納米技術的應用及發展前景

梁亨源*

（湛江第一中學，廣東湛江，524038）

引言

（1）納米材料的性質

物質在納米尺度下發生的性質變化主要包括小尺度效應與表面與界面效應。

小尺度效應是指物質的尺度縮小到納米級別后，其周期性的邊界條件被破壞，導致其性質發生變化，這一效應可能體現在物質的顏色、導電性、化學性質等上；表面與界面效應是指隨著顆粒尺寸的減小，處于表面的原子的比例升高帶來性質變化，這些變化主要體現在物質的化學活性的增強上。

（2）納米技術的發展

納米技術的思想最早可以追溯到物理學家理查德·費曼在1959年的演講。

1982年，掃描隧道顯微鏡被發明，這表示著人們終于可以直接檢測到一個個原子與分子的位置，為納米技術的發展產生了積極的促進作用。

1990年，第一屆國際納米納米科學技術會議在美國舉辦，這標識這納米技術的正式誕生。同在1990年，IBM公司就可以完成對單個原子的重排，這標識著人們可以將原子排列成他們想要狀態，納米技術的重要技術基礎已經具備。

1991年，碳納米管被人們發現，這是納米科學領域第一個具有應用價值的發現，碳納米管的質量僅為鋼的六分之一，但其強度卻是鋼的十倍，可以作為高強度纖維使用。同時由于碳具有導電性，碳納米管還可以應用于納米級電路中。

1999年，納米技術開始走向市場。

（3）納米技術的現狀

納米技術進入市場后，世界主要國家紛紛制定相關戰略，投入巨資研發納米技術。到2003年，納米技術在基礎研究和應用研究方面都取得了廣泛的突破。目前納米技術的研究已經開始由納米技術所需的納米級儀器、納米材料的基本性質等轉向由納米材料構成的系統的研究。雖然已經有很多納米材料走向應用，但距離其全面應用還有很長的路要走。

1 納米技術在醫學中的應用

（1）碳納米管在醫學中的應用

碳納米管是由六邊形排列的碳原子構成的多層圓管，有著非常明顯的力學、電磁學、光學性質。同時，碳納米管中還可以填充其他物質來獲得更好的性質。

在醫學中，各種指標的檢測是非常重要的，而利用經過修飾的碳納米管可以制成各類生物探測器。如利用殼聚糖修飾的碳納米管可以作為乳酸傳感器，利用核糖酸修飾碳納米管，可以作為生物傳感器。目前利用碳納米管制成的傳感器尺寸小、精度高，可以滿足很多苛刻條件下的應用需求。

（2）磁性納米材料在醫學中的應用

納米Fe3O4粒子是一種典型的磁性納米材料，具有非常優秀的磁性質，同時納米Fe3O4本身無毒、具有非常好的生物兼容性。

由于納米Fe3O4粒子可以保持磁性，又具有較好的表面活性，因此其可以在與藥物、抗體、酶等結合后作為靶向藥物在磁場中實現靶向定位。

（3）納米機器人在醫學中的應用

納米機器人的研發已成為當今科技的前沿熱點。納米機器人潛在用途十分廣泛，其中特別重要的就是應用于醫療領域。

中科院國家納米科學中心聶廣軍、丁寶全和趙宇亮院士課題組與美國亞利桑那州立大學顏灝課題組合作研制的DNA納米機器人，利用DNA折紙術自組織方式來裝載和釋放凝血酶，并在兩端裝載有“雷達”核酸適配體，實現靶向識別和定位功能。這種DNA納米機器人可以實現凝血酶在活體內的精準運輸和定點栓塞，通過阻塞腫瘤血管的營養和氧氣輸運從而“餓死” 腫瘤細胞，達到安全高效治療腫瘤的目的。這種技術對于包括乳腺原位腫瘤、黑色素瘤、卵巢皮下移植瘤和原發肺部腫瘤在內的多種腫瘤都有良好的治療效果。相關的論文2018年3月發表在國際著名期刊《Nature Biotechnology》上。

2 納米技術在電氣領域中的應用

2.1 碳納米管在電氣領域的應用

碳納米管可以表現出金屬的良好電學性質，加上其優秀的力學性質，碳納米管可以作為導線的材料。碳納米管的超導特性已經被研究發現，如果可以在電網中將碳納米管的超導特性利用起來，加上其密度低、強度高的特性，電網的建設、維護、運行成本都將顯著降低。

2.2 納米材料在儲能領域的應用

在儲能領域，一些納米材料具有超導特性，可以利用這些材料進行超導儲能。另一方面，可以用納米材料制成具有高化學活性的催化劑，以此來提高化學電池的充放電速率并降低損耗。

在高能量密度動力鋰電池的研究和應用上，采用納米技術來提高儲能材料的能量密度一直是行業內的重點研究方向之一，近幾年國內的一些機構在這方面的研究取得了一些突破性進展。

2.3 半導體量子點在電氣傳感器中的應用

半導體量子點是一種由化合物組成的納米顆粒，有極高的表面活性、易與其他原子結合，具有發出光子的能力。可以利用量子點在不同條件下光化學性質的變化對電器設施進行檢測、作為傳感器等。

3 納米技術在電子信息領域中的應用

3.1 納米技術在信息存儲領域的應用

納米技術可以直接移動原子并讀取原子的位置信息，這意味著納米技術可以作為一種信息存儲技術，人們可以通過在平面上擺放不同的原子以存儲數據，再利用掃描隧道顯微鏡等儀器讀取原子的位置以實現信息的讀取。

如果這種技術能得到可靠的應用，那么計算機的存儲元件的信息密度可以顯著升高，同時人們還可以通過在同一位置擺放不同原子來表示同一地址下的多種信息可能，這意味著如果這項技術得到應用，人們不必再限于二進制存儲數據。

3.2 納米技術在電子信息領域的應用

碳納米管有著優良的電氣特性，因此其可以作為微型電路的導線、開關等。過去半個世紀以來，計算機性能的提升主要依靠的就是芯片電路尺寸的縮小。當前芯片中電路的尺寸依然遠大于納米尺寸，因此如果納米技術可以在微電路中得到應用，那么當前計算機的性能將會出現一個質的飛躍。

3.3 納米技術在反偵察方面的應用

由于納米材料特殊的電磁性質，可以利用納米涂層減少戰斗機反射的電磁波，以防止其被雷達檢測到。當前這項技術已經在美軍中得到應用，美軍戰斗機正是利用這項技術得以躲過伊拉克嚴密的雷達監視。

4 納米技術可能存在的一些潛在風險

納米技術的持續發展，雖然帶來許多領域的技術革新，然而，納米技術是一項新興技術，在大多數人憧憬其美好前景時，也有業界專家開始冷靜考慮納米材料及納米技術可能帶給人類的不利影響。這些不利影響包括人類健康、環境污染、社會安全、倫理道德等方面。例如，人們已發現碳納米管內的金屬污染物和柴油的納米顆粒對健康有不良影響；納米材料制造過程中所產生的工業排放，以及納米產品用后的回收，也會帶來污染環境的風險。因此，在納米技術的應用上，我們還應該持審慎態度來看待，其中可能存在的風險也應當引起人們足夠的重視。

5 結束語

納米技術從出現至今二十年以來已經取得了令人震撼的進步，但是其進步空間依然很大，當前距離納米技術的全面應用依然有著巨大的距離。如果納米技術能在醫學、能源、信息領域得到全面應用可以使當前的各種設施性能取得質的飛躍，我們應當在納米技術中投入一定資金，確保不在這一新興領域落后于人。同時由于一些納米材料可能具有毒性或其他危險性質，我們也應對其進行監督，確保新技術應用于改善人們生活的方面。

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[6] 國家納米科學中心.國家納米中心等在醫學納米機器人腫瘤治療研究中取得進展[EB/OL].http://www.cas.cn/syky/201803/t20180308_4637525.shtml,2018-03-08/2018-05-06.