纳米：你将为我们奉献什么(1)
　2001-03-14 15:41:44

　　 不久前，我国在世界上首次直接观察到纳米金属材料在室温下自然伸延后，又在纳米材料过热领域内首次发现固体纳米薄膜能在超过它正常熔点60C以后仍然保持不熔化；最近，我国又首次利用碳纳米管研制出新一代显示器样品，这标志着我国在碳纳米管应用上取得重要突破，并跻身世界先进行列，为通用平板显示器的研发开辟了新的捷径，在碳纳米管平板显示器实用化进程中做出了中国人的独特贡献。近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起国际关注。国际间纳米技术研究的竞争现在愈演愈烈。纳米技术究竟研究什么？它与我们的生活有什么关系呢？为此，记者专门采访了中国科学院物理研究所解思深研究员。记者（以下简称记）：最近，纳米一词在媒体频频出现，请您解释一下什么是纳米？纳米技术是研究什么的？解思深｛以下简称解）：人们普遍认为，纳米科学技术是信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础。纳米科学技术是在纳米尺度内，通过对物质反应、传输和转变的控制来实现创造新的材料、器件和充分利用它们的特殊的性能，并且探索在纳米尺度内物质运动的新现象和新规律。纳米是一种几何尺度的量度单位，它的长度为一米的十亿分之一米，略等于4至5个原子排列起来的长度。它正好处于原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，被称为纳米世界，也是物理、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。50年代钱学森的“物理力学”就是企图连接微观世界和宏观世界的前驱工作之一。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。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”。“超分子”的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色及水溶性都有重大变化，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。通俗来说，纳米材料一方面可以被当做一种“超分子”，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以被当做一种非常小的“宏观物质”，以至于表现出前所未有的特性。同时，许多化学和生物反应的过程也发生在纳米尺度的层面上，因此探测纳米尺度内物理、化学和生物性质的变化，将加深对生命科学的理解。对由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组合它们，是当今纳米科学技术的主要问题之一。当代纳米科学技术的研究领域集中在三个方面：第一，具有特殊性能的纳米材料和纳米结构的研究，以及在改善传统材料的综合性能的应用，如以纳米技术为依托，开发比现有的钢的强度高十倍，而比重大大降低的新的结构材料；第二，设计、制备新型纳米结构和器件，以推动信息、能源、环境、医疗、农业及航天技术的革新和发展，如信息技术中的新型存储、显示和运算器件；第三，纳米加工和纳米探测技术的实践应用，如能探测只有几个癌变细胞的手段等。再如，微米尺度的加工和结构材料是当代微电子工业的支柱，而纳米技术（包括制备和加工等）和纳米材料将成为下一代微电子学器件的基础。纳米科技发展中，纳米材料是它的前导，在现阶段应该给以特别的支持。因为，纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，其中最应该指出的是纳米材料是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一，可能会产生全新的物理、化学现象。记：现在，纳米技术的发展正处于打基础阶段，目前应用还不广泛，但是它的应用前景已经展现在人们的眼前了，纳米技术与人类的生活有什么关系？也就是说，纳米技术会给我们带来什么好处呢？解：纳米技术的发展对人类的影响是很大的，它所带动的技术革命远远超过电子技术对人类的影响。当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农业等方面。用纳米材料制作的器材重量将更轻、硬度将更强、寿命将更长、维修费用将更低、设计起来更方便。利用纳米技术还可以以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破坏过程中进行纳米级损伤的诊断和修复。目前，纳米材料在仪器、化妆品、医药、印刷、造纸、电子、通讯、建筑及军事等方面都得到越来越多的应用。纳米材料是纳米科学技术最基本的组成部分。现在可以用物理、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。如果按照一般的经验，原子与原子之间的距离为0．2纳米左右，可以估计出在尺寸为1纳米的立方体“颗粒”中、“立方颗粒”的每一边上只能排列5个原子，总体可容纳125个原子、但是其中98个原子在表面上。众所周知，表面上的原子只受到来自内部的一侧的原子的作用。因此，它们很容易与外界的气体、流体甚至固体的原子发生反应，也就是说十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。另外，用纳米金属颗粒粉体作催化剂，可加快化学反应过程，大大地提高化工合成的产率。如果把金属纳米材料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。人们幻想在下一个世纪，总有一天会制造出如此神奇性质的纳米钢材和纳米铝材。用这种材料制造汽车、飞机或轮船，会使它们的重量减少到1／10。到那时，一辆摩托车的重量会变成只有20——30千克，一个女孩子就可以轻易地将它扛起来。人们日常生活中最常用的陶瓷材料具有硬而脆的特点，硬是指它可以做刀具切削金属，脆是指它经不住冲击。陶瓷的另一个长处是耐高温，在10000C的高温下也不变形。现在，用纳米陶瓷粉制成的陶瓷已经表现出一定的塑性，这个问题一旦被彻底解决，会在汽车发动机上大显身手，彻底甩掉发动机的冷却水套，使发动机工作在更高的温度下，汽车跑得更快、飞机会飞得更高。纳米陶瓷粉体作为涂料的添加剂已得到广泛的应用，这些特种涂料涂在塑料或木材上，具有防火、防尘和耐磨的性能。如果将透明、疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或瓷砖、玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，瓷砖和玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。任何粘在表面上的物质，经阳光的照射，都会在纳米的催化作用下，变成可以蒸发的气体或者容易被擦掉的物质，建筑物不再会变得脏乎乎的，家庭里的卫生设备也不必每天清洗了。将这种纳米颗粒放到织物纤维中去，做成的衣服不会沾上灰尘，省去不少洗衣服的麻烦。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。平常人们戴的变色镜变色的迅速较慢，用纳米材料做成的变色镜就不一样了，变色速度很快，用它做士兵的防护激光镜是再好不过了。用纳米氧化物材料作成广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型激光的光源，它还可以吸收太阳光中的光源，把它们直接变成电能。这种技术一旦实现，太阳能汽车、太阳能住宅就会成为现实，到那时，人们居住的环境将更加美丽，空气更加清新。利用特种半导体纳米材料使海水淡化已得到应用；半导体纳米材料作成的各种传感器，可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。把不容易被人体吸收的药物或食品，如维生素等做成纳米粉或纳米粉的悬浮液极易被人体吸收。如果在人体外部加以导向，可利用纳米药物阻断毛细血管饿死癌细胞，那么药物治疗的效果会大大提高。纳米颗粒还可以用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来携带DNA进行DNA治疗基因缺陷。如果把纳米药物做成膏药贴在患处，药物可以通过皮肤直接被吸收，而无须针管注射，少去了注射的感染。纳米传感系统能进行病症的早期诊断，利用纳米材料还能制作耐用的人体友好的人工组织和器官、复明和复聪器件，提高病人的生活质量。为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究及成果，首先要能按照人们的意愿在纳米尺度的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。实际上，一方面纳米加工技术是纳米材料的重要基础、另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说，在一个粗细为几纳米的孔或线里，原子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一般而言，原子运动的自由程为几个微米，在此长度上，原子发生碰撞，进行热扩散器壁的作用可忽略不计，可在纳米孔或线内，原子的扩散主要是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子，一般认为物体之间相互运动时的磨擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的磨擦力越小，在纳米世界里，材料表面越小，相互之间距离很近，以至于使两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此，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。纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探测到电磁波、光波（包括可见光红外线、紫外线等）信号，同时还能完成电脑的命令。如果将这一集成器件安装在卫星上，可以使卫星的重量大大地减小。当前人们已经在考虑用“小鸟”卫星部分地代替现有的卫星系统。如果在卫星上用纳米集成器件，“小鸟”卫星将更小，更容易发射，成本也更便宜。最近，各国科学家正在致力于研究的碳纳米管材料，是一种非常独特的材料。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个纳米。这样的材料很轻，但是很结实。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，是惟一可以从月球上挂到地球表面，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，人们到月球定居就很容易了。纳米管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可以做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业新的方向。不像电子，原子在室温下都能有强烈的扩散运动，要囚禁原子，首先要把它们的温度冷却到绝对零度附近，一般要求到十万分之一至一百万分之一开尔文。这时原子的热运动十分弱，在三个方向上用激光照射被冷却的原子，原子将停留在激光电场波动的谷内，实验上已经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。如果将它们发射出来，这一束原子具有与激光一样的性质，即空间和时间的相干性，人们正在思考如何利用这束原子“激光”。初步认为在通信和物质探索上会有重要的应用。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，原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态，变成只能具有某动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接的结果表现在，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，原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内就不再成立了。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，这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，把他们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是人们想象的那么简单。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，被囚禁的电子可不那么“老实”，按照量子力学的规律，有时它可以穿过“监狱”的“墙壁”逃逸出来，一方面在新一代芯片中似乎不用连线而相关联在一起，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。归根结底，在这一世界中电子应被看成是“波”而不是一个粒子。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现，但是真要用在工业上还需要时间。被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是会使材料发出强的光。“量子点列激光器”或“级联激光器”的尺寸极小，但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发生蓝光或绿光，用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。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。

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