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1、1纳米技术的概况、发展及挑战摘要：摘要：纳米技术(nanoteehnology)，相对于传统的团簇物理研究而言，是一新兴研究体系，其介乎于团簇体系和亚微米体系之间。由纳米粒子组成的材料则被称为纳米材料，它是由尺度1100nm的微小颗粒组成的体系，由于其独特的表面效应, 体积效应以及量子尺寸效应, 使得材料的电学, 力学, 磁学, 光学等性能产生了惊人的变化。 纳米技术在精细陶瓷, 微电子学, 生物工程, 化工, 医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景,使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一, 被认为是21 世纪的又一次产业革命。关键词：关键词：纳米技术，纳米材料，效应，产业的革命与发展
2、。1 1 前言前言纳米技术的灵感，来自于已故物理学家 理查德费曼1959年所作的一次题为在底部还有很大空间 的演讲。这位当时在 加州理工大学 任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从 石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说： “至少依我看来， 物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”1这一想法在 1990 年获得了证实 ，IBM 公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取
3、得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把 35 个原子移动到各自的位置，组成了IBM 三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3 个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够 “喷涂原子” 。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。2目前，制造 计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。 而扫描隧道显微镜和原子力显微镜等微观表征和操纵技术的问世，纳米技术得到了迅速发展，至此，纳米科技不仅牢固地确立了自己的学科地位，同时也为应用开拓了可能的途径。 21世纪初，纳米技术在基础研究深入化的同时，也开始进入它的工业化和商业
4、化阶段。不少人称 2l世纪人类已进入了纳米材料时代，各主要工业化国家、知名大学、研究院所以及众多企业家，纷纷斥巨资，集中精兵强将，发展纳米科技。目前，纳米技术已在医药、食品、军事、材料、化妆品、燃料、能源、2环保等方面得到发展与应用。纳米技术经常被誉为未来的通用技术，就像发达国家13常生活中必不可少的电力和通讯技术一样，影响着社会生活。2.2. 纳米技术的概述纳米技术的概述2.12.1 纳米技术纳米技术纳米的研究范围涉及非常广泛，因而纳米技术种类繁多,纳米技术的定义也随国家和研究者而异。我们认为,纳米技术是指形成纳米材料和纳米装置的技术，包括形成纳米构筑单元和纳米构筑单元按一定方式组成宏观纳米
5、材料的技术，如分散技术成型加工技术等。纳米技术可以分为两个层次：第一层次为分子(原子)，纳米技术则是指从分子(原子)出发,使分子(原子)在纳米尺度空间范围内呈有序的重复排列进而形成内部有序的纳米结构的技术。STM、AFM，自组装和生物矿化就是这种技术。将能控制纳米结构的形态和均匀性的技术称为第二层次的纳米技术。用一个确切的名词来定义它十分困难。如溶胶-凝胶。微乳液等未注意到分子本身在纳米尺度的构筑单元内的有序的排列。只是形成具有一定规则的的纳米结构形态。将能形成纳米尺度的结构，但却不能控制纳米结构内分子或原子的有序度，也不能控制纳米结构本身的形态和均匀性的纳米技术称为第三层次的纳米技术。3每种
6、纳米技术都有其优缺点，例如STM、AFM纳米技术能够实现纳米结构内分子的有序排列，但目前造价较高，且费时。通过化学的，或生物的自组装比较便宜，但它局限于一些特殊的分子。粉碎法虽然比较原始，形成的纳米结构形态和均匀度比较复杂，但产量大，过程简单。2.22.2 纳米材料纳米材料纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级 ( 10-9m) 的超细材料。 它的微粒尺寸大于原子簇, 小于通常的微粒 ,一般为1102nm。 它包括体积分数近似相等的两个部分 : 一是直径为几个或几十个纳米的粒子 , 二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构, 后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。1984 年德国萨尔兰大学的 Gl
7、eiter 以及美国阿贡试验室的 Siegel 相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。 Gleiter 在高洁净真空的条件下将粒径为 6nm 的Fe 粒子原位加压成形 , 烧结得到纳米微晶块体 , 从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990 年7 月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议 , 正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说, 它介于宏观物质和微观原子, 分子的中间领域。在纳米材料中 , 界面原子占极比例 , 而且原子排列互不相同, 界面周围的晶格结构互不相关 , 从而构成与晶态 , 非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米材料中 , 纳米晶粒和由此而产生的高浓度
8、晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序, 通常大晶体的3连续能带分裂成接近分子轨道的能级 , 高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能 , 磁性, 介电性, 超导性, 光学乃至热力学性能的改变。 纳米相材料跟普通的金属 , 陶瓷, 和其他固体材料都是由同样的原子组成 , 只不过这些原子排列成了纳米级的原子团 , 成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。 一个直径为3nm 的原子团包含大约 900 个原子, 几乎是英文里一个句点的百万分之一, 这个比例相当于一条 300 多米长的船跟整个地球的比例。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点 ,其相应发展起来的
9、纳米技术被公认为是21 世纪最具有前途的科研领域。 43 3. . 纳纳米米技技术术的的发发展展纳米技术被认为是人类发明电力以来最强大的技术。它有助于药物开发、水净化、信息通信技术的发展以及更轻更坚固的材料的生产。纳米技术的未来应用将涉及制造业、材料工业、制药、军事、农业等各个方面。据估计，世界各国政府的纳米技术研发投资在1997-2005 年这8年间增长了8倍多，从4.32亿美元增加到41亿美元左右。至少有30多个国家启动了国家纳米技术发展战略。2005年，美国(10.8亿美元）、日本（9.5亿美元）和欧盟（10.5亿美元）的政府研发投资大致相当，各占全球纳米技术研发总投资的1 / 4 左右
10、，其它国家加在一起只占到1/ 4。这表明美、日、欧是纳米技术领域的主要角色，三者呈鼎足之势，它们彼此之间为争夺这一新领域的优势地位展开了激烈的竞争。从研究论文产出来看，在科学引文索引（SCI）收录的期刊中，美国有关纳米技术的研究论文发表量居世界第一，中国排在第二位。美国的纳米技术论文数量占总数的30%左右，相当于中国的两倍。而从国际权威刊物科学、自然和物理评论快报发表的纳米技术论文来看，美国论文所占的比例超过了一半，由此也可看出美国在纳米技术研究方面的实力。但有关数据也表明，美国论文发表量所占的份额呈下降趋势，而其他国家所占的份额在不断增长，这表明美国在纳米研究领域的领先地位日益受到威胁，包括
11、中国在内的许多国家这方面的研究能力在不断加强。5据研究到2015年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，拥有数百亿英镑的市场份额。为此，今年7月，英国贸工部在新发表的科技与创新白皮书中，已将纳米技术列为21世纪科技发展的重点，加速该领域的发展。正如科学家预测：纳米技术这一新兴的高科技领域，将成为21世纪一颗新的科技明星.4 4纳米技术潜在风险纳米技术潜在风险就在纳米技术刚刚向人们显示其巨大的发展潜力的时候，纳米技术潜在的风险分析也开始引起人们的重视。就像美国著名的计算机科学家比尔乔伊所指出“纳米技术极可能成为吞噬整个宇宙的癌症，因为我们难以保证说不定哪一天，神奇的纳米盒4子就会变成潘
12、多拉的盒子，成千上亿的纳米机器人将人类和这个世界作为它们制造产品的原料”，虽然这句话多少有点危言耸听的成分在里面，但从中不难看出，人们对未来纳米技术发展的忧虑。科学杂志曾多次发表编者文章，探讨纳米技术的安全性，英国的纳米协会也多次组织各种形式的研讨会，对纳米技术的毒性和负面影响进行了广泛而深刻的探讨。从目前的研究来看，纳米技术将主要在健康、社会、环境、伦理、安全及其他方面对人类产生负面的影响。4 41 1健康方面健康方面未来人们的身体健康可能会受到纳米技术发展的影响。科学研究证明，纳米粒子会在被实验动物的呼吸道及肺中累积，并被细胞吸收，也有可能附在细菌上进入血液循环。一些纳米粒子具有毒性，会危
13、害实验动物的呼吸系统、循环系统、神经系统、免疫系统等，甚至导致实验动物死亡。因此，若这些纳米粒子通过各种渠道侵入人体，其后果将不堪设想。4 42 2环境方面环境方面纳米粒子对环境的影响也不容忽视。研究表明，一些纳米粒子具有很好的水溶性，并具有杀菌作用，而细菌在许多生态系统中处于食物链的低端，因此纳米粒子可能会破坏生态系统。研究还表明，一些纳米粒子在环境中难以降解。因此，若纳米粒子在环境中长期累积和扩散，也将会对环境带来负面影响。4 43 3传统伦理道德方面传统伦理道德方面纳米技术对传统伦理道德的冲击也是值得人们关注的：一方面，如果利用纳米技术能够改变基因和细胞结构，那么人类就可以根据自己的想法
14、和目标去生育后代，这样将改变传统的生育方式和人类传统的传宗接代的方式。若如此，就不存在传统意义上的父母双亲的概念，这对人类的伦理道德将是一个极大的挑战。另一方面，纳米技术使人类的永生不再只是一个神话，如果纳米技术足够发达，人们可以将年轻时的个人信息储存起来，然后选择未来的某个年代再将自己“召回”。但是，这种复制人和永生的设想将永远无法回避伦理学上的恐慌，如果真的有所谓的复制人的话，那么他和“原体”之间是什么关系，是同一个自我，还是两个完全不同的个体呢?到底是复制人在活着还是“原体”在活着?这些都将是值得我们思考的问题。4 44 4世界政治与经济方面世界政治与经济方面纳米技术的发展将会加剧社会政
15、治、经济的不平等。一方面，纳米技术需要高素质的科技人才掌握；另一方面，纳米技术的研究、开发需要投入大量的资金，经济实力成为纳米技术发展的重要物质基础。许多第三世界国家既缺乏这方面的人才，也无力支付这项高额费用，这样有可能使纳米技术的研究、开发和应用成为少数国家享有的特殊权力，加剧了社会政治、经济的不平等。纳米技术将会给国家军事机密、商业机密和个人隐私带来更大的挑战。机密和隐私都具有排他性、独占性，利用纳米技术制成的超微侦察器，能在对方尚未察觉的情况下先发制人，窃取一个国家的军事机密、5商业机密和个人的情感秘密，这给国家安全、知识产权保护提出了一个更难的课题，人类时时刻刻都要警惕可能来自各方的威
16、胁。而且，私人领域公开化会造成单个人的惶恐和群体的混乱，增加社会管理的难度。纳米技术应用于军事领域，能制造出重量为毫克级的微型飞机，“米粒”弹等，使战争从以大量物质能量为载体的庞大舰艇、飞机、坦克、导弹之间的较量变为纳米武器、超微机器人部队之间的较量，而且将有可能导致比使用大物质能量载体武器更令人恐怖的后果，无孔不入、防不胜防的纳米武器使战争双方两败俱伤，使得人类高度发展的物质文明成果有可能毁于一旦，而恐怖分子引发的核爆炸的死亡硝烟、辐射也将弥漫全球：”。65.5. 结论结论总之 纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点。正如钱学森院士所预言的那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点 会是一次技术革命，从而将是21 世纪的又一次产业革命”，纳米技术将会带给人类的全新的对物质领域的认识，它已经向我们初步展示了在新材料、新能源、计算机技术、生物医学以及航天领域中的应用。同时，纳米技术并不是孤立的，它涉及到如量子力学、材料科学、胶体化学、物理化学、高分子化学、生物化学、凝聚态物理
