工作，我们所要做的，就是将需要的原子、分子“原料”放进去，就可能进行因特网生产。那么，企业的生产成本就大大降低，仅仅是脑力劳动成本，同时产品又可大量复制！到时候，从事直接物质生产的工人大大减少，人类就主要从事科学研究，以及艺术活动了.“这是我们人类的梦想！”

世界范围内已经兴起了纳米技术的热潮，美国、日本、德国都把纳米技术视作21世纪的主导技术之一，并作为国家的战略发展项目。我国在这一领域有领先的优势，如何把技术优势转化为产业优势，各级政府部门都有义不容辞的责任。迄今为止，由于认识上的差距，我国目前仅有10多条纳米材料和技术的生产线，以纳米材料和纳米技术注册的公司近100个，但都是刚起步且规模小。我们能否以非凡的魄力来发展纳米产业，为经济的可持续发展打下扎实的基础。世界范围内已经兴起了纳米技术的热潮，美国、日本、德国都把纳米技术视作21世纪的主导技术之一，并作为国家的战略发展项目。我国在这一领域有领先的优势，如何把技术优势转化为产业优势，各级政府部门都有义不容辞的责任。迄今为止，由于认识上的差距，我国目前仅有10多条纳米材料和技术的生产线，以纳米材料和纳米技术注册的公司近100个，但都是刚起步且规模小。我们能否以非凡的魄力来发展纳米产业，为经济的可持续发展打下扎实的基础。

而今纳米时代正向我们走来 从古文明到工业革命；从蒸汽机到微电子技术的普遍应用；从蔡伦造纸到今天的无纸化办公--------我们人类经历了一场又一场思想的革命，生产和生活方式的巨大变革---- 我们人类将开始梦一般的生活---

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美国一家公司预测纳米技术发展将经历５个阶段：第一阶段是要准确地控制原子数量在１００个以下的纳米结构物质；第二阶段是生产纳米结构物质；第三阶段是大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能；第四阶段是纳米计算机的出现；第五阶段是研制出能够制造动力源与程序自动化的元件和装置。这家公司预计在未来１０年内，纳米技术可能发展到 “第三阶段”，超越“量子效应障碍”的技术，从而达到实用化水平。诺贝尔奖获得者海·罗雷尔说，“未来将属于那些明智接受纳米，并且首先学习和使用它的国家。”

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