隧道效应毕业论文

最近的实验表明，当粒子通过量子力学的“隧道”穿过势垒时，它们的速度应该能够比光速更快。

就在量子力学的基本方程刚被发现之时，物理学家就发现了该理论允许的最奇怪的现象之一：量子隧穿（quantum tunneling）。该现象显示了电子等微观粒子与更大的物体之间可以有多么深刻的区别。当我们把皮球扔到墙上时，它会弹回来；当球滚到山谷的底部时，它就呆在那里。然而，粒子偶尔会越过或穿过“墙壁”（势垒）。正如两位物理学家在1928年的《自然》（Nature）杂志上所写的那样，粒子有可能“滑过大山，逃离谷底”，这是对隧穿效应最早的描述之一。

物理学家很快发现，粒子穿越障碍物的能力可以解决许多谜团。它解释了各种化学键和放射性衰变，以及太阳中的氢核如何克服彼此之间的排斥并融合，从而产生阳光。但物理学家们开始感到好奇。这种好奇起初是温和的，后来却有些病态。他们想知道，一个粒子穿过势垒需要多长时间？

麻烦在于，有关这个问题的答案都讲不通。

科学家第一次试探性地计算隧穿时间是在1932年。甚至更早之前，可能也有人进行过私下的尝试，但正如加拿大多伦多大学的物理学家阿弗雷·斯坦伯格（Aephraim Steinberg）所说，“当你得到一个你无法理解的答案时，你就不会发表它。”

直到1962年，美国德州仪器公司的半导体工程师托马斯•哈特曼（Thomas Hartman）才发表了一篇论文，明确阐述了这一数学理论的惊人含义。

哈特曼发现，势垒似乎可以作为一条捷径。在粒子隧穿时，当有势垒存在时，所花的时间会更少。更令人吃惊的是，他计算出，势垒的增大几乎不会增加粒子穿越障碍物所需的时间。这意味着，如果势垒足够“厚”，粒子从一侧跳跃到另一侧的速度要比在真空中穿越同样距离的光还要快。

简而言之，量子隧穿似乎允许比光还快的旅行，但这在物理上是不可能的。“在哈特曼阐述该效应之后，人们就开始担心了，”斯坦伯格说道。

讨论持续了几十年，部分原因是隧穿时间问题似乎触及了量子力学中一些最神秘的部分。以色列威兹曼科学院的理论物理学家埃里·波拉克（Eli Pollak）说：“这涉及到诸多一般性问题，包括时间是什么？我们在量子力学中如何测量时间？它的意义是什么？”物理学家最终推导出至少10种有关隧穿时间的数学表达式，而每一种都反映了隧穿过程的不同视角。当然，这些数学表达式都没能解决这一问题。

现在，量子隧穿时间的问题又回来了，一系列在实验室中精确测量隧穿时间的精巧实验推动了这方面的进展。

《自然》杂志在今年7月份报道了迄今为止最受好评的量子隧穿测量实验，其中，斯坦伯格在多伦多的研究小组使用了名为“拉莫尔钟”（Larmor clock）的方法，测量了铷原子穿过排斥激光场需要多长时间。

澳大利亚格里菲斯大学的物理学家伊戈尔·利特文亚克（Igor Litvinyuk）说：“拉莫尔钟是测量隧穿时间的最佳和最直观的方法，而这个实验第一次非常精确地进行了测量。”在2019年，利特文亚克曾在《自然》杂志上报道了另一种测量隧穿时间的方法。

美国明尼苏达州康科迪亚学院的理论物理学家路易斯·曼佐尼（Luiz Manzoni）也认为，拉莫尔钟方法的测量结果令人信服。“他们测量的确实是隧穿的时间，”他说。

最近的实验使人们重新注意到一个尚未解决的问题。在哈特曼发表论文后的60年里，无论物理学家如何小心翼翼地重新定义隧穿时间，或者在实验室里如何精确地进行测量，他们都发现量子隧穿总是表现出哈特曼效应。量子隧穿几乎绝对是超光速的。

“一个隧穿粒子怎么可能比光速还快？”利特文亚克说，“在进行测量之前，这纯粹是理论上的推测。”

什么时间？

隧穿时间很难精确测量，因为现实本身就是如此。在宏观尺度上，一个物体从A到B所需要的时间等于距离除以物体的速度。但是量子理论告诉我们，同时精确地了解距离和速度是不可能的。

在量子理论中，一个粒子具有一系列可能的位置和速度。只有在测量时，才能从这些选项中得出确定的属性。这一过程如何发生是物理学中最深刻的问题之一。

因此，在粒子撞击探测器之前，它无处不在，又处处都在。这使得我们很难判断粒子之前在某个地方（比如在某个势垒内）停留了多长时间。利特文亚克说：“你无法说明它在那里停留了多长时间，因为它可以同时出现在两个地方。”

为了在量子隧穿的背景下理解这个问题，我们可以画一个钟形曲线来表示一个粒子的可能位置。这个钟形曲线称为波包（wave packet），其中心位置是A。现在想象一下，波包像海啸一样向势垒移动。量子力学方程描述了波包如何在碰到势垒时一分为二。大部分粒子反射回来，朝向A运动，但有一个较小的概率峰值会滑过屏障，继续向B运动。因此，这个粒子有机会被那里的探测器记录下来。

然而，当一个粒子到达B点时，我们能否测量它的行程，或者它在势垒中的时间？在这个粒子突然出现之前，它是一个两部分的概率波——既反射又透射。它既进入了势垒又没有进入。“隧穿时间”的含义在这里变得模糊不清。

然而，任何从A点开始到B点结束的粒子都不可否认地会与两者之间的势垒相互作用，而这种相互作用就像埃里·波拉克所说，“是时间上的东西”。问题在于，究竟是多少时间？

20世纪90年代，当斯坦伯格还是研究生时，他就对量子隧穿时间问题有着“表面上的痴迷”。他解释说，这个问题的根源在于时间的特殊性。物体有一定的属性，比如质量或位置；但它们没有一个我们可以直接测量的内在“时间”。“我可以问你，‘棒球的位置在哪里？’但是问‘棒球的时间是几点？’就没有意义了，”斯坦伯格说，“时间不是任何粒子所拥有的属性。”相反，我们追踪世界上的其他变化，比如时钟的滴答声（本质是位置的变化），并将其中的增量称为时间。

但是在量子隧穿的情况下，粒子本身内部没有时钟。那么在测量时应该追踪哪些变化？物理学家已经发现了无数可能的隧穿时间衡量指标。

隧穿时间

哈特曼，以及在他之前于1932年进行尝试的勒罗伊·阿奇博尔德·麦科尔（LeRoy Archibald MacColl），采用了最简单的方法来衡量量子隧穿所需的时间。哈特曼计算了在自由空间中的粒子与必须越过势垒的粒子从A点到B点最可能的时间之差。他通过考虑垒位如何改变透射波包峰值的位置，使这一计算成为可能。

但是，除了暗示势垒可以使粒子加速以外，这个方法还存在一个问题。你不能简单地比较一个粒子波包的初始峰值和最终峰值。计算粒子最有可能的出发时间（当钟形曲线的峰值位于A点）与最有可能的到达时间（当峰值达到B点）的差值并不能告诉你任何单个粒子的飞行时间，因为在B点探测到的粒子并不一定从A点出发。在最初的概率分布中，它可能处于任何位置，包括钟形曲线的前端，这里更接近势垒。这就给了它一个迅速到达B点的机会。

由于粒子的确切轨迹不可知，研究人员开始寻求一种更具概率性的方法。他们考虑了这样一个事实：当一个波包撞击一个势垒之后，在每一个瞬间，粒子都有一些概率处于势垒内部（也有一些概率不在）。然后，物理学家将每一时刻的概率相加，再得出平均的隧穿时间。

至于如何测量概率，从20世纪60年代末开始，物理学家们便设想了各种各样的思维实验。在这些实验中，“时钟”可以附于粒子本身。如果每个粒子的时钟只在势垒内滴答作响，而且你可以读取许多透射粒子的时钟，那它们就将显示不同的时间范围，平均之后变得到隧穿时间。

当然，所有这些都说起来容易做起来难。雷蒙·拉莫斯（Ramon Ramos）是7月份发表在《自然》杂志上那篇论文的第一作者，他说：“他们只是想出了一些疯狂的主意来测量这段时间，并且认为这永远不会发生。现在科学已经进步了，我们很高兴能将这个实验变成现实。”

嵌入式时钟

尽管物理学家从20世纪80年代就开始测量隧穿时间，但是近年来兴起的超精确测量始于2014年，由苏黎世联邦理工学院的乌苏拉·凯勒（Ursula Keller）实验室率先实现。她的团队使用一种名为“阿秒钟”（attoclock）的技术来测量隧穿时间。在凯勒的阿秒钟中，来自氦原子的电子遇到了一个势垒，而这个势垒就像时钟的指针一样在适当位置转动。电子隧穿最常发生在电子势垒处于某一特定方向的时候，我们称这个方向为阿秒钟的“正午”。然后，当电子从势垒中出现时，它们会被踢向一个取决于此时势垒排列的方向。为了测量隧穿时间，凯勒的团队测量了“正午”（对应大多数隧穿事件开始的时间）与大部分出射电子的角度之间的角差。他们测量到了50阿秒（1阿秒为十亿分之一秒的十亿分之一，即1 10^-18秒）的差值。

在2019年发表的论文中，利特文亚克的团队改进了凯勒的阿秒钟实验，将氦原子换成了更简单的氢原子。他们测量到的时间甚至更短，最多为2阿秒，这表明隧穿效应几乎是瞬间发生的。

然而，一些专家后来得出结论，认为阿秒钟测量的时间长度并不能很好地代表隧穿时间。曼佐尼于2019年发表了一篇对测量结果的分析论文，认为这种方法与哈特曼关于隧穿时间的定义一样存在缺陷：从事后的角度看，从势垒中隧穿而出的电子可以说原本就领先一步。

与此同时，斯坦伯格、拉莫斯与他们在多伦多大学的同事大卫·施皮林斯（David Spierings）和伊莎贝尔·雷切科特（Isabelle Racicot）进行了一项更有说服力的实验。

这种替代方法利用了许多粒子的自旋属性。在量子力学中，自旋是粒子的内禀性质，由此可以产生一个磁场。在测量时，自旋就像一个箭头，只能指向上或下。但在测量之前，自旋可以指向任何方向。正如爱尔兰物理学家约瑟夫·拉莫尔（Joseph Larmor）在1897年发现的那样，当粒子处于磁场之中时，自旋的角度会旋转，或称“进动”（precesses）。多伦多大学的研究小组便利用这种进动来充当所谓“拉莫尔钟”的指针。

研究人员使用一束激光作为势垒，并开启其中的磁场。然后，他们准备了自旋朝特定方向排列的铷原子，并让这些原子向势垒漂移。接下来，他们测量了从势垒另一侧出来的原子的自旋。测量任何单个原子的自旋总是会返回一个“上”或“下”的模糊答案。但是通过反复测量，收集到的测量结果将会揭示原子在势垒内部进动角度的平均值——以及它们通常在那里停留的时间。

研究人员报告称，铷原子在势垒内的平均时间为毫秒，与20世纪80年代理论预测的拉莫尔钟时间一致。这比原子在自由空间中运动的时间还要短。因此，这些计算表明，如果势垒足够厚，加速会使原子隧穿的速度比光速还快。

谜题而非悖论

阿尔伯特·爱因斯坦在1907年意识到，他提出的相对论使超越光速的通信成为不可能。想象两个人，爱丽丝和鲍勃，以极高的速度分开。由于相对论，他们各自的钟表报时不同。一个结果是，如果爱丽丝向鲍勃发送一个比光还快的信号，而鲍勃立即向爱丽丝发送一个超光速的回复，那么鲍勃的回复就能在爱丽丝发送初始信息之前到达她那里。“已经实现的效果先于原因，”爱因斯坦写道。

专家们普遍相信，量子隧穿并没有真正打破因果关系，但对于为什么不会的确切原因还没有达成共识。“我觉得我们对这个问题的看法并不是完全统一的，”斯坦伯格说，“这是一个谜，而不是悖论。”

有些很好的猜想被证明是错误的。曼佐尼在21世纪初听说超光速隧穿问题后，与一位同事重新对此进行了计算。他们认为，如果考虑相对论效应（对于快速移动的粒子，时间会变慢），隧道效应会降至亚光速。“让我们惊讶的是，超光速隧穿也是可能存在的，”曼佐尼说，“事实上，这个问题在相对论量子力学中更为极端。”

研究人员强调，只要不允许发出超光速信号，超光速隧穿就不是问题。这一点与爱因斯坦感到困惑的“鬼魅般的超距作用”类似。超距作用指的是相距遥远的粒子具有相互“纠缠”的能力，因此对一个粒子的测量可以同时确定两个粒子的属性。这种远距离粒子之间的即时联系并不会产生矛盾，因为它不能用来从一个粒子向另一个粒子发送信号。

不过令人惊讶的是，相比物理学家对超距作用的绝望程度，对超光速隧穿的研究却很少令人过于惊诧。“对于量子隧穿，你不是在处理两个独立的系统，它们的状态也不是以一种令人毛骨悚然的方式联系在一起，”在剑桥大学研究隧穿时间问题的格雷斯·菲尔德（Grace Field）说，“你是在处理一个在空间中行进的单一系统。在某种程度上，它似乎比纠缠状态还要古怪。”

在一篇发表在9月份《新物理学期刊》（New Journal of Physics）上的论文中，埃里·波拉克和两位同事认为，超光速隧穿之所以不允许发送超光速信号，是出于统计学的原因：尽管在极厚势垒中发生的隧穿非常快，但这种事件发生的概率是极其低的。信号发送者总是倾向于通过自由空间发送信号。

但是，为什么不能在超厚势垒上爆炸大量的粒子，希望其中一个能以超光速通过呢？难道仅仅一个粒子就不足以传达信息并打破物理学定律吗？斯坦伯格赞同这种情况的统计学观点，但认为单个隧穿粒子无法传递信息。一个信号需要细节和结构，在尝试发送任何一个详细信号时，通过空气发送总是比通过一个不可靠的势垒更快。

波拉克表示，这些问题将是未来研究的主题，“我相信斯坦伯格的实验将会推动更多的理论。未来研究会通向哪里，我不知道。”

这些思考将带来更多的实验，有些实验已经在斯坦伯格的计划清单上。他表示，通过确定磁势垒中不同区域的磁场位置，他的团队计划探测的“不仅包括粒子在势垒中停留了多长时间，还包括粒子是在势垒中哪里停留的”。理论计算预测，铷原子大部分时间都在势垒的入口和出口附近，但在势垒中间的时间很少。“这有点令人惊讶，一点也不符合直觉，”雷蒙·拉莫斯说道。

通过 探索 大量隧穿粒子的平均经历，研究人员描绘出了一幅关于势垒内部的画面，比量子力学先驱在一个世纪前所预期的还要生动形象。在斯坦伯格看来，尽管量子力学给人以不可思议的印象，但这些进展让人们明白了一点：“当你看到一个粒子在哪里结束时，你就会知道它之前在做什么。”（任天）

自由电子在导体中1.要做不规则的热运动 2.如果形成电流了，还要参与速度极小的定向运动。电流大小与定向移动的速度有关，于热运动速度无关。仅仅给个参考，资料还是到图书馆找资料吧！

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纳 米 科 技丁福全前 言一、纳米与纳米科技的基本概念二、纳米科技发展的十年三、“纳米热”四、纳米技术的应用五、结束语参考文献纳 米 科 技——21世纪高科技三剑客之一前 言人类从工业经济向知识经济转变的时代，正好是20世纪和21世纪交替的时候。所以说20世纪是工业经济高度发展的世纪，那么21世纪，则是知识经济如日东升的世纪。知识经济的基本特征预示着21世纪人类经济，乃至整个人类社会，将发生许多深刻的变化，经济发展的持续性，将把人类推向一个新的文明时代。人类的知识，不仅是“重新安排”物质的知识，使之得到充分的发展。重新安排“人类精神”的知识，也将得到更大的发展。今天，纳米科技开发的大潮正在全球掀起。这是人类科学进步的又一体现，是发展新经济的又一次机遇，是人类创造科技奇迹的又一次大好机会。因此，各国的科技力量云集于这个纳米科技开发的大战场。排好队形，摆开阵势，决战这个战场。有人说，这是一场无硝烟的激战，是一场高科技领域的世界角逐。其科技含量和创造辉煌的程度将超过人类任何一次科技成就。一、纳米与纳米科技的基本概念“纳米”是英文namometer的译名。另一种说法“纳米”一词源自于拉丁文“NANO”，意思是“矮小”。纳米是一个度量单位，是一个长度单位。纳米材料构筑的物质，是看不到，摸不着的微细物质。1纳米，即1nm=10-9m，也就是十亿分之一米，约相当45个原子串在一起的长度，或者说，1个纳米大体上相当于4个原子的直径。如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃弹球大小相比。人的一根头发直径约为80μm（微米），即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝的直径上就可写入8000字，相当于一篇较长的科技论文容量。所谓纳米科技是以1~100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新兴学科，就是指通过一定的微细加工方式，按人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造新功能的器件、机器以及其它各方面应用的科学与技术。可见，纳米科技的首要任务就是要通过各种手段，如微细加工技术和扫描探针技术等来制备纳米材料或具有纳米尺度的结构；其次借助许多先进的观察测量技术与仪器来研究所制备纳米材料或纳米尺度结构的各种特性，最后根据其特殊的性质进行有关的应用。所以，从一定程度上讲，纳米材料、纳米加工制造技术以及纳米测量表征技术构成为纳米科技发展的三个非常重要的支撑技术。纳米科技开发领域，主要有：纳米体系物理学、纳米体系化学、纳米材料学、纳米电子学、纳米光子学、纳米机械学、纳米加工制造学、纳米表征测量学及纳米医学，等等。二、纳米科技发展的十年追求新鲜和进步是人类文明的动力。纳米科技形成独立学科领域是在20世纪90年代，1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议（Nano I），成立了常设机构——顾问委员会，中国是成员之一。该委员会将纳米科技的研究范围分为6个部分。纳 米 学 科 分 类纳米电子学纳米物理纳米化学纳米生物学纳米机械纳米测量1993年8月在莫斯科召开了第二届国际纳米科技会议(Nano Ⅱ)1996年在北京召开了第四届国际纳米科技会议(Nano Ⅳ)。2000年在德国举行了第六届国际纳米科技会议（Nano Ⅵ）。三、“纳米热”纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。现今发达国家的主导工业已是以微电子为基础的电子工业，不再是钢铁、材料、能源、化工、交通。目前所有发达国家的政府和企业都在对纳米科技的研究、开发进行大量的投入，试图抢占21世纪战略技术的制高点。2000年1月，美国克林顿总统在加州理工学院演讲时说：“我们将在原子和分子水平操纵物质。想象一下这样的可能性：材料具有10倍于钢的强度，而重量只有钢的六分之一；把国会图书馆的所有信息压缩进入一个只有一块方糖大小的器件；在肿瘤只有几个细胞大小时就能检测出来” 。2001年1月18日。中国成立了中国纳米科技指导协调委员会，制订发展中国纳米科技的计划。目前国家已初步规划在北京、上海成立北、南两个研发中心（纳米科技创新基地）。当前我国纳米科技发展的主要任务是：①加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作；②突破一批纳米科技发展共性关键技术；③开拓纳米材料和器件的应用，培育相关产业；④建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地；⑤建设高素质的纳米科技骨干队伍。德国国家科学技术部于1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元。四、纳米技术的应用(一) 纳米材料1. 纳米材料与纳米结构的定义广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1~100mm）或由他们作为基本单元构成的材料。纳米结构是指由纳米尺度的基本单元按照一定的规律构建或组装成的一维、二维或三维体系。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。2. 纳米材料的特性（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。3. 纳米材料的应用纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用。包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的“头盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。纳米塑料，是一种高强度、不老化的新颖塑料。它的硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，不发生变性情况。如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。（二）纳米电脑电脑是20世纪人类的一大发明。由于纳米材料和纳米技术的出现，由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。有所谓蛋白质芯片，DNA芯片。这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，据测每平方厘米达1015至1016个，比硅片集成电路高3~5个数量级，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。DNA芯片又称基因芯片，在1立体毫米晶片上可含100亿比特，运算速度更达到10微微秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。电脑芯片的不断更新将使电脑更加智能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。在新型的纳米芯片支持下，纳米级电脑包括了所谓超导电脑、化学电脑、光电脑、生物电脑（其中DNA电脑运算速度快，它几天的运算量就相当于目前世界上所有计算机问世以来总运算量），量子电脑（其基本元件就是原子和分子），神经电脑（用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成神经电脑，又称为人工大脑）。（三）纳米武器纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。目前研制的主要有：1.微型间谍飞行器。只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。进行侦察、收集情报信息，起一种潜伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。2.袖珍遥控飞机。是一种不足扑克牌大小的遥控飞行装置。机上装有超灵敏感应器，这种传感器不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地。3.“间谍草”。实际上是一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。4.纳米卫星。利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核心片作为星载设置，可使卫星的体积和重量大为减小。重量小于100克。纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。5.高性能敌我识别器。6.有毒化学战剂报警传感器。纳米攻击系统。这是运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。有所谓微机器人电子失能系统、昆虫平台、“蚂蚁雄兵”、“机器虫”，“蚊子”导弹、“针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000）。这些微型武器广泛应用于战斗中，将使那些称雄一时令人生畏的重装武器系统被取代，或使它们败在手下。所谓小鱼吃大鱼。这些微型战士按军兵种分类，有所谓微型陆军、微型空军、微型海军（纳米鱼雷、纳米水雷、纳米导弹、纳米炸弹、纳米雷达、水下深潜探测器、无人水面侦察快艇、微型侦察潜艇等）、微型天军。纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方的神经系统必然是纳米武器的首选目标。通过纳米武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。21世纪的战争将是什么样式？战场将出现何种变化？怎样为此进行战争准备？这是事关各国国家总体战略和国防发展战略的重大问题。因此，对21世纪可能发生的战争及战场形态进行科学预测，已成为当今世界各国谋求国家安全的重要途径。预学预测的主要依据是当今迅猛发展的微电子技术。未来的战略竞争将是硬件技术和软件技术的竞争。(四)纳米工业化利用纳米技术制造机器——微型机械。这种微机械虽然体积极其微小，但却是“五脏俱全”。它既有大脑（电脑和控制器），又有手脚（传感器和驱动器）和电源。它是机、电、磁、光、化学、电脑、自动控制、传感技术与信息处理等多种技术的综合或融合的产物。如用成千上万个非常低廉的细小而极简单的机器人去收割庄稼，有如一大群蝗虫去“收割”一片庄稼，要比使用一台大型联合收割机快。当地下电缆断了以后，让成千上万个微型机器人沿着电缆爬行，爬到断头时，便举起前脚搭在前端断头上，于是微型机器人便成为连接线，永久留在电缆上。（五）纳米农业（六）纳米医疗和保健系统纳米技术的应用，将使基因组、动物克隆、人造细胞、人造器官、创造生命和攻克癌症顽疾等多个医学领域上取得突破。（七）一个全新的服务行业21世纪，随着纳米技术的发展和普及，一个全新的纳米产品服务行业将会诞生。它将给人类带来一个全新的生活和工作空间。1. 更精彩的纳米世界电影纳米世界也与宏观及中观世界一样，都存在着各种微观物质的活动。而且，活动的种类和内容更加丰富多彩。可以想象，如果人们要看一部病菌和杀菌分子机器人“决斗”的记录片。可以将无数台分子摄像机放入血管中，进行现场转播或拍摄成电影。其真实性则大过现实人们电脑合成的仿生动画片。利用这一纳米电影形式，还可以帮助人们诊断疾病和观察病人治疗的情况。2. 纳米电视21世纪10年代将出现像纸一样薄的由纳米材料构成的大屏幕液晶显示屏。这种电视高清晰度、无辐射、耗电低，它的显示材料是由特种的纳米级材料组成；而电视的全部电器是使用纳米元件。3. 纳米新闻素材4. 优美的自然音乐在大自然中存在着很多优美的声音旋律，如鸟鸣、鸡啼；瀑布轰鸣，江河咆哮等。而在微小的纳米世界中，也存在着各种物质的分子和原子运动时所发出优美动听的音乐旋律。5. 纳米光盘出版物一张3寸光盘，可以储存上百万亿个字符。如果使用生物纳米碳管，则储存量更大，可以达到1T（万亿）个字符，相当于1千万本书的字数。6. 饮食业的纳米科学五、结束语纳米科技是一把双刃剑。有一类纳米材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的，所谓具有飘浮的弥散行为。因此，在使用这类材料时，特别要注意这个飘浮特性，否则会造成对于人类环境和身体的污染、侵害。由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊毛孔进入人体内部，所以它是比空气中粉尘危害更大的污染，不可以掉以轻心，否则也许会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等更严重的伤害人类的自然灾害。当然还有其它潜在的危险，如果纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有某种内在的停止信号，那么灾难是极可能发生的。快速复制的纳米机器人在人体内扩散的速度可以比癌细胞还要快，从而会排挤掉正常的组织，等等。但是，我们也不能就因噎而废食，虽然纳米技术专家们并不排除这些危害，但是专家们都相信是可以应付的。纳米科技将给人类带来无限美好的未来。参 考 文 献1.薛增泉著.纳米科技探索.北京:清华大学出版社,20022.龚建华著.走进纳米世界.广东:经济出版社,20013.顾宁,付德刚，张海黔等.纳米技术与应用.北京:人民邮电出版社,20024.赵冬等.纳米技术与纳米武器.军事谊文出版社,20015.李凤生等.纳米/微米复合技术及应用.北京:国防工业出版社,20026.张玉龙等.纳米技术与纳米塑料.北京:中国轻工业出版社,2001