纳米科学发展史论文

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1、纳米科学发展史XXX (广东 xx 大学机电工程学院 广东 xxxxxxxxxx)摘要：当今世界，科技发展日新月异，纳米科技异军突起，它是一门交叉性很强的综合领域，研究内容几乎涉及现代科技的各个高端领域。本文从它的起源与发展讲起，通过阐述其兴起与发展的历程，详细介绍纳米技术广泛的应用前景和发展趋势，并从各个方面展示一个关于纳米科学技术发展的新时代即将来临。关键词：纳米科技 发展 应用 0 前言*“纳米”大小为 10(-9)m，用符号表示为 nm，是 1mm 的 100 万分之一。原子的直径为 0.1-0.3nm， 纳米技术便是指在 0.1100 纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和

2、特性的一项崭新技术。 科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地 表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。 纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、 介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的 产物，纳米科学技术又引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。现如今，人 类能够研究的物质世界的最大尺度约为 10 亿光年， 这是我们已观测到的宇宙大致范围。而人类所研究的 物质世界的最小尺度约为 0

3、1 阿米。 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。 纳米技术离我们已不再遥远，它已经开始渗透入我们生活的方方面面。并以极快的速度发展着。1 纳米技术概念的提出最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费恩曼。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

4、用纳米技术(nanotechnology)一 词描述精细机械加工。20 世纪 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。 虽然当时的主流科学家对纳米技术不是很看好，总是怀疑的态度，但是随着科学技术的发展，纳米技 术就像出水芙蓉一样渐渐的展现在科学家们的眼前。 20 世纪 70 年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，科学家们想通过纳米技术来实现 当时不能完成化学材料和生物材料，但依旧有很多科学家持反面意见，他们认为纳米技术只是一个只能幻 想而不可能完成的技术。直到 1974 年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械

5、加工。从此， 纳米技术慢慢地被人们认可。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。2 纳米技术的发展历史纳米科技的迅速发展是在 80 年代末、90 年代初。80 年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重 要仪器扫描隧道显微镜(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。 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纳米科 技从此得到科技界的广泛关注

6、。 1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。1990 年美国国际商用机器公司在镍表面用 36 个氙原子排出“” ，之后，中国科学院北京真空 物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。1991 年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的 10 倍，这项技术 的发现使得纳米技术成为科学家们研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最 佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。1997 年，美国科学家首次成功地用单电子移

7、动单电子，利用这种技术可望在 20 年后研制成功速度和 存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 最全最热最专业的文档类资源，文库一网打尽 1999 年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤” ，它能够称量十亿分之 一克的物体，即相当于一个病毒的重量;此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了 美国和巴西科学家联合创造的纪录。到 1999 年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到 500 亿美元。2000-2006 年，各种纳米带、线等二维纳米物体以及纳米机器相继在实验室制备成功，对纳米物质的 检测表征有了进一步的发展。或许在不久的将来我们用的电

8、脑显示器只是你面前的一片空气，所显示内容 可以是大脑想象的图像，也可以是接收到的特定图像信息，国外科幻大片中的景象将不再是梦！ 近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究 中心，把纳米技术列入新年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划 视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从 1997 年的 1.16 亿美元增加 到 2001 年的 4.97 亿美元。 3 纳米技术的应用前景3.1 纳米技术在工业上的应用： （1） “杀人蜂”背后贴微芯片发射器追踪 （2）微型汽车 （3）微芯片的放大照片

9、（4）由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由的游动，对于象脑血栓、动脉硬化等病灶，它们可 以非常容易的予以清理，而不用再进行危险的开颅、开胸手术。纳米仿生机器人可以为人体传送药物，进 行细胞修复等工作。 3.2 纳米药物载体的应用 （1）纳米药 靶向给药： 其优势优势：难溶性药物的溶解与比表面积有关，粒子小，比表面积大，溶解性能就好，利用率高， 疗效也好。2001 年，世界上首项将纳米技术应用于中草药加工领域的纳米中药微胶囊生产技术，在西安 国家高新技术产业开发区诞生并通过了产品技术鉴定。 （2）纳米磁性颗粒 肿瘤比正常组织更容易被加热，当加热到 43时，癌细胞被杀死而正常细胞则 不会受到损害

10、。 当在肿瘤周围植人铁磁性材料并加上交替磁场后，就可通过磁滞的损失达到加热肿瘤的目的。顺磁性的纳 米铁氧体颗粒在外加磁场的作用下 温度上升到 45，可达到杀死肿瘤的目的。组织工程材料、生物医用 纳米材料、血液净化材料、复合生物材料、生物材料表面改性等的研究、开发与应用是生物医用材料未来 发展的趋势。 3.3 纳米材料在涂料中应用发展： 纳米涂料对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。对各种霉菌的杀抑率 达 99以上，有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，适合于家庭、 医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，

11、较低的表面张力， 具有高强的附着力，由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段，技术、工艺还不太成熟，需 要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明，纳米改性涂料的市场前景是非常好 的。 3.4 纳米技术在军事领域中的应用 美国在 1999 年已研制出超黑粉纳米吸波材料，这种材料对雷达波的吸收率大于 99%。美国提出了纳 米卫星概念，以及纳型飞行器与传感器。这些都将对未来战争产生重要影响。 虽然目前纳米技术在应用层面上依旧不太成熟，需要探索和改进。但纳米技术的各项用途已得到某些 改进的试验结果所证明，因此纳米技术的市场前景是为众多人所看好的。4 纳米技术的发展趋势4.1

12、 纳米科技投入将由基础研究向应用研究及产业化的转变近 5 年来，纳米技术逐步向物理、化学、新材料、信息技术、生物技术、医学、国防、环境、能源、 农业与食品等领域渗透，已在众多领域取得了重大进步，一些纳米技术已经投入市场应用，纳米技术正在 从基础研究向着应用研究和产业化的方向迅猛发展。 4.2 由单一学科向多学科交叉和融合的方向发展自 2000 年美国国家纳米技术计划（NNI）启动以来，纳米科学与技术研究成为全球的热潮，引领众多 基础科学研究的发展。纳米科技作为一门综合性学科，涉及物理、化学、生物、医学、材料、信息、测量 等几乎所有的领域，具有高度学科交叉性。 4.3 由单打独斗向集团化、国际化

13、发展纳米科技的发展需要国家之间的相互协作，因此，国际合作变得越来越频繁，越来越重要，合作的程 度也越来越深。各国均积极开展国际科技合作和交流，通过政府间的多边关系，双边关系和多种民间渠道 开展国际合作和交流 4.4 更加重视仪器的研发 “工欲善其事，必先利其器。 ”纳米仪器设备的发展水平是国家纳米科技水平和在这方面中和市里的重 要标志之一。纳米科技的竞争，越来越归结为制造与检测技术的竞争，特别是纳米加工与检测仪器装备的 研发与产业化，它已逐渐成为纳米科技的竞争核心。 据日本阿普莱德研究所提供的材料介绍，以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项 预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下

14、五个阶段： 第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在 100 个以下的纳米结构物质。这需要使 用计算机设 计制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。这个阶段的市场规模约为 5 亿美元。 第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水 平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的 3000 倍。该阶段的市 场规模在 50 亿至 200 亿美元之间。 在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计制造系统、 目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。该阶段的市场规模可达 100 亿至 1000

15、亿美元。 纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。这个阶段的市场规模将达到 2000 亿至 1 万亿美元。 在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达 6 万 亿美元。 宰贝克斯公司认为，虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性，难以准确预测，但在 2010 年之前，纳米技术有可能发展到第三个阶段，超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。 作为微观工程学，纳米技术就是要将原子和分子组装成具有特定功能的纳米量级结构。有人预言，纳 米技术引起的世界性技术革命和产业革命，将会比历史上任何一次世界性技术革命对社会经济、政治、国 防等领域产生的影响更为巨大

16、。纳米技术具有广阔的应用前景，它对信息、生物工程、医学、光学、材料 科学等领域都将产生深远的影响：有人认为纳米技术、信息技术、生物技术和认知领域作为 21 世纪的四 大技术，而四大技术中应当把纳米技术排在第一位。因此，21 世纪也将是纳米世纪。作为 21 世纪前沿战 略科技领域的纳米技术，正在或者将要对社会各个层面产生不可估量的影响。它向人们昭示：一个科学技 术发展的新时代即将来临。参 考 文 献1 任红轩，鄢国平纳米科技发展宏观战略. 北京化学工业出版社，2008.01 2 沈海军. 纳米科技概论. 北京国防工业出版社，2007.023 贾宝贤. 李文卓. 微纳米科学技术导论 . 北京化学工业出版社， 2007，084 张邦维. 纳米材料物理基础北京化学工业出版社，2009.065 C.M.尼迈耶(Christ of M.Niemeyer). C.A 墨尔金(Chad A.Mirkin).马光辉. 苏志国纳米生物技术:概念应用和前景. 化学工业出版社THE HI