納米技術探析

　　摘 要： 納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術，是現代科學和現代技術結合的產物。納米科學技術將引發一系列新的科學技術，將對社會的發展作出更大的貢獻。
　　關鍵詞： 納米技術意義展望
　　
　　一、納米技術的內涵
　　納米技術是一門在0.1—100nm空間尺度內操縱原子和分子，對材料進行加工、制造具有特定性能的產品，或對物質進行研究、掌握其原子和分子的規律和特征的高新技術學科，被認為是“今后十年最可能使人類發生巨大變化的十項技術”之一。
　　納米技術包含下列四個主要方面：（1）納米材料。當物質到納米尺度以后，即0.1—100nm這個范圍空間，物質的性能就會發生突變，出現特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，又不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。（2）納米動力學。主要是微機械和微電機，或總稱為微型電動機械系統，用于有傳動機械的微型傳感器和執行器、光纖通訊系統，特種電子設備、醫療和診斷儀器等。用的是一種類似于集成電器設計和制造的新工藝，特點是部件很小，刻蝕的深度往往要求數十至數百μm，而寬度誤差很小。（3）納米生物學和納米藥物學。如在云母表面用納米微粒度的膠體金固定dna的粒子，dna的精細結構，等等。納米生物學發展到一定技術時，可以用納米材料制成具有識別能力的納米生物細胞，并可以吸收癌細胞的生物醫藥，注入人體內，用于定向殺癌細胞。（4）納米電子學。包括基于量子效應的納米電子器件，納米結構的光/電性質，納米電子材料的表征，以及原子操縱和原子組裝，等等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷。更快，是指響應速度要快。更冷，是指單個器件的功耗要小。但是更小并非沒有限度，納米技術是建設者的最后疆界，它的影響將是巨大的。
　　二、研發納米技術的重要意義
　　在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等對材料的尺寸要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術、新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達到每平方英寸400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤，成本低廉、發光頻段可調的高效納米陣列激光器，價格低廉。高能量轉化的納米結構太陽能電池和熱電轉化元件，用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強高韌納米復合材料等的問世，充分顯示了它在國民經濟新型支柱產業和高技術領域應用的巨大潛力。正像美國科學家估計的“這種人們肉眼看不見的極微小的物質很可能給予各個領域帶來一場革命”。納米材料和納米結構的應用將對調整國民經濟支柱產業的布局、設計新產品、形成新的產業及改造傳統產業注入高科技含量提供新的機遇。
　　研究納米材料和納米結構的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次，是知識創新的源泉。由于納米結構單元的尺度（0.1—100nrn）與物質中的許多特征長度，如電子的德布洛意波長、超導相干長度、隧穿勢壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當，因而納米材料和納米結構的物理、化學特性既不同于微觀的原子、分子，又不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領域。在納米領域發現新現象，認識新規律，提出新概念，建立新理論，為構筑納米材料科學體系新框架奠定基礎，也將極大豐富納米物理和納米化學等新領域的研究內涵。世紀之交高韌性納米陶瓷、超強納米金屬等仍然是納米材料領域重要的研究課題；納米結構設計，異質、異相和不同性質的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當今納米材料研究新熱點，人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設計納米結構原理性器件及納米復合傳統材料改性正孕育著新的突破。
　　納米技術作為一門新興的學科，被譽為21世紀最具有發展前景的技術，是對未來經濟和社會發展產生重大影響的一種關鍵性前沿技術。納米技術在社會上的應用前景非常廣闊，納米技術不僅會推動新產品的開發，而且將為改善人們的生活環境，提高生活質量作出不可估量的貢獻。納米技術將成為21世紀新型技術的發展新方向，相信在不久的將來，我們將跨入一個全新的時代。
　　三、對納米技術未來發展的展望
　　納米技術將從根本上改變未來制造的兩種基本類型方式——連續制造和離散制造。連續制造是指批量物質或材料的生產，例如化學品或金屬卷材。離散制造是指單個配件的生產，例如螺栓或元件（集成電路）或組裝系統（計算機）。對于納米尺度制造來說，原子、分子與團簇都是生產“原料”。因此，納米尺度制造的生產工藝和設備與目前應用于大于100nm的微制造工藝與設備將會有很大不同。納米制造未來的研究方向包括以下幾個。
　　1.材料開發
　　了解和模擬納米尺度物質合成、操控及監測的現象和工藝，這是開發新型納米制造技術所需的；開發表征、監測、篩選、分離和控制納米結構大小/形狀/多分散性和表面或體積特征的方法。
　　2.制造納米系統的材料操控與控制
　　分子、大分子、納米顆粒及納米尺度組件的定位、定向、分散、集群和導向自我組裝，非共價鍵和信息內容是不可或缺的；納米材料的包裝和輸運，如通過超聲和納米流化床；納米自組裝結構融入功能器件和系統。
　　3.與微觀和宏觀系統相結合
　　把自下而上和自上而下的制備技術融入低本高效的優化生產制造中；制造技術的尺度放大、并行和集成能力，如平行探針或束陣列等方法。
　　4.制造工具
　　改造和控制表面組成/結構，以確保隨后組裝的穩定性和功能性；開發可支撐的、用戶與環境友好、廉價而高產的制圖技術；開發和運用納米結構復制方法；納米制造結構和性能的低本高效清除/修復/接縫技術，等等。
　　5.測量和標準工具
　　納米顆粒與結構的化學和結構表征技術（除幾何形狀特征外）；開發三維加工和非破壞性表面下探測技術；把在線傳感與監測技術同制造方法融合在一起；遠程制作和遠程表征設備和儀器，等等。
　　
　　參考文獻：
　　［1］張立德.納米材料［M］.北京：化工出版社，2002.
　　［2］唐孝威，胡鈞.測量和控制生物大分子［J］.世界科技研究與發展，2000.