纳米科技及其发展前景

　　纳米科技是在20世纪80年代宋90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研发进行大量的投入，试图抢占这一21世纪科技战略制高点关注纳米科技的进展，尽快组织和部署我国纳米科技的发展规划，对于我国新世纪的发展影响深远

　　一、纳米科技的意义与发展过程

　　(1)纳米科技的定义。

　　如果将人类所研究的物质世界对象用长度单位加以描述，我们可以得到人类智力所延伸到的物质世界的范围目前人类能够加以研究的物质世界的最大尺度是Kfm(约10亿光年），这是我们已观测到的宇宙大致范围人类所研究的物质世界的最小尺度为1CF19m(0.1阿米）纳米科技中的“纳米”为rn^m，是1毫米的百万分之一。原子的直径在0.1-0.3个纳米之间。研究小于10-1()@以下的原子内部结构属于原子核物理粒子物理的范畴。纳米科技是指在纳米尺度（1nm到100nm之间)上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。当物质小到1至100纳米（rn9-10"7米)时，由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应，使物质的很多性能发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异现象纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

　　(2)纳米科技概念的提出与发展

　　最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者查德.费曼1959年他在一次著名的讲演中提出：如果人类能够在原子分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现他指出，我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题

　　1974年，Taniguchi最早使用纳米技术（Nan?otechnology)一词描述精细机械加工。70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。

　　纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末90年代初。80年代初发明了费曼所期望的纳米科技研究的重要仪器一一扫描隧道显微镜（STM)、原子力显微镜（AFM)等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办，〈〈纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世一门崭新的科学技术一纳米科技从此得到科技界的广泛关注。

　　(3)纳米科技的重要意义一一为什么会出现“纳米热”？

　　德国科学技术部早在1996年就对纳米技术市场做了预测，估计到2010年能达到14400亿美元美国《商业周刊》将纳米科技列为21世纪可能取得重要突破的3个领域之一(其它两个为生命科学和生物技术?从外星球获得能源）从1999年开始，美国政府决定把纳米科技研究列入21世纪前10年11个关键领域之一。2000年2月美国总统克林顿宣布联邦政府将以4.95亿美元优先实施新的“全美纳米科技计划(NNI)”国家科技委员会为此还专门成立了由各部门专家组成的“纳米科学与工程技术小组”（IWGN)，提出了研究报告《国家纳米技术倡议》报告形成后，总统科技助理写信给国会称:纳米技术将与信息技术或生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导下一场工业革命(Leadingtothenextindustrialrevolution)，应把它放在科学技术的最优先地位（Toppriority)

　　纳米科技的陡然升温不仅仅是尺度的缩小问题，实质是由于纳米科技在推动人类社会产生巨大变革方面所具有的重要意义所决定的纳米科技将促使人类认知的革命首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，在介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头;纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会。因此，对于还比较陌生的纳米世界中的尚待揭示的科学问题，科学家有着极大地好奇心和探索欲望

　　其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将承担对新理论和新发现重新学习和理解的任务而一旦对这一领域探索过程中，形成的理论和概念在我们的生产生活中得以广泛的应用，那么，人类将建立迥异于我们肉眼所能观察到的物质世界的新观念，它将极大地丰富我们的认知世界并给人类社会带来观念上的变革

　　第三，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择纳米科技推动产品的微型化?高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，减少人类对其的过分依赖，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上可持续发展的理论变为现实提供物质和技术保证纳米科技将引发一场新的工业革命由于量子效应，微电子器件的极限线宽一般认为是0.07微米（70纳米）根据美国半导体工业协会预计，到2010年半导体器件的尺寸将达到0.1微米（100纳米），这正好是纳米结构器件的最大长度。小于这一尺寸，所有的芯片需要按照新的原理来设计为了突破信息产业发展的瓶颈，我们必须研究纳米尺度中的理论问题和技术问题，建立适应纳米尺度的新的集成方法和新的技术标准。而在这一尺度上制造出的计算机的运算和存储能力将比目前微米技术下的计算机性能呈指数倍的提高，这将是对信息产业和其它相关产业的一场深刻的革命。同样，生命科技也面临着在纳米科技影响下的变革所以，人们认为纳米科技是未来信息科技与生命科技进一步发展的共同基础正如美国《新技术周刊》指出：纳米技术是21世纪经济增长的一个主要的发动机，其作用可使微电子学在20世纪后半叶对世界的影响相形见绌。

　　纳米科技不仅对信息和生物技术产业产生革命性的影响，而且也促使传统产业的“旧貌换新颜”。这是纳米概念在国内炒得沸沸扬扬的重要原因之一目前纳米技术已经渗透到某些传统产业中，如染料、涂料、食品等。比如通过纳米材料的研究，我们在化纤制品中加入纳米微粒，可以除昧杀菌通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间也延长了两倍多。这种对传统材料进行纳米改性的技术，企业应用的投入不大，而且市场前景广阔。

　　鉴于纳米科技对未来工业的革命性影响和对传统产业技术改造的广泛性，发达国家的企业为开拓巨大的潜在市场，正加强技术储备，努力占领战略制高点。

　　目前我国出现的“纳米热”，因纳米科技本身所蕴含的对人类生产生活的巨大推动作用，有其产生的必然性，而且这股热浪对于纳米科技在中国的蓬勃发展有着积极的促进作用。但是我们也应该看到，纳米科技作为国际上刚刚兴起的一门新兴的学科领域，有许多重大的基础问题还未解答，其全面走向应用尚需时日，因此，对于“纳米热”应予正确引导，防止将纳米科技的概念庸俗化

　　二、纳米科技的研究领域

　　由于纳米科技的多学科交叉性质，因此，纳米科技的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又往往与应用密不可分我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分为纳材料学、纳电子学、纳生物学、纳化学纳机械学与纳加工等等，但这种与学科紧密联系的分类方式，无法简单便捷地勾勒纳米科技的大致轮廓，各类之间而且又有交叉和重叠因此，为使大家对纳米科技有直观的了解，我们将介绍纳米科技中有代表性的纳米材料、纳米器彳牛、纳米检测与表征三类功用性很强的研究领域料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平，并且具有特殊性能的材料。其主要类型为:纳米颗粒与粉体纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。纳米材料由于其结构的特殊性，如大的比表面以及一系列新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)决定了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步优化了材料的电学热学及光学性能对于纳米材料的研究包括两个方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论;二是发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化稳定化。

　　(2)纳米器件。

　　纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。

　　如前所述，纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业。

　　纳电子学的目标是将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功能密度和数据通过量率达到新的水平。在纳米尺度下，现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新的效应，如量子效应利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件，象共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等与电子器件相比，量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降低1000倍）高效高集成度、经济可靠等优点。

　　为制造具有特定功能的纳米产品，其技术路线可分为“自上而下”（TopDown)和“自下而上”(Bot?tomUp)两种方式“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化;而“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。这种技术路线将减少对原材料的需求，降低环境污染

　　科学家希望通过纳生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应用生物学原理制造生物分子器件，目前，在纳米化工厂、生物传感器生物分子计算机、纳米分子马达等方面，科学家都做了重要的尝试

　　(3)纳米结构的检测与表征。能，发现新现象，发展新方法，创造新技术，必须建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上原位研究各种纳米结构的电、力、磁光学特性，纳米空间的化学反应过程，物理传输过程，以及研究原子、分子的排列组装与奇异物性的关系

　　扫描探针显微镜（SPM)的出现，标志着人类在对微观尺度的探索方面进入到一个全新的领域作为纳米科技重要研究手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。

　　所谓“眼睛”，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性

　　所谓“手”，是指SPM可用于移动原子、构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室

　　同时，与纳米材料和结构制备过程相结合，以及与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术的研究和开发也受到广泛重视如激光镊子技术可用于操纵单个生物大分子。

　　三、纳米科技前景的展望

　　(1)材料和制备

　　在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和成份来合成材料单元，制备更轻更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点；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，生物材料和仿生材料实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复

　　(2)微电子和计算机技术

　　纳米结构的微处理器的效率将提高一百万倍，并实现兆兆比特的存储器(提高1000倍);研制集成纳米传感器系统

　　(3)环境和能源。

　　发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境;制备孔径1nm的纳孔材料作为催化剂的载体，有序纳孔材料和纳米膜材料(孔径10-100nm)用来消除水和空气中的污染;成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。

　　(4)医学与健康

　　纳米技术将给医学带来变革:纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织;在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件;疾病早期诊断的纳米传感器系统

　　(5)生物技术

　　在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，在纳米材料和器件中植入生物材料使其兼具生物功能和其他功能，生物仿生化学药品和生物可降解材料;动植物的基因改善和治疗，测定DNA的基因芯片等

　　(6)航天和航空

　　纳米器件在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载荷，更重要的是使耗能指标成指数倍的降低?这方面的研究内容还包括:研制低能耗、抗辐照、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试控制仪器和电子设备；抗热障耐磨损的纳米结构涂层材料

　　(7)国家安全

　　由于纳米技术对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队在预警导弹拦截等领域快速反应;通过纳米机械学，微小机器人的应用，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性;用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高;通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐腐蚀?吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等

　　四、发达国家在纳米科技方面的研究水平和部署状况

　　美国前总统克林顿2000年在加州理工学院的演讲中说:“纳米技术能在原子和分子水平上操纵物质想一下这样的可能性:强度为钢10倍的材料而重量只有钢的一小部分;把国会图书馆的所有信息压缩进一个只有一块方糖大小的器件中；能检测出只有几个细胞大小的肿瘤。有些目标可能在20年后才能实现，但这正是联邦政府应该承担的重要责任”正是由于纳米科技对国家未来战略的重大影响，发达国家的政府和企业纷纷投入大量人力、物力和财力进行纳米科技的研究和产业化

　　(1)发达国家在纳米科技领域内的发展水平。

　　当前，美国已在纳米结构组装体系、高比表面纳米颗粒制备与合成，以及纳米生物学方面处于领先地位，在纳米器件纳米仪器超精度工程陶瓷和其它结构材料方面略逊于欧共体。日本在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，在分子电子学技术领域仅次于德国德国在纳米材料、纳米测量技术、超薄

　　(2)发达国家对纳米科技领域的部署美国于2000年2月宣布启动“国家纳米科技计划（NNI)”，在2001年财政年度拨款4.95亿美元以加强研究实力。政府实施这项计划的根据是:今天的纳米技术就像50年代的晶体管一样，其科研和工业化的应用将进一步促进美国经济的发展;为美国培养新世纪的技术人才;增强美国国际科技竞争力的需要;节约资源能源，保证美国未来的可持续发展；纳米技术是开发未来微型武器的技术基础，是国防工业的未来参与这项计划的机构包括国家科学基金会（NSF)、国防部（DOD)能源部（DOE)国立卫生研究院（NIH)国家航空航天局（NASA)商务部(DOC)以及国家技术标准研究所(NIST)这项计划将优先支持5个方面:基础研究;创新性应用项目；成立10个纳米中心（已建成6个）和网络;基础设施;人员教育与培训、研究纳米技术所引起的伦理法律及社会问题。

　　德国拟建立或改组六个政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的研究计划。

　　法国最近决定投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6万平米拥有3500人的微米鈉米技术发明中心，配备最先进的仪器设备和超净室，并成立微米纳米技术之家，专门负责申请专利和帮助研究人员建立创新企业

　　日本除继续推动早已开始的纳米科技计划外，每年投资2亿美元推动新的国家计划和新的研究中心建设。

　　西方国家的目标在于在基础和应用基础研究领域作前瞻性的部署，取得知识产权，占领战略制高点，并与企业结合，迅速推动已有科研成果走向市场并获得战略优势。

　　五、我国纳米科技的发展状况我国对纳米科技的重要性已有较高的认识，并给予了一定的支持。国家科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院等部门从“八五”、“九五”开始就设立了“攀登计划”项目和相关的重点、重大项目，1999年科技部又启动了有关纳米材料的“国家重点基础研究”项目。我国通过这些项目对纳米科技领域资助的总经费大约相当于700万美元，与发达国家相比，投入经费相差很大

　　我国的纳米科技研究，特别是在纳米材料方面取得了重要的进展，并引起了国际上的关注1995年，德国科技部对各国在纳米技术方面的相对领先五等级，前四个等级为日本、德国、美国、英国和北欧

　　从受资助项目来看，我国的研究力量主要集中在纳米材料的合成和制备，扫描探针显微学，分子电子学以及极少数纳米技术的应用等方面。但由于条件所限，研究工作只能集中在硬件条件要求不太高的一些领域虽然我国科学家在纳米碳管纳米材料的若干领域已取得一些很出色的研究成果，但国家在纳米科技领域的总体水平与美、日、欧相比，差距还是很大的，尤其是在纳米器件方面差距更为明显

　　目前，我国拥有一支比较精干的纳米科技研究队伍，他们主要集中在中国科学院的有关研究所，北京大学清华大学中国科技大学南京大学复旦大学等国内一批知名高校为集中本系统内的纳米研究的主要力量，北京大学和中国科学院还相继成立了各自的纳米科技研究中心。

　　2000年10月1日，中央十五届五中全会通过《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年计划的建议》，明确提出了将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务这为我国21世纪初纳米科技的快速发展奠定了重要的基础

　　六、对策与建议

　　发展我国纳米科技的重要意义在于:首先，纳米科技将在21世纪对我们的社会、经济以及国家安全产生重大影响具有知识经济时代特征的21世纪，将是生命科技和信息科技高速发展和广泛应用的时代而纳米科学和技术将促进包括生命科技信息科技在内的几乎所有技术的飞速发展西方发达国家对此正在积极筹划，以期达到知识垄断。目前西方的国家和企业已将纳米核心技术列为绝对的国家机密和商业机密，严格限制对我国的出口其次，发展纳米科技将极大提高我国的科技竞争力纳米科技兴起于80年代初，对于世界各国来说都属全新的科技领域，尽管我国与发达国家尚有不小差距，但我们在纳米材料领域基本与国际先进水平保持同步，只要措施得当，我们完全有可能赶上发达国家的步伐第三，纳米科技将促进我国传统产业的改造由于现实的纳米科技，尤其是纳米材料在改造传统产业方面所表现的投入少、见效快?市场前景广阔等特点，在以传统产业为主的我国企业内比较容易推广，因此，纳米科技的应用已得到我国企业界的广泛响应，这为纳米科技在中国发展奠定了重要的动力基础。

　　有鉴于此，为增强我国的国际科技竞争力和经济竞争力，促进第三步发展战略的顺利实施，保障我国未来的可持续发展和国家安全，必须大力加强纳米科技的研发工作，动员多学科、跨部门和跨行业的力量参加到这一领域中来

　　我国纳米科技存在的问题主要表现在多学科交叉融合程度不够、缺乏重要的实验设施基础研究薄弱、信息交流少。为克服和解决这些问题，使我国能够抓住机遇，迎头赶上，为此建议：

　　1.应在国家层次上确定我国纳米科技的发展战略，制订我国的纳米科技发展的近期中长期规划兼顾基础研究、应用研究和开发研究的协调发展，推动科技成果产业化，协助有关部门尽快制定与纳米科技相关的产品技术标准

　　2.成立国家级的“纳米科技专家咨询小组”。协助政府做好我国纳米科技战略的制订和研究开发工作

　　3.成立国家纳米科技研究和工程中心，集中投入能够为纳米科技的发展提供服务的技术平台，并组织协调科研机构、大学国家实验室、产业界的共同参与。步得到提高，并且今后不间断地对教师进行培训，更好地保证教学质量；（4)加强实验实习基地的建i设除充分利用学院现有实验实习条件外，逐年增加实验设备仪器，新建网络实验室、会计实验室等。另外积极与企业联合，尤其是一些生产条件先进的企业，与这些企业建立良好的校企合作关系，使学生在接受高等职业教育期间，能够受到良好的职业技能训练（5)加强就业指导工作。

　　积极做好市场调查工作，最大限度掌握人才需求信息，做好学生择业思想教育、职业道德教育、人生观、世界观教育，使学生能正确认识合理选择岗位职业，学以致用，较好地发挥自己的作用，为社会主义现代化建设做出贡献。