丁付全
序
壹、納米技術和納米技術的基本概念
第二，納米技術發展的十年
第三，“納米熱”
第四，納米技術的應用
動詞 （verb的縮寫）結論
參考
納米技術——21世紀三劍客之壹
序
人類從工業經濟向知識經濟轉變的時代，正是20世紀和21世紀交替的時候。因此，20世紀是工業經濟高度發達的世紀，21世紀是知識經濟興起的世紀。知識經濟的基本特征預示著人類經濟乃至整個人類社會將在21世紀發生許多深刻的變化，經濟發展的可持續性將推動人類進入壹個新的文明時代。人類的知識不僅僅是“重新排列”材料，使其得到充分開發的知識。重新整理“人文精神”的知識也會得到更大的發展。
今天，納米技術發展的浪潮正在全世界興起。這是人類科學進步的又壹體現，是發展新經濟的又壹機遇，是人類創造科技奇跡的又壹重大機遇。因此，各國的科技力量聚集在這個納米技術發展的大戰場上。排好隊，各就各位，打這場戰場。有人說這是壹場沒有硝煙的激戰，是壹場高科技領域的世界競爭。它的科技含量和創造輝煌的程度將超過人類的任何科技成果。
壹、納米技術和納米技術的基本概念
“納米”是英文namometer的翻譯。“納米”的另壹種說法來自拉丁語“納米”，意思是“短”。納米是測量單位，也是長度單位。納米材料構建的物質是看不見摸不著的微觀物質。
1 nm，即1nm=10-9m，即十億分之壹米，大約是45個原子串在壹起的長度，或者說1nm大致相當於4個原子的直徑。如果把1m和1nm相比，相當於地球和壹個玻璃彈珠相比的大小。壹根人類頭發的直徑大約是80μm(微米)，也就是80000nm。如果壹個漢字的書寫尺寸是10nm，那麽在壹根頭發絲的直徑上可以寫8000個字，相當於壹篇長篇科技論文的容量。
所謂納米技術，是以1~100nm尺度的物質或結構為研究對象的壹門新學科，是指按照人的意誌直接操縱原子、分子或原子團、分子群，重新排列，形成納米尺度的新物質或結構，研究其特性，從而制造出具有新功能的器件、機器等應用的科學技術。
可見，納米技術的首要任務是通過各種手段，如微加工技術、掃描探針技術等，制備納米材料或納米尺度的結構。其次，借助多種先進的觀察測量技術和儀器，研究納米材料或納米尺度結構的特性，最後根據其特殊性質開展相關應用。因此，在壹定程度上，納米材料、納米制造技術和納米測量表征技術構成了納米技術發展的三個非常重要的支撐技術。納米技術發展的領域主要包括:納米系統物理、納米系統化學、納米材料、納米電子學、納米光子學、納米力學、納米加工制造、納米表征測量和納米醫學等等。
第二，納米技術發展的十年
追求新鮮感和進步是人類文明的動力。納米技術在20世紀90年代成為壹門獨立的學科。第壹屆國際納米技術大會(Nano I)於65438-0990年在美國巴爾的摩召開，並成立了常設機構——咨詢委員會，中國是其成員之壹。委員會將納米技術的研究範圍分為六個部分。
納米科學分類
納米電子學
納米物理學
納米化學
納米生物學
納米機器
納米測量
65438+第二屆國際納米技術會議(Nanoⅱ)於1993年8月在莫斯科召開+第四屆國際納米技術會議(Nanoⅳ)於1996年在北京召開。2000年，第六屆國際納米技術會議(Nano ⅵ)在德國召開。
第三，“納米熱”
納米電子學在納米技術中起著主導作用，因為它是下壹代微電子學的發展方向。目前發達國家的主導產業是以微電子為基礎的電子產業，不再是鋼鐵、材料、能源、化工、交通。目前，所有發達國家的政府和企業都在大力投入納米技術的研發，試圖搶占21世紀的戰略技術制高點。5438年6月+2000年10月，美國總統克林頓在加州理工學院的演講中說:“我們將在原子和分子水平上操縱物質。想象壹下這種可能性，材料有鋼的10倍強度，但重量只有鋼的六分之壹；把國會圖書館的所有信息壓縮到壹個只有方糖大小的裝置裏；當腫瘤只有幾個細胞大時，它就可以被檢測出來。”
2001 1 18.中國成立了中國納米技術指導和協調委員會，以制定發展中國納米技術的計劃。目前，國家已初步計劃在北京和上海建立兩個R&D中心(納米技術創新基地)。
目前，我國納米技術發展的主要任務是:①加強納米技術前沿的基礎研究和基礎工作；(二)突破壹批納米技術發展的關鍵技術；③發展納米材料和器件的應用，培育相關產業；④建設國家納米技術基礎設施和研發基地；⑤建立壹支高素質的納米技術骨幹隊伍。
德國科技部在1996年預測了2010年納米技術的市場，預計達到1440億美元。
第四，納米技術的應用
納米材料
1.納米材料和納米結構的定義
廣義的納米材料是指在納米尺度範圍內(1~100mm)的三維空間中至少有壹個維度的材料或以它們為基本單元組成的材料。納米結構是指由納米級的基本單元按照壹定規律構築或組裝而成的壹維、二維或三維體系。
納米材料和納米結構是新材料領域最具活力的研究對象，對未來的經濟和社會發展有著非常重要的影響，也是納米技術應用最活躍、最接近的領域。
2.納米材料的特性
(1)表面和界面效應
這是指納米晶顆粒表面的原子數與總原子數之比隨著顆粒尺寸的減小而急劇增加所引起的性質變化。比如粒徑為10 nm時，顆粒含有4000個原子，表面原子占40%；當粒徑為1 nm時，顆粒含有30個原子，表面原子占99%。主要原因是直徑減小，表面原子數增加。再例如，當粒徑為10 nm和5 nm時，比表面積分別為90 m2/g和180 m2/g。這麽高的比表面積，會出現壹些非常奇怪的現象，比如金屬納米顆粒在空氣中燃燒，無機納米顆粒吸附氣體等等。
(2)小尺寸效應
當納米粒子的尺寸等於或小於光波波長、導電電子的德布羅意波長、超導態的相幹長度和傳輸深度時，其周期性邊界被破壞，使其聲、光、電、磁和熱力學性質呈現出“新奇”現象。例如，當銅粒子達到納米尺寸時，它們變得不導電；絕緣的二氧化矽顆粒在20納米時開始導電。再比如，高分子材料和納米材料制成的刀具比金剛石制品更硬。利用這些特性，太陽能可以高效率地轉化為熱能和電能，有可能應用於紅外敏感元件、紅外隱身技術等。
(3)量子尺寸效應
當粒子尺寸達到納米級時，費米能級附近的電子能級被連續態分裂成三個能級。當能級間距大於熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，就會出現納米材料的量子效應，使其磁、光、聲、熱、電、超導性質發生變化。比如有壹種金屬納米顆粒，吸收光的能力非常強。如果妳把這個粒子的千分之壹放在1.1365公斤的水中，水就會變得完全不透明。
(4)宏觀量子隧道效應
微觀粒子穿透勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化也具有隧穿效應，它們可以通過宏觀體系的勢壘發生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧穿效應。
3.納米材料的應用
納米材料具有許多優異的性能，可廣泛應用於光電器件、敏感傳感器、隱身技術、催化、信息存儲等領域。包括建築、化工、紡織、汽車、環保。例如，納米陶瓷具有超塑性、耐高溫、耐磨性好、硬度高、透光性好等特點，可用作制作人工骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滾動軸承、壓電地震儀、宇宙飛船等的“頭盔”，可制成“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”。納米塑料是壹種高強度、不老化的新型塑料。其硬度比碳鋼強4~6倍，比重僅為鋼的1/4，因此透光性好，不變性。如果壹輛車是納米塑料做的，那麽它的重量只有鋼鐵做的車的1/4。還有所謂的納米金屬、微孔玻璃、納米金剛石、納米磁性材料、納米復合材料、納米超導材料等等。
(2)納米計算機
計算機是20世紀人類的壹項偉大發明。由於納米材料和納米技術的出現，以納米結構技術為支撐，由納米材料組裝而成的新壹代計算機將是21世紀最重要的科技發明之壹。
納米計算機的核心部件是納米芯片。有所謂的蛋白質芯片，DNA芯片。這種蛋白質芯片體積小，元件密度高。實測每平方厘米有1015到1016個芯片，比矽集成電路高出3-5個數量級，存儲容量可達普通計算機的100億倍。DNA芯片又稱基因芯片，在壹個1立方毫米的芯片上可以容納10億比特，運算速度可以達到10皮秒(百分之壹秒)，比現有的計算機快了近1萬倍。計算機芯片的不斷更新將使計算機更加智能，提高互聯網的速度，並極大地促進電子商務、高清電視和無線通信的發展。
在新型納米芯片的支持下，納米計算機包括所謂的超導計算機、化學計算機、光學計算機、生物計算機(其中DNA計算機速度很快，幾天內的計算量相當於世界上所有計算機問世以來的計算總量)、量子計算機(其基本組成部分是原子和分子)、神經計算機(用許多微處理器模仿人腦的神經元結構，用大量並行分布網絡組成神經計算機，也稱為人工大腦)。
(3)納米武器
納米技術的軍事應用主要集中在兩大類:納米信息系統和納米攻擊系統。
納米信息系統是指以納米技術為核心的信息傳輸、存儲、處理和傳感系統。目前開發的主要產品有:
1.微型間諜飛機。它只有15 cm長，至少可以飛行1小時，飛行距離可以達到十幾公裏。偵察，收集情報信息，起到潛伏哨的作用，未來可以做得大如蜜蜂。
2.袖珍遙控飛機。這是壹個比撲克牌還小的遙控飛行裝置。飛機裝有超靈敏傳感器，不僅能聞到柴油機排出的廢氣，還能在夜間拍攝清晰的紅外照片。它能把最新的情報信息傳送到200公裏外的基地。
3.《間諜草》。實際上，它是壹個分布式戰場微型傳感器網絡，看起來像草，配備了靈敏的電子偵察儀器、攝像頭和傳感器。
4.納米衛星。采用微機電和納米電子技術制造的慣性探測元件、換能器、射頻元件、光學元件、電源系統和各種傳感器核心作為星上器件，可以大大減小衛星的體積和重量。重量小於100g。納米衛星的本質是壹個分布式衛星結構系統，它被排列成局部集群或分布式星座。這種分布式系統可以避免單顆衛星故障帶來的危害，提高空間系統的生存能力和靈活性。這種衛星可以用小型運載火箭壹次發射數百顆甚至數千顆。
5.高性能敵我識別。
6.有毒化學戰劑報警傳感器。
納米攻擊系統。這是用納米技術制造的微型智能攻擊武器。還有所謂的微型機器人電子失能系統、昆蟲平臺、“螞蟻士兵”、“機器蟲”、“蚊子”導彈、“針尖”炸彈(其大小僅為針尖的1/5000)。
這些微型武器在戰鬥中被廣泛使用，將取代或擊敗曾經令人生畏的重型武器系統。所謂小魚吃大魚。
這些微型戰士是按照兵種和軍種分類的，包括所謂的微型陸軍、微型空軍、微型海軍(納米魚雷、納米水雷、納米導彈、納米炸彈、納米雷達、水下深潛探測器、無人水面偵察快艇、微型偵察潛艇等。)和微天軍。納米武器具有超小型化和智能化的明顯優勢，因此攻擊敵人的神經系統必然是納米武器的首選。通過納米武器輻射出的巨大戰爭威力，使敵方的宏觀作戰體系“驟然癱瘓”，以至於不得不屈服於微型武器帶來的戰爭壓力。
21世紀的戰爭會是什麽樣子？戰場會發生什麽變化？如何備戰？這是關系到各國國家戰略全局和國防發展戰略的重大問題。因此，科學預測21世紀可能發生的戰爭和戰場形態，已成為世界各國謀求國家安全的重要途徑。學習前預測的主要依據是當今微電子技術的飛速發展。
未來的戰略競爭將是硬件技術和軟件技術的競爭。
納米工業化
用納米技術制造機器-微觀力學。這種微觀力學雖然極小，卻是“完整”的。它既有大腦(計算機和控制器)，又有手腳(傳感器和驅動器)，還有電源。它是機械、電學、磁學、光學、化學、計算機、自動控制、傳感技術、信息處理等多種技術綜合或融合的產物。
例如，用成千上萬個非常便宜的微小而簡單的機器人收割作物，就像壹群蝗蟲收割壹種作物，比使用大型聯合收割機還要快。
地下電纜斷了以後，讓成千上萬的微型機器人沿著電纜爬行，爬到斷端的時候擡起前腳，放在前端的斷端上，這樣微型機器人就成了連接線，永遠留在電纜上。
納米農業
(六)納米醫療保健系統
納米技術的應用將在許多醫學領域取得突破，如基因組、動物克隆、人造細胞、人造器官、創造生命和戰勝癌癥。
(7)全新的服務業。
21世紀，隨著納米技術的發展和普及，壹個全新的納米產品服務業將會誕生。它將給人類帶來壹個全新的生活和工作空間。
1.更多精彩納米世界電影
納米世界和宏觀世界、中觀世界壹樣，有各種微觀物質活動。而且活動的種類和內容更加豐富多彩。可想而知，如果人們想看壹部關於病菌與殺菌分子機器人“決鬥”的紀錄片。無數的分子相機可以放入血管進行直播或拍攝。其真實性大於真人電腦生成的仿生漫畫。
利用這種納米薄膜形式，還可以幫助人們診斷疾病，觀察病人的治療情況。
2.納米電視
265438+20世紀，10年，將會出現壹種由薄如紙的納米材料制成的大屏幕液晶顯示屏。這種電視清晰度高，無輻射，耗電低。其顯示材料由特殊的納米級材料組成。而且電視所有的電器都用納米元件。
3.納米新聞材料
4.優美的自然音樂
自然界有許多優美的聲音和旋律，如鳥鳴、雞鳴；瀑布咆哮，河流咆哮，等等。在微小的納米世界裏，各種物質的分子和原子運動時，也有優美的音樂旋律。
5.納米光盤出版物
壹張3英寸的光盤可以存儲幾十萬億個字符。如果使用生物碳納米管，存儲容量會更大，達到1T(萬億)個字符，相當於65438+1億本書。
6.餐飲業中的納米科學
動詞 （verb的縮寫）結論
納米技術是壹把雙刃劍。
有壹種納米材料，由於體積小，在常溫常壓下由於布朗運動而懸浮在空間或液體中，即所謂的浮散行為。因此，在使用這種材料時，要特別註意這種漂浮特性，否則會對人體環境和身體造成汙染和侵害。由於納米材料非常小，可以很容易地通過各種渠道進入人體，如呼吸系統、五官，甚至皮膚的毛囊毛孔，是壹種比空氣中的灰塵危害更大的汙染，所以我們不能掉以輕心，否則可能會出現比癌癥、艾滋病、瘋牛病等危害人類更嚴重的自然災害。當然，還有其他潛在的危險。納米機器人忘記停止復制怎麽辦？如果沒有內部的停止信號，那麽災難極有可能發生。快速復制納米機器人在人體內的擴散速度比癌細胞還快，會排擠正常組織，等等。
但是，我們不能因為噎廢食。雖然納米技術專家不排除這些危害，但他們都相信自己能夠應對。
納米技術將給人類帶來無限光明的未來。
參加考試，貢獻力量
1.薛增泉。納米技術的探索。北京清華大學出版社2002。
2.龔建華。進入納米世界。廣東:經濟出版社，2001。
3.顧寧、傅德剛、張等。納米技術及其應用。北京:人民郵電出版社，2002。
4.趙東等。納米技術與納米武器。軍事文怡出版社，2001
5.李豐生等。納米/微米復合技術及應用。北京:國防工業出版社，2002。
6.張玉龍等人,《納米技術和納米塑料》。北京:中國輕工業出版社，2001。