纳米技术的应用前景展望

第23卷第5期Vol.23 No.5

丽水师范专科学校学报

JOURNALOFLISHUITEACHERSCOLLEGE

2001年10月Oct.2001

纳米技术的应用前景展望

费金喜, 朱晓欣, 奚慧平

(丽水师范专科学校物理系,浙江丽水,323000)

y

摘要:主要从纳米技术在21世纪科技革命中的战略地位、纳米技术在电子和信息、生物医学、军事和航天等众多领域广阔的应用前景进行分析,来论述纳米技术是21世纪的基础技术,它必将推进21世纪新的工业革命的到来。

关键词:纳米;纳米技术;纳米机器人;纳米电路;纳米芯片;纳米管显示器;纳米计算机;纳米侦察卫星

中图分类号:O59 文献标识码:A

文章编号:1008-6749(2001)05-0015-04

1 引言

技术是人类为了满足社会的需要,应用科学知识,改造、保护和利用大自然,创造宜人生存的人工自然环境的方法、技能和工具、手段的总和,是人工自然物及创造过程的统一[1]。 纳米 是一个很小的长度计量单位,最早把这个术语用到技术上是日本在1974年底[2]。一纳米(nm)等于十亿分之一米(10

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成就,而且有的研究成果是领先于世界的。如中国科学院金属研究所36岁的研究员成会明[3]领导的研究小组,采用与众不同的新方法,快速合成出大量高质量的碳纳米纤维和单壁碳纳米管。它们在室温条件下具有优异的储氢性能,储氢能力达到4%以上(至少是稀土材料的2倍),是迄今世界上制造的储氢能力最强的碳纳米材料。在室温常压下约有2/3的氢能从这些可反复利用的碳纳米材料中释放出来。可用这种碳纳米材料制做燃料电池来驱动汽车等。2 纳米技术在21世纪科技革命中的战略地位

由于纳米科技在材料科学、凝聚态物理学、机械制造、信息科学、电子技术、生物遗传、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景,因而对它的研究受到了世界范围的高度重视。纳米科技的研究与发展,无疑将极大地改变人们的思维方式和传统观念,深刻影响国民经济的未来发展。因此,纳米技术将推进21世纪新的工业革命的到来。

纳米技术作为21世纪的基础技术,其革命起源于美国。2000年1月21日,美国总统克林顿在加州理工学院发表了一次重要演说,把信息、生物和纳米技术列为美国科技发展的三个主要方向。他描绘了纳米技术令人鼓舞的应用前景,可将美国国会图书馆所有馆藏微缩到一个只有方糖大小的器件之中,还可以研制出比铜还要强10倍而重量

m)。纳米科技是融介观体系物理、量

子力学等现代科学为一体并与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的基础上,于20世纪80年代迅速形成和发展起来的一门在纳米级的规模上构筑的前沿科学技术。它是在纳米尺度空间内(0.1~100nm)研究电子、原子和分子的内在运动规律和特性,从而研究在纳米尺度范围的物质所具有的理化性质、功能及其应用的高新科学技术。它的最终目标是人类能够按照自己的意愿直接操纵单个原子,制造具有特定功能的产品。侧重于理论研究时常称为纳米科学,而侧重于应用技术研究时则常称为纳米技术。纳米科学技术现已包括纳米物理学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米显微学、纳米生物学和纳米摩擦学等多种学科。目前一些国家的纳米科学技术研究已经取得了令人异常欣慰的成果。1990年7月,在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术大会,正式创办了 纳米技术 杂志。我国的纳米技术研究也已取得了可喜的

y收稿日期:2001-05-31

作者简介:费金喜(1965- ),男,浙江浦江人,讲师,学士。

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量子位可以是0或1,也可以既存储0又存储1。一个量子位可以存储2个数据,就是说同样数量的存储位,量子计算机的存储量比通常计算机大许多。对量子计算机来说,所有操作必须是可逆的,也就是从输出要能反推出其输入,量子计算机上使用的 控制非 门就是能实现这种可逆操作的逻辑门。

量子计算机的优点有:一是能够实行量子并行计算,加快了解题速度,它的运算速度可能比目前个人计算机的Pentium 晶片快上10亿倍,可以在一瞬间搜寻整个互联网,轻易破解任何安全密码、黑客任务变得轻而易举;二是用量子位存储,大大提高了存储能力;三是可以对任意物理系统进行高效率的模拟;四是能实现发热量极小的计算机。至于它的弱点,一是受环境影响大;二是纠错较复杂。目前正在开发中的量子计算机有三种类型:核磁共振(NMR)量子计算机、硅基半导体量子计算机、离子阱量子计算机。预计2030年将普及量子计算机。

在计算机领域,应用纳米技术研制型计算机已经呈现出一丝鼓舞人心的曙光。

惠普实验室的科研人员应用纳米技术研制计算机内存芯片,其体积不过数百个原子的大小,相当于人头发丝直径的千分之一。一旦研究获得成功,将为其他缩微计算机元件(包括像今天的奔腾级芯片一样的微处理)的研制和生产铺平道路,并在可穿戴式计算机的研究方面取得突破。这种研究的重大意义在于纳米计算机不仅几乎不需要耗费任何能源,而且性能上比今天的计算机强大许多倍。纳米技术指明了21世纪计算机发展的未来。

英国科学家最近成功地将纳米级的金粒子通过有机分子形成的细微导线与金电极相连,组装成了能承载电流的纳米电路。

英国利物浦大学的科学家在新一期英国 自然 杂志上报告说,他们使用硫醇类分子作为纳米电路中的导线。这种分子呈链状,硫醇基位于分子末端。每个硫醇基都能与一个金原子发生反应,与其稳固地结合。研究人员采用两端都有硫醇基的分子,一头与长度仅6nm的金微粒相连,一头与金电极相连,最终制成了纳米电路。在每一个纳米金粒子与电极之间,都有数十根硫醇类分子形成的细微电线相连。

研究人员说,将扫描隧道显微镜的精密金属探针接近纳米电路,可以使电路中产生电流。调整探针上的电压,影响硫醇分子导线的导电性,就能控制电流的通断。理论上,这种电路可用于制造纳米计算机中的超人容量存储元件,但目前它离实用还有相当远的距离。

在普通电压的驱动下,1cm见方硅片上有序排列的上亿个碳纳米管立刻源源不断地发射出电子。在电子的 轰下, 字样清晰 不久前,只有铜几分之一的新材料,等等。克林顿总统宣布,国会将通过议案,实施 国家纳米技术计划 。作为美国政府当前研究开发的第一个优先计划,政府将在未来5年内,用于资助纳米基础研究的拨款提高两倍,其中2001年度财政预算将达到4.95亿美元,以期在这一研究领域占据主导地位。日本也正在加紧建立国家级的纳米技术研究体制。科技厅下属的金属材料技术研究所和无机材料技术研究所将合并为物质材料研究所,该机构将设立 纳米材料研究中心 ,建立与大学和企业联合研究的体制。另外,通产省还将成立产业技术综合研究所,该所将建立 纳米技术国际财团 ,从事纳米材料技术和半导体装置技术的开发。日本政府在2001年度预算中列入了总额达382亿日元(比上一年度增长了25%)的纳米技术研究经费,为能在纳米技术研究的竞争中获胜而加大了投入。到目前为止,我国在纳米技术研究方面已取得了可喜的成就,而且有的研究成果是领先于世界的,其中1996年召开的第四届国际纳米科技学术会议就放在我们中国。我国的基础科学研究在 十五 计划中将纳米科技的研究列入主攻方向,国家在这一研究领域加大了科研经费的投入,以确保我国在纳米科技研究方面在国际上占有一席之地。

世界各国科学家们预言:纳米科学技术将成为21世纪信息时代的核心;是21世纪科技革命的基础动力和主力军;它的发展将对诸多领域(包括理论研究领域和实际应用领域)产生重大影响,将会产生现在人们还想象不到的推动世界前进的奇迹。由于篇幅所限以下就来探索纳米技术在电子和信息、生物医学、军事和航天领域的应用前景。3 纳米技术在电子和信息领域的应用前景

以电子波动性为基础的纳米电子学是纳米科技的重要组成部分,也是纳米技术发展的主要动力。目前,把电子作为波动处理的纳米电子器件已经研制成功。这种器件具有超高速、超容量、超微型和低功耗的特点。采用纳米电子元件制造的电子产品的性能将会大大提高,而其体积将会大大缩小。应用纳米电子技术,人们已可用单个原子制成开关,制成单电子晶体管、单电子逻辑器件等。它们能控制单个电子的运动状态(而传统的晶体管等元件只能控制群电子的运动状态),而且只要控制一个电子的运动状态就可以实现某种预定的效应。这类器件将是量子计算机的重要组成部分。

量子计算机是利用一种链状分子聚合物的特性来表示开与关的状态,利用激光脉冲来改变分子的状态,使信息沿着聚合物移动,从而进行运算。

电子具有波粒二象性,当半导体集成电路线宽小于0 1 m时,其波动性不能忽略,量子效应开始干涉电子的正常运动,量子计算机就是基于量子效应基础上开发的。量于量子,一个

第5期 费金喜, 朱晓欣, 奚慧平:纳米技术的应用前景展望

国一个研究小组首次利用碳纳米管研制出新一代显示器样品。

截止目前,这个显示器已连续无故障运行1600个小时,显示质量和性能没有出现任何衰减。专家认为,这标志着我国在碳纳米管应用上取得突破,并跻身于碳纳米管场发射研究领域的世界先进行列,为通用平板显示器的研发开辟了新的捷径。

1991年被科学家发现的 超级纤维 碳纳米管因具备许多 神奇 性能而受到各国广泛关注,成为基础研究的前沿热点。近年来,科学家发现碳纳米管具有极佳的场发射性能,有望替代其他材料成为较理想的场发射显示器阴极材料,从而拉近了碳纳米管和普通百姓的距离。

在 超级纤维 领域实力不弱的我国科学家近年来也开展了相关研究,并于2000年7月取得突破。西安交通大学朱长纯教授率领的小组采用新的技术途径,引导碳纳米管有序、定向生长在导电的硅片衬底上,并进而研制出功能完备的场发射像素管。因纯度高,有序性好,场发射性能也大大提高,在碳纳米管平板显示器的实用化进程中作出了中国人的独特贡献。

与传统显示器相比,这种显示器不仅体积小,重量轻,大大省电,显示质量好,而且响应时间仅为几微秒,从-45 ~85 都能正常工作,因此拥有极广阔的潜在市场前景。

纳米科学技术对电子学技术的影响将具有划时代的意义。预计不久的将来,传统的半导体器件将逐步消失,取而代之的是纳米电子器件;纳米电子技术将逐步替代微电子技术,使电子技术的发展产生新的革命性飞跃。4 纳米技术在生物医学领域的应用前景

21世纪将是生命科学的时代。纳米科技与生物学相结合而形成的纳米生物学将是21世纪生命科学的重要组成部分。纳米科技在医学领域里的应用也必将会大大改善医疗方法,提高医疗水平,促进医学的发展,特别是对分子医学的发展将会发挥重要的作用。

现在人们用原子力显微镜,不仅可以对脱氧核糖核酸(DNA)、蛋白质等进行形态分析,还可以进行直观下的分子剪辑、DNA特殊位点的定位等高水平研究;不仅可以描绘出氨基酸分子中碳、氢原子的关系,而且已经能直接观察到DNA链螺旋重复等。

英国伯明翰大学科学家道格拉斯 菲力普和他的化学家同事们利用纳米技术制造了一些可以自我复制的小分子,它们相互间能传递信息,并能根据环境发生变化。通过研究这种分子,人们可以了解地球生命起源以前的一些情况。利用这种分子还可以制造出一些妙不可言的东西,如高质量的药品等。

叉是必17

美国MIT已成功研究了以纳米磁性材料为药物载体的靶向药物,称为 生物导弹

[2]

,即在磁性三氧化二铁纳米微

粒包敷蛋白质表面携带药物,注射进人体血管,通过磁场导航输运到病变部位释放药物,可减少肝、脾、肾等由于药物产生的副作用。纳米微粒在医疗临床诊断及放射性治疗等方面的应用,如在人体器官成像研究中,纳米微粒可以做为增强显示材料进入核磁共振生物成像领域。

不久前,美国波士顿大学化学家罗斯 凯利及其同事们研制成了人造分子发动机[3]。这是科学家首次制造出的化学动力的分子发动机。这是一个很小的有机分子(一个人体细胞就能容纳10亿个这样的分子),其中有不到50个碳原子,其动力来自一种叫做碳基二氯化物的化学物质(天然分子发动机是较大的蛋白质分子,其动力是一种细胞能)。凯利的分子发动机的重要意义在于使人们了解到化学能怎样转变为可控制的运动的动能。他的研究成果将有助于科学家们了解生物机体在原子水平上的运动过程,有助于医生们了解因分子发动机出现故障而发生的疾病,如某些不孕症,某些呼吸系统、消化系统、代谢系统疾病以及遗传性疾病等。

2000年11月24日出版的美国的 科学 杂志说,康奈尔大学的科学家把一部微型马达与一个金属螺旋桨组装在一起,使螺旋桨能够以每秒钟8转的速度旋转。该大学生物工程教授兼 科学 杂志资深撰稿人卡洛 蒙泰马尼奥说: 这是一台真正的纳米机器 。

由于这台马达也是从给细胞提供能量的分子中获得能量,所以蒙泰马尼奥教授认为有朝一日科学家也许能够建造出比细菌还小的机器人。这类机器人将能够修复细胞损伤,制造药物并且攻击癌细胞。将来的外科手术很可能更多地依靠纳米技术,所用的手术器械都是纳米尺寸的。这可使外科手术变得更为简单,不必用传统的开刀法,只需在身体上合适的某个部位开一个极小的口,放进一个极小的纳米器械即可。

我国将纳米技术实际应用于医学领域也取得了一些重大成果。如南京希科集团利用纳米技术将银制成尺度在纳米量级的超细小微粒(直径为100纳米左右),然后使其附着于棉织物上,制成了一种新的医用敷料 纳米银长效广谱抗菌棉[3]。银具有预防溃烂及加速伤口愈合的作用,经过纳米技术处理后表面积大大增加,表面结构也发生根本性的变化,杀菌力相应提高200倍以上。这种纳米银医用敷料对临床常见的外科感染细菌,如黄金色葡萄球菌、大肠杆菌和绿脓杆菌等40余种致病菌,都有较好的抑制作用。

综上所述,纳米技术在生物医学领域的应用必将造福于全人类。

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几十纳米厚的纳米薄膜材料与比它厚1000倍的现有吸收材料具有相同的吸波效果。因此,采用纳米薄膜吸波材料将会使隐形武器的实战能力大为提高。

利用纳米电子技术将会制造出全新的微型战场信息传感系统及智能化微型惯性导航系统(这种导航系统可使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力大大提高)。将纳米军用遥控机器人植入昆虫的神经系统(如美国试制的 蚂蚁雄兵 ),就可遥控昆虫进入敌方任何要害部门,以搜集情报,杀伤敌人或干扰敌方的电子系统。6 结束语

本文在电子和信息、生物医学、军事和航天三个方面介绍纳米技术的应用,许多是笔者从当今世界上最前沿的研究领域中引入的,例如纳米机器人、纳米电路、纳米芯片、纳米管显示器、纳米计算机、纳米侦察卫星等都是各国积极准备开发的产品,它们的应用所需要的时间是待定的,有的还需要科学家经过相当长时间的艰辛研究才能变为现实。纳米科技的出现,无疑是现代科学的重大突破,它在材料科学、凝聚态物理学、机械制造、信息科学、电子技术、生物遗传、高分子化学以及国防和空间技术等众多领域都有着广阔的应用前景,因而对它的研究受到了世界范围的高度重视。纳米科技的研究与发展,无疑将极大地改变人们的思维方式和传统观念,深刻影响国民经济的未来发展。因此,纳米技术将推进21世纪新的工业革命的到来,这种高新技术在众多领域的广泛应用必将造福于全人类。

纳米科技对未来的战争也将会产生巨大影响,导致战争形态发生重大变化。20世纪90年代初期,纳米科技刚刚问世不久,就立即引起了物理学家和军事家们的共同关注。将纳米物质用于高新技术武器的制造,不仅可以使武器装备的体积大大缩小,重量大大减轻,性能大大改善和提高,而且还可以创造出许多全新的武器系统。在未来战争中,利用纳米科技可以成千倍地提高指挥自动化系统处理战场信息的能力、侦察预警能力和精确打击能力。

纳米技术可以把现代作战飞机上的全部电子系统集成在一块芯片上,其体积和重量大为减小;它能使目前需要车载、机载的电子站系统缩小成可由单兵携带的装置,大大提高电子战的覆盖面;它可将现有雷达的体积缩小几十倍,而信息处理能力则提高数百倍;采用纳米技术还可制造纳米侦察卫星(可小于0.1kg),一枚火箭至少可发射几百颗这样的卫星,覆盖全球。

目前人们已经制造出了绝妙的纳米组件,如美国桑迪亚国家实验室用20个微细的组成生物基因的核苷酸三联体序列首尾相联,制成迄今为止世界上最为复杂的齿轮式序列,其每一个单位都可以以每分钟35万转的速度自转[3]。这种机械装置已被作为传感器用于安全气囊和计算机操纵杆上,预计将来还可用于卫星操作和战场作战监督等方面。

利用纳米材料可以改善和提高某些武器表面的性能,有些纳米材料可使某些武器装备表面有灵敏的 感觉 。例如利用某种纳米材料制造的潜艇蒙皮可灵敏地 感知 水流、水波、水压、水温等极微小的变化,并及时反馈到中央计算机,以调整潜艇的运动状态、侦察和躲避敌方鱼雷。利用特殊纳米材料制造的军用机器人的 皮肤 有比真人皮肤还灵敏的 感觉 ,能更好地完成各类军事任务。纳米固体材料在较宽频谱范围内对电磁波有很强的均匀吸收性能,仅

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