納米技術講座

“未來科學的發(fā)展將是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界挺進”！——愛因斯坦物質是由原子構成的，其性質依賴于這些原子的排列形式。如果我們將煤炭中的原子重新排列，就能得到鉆石；如果向沙子中加入一些微量元素，并將其原子重新排列，就能制成電腦芯片；而土壤、水和空氣的原子重新排列后就能生產出馬鈴薯。聽起來是不是有點玄？不過這決非天方夜譚，如果你能走進納米世界，了解納米技術，就會知道上述目標的實現指日可待。1、什么是納米納米其本身是一個長度單位，即l米的十億分之一(10-9米)。（一米的千分之一是一毫米，一毫米的千分之一是一微米，一微米的千分之一是一納米。）想象一下納米有多大？納米技術中的“納”(nano)來自于希臘文，本意是“矮子”或”侏儒”(dwarf)的意思。作為一個前綴，“納”在科學上意味著某單位的十億分之一。l納米大概是l0個氫原子緊密排列的長度，比人的頭發(fā)的寬度要小8萬倍。形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個乒乓球放在地球上一般。這就是納米長度的概念。

1959年，美國著名的理論物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德﹒費曼（RichardFeynman）《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）的演講中設想：“如果有朝一日人們能把百科全書存貯在一個針尖時，并能移動原子，那么這將給科學帶來什么！”并且預言：“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。……我深信：當人們能操縱細微物體的排列時，將可以獲得極其豐富的新的物質性質?！奔{米技術是20世紀80年代末期興起的新技術，其基本含意是在納米尺寸(1一100納米)范圍內認識和改造自然，通過直接操縱和安排原子、分子而達到創(chuàng)新的目的。主要是在納米尺度（1一100納米）上研究物質（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，以及如何利用這些特性和相互作用的具有多科交叉性質的科學和技術。

納米科技又是什么呢?“納米和納米以下的結構是下一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術革命，從而將是2l世紀的又一次產業(yè)革命?！?/p>

----錢學森

10的25次方米大約是10億光年，10億光年大約是人類目前已經觀測到的宇宙范圍。宇觀世界人們發(fā)現，在l一100納米的空間尺度內，物質存在許多奇異的性質。由于這一層次介于微觀和宏觀之間，科學家就把這一尺度范圍稱為“介觀”。

介觀世界任何物質到了納米量級，其物理、化學性質都會發(fā)生巨大的變化，也會因此而具有一些新的特性。例如，納米鐵粉，因具有了吸光性，而變成了黑色；它甚至于一改“不怕火燒”的“英雄本性”，而變成一旦遇到空氣，就能馬上燃燒起來，生成氧化鐵。納米感覺原子世界奇觀

掃描隧道顯微鏡（STM）是IBM公司蘇黎世研究所的G．Binnig和H．Rohrer于1981年發(fā)明的，他們因此共同獲得1986年諾貝爾物理學獎。STM是一種基于量子隧道效應的新型高分辨率顯微鏡，它能以原子級空間分辨率來觀測物質表面原子或分子的幾何分布和態(tài)密度分布，確定物體局域光、電、磁、熱和機械特性。借助STM人們可以在真空、大氣或液體中對樣品進行原子級分辨的無損觀測。STM可以實時測量物體表面的實空間三維圖像。測量分辨率對平行和垂直于表面方向分別為0．1nm和0．01nm。這將會實現人類長期追求的直接觀察原子真面目的愿望。STM還具有廣泛的適用性，如刻劃納米級微細線條、移動原子等實際操作。因此SIM已成為納米科學技術的主要工具。STM還可在自然條件下對生物大分子進行原子級直接觀察，因而在生命科學研究中具有極大的潛力。IBM公司的科學家在1989年利用STM移動氙原子，最后把一個個原子排列成IBM商標。后來，他們又進一步把一排鐵原子拼成漢字“原子”。STM掃描模式示意圖（a）恒電流模式；（b）恒高度模式S為針尖與樣品間距，I、Vb為隧道電流和偏置電壓，Vz為控制針尖在z方向高度的反饋電壓。掃描探針顯微鏡工作原理

用掃描隧道顯向鏡觀察到的

硅晶體表面的原子排列(Si(m)７×7結構)

自由地操縱單個原子或分子左圖是一個鐵原子與一氧化碳分子CO結合形成一個鐵羰基FeCO分子的過程。先用掃描隧道顯微鏡針尖拾取一個鐵原子將它移走，然后將CO放到Fe上面，形成FeCO分子右圖顯示的是繼續(xù)利用一個CO和FeCO結合成Fe（CO）2分子的過程。用這種方法還可以用原子組成各種圖形圖左，掃描隧道顯微鏡針尖移動表面吸附原子的過程示意。圖右，用原子排列成的“原子”兩個字。納米科技是多學科交叉的綜合性學科，納米科技不單單只納米材料，納米材料是納米科技的基礎。2、納米科技大廈的建立：

科學家告訴我們，于細微處顯神奇的納米技術“潤物細無聲”，已經悄然進入尋常百姓的生活，滲透到了衣、食、住、行等領域。納米技術可使許多傳統(tǒng)產品“舊貌換新顏”，把納米顆粒或者納米材料添加到傳統(tǒng)材料中，可改進或獲得一系列的功能。這種改進并不見得昂貴，但卻使產品更具市場競爭力。納米的世界豐富多彩，離我們卻并不遙遠。3、納米科技的應用

碳納米管是一種非常奇特的材料，它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀"纖維"，內部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米。這樣的材料很輕，但很結實。它的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍。用這樣輕而柔軟、又非常結實的材料做防彈背心是最好不過的了。如果用碳納米管做繩索，是唯一可以從月球掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。如果用它做成地球-月球乘人的電梯，人們在月球定居就很容易了。

奇妙的碳納米管“太空電梯”的繩索

材料世界中的大力士--納米金屬塊體

金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，它會變得十分結實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性.納米金屬銅的超延展性納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高溫，使發(fā)動機工作在更高的溫度下，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。納米陶瓷剛柔并濟！納米陶瓷

如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子并對它們隨意組合，制造納米機械就容易多了?？茖W家用DNA（脫氧核糖核酸）制造出了一種納米級的鑷子。利用DNA基本元件堿基的配對機制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復開合。利用它將可以制造出分子大小的電子電路，使未來的計算機體積更小，運算速度更快。匪夷所思的DNA鑷子用光刻技術做成的

微米尺寸的微機械用光刻技術做成的

微米尺寸的微機械被囚禁的電子和未來的電子學器件把自由運動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內，或者在一根非常細的短金屬線內，線的寬度只有幾個納米，會發(fā)生十分奇妙的事情。由于顆粒內的電子運動受到限制，電子動或能量被量子化了。原本在宏觀世界內奉為經典的歐姆定律在納米世界內不再成立了,被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻，會使材料發(fā)出強的光。用來讀寫光盤可使光盤的存貯密度提高幾倍。還有甚者，如果用“囚禁”原子的小顆粒量子點來存貯數據，制成量子磁盤，存貯度可提高成千上萬倍。會給信息存貯的技術帶來一場革命。納米存儲器，存儲密度可達每平方厘米10萬億字節(jié)。機器人配備納米“大腦”美國軍方日前公布了取名為“毫微科技戰(zhàn)士”研發(fā)計劃，希望十年內打造出目前只能在電子游戲中才能看到的刀槍不入的“超級戰(zhàn)士”。美國未來“超級戰(zhàn)士”可能配備的裝備有：埋有傳感器的頭盔，使士兵多只后眼不至于被打悶棍；藏有微處理器和藥包的軍服，自動感知士兵身體情況并敷藥；有微涂層的軍服可以抵抗生化武器襲擊；由“鉸合分子”制造的比人體肌肉強壯10倍的“肌肉”，這種人造肌肉一旦裝到手套、制服和軍靴里，跳過高墻不在話下?！凹{米科技戰(zhàn)士”這種人手模型上的聚合體遇電會收縮彎曲，可裝備在作戰(zhàn)