納米技術找尋

庾　晉　周　艷　瓊子蔭

21世紀是“納米時代”

納米是一個長度單位，1納米=10－9米。納米技術是在01納米～100納米的尺度空間內研究電子、原子、分子的內在運行規律和特性的嶄新技術。它的涵蓋面十分廣泛，包括納米電子技術、納米材料技術、納米機械制造技術、納米顯微技術以及納米物理學和納米生物學等不同學科和領域。

納米技術是世紀之交異軍突起的新興技術，它的出現，標志著人類在改造自然方面進入了一個新的層次，即從微米層次深入到原于、分子級的納米層次，使人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個原子和分子，以實現對微觀世界的有效控制。專家們認為，正像產業革命、抗生素、核能和微電子技術的出現和應用所產生的巨大影響一樣，納米技術將創造人們想像不到的推動新世紀前進的奇跡。納米技術的發展不但會開創一個科學技術的新時代，還將會對社會各領域引發重大變革。有人甚至斷言，人類迎來的21世紀將是“納米時代”。

納米技術一出現，許多國家將其列為“關鍵技術”范圍，投入巨資進行研究開發。納米技術的研究與開發時間雖然很短，但已取得了令人矚目的成果，向世人展示了其誘人的發展前景。近年來，一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰略高地，日本和西歐1997年在這個領域的支出超過了美國。日本、德國、英國、瑞典、瑞士和歐盟都在具體的納米技術領域創造了中心優勢，日本在納米設備和強化納米結構領域具有優勢，歐洲在分散、涂層和新儀器應用方面處于領先地位。美國目前雖在合成、化學品和生物方面處于領先地位，但是在納米裝置、納米設備的生產、極精確工程、陶瓷和其他結構材料方面落后于其他國家。

納米科技發展簡史

1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據人類意愿，逐個地排列原子，制造產品，這是關于納米技術最早的夢想。20世紀70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想。1974年，科學家唐尼古奇最早使用“納米技術”一詞描述精密機械加工。1982年，科學家發明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示出一個可見的原子、分子世界，對納米科技發展產生了積極的促進作用。1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。1991年，碳納米管被人類發現，它的質量是相同體積鋼的1/6，強度卻是鋼的l0倍，成為納米技術研究的熱點。諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等。1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文名字和1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“IBM”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著中國開始在國際納米科技領域占有一席之地。l997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存儲容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量。此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄。

美國納米技術的開發情況

美國科學家正試圖利用精確控制形狀和成分的納米“磚塊”合成出自然界中沒有的材料，然后可以把這些材料組裝成更輕更強的較大結構，這種結構還可能具有可設計性。美國國家科學和技術委員會發布的一份研究報告描述了這些預計會出現的特種新奇材料的特性。這些材料將具有多種功能，并能夠感知環境變化以及做出相應的反應。研究人員預計，還會出現強度是鋼鐵的10倍的材料、重量只有紙張的1／10的材料、具有順磁性或者超導電性的材料、透明材料和具有更高熔點的材料。把納米技術用于存儲器，可使整個國會圖書館的信息放入一個只有糖塊大小的裝置中。

西北大學開發的一種比色傳感器，已經成功地探測出發疽和結核桿菌。科學家把探測對象的DNA附加在納米大小的黃金微粒上，當互補的微粒在溶液中存在時，黃金微粒會緊緊地結合在一起，改變懸浮液的顏色。這種傳感器更加簡單，且成本只是現有技術的1／10。

美國半導體工業協會制定了一個處理器、傳感器、存儲器和傳輸設備的開發路線圖，但是這個路線圖只延伸到了2010年，并且只達到了大小為100納米的結構，這比全部是納米結構的裝置要大。這個協會說，科學發現發展成商業上可行的技術需要時間。該協會預計，納米技術還要再過10年～15年才能成熟。這個估計部分是基于磁阻效應從發現到產品上市所需的時間。1988年，科學家在經過特殊處理的納米厚的有磁與無磁薄層中發現了巨大的磁阻效應。到1991年，IBM公司展示了簡便制造小型樣品的能力，到1997年12月就生產出了替代計算機磁頭的商業產品。

美國康奈爾大學的一個科研小組最近制成了400架“納米直升機”，現在正在實驗室中對其進行性能實驗。這是納米技術的一個新成果。這些“納米直升機”之所以被稱為“納米直升機”，是因為它有一個用金屬鎳制成的螺旋槳，并且利用它的生物分子部件將人體內產生的一種名叫ATP的物質轉換成能量，利用這個能量它們可以在人的細胞內“飛翔”和著陸。科學家希望它們能幫助醫生清除細胞的缺陷和釋放藥物。該生物分子部件坐落在一個也是由金屬鎳制成的柱體上。在實驗中發現，該螺旋槳每秒鐘可以轉8周，而且，令人驚訝的是，只要將上述的鎳螺旋槳、生物分子部件和鎳柱體等3個部件放在一起，它們就可以在由ATP轉換成的能量驅動下自行組裝成“納米直升機”。不過，科學家目前只是在實驗室中對其進行性能實驗，而且在400架“納米直升機”中，目前只有五架工作正常。但是參與研制的科學家指出，他們的實驗結果已經顯示，在人體生物能量的驅動之下，這種三件式的“納米直升機”能自行組裝、維護和修理，這已經是一個大突破了。

盡管美國在納米研究和開發上仍處于世界領先水平，但是美國的優勢最近幾年卻在下降。1950年，美國的國內生產總值占發達國家總和的40％，開展的研究開發是世界其他國家總和的2倍～3倍。到1997年，美國的國內生產總值只占全世界國內生產總值的27％，開展的研究開發只占世界的40％。美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心，美國政府將納米科技基礎研究方面的投資從l997年的116億美元增加到2001年的497億美元。

中國納米科技成就卓越

近年來，中國科學家在納米科技領域屢創佳績，世界權威科學刊物或者相關國際會議上，中國人頻頻在納米領域“露臉”，讓世界為之矚目。1993年，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著中國開始在國際納米科技領域占有一席之地，并居于國際科技前沿。l998年，清華大學范守善小組成功地制造出直徑為3納米～50納米、長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒，使中國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體。1998年，美國《科學》雜志上刊登了中國科學家的論文。中國科學家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金——從四氯化碳制成金剛石。”近年來，中國科學院物理研究所的解思深研究員率領的科研小組，不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管，創造了一項“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細的碳納米管。l999年上半年，北京大學納米技術研究取得重大突破，電子學系教授薛增泉領導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。l999年，中科院金屬研究所成會明博士合成出高質量的碳納米材料，使中國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平。這種新材料能儲存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅動汽車。不久前，中科院金屬研究所盧柯博士率領的小組，在世界上首次直接發現納米金屬的“奇異”性能——超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而“不折不撓”，被譽為“本領域的一次突破”，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的。

由中國科學家自行發明、研制的納米生物醫藥產品已橫空出世，并將大規模進入平民百姓家庭。也是在1999年9月16日在中國深圳召開的中國首屆納米生物醫藥學術研討會上，深圳安信納米科技控股有限公司宣布，利用納米技術研制生產出“廣譜速效納米抗菌顆粒”，并以此為原料成功開發出納米醫藥類產品。其中創傷貼、潰瘍貼、燒燙傷敷料等3種納米醫用產品進入規模化生產階段，并陸續投放市場。安信公司為實現這個項目的突破花了近7年的時間。他們把在中國購得的兩項納米發明專利在實驗室里進行轉化，經過數萬次修改，終于在2000年研制出粒徑為25納米的“廣譜速效納米抗菌顆粒”。經臨床應用和中國科學院、中國醫學科學院等多家權威機構檢測，證實是目前國際上最安全的抗菌、殺菌劑。它無毒、無味、無刺激，無過敏反應，遇水殺菌力更強，是世界上惟一“不產生耐藥性的純天然抗感染醫藥產品”。與會專家一致認為，這種納米抗菌材料的誕生，開創了納米技術在生物醫藥領域應用的先河。安信公司由此成為世界上首家將納米速效抗菌材料運用于生物醫藥工程領域的企業。值得自豪的是，這是中國人自己發明的惟一純天然的抗感染原料藥。某些性能遠遠優于現有的抗感染藥，它將廣泛應用于人體皮膚和粘膜組織的抗菌。可治療婦女陰道炎、陰道止癢、除臭，還可以治療結膜炎、鼻炎、粉刺、口腔潰瘍以及燒燙傷、創傷、感染化膿、褥瘡、皮膚病等由細菌和真菌引起的疾病。特別是研制開發的潰瘍貼，較好地解決了目前難以解決的糖尿病人創傷潰瘍難以愈合的醫學難題，實現了真正不含抗生素的長效廣譜抗菌功效。它的成功研制和投產，標志著人類在同細菌和真菌的斗爭中，在抗感染藥物領域進行了一場革命。成冠倫圖