纳米技术（一）

物质是由原子构成的,其性质依赖于这些原子的排列形式如果我们将煤炭中的原子重新排列,就能得到钻石;如果向沙子中加入一些微量元素,并将其原子重新排列,就能制成电脑芯片;而土壤水和空气的原子重新排列后就能生产出马铃薯听起来是不是有点玄?不过这决非天方夜谭,如果你能走进纳米世界,了解纳米技术,就会知道上述目标的实现指日可待

科学家们已为我们勾勒了一幅若干年后的蓝图:超强轻型新型材料有可能使太空旅行变得便宜而且容易,甚至像一些作家预测的那样利用纳米技术在火星上制造出大气如果新的"纳米医学"能够在细胞老化时1个分子一个分子地制造出新的细胞,从而把人们的寿命无限地延长,那么就有必要向太空移民纳米技术已经创造出足够多的小奇迹,这至少能让一些科学泰斗们相信这些宏伟的想法也会实现

（一）什么是纳米

1纳米是啥"米"

纳米(nm),又称毫微米,如同厘米分米和米一样,是长度的度量单位具体地说,一纳米等于十亿分之一米的长度,相当于4倍原子大小,万分之一头发粗细;形象地讲,一纳米的物体放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般这就是纳米长度的概念

当代科学技术有认识上的盲区或人类知识大厦上存在着裂缝裂缝的一边是以原子分子为主体的微观世界,另一岸是人类活动的宏观世界两个世界之间不是直接而简单的联结,存在一个过渡区——纳米世界

几十个原子分子或成千个原子分子"组合"在一起时,表现出既不同于单个原子分子的性质,也不同于大块物体的性质这种"组合"被称为"超分子"或"人工分子"

"分子"性质,如熔点磁性电容性导电性发光性和染色及水溶性有重大变化当"超分子"继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时,奇特的性质又会失去,真像是一些长不大的孩子

2介于宏观与微观之间

纳米技术是单个原子分子层次上对物质的种类数量和结构形态进行精确的观测识别和控制的技术,是在纳米尺度内研究物质的特征和相互作用,并利用这些特性制造具有特定功能产品的高新技术

纳米材料是纳米科学技术的基础,正引起世界观各国的广泛的关注现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米(1纳米=10^-9米)尺度的超微粒子(也称之为纳米粉)和晶粒尺寸小到纳米量极的固体和薄膜

纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1～100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效应小尺寸效应和宏观量子隧道效应当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学热学电学磁学力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同

（二）神奇的纳米技术

1神通广大的纳米材料

纳米颗粒是纳米材料基元用物理化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子分子的"颗粒"这些"颗粒"的尺寸只有几个纳米

脾气爆燥易燃易爆的纳米金属颗粒

金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼实验上发现如果将金属铜或铝作成纳米颗粒,遇到空气就会激烈燃烧,发生爆炸可用纳米颗粒的粉体作成功固体火箭的燃料催化剂

材料世界中的大力士--纳米金属块体

金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料,它会变得十分结实,强度比一般金属高十几倍,同时又可以像橡胶一样富于弹性

善变颜色的纳米氧化物材料

氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色作成士兵防护激光枪的眼镜和广告板,在电光的作用下,会变得更加暄丽多彩

刚柔并济的纳米陶瓷

纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性,高硬度和耐高温,使发动机工作在更高的温度下,汽车会跑得更快,飞机会飞得更高

爱清洁的纳米材料

把透明疏油疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上,大楼不会被空气中的油污弄脏,玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明将这种纳米颗粒放到织物纤维中,做成的衣服不沾尘,省去不少洗衣的麻烦

法力无边的半导体纳米材料

半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光,可以做成超小型的激光光原它还可以吸收太阳光中的光能;把它们直接变成电能

运送药物的"导弹"

把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动,如果在人体外部加以导向,使药物集中到患病的组织中,那么药物治疗的效果会大大地提高

2奇妙的碳纳米管

最近,科学家正在致力于一种新型纳米材料——碳纳米管的研究,这是一种非常奇特的材料,它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维",内部是空的,外部直径只有几到几十纳米这样的材料很轻,但很结实它的密度是钢的1/6,而强度却是钢的100倍

用这样轻而柔软又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了如果用碳纳米管做绳索,是唯1可以从月球挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索如果用它做成地球-月球乘人的电梯,人们在月球定居就很容易了

纳米碳管的细尖极易发射电子用于做电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是电视制造业的发展方向

3被囚禁的电子和未来的电子学器件

把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内,或者在一根非常细的短金属线内,线的宽度只有几个纳米,会发生十分奇妙的事情由于颗粒内的电子运动受到限制,电子动能或能量被量子化了结果表现在当在金属颗粒的两端加上电压,电压合适时,金属颗粒导电;而电压不合适时金属颗粒不导电这样一来,原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了还有一种奇怪的现象,当金属纳米颗粒从外电路得到一个额外的电子时,金属颗粒具有了负电性,它的库仑力,足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内,切断了电流的连续性,也使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件,所谓单电子器件单电子器件的尺寸很小,一旦实现,并把它们集成起来作成计算机芯片计算机的容量和计算速度不知要提高多少倍

然而,事情可不是像人们所设想的那么简单起码有两个方面的问题向当前的科学技术提出了挑战实际上,被囚禁的电子可不是那么"老实”,按照量子力学的规律,有时它可以穿过"监狱"的壁逃逸出来,一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相互关联在一起,当然,需要新的设计才能使单电子器件变成集成电路,另一方面也会使芯片的动作不可控制归根到底,在这一世界中电子应被看成是"波"而不是一个粒子所以尽管单电子器件已经在实验室里得以实现,但是真是要用在工业上,要假以时日,是明天或后天的技术

被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献,会使材料发出强的光"量子点列阵激光器"或"级联激光器"的尺寸小,发光的强度高,驱动它们发光的电压低可发生兰光和绿光用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍还有甚者,如果用"囚禁"原子的小颗粒量子点来存贮数据,制成量子磁盘,存贮度可提高成千上万倍会给信息存贮的技术带来一场革命

4囚禁冷却的原子和"原子激光"

绝对零度(10nK)附近囚禁原子,原子的热运动十分弱在磁场中,同时在三个方向上用激光照射被冷却的原子,原子将停留在激光的电场波动的谷内实验上已经可将成千上万个原子囚禁在一个很小的范围内有趣的是所有的原子还具有同样的动量发射出来,一束原子具有与激光一样的性质,即空间和时间的相干性人们在思考该如何利用这一束原子"激光"初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用

5纳米加工技术——通向纳米世界的桥梁

按照人们的意愿在纳米尺寸的世界中自由地剪裁按排材料,这一技术被称为纳米加工技术

纳米加工技术是纳米科学的重要基础,也包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题

例:纳米的孔或线里的原子的扩散

纳米尺度内相互运动时的摩擦在纳米世界内,所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑

纳米集成技术使不同材质的材料集成在一起,它既具有芯片的功能,又可以探测到电磁波,光波(包括可见光红外紫外线等)的信号,还同时能完成计算机的命令的动作

6扫描探针显微镜功不可没

历史发展

最早发明的光学显微镜,能观察我们肉眼看不见的生物细胞,后来发明了电子显微镜,能进一步看到细胞内部的结构这些都是在微米尺度上的观察所谓微米,就是头发丝的几十分之一到了20世纪八十年代,扫描隧道显微镜的发明,使人们的观察视野更深入了一步,进入到纳米层次纳米相当于头发丝的几十万分之一,能看到物质内部的分子和原子

1982年IBM公司苏黎士研究实验室的两位科学家比尼西(Binning)和卢勒(Rohrer)利用原子之间的隧道电流效应发明了扫描隧道显微镜(简称STM),从而使人们第一次直观地看到了原子分子,被人们称为可以看得见原子的显微镜

STM的发明解开了物理学中的很多问题,使两位科学家获得了1986年的诺贝尔物理学奖其后1986年原子力显微镜(简称AFM)诞生,它的出现加深拓宽了应用范围,可以综合地对物质表面的微结构(原子分子级别)信息,如成分温度硬度表面电势和电容绘图以及磁电粘着摩擦等信息进行测量和分析,因而它们又被称为继光学显微镜电子显微镜后的第三代显微镜

目前除了隧道显微镜(STM)原子力显微镜(AFM)以外,还有近场光学显微镜(NSOM)侧面力显微镜(IFM)磁力显微镜(MFM)极化力显微镜(SPFM)……已有二十多个品种但大量还处在实验室的产品研发阶段由于它们都是用探针通过扫描系统来获取图像,因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜(SPM)

SPM与前二代显微镜不仅成像原理不同,而且更为令人兴奋的是SPM中的某些品种还能操纵一个个原子分子最早的成果是IBM的科学家用一个个氙原子在铂表面上排布成IBM商标字样目前在操纵原子分子上又有很大发展,人们有朝一日终将按照自己的意志直接操纵一个个原子来制造具有特定功能的产品SPM使人类在纳米尺度上,观察改造世界有了一种新的工具和手段由于SPM的优良特性,使其一诞生便得到广泛的重视主要应用在教学科研及工业领域,特别是半导体集成电路光盘工业胶体化学医疗检测存储磁盘电池工业光学晶体等领域随着SPM的不断发展,它正在进入食品石油地质矿产及计量领域

工作原理

这种显微镜是基于量子力学的隧道效应,通过一个由压电陶瓷驱动的探针在物体表面作精确的二维扫描,其扫描精度达到几分之一毫微米(即纳米=10^-9)该探针尖端可以制成只有一个原子大小的粗细,并且位于距样品表面足够近的距离内,以使探针尖端与样品表面之处的电子支有些微重叠这时若在探针与样品表面之间加一上定的偏压,就会有一种被称作为隧道电流的电子流流过探针这种隧道电流对探针与物体表的间距十分灵敏,从而在探针扫描时通过感知这种隧道电流的变化就可以记录下物体表面的起伏情况这些信息再经计算机重建后就可以计算机屏幕上获得反映物体表面形貌的直观图象这就是扫描隧道显微镜的工作原理

这种显微镜轻而易举地克服了光学显微镜所受的Abbe囿限,能够以空前的高分辨率探测原子与分子的形状,确定物体的电磁与机械特性,甚至能确定温度变化的情况这种显微镜在物理学化学生物微电子学与材料科学等领域获得了极为广泛的应用,以至人们逐渐认识到:这类显微镜的问世不仅仅是显微技术的长足发展,而且标志着一个科技新纪元——纳米科技时代的开始