普及納米知識推動科技進步 作者 張家港高級中學倪洪祥0520 8126756郵編 215600 在工業革命以前 大部分人類生產 科研不需要用到毫米 毛估估 的做法說明了我們對這個世界認知的粗淺 以蒸汽機等機械發明為主要標志的第一次工業革命 將人類認知推向毫米層次 第二次工業革命 發明了電 從機械時代進入微電子時代 毫米不夠用了 毫米的千分之一 微米誕生了 隨著科學技術的發展 微米層次的局限越來越明顯 例如 電腦芯片雖然已越做越小 但即將達到材料的物理極限 只有進入另一個層次 納米層次 才會有更大的突破 比如將現在的筆記本電腦變得像手表一樣小 或更小 可以把它固定在紡織品面料上 正如牛頓力學只適用于低速的宏觀物體 而高速運動 只能用相對論來解釋 在納米層次 許多原來在宏觀尺度上使用的規律 定理 方式 方法 都將不再適用 世界將從此是另一個模樣 我們現在所熟悉的 原材料 將是小至納米級的原子 分子 那么什么是納米呢 1納米 十億分之一米 年 諾貝爾獎獲得者 被認為繼愛因斯坦之后最為睿智的理論物理學家 理查得 費因曼教授在加州理工大學發表了題為 在底部還有很大空間 的演講 在費因曼看來 人類社會目前的生產方式 總是 從上而下 的 他提出 為什么我們不可以從單個分子 甚至原子開始出發 進行組裝 達到我們的要求 物理學的規律不排除一個原子一個原子制造物品的可能 國際上公認0 1 100nm為納米尺度空間 德國人跨出第一步 美國人拉開序幕 鉛表面的原子世界 年 德國科學家發明了納米顯微鏡 即掃描隧道顯微鏡 人類從此可以直觀地觀察到單個原子了 看得見原子只是第一步 第二步就是要能夠操縱它 年 美國加州 實驗室 將 個氙原子排布成 個字母 總面積只有幾個平方納米 人類第一次實現了操縱單個原子 納米科技的序幕拉開了 江蘇省張家港高級中學倪洪祥 在掃描隧道顯微鏡下 科學家將48個鐵原子排列在銅表面上 形成一個圓形圍欄 量子圍欄 納米齒輪 納米銅具 納米陶瓷 納米軸承 世界上最小的鍵盤 1993年后 我國科學家先后操縱原子寫出 中國 原子 繪出中國輪廓圖 納米存儲器 中國 我國納米科技成果一覽 1993年 中國科學院北京真空物理實驗室操縱原子成功寫出 中國 二字 標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地 并居于國際科技前沿 1998年 清華大學范守善小組成功地制造出直徑為3 50納米 長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒 使我國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體 1998年 美國 科學 雜志上刊登了我國科學家的論文 我國科學家用非水熱合成法 制備出金剛石納米粉 被國際刊物譽為 稻草變黃金 從四氯化碳制成金剛石 近年 中國科學院物理研究所解思深研究員率領的科研小組 不僅合成了世界上最長的 超級纖維 碳納米管 創造了一項 3毫米的世界之最 而且合成出世界上最細的碳納米管 1999年上半年 北京大學電子學系教授薛增泉領導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面 并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針 1999年 中科院金屬研究所成會明博士合成出高質量的碳納米材料 使我國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平 不久前 中科院金屬研究所盧柯博士率領的小組 在世界上首次直接發現納米金屬的 奇異 性能 超塑延展性 納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而 不折不撓 被譽為 本領域的一次突破 先是納米管 接著納米線 現在留美的三位中國科學家又為納米世界迎來一位新客人 納米帶 這是世界上首次發現并合成出半導體氧化物的納米級帶狀結構材料 研究人員現在已經成功開發出氧化鋅 氧化錫 氧化銦 氧化鎘和氧化鎵的 納米帶 并預測整個半導體金屬氧化物都可能制造出 納米帶 這項成果刊登在2001年4月8日出版的美國 科學 雜志上 利用金屬氧化物制造出10至15納米厚 30至300納米寬的新材料 這種材料有可能制造出價格便宜的超微感應器和元件 這是納米技術中非常重要的一個研究領域 如果我們能夠成功地開發出其應用方法 將可能引發納米級感應器和功能設備的巨大進步 制造出能耗低敏感度高的產品 納米技術在醫學領域內的發展前景 納米器件有可能成為未來保衛人類健康的一支忠實可靠的 衛隊 1 納米生物傳感器 用于監測 收集 播送體內細胞的健康狀態和病變信息 2 納米藥物存儲器 藥泵 用于存儲 運輸指定存儲的藥物 并按指定的部位存放 即定點給藥 其體積可達數個微米 納米生物導彈 直接用于治療各種細胞水平的疾病 對病變組織有親和力 對病變細胞有殺傷力 可特異性地殺滅腫瘤細胞 4 納米細胞修復器 用于修復細胞內的各種病變 如線粒體 細胞核的病變 5 納米細胞監督器 用于監視免疫細胞 白細胞等細胞正常功能的發揮 6 納米細胞清掃器 幫助清除體內的代謝廢物以及外界進入體內的有害物質 7 納米細胞檢疫器 巴西和美國科學家最近發明了世界上最小的 秤 能夠稱量10克的物體 即相當于一個病毒的重量 利用納米 秤 可稱出不同病毒的重量 可以發現新的病毒 可定點于口腔 咽喉 食道 氣管等外界開放的部位 以充當 檢疫 9 目前 納米技術已廣泛應用于光學 醫藥 半導體 信息通訊 一年的營業額已經達到 億美元 有預測說 到 年 納米技術的市場容量將達 億美元 納米電子學將使量子元件代替微電子器件 巨型計算機就能裝入口袋里 通過納米化 易碎的陶瓷可以變成韌性的 成為一種重要材料 世界上還將出現 微米以下的機器甚至機器人 納米技術還能給藥物的傳輸提供新的方式和途徑 對基因進行定點等 中國納米科技中心理事會理事長白春禮院士說 目前 我國納米科技的研究工作主要集中在納米材料的合成和制備 掃描探針顯微學 納米電子學以及少量納米技術的應用等方面 在納米科技中心的實驗室里 防水防油的領帶 吸水性強的化纖織物 具有自潔功能的空調和冰箱 性能超常的納米粉體材料等研究成果 已引起了各界人士極大興趣 所以說 如果僅僅將納米技術等同于納米材料 那就太狹隘了 如果僅僅將納米看成一種時尚 潮流 那就太短淺了 它是一場認知的革命 會產生雷霆萬鈞的力量 徹底改變人類的整個生存狀態 生產方式 它是一把雙刃劍 只是更為鋒利 納米熱全球只是時間問題 納米科技的終極目標 是按人的意愿 操縱單個原子 分子 構建納米級的具有一定功能的器件或產品 現在人們的生產模式 是從大到小 從上到下的 比如造一個櫥 要從粗木到木材到成品 造電腦 從半導體硅片 經過切 割 刻 蝕 滲雜等許多步驟 變成電子元器件 這個過程 原材料浪費大 能耗大 而納米技術 就是要做到 從小到大 從下到上 要什么東西 將分子 原子搭起來 就是什么東西 原材料浪費為零 能耗降到極低 徹底從技術上解決了環保問題 納米技術將極大地提高人類儲存 處理信息的能力 相對于同等體積 重量的微電子芯片 按納米結構做成的納電子芯片可儲存 萬至 萬倍的信息量 如果我們將因特網技術和納米技術結合起來 將來我們從因特網上不僅能下載軟件 而且能下載具有特定功能的硬件 例如納米傳感器 比如我需要一個手機 通過因特網告訴企業我的需求 對方根據我的需求設計出相應軟件 通過因特網指揮一個 納米盒 比如類似于打印機大小的個性化工廠 如納米操縱器 工作 我們所要做的 就是將需要的原子 分子 原料 放進去 就可能進行因特網生產 那么 企業的生產成本就大大降低 僅僅是腦力勞動成本 同時產品又可大量復制 到時候 從事直接物質生產的工人大大減少 人類就主要從事科學研究 以及藝術活動了 這是我們人類的夢想 世界范圍內已經興起了納米技術的熱潮 美國 日本 德國都把納米技術視作21世紀的主導技術之一 并作為國家的戰略發展項目 我國在這一領域有領先的優勢 如何把技術優勢轉化為產業優勢 各級政府部門都有義不容辭的責任 迄今為止 由于認識上的差距 我國目前僅有10多條納米材料和技術的生產線 以納米材料和納米技術注冊的公司近100個 但都是剛起步且規模小 我們能否以非凡的魄力來發展納米產業 為經濟的可持續發展打下扎實的基礎 從古文明到工業革命 從蒸汽機到微電子技術的普遍應用 從蔡倫造紙到今天的無紙化辦公 我們人類經歷了一場又一場思想的革命 生產和生活方式的巨大變革 而今納米時代正向我們走來 我們人類將開始夢一般的生活 納米技術將是21世紀的主導技術 遠景 美得像天方夜譚 努力吧 為了我們的夢 歡迎訂購思想前衛 全套 倪洪祥高中地理多媒體教學1 0版 適合教師上好每一堂公開課 適合學生學好全部的新高一地理課程 美國一家公司預測納米技術發展將經歷 個階段 第一階段是要準確地控制原子數量在 個以下的納米結構物質 第二階段是生產納米結構物質 第三階段是大量制造復雜的納米結構物質將成為可能 第四階段是納米計算機的出現 第五階段是研制出能夠制造動力源與程序自動化的元件和裝置 這家公司預計在未來 年內 納米技術可能發展到 第三階段 超越 量子效應障礙 的技術 從而達到實用化水平 諾貝爾獎獲得者海 羅雷爾說 未來將屬于那些明智接受納米 并且首先學習和使用它的國家 敬請關注 倪洪祥高中地