返回

机械大魔王

首页
关灯
护眼
字体:
名词解释-纳米技术
书架管理 返回目录
    纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

    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,它是动态科学(动态力学)和现代科学(混沌物理、智能量子、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,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

    纳米技术(nanotechnology),也称毫微技术,是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后,诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。

    从迄今为止的研究来看,关于纳米技术分为三种概念:

    第一种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

    第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工“来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这是因为,如果把电路的线幅逐渐变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。

    第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。dna分子计算机、细胞生物计算机的开发,成为纳米生物技术的重要内容。

    纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括:

    纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中,纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础,而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

    1993年,第一届国际纳米技术大会(intc)在美国召开,将纳米技术划分为6大分支:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学,促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性,神奇性和广泛性,吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(01一100nm)的材料、设计、制造,测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括:纳米级测量技术:纳米级表层物理力学性能的检测技术:纳米级加工技术;纳米粒子的制备技术;纳米材料;纳米生物学技术;纳米组装技术等。

    纳米技术包含下列四个主要方面:

    1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在01—100纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。

    如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。

    过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,像铁钴合金,把它做成大约20—30纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

    为什么磁畴变成单磁畴,磁性要比原来提高1000倍呢?这是因为,磁畴中的单个原子排列的并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外则是电子绕其旋转的电子,这是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列的很规则,对外显示了强大磁性。

    这一特性,主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候,用于制造磁悬浮,可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。

    2、纳米动力学:主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(mems),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小,刻蚀的深度往往要求数十至数百微米,而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机,用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度,但有很大的潜在科学价值和经济价值。

    理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。

    3、纳米生物学和纳米药物学:如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,dna的精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。

    纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。(上面是老钱加注)

    4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。

    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。费曼质问道,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。”

    70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,1974年,科学家谷口纪男(noriotaniguchi)最早使用纳米技术一词描述精密机械加工;

    1981年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用;

    1990年,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。这证明费曼是正确的,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。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品,这是关于纳米技术最早的梦想。

    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;

    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,成为纳米技术研究的热点,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;

    1993年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“ibm”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,标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地;

    1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在2017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;

    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,全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元;

    2001年,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5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116亿美元增加到2001年的497亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。

    当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料,制作出生物材料和仿生材料。

    1、纳米是一种几何尺寸的度量单位,1纳米=百万分之一毫米。

    2、纳米技术带动了技术革命。

    3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管,“饿死”癌细胞。

    4、如果在卫星上用纳米集成器件,卫星将更小,更容易发射。

    5、纳米技术是多科学综合,有些目标需要长时间的努力才会实现。

    6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流,它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

    7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况,可让医生对症下药。

    测量技术

    纳米级测量技术包括:纳米级精度的尺寸和位移的测量,纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。

    一是光干涉测量技术,它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率,其测量方法有:双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、x射线干涉测量法、f一p标准工具测量法等,可用于长度和位移的精确测量,也可用于表面显微形貌的测量。

    二是扫描探针显微测量技术(stm),其基本原理是基于量子力学的隧道效应,它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触),借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。

    用这原理的测量方法有:扫描隧道显微镜(stm)、原子力显微镜(afm)等。

    加工技术

    纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。

    由于原子间的距离为01一03nm,纳米加工的实质就是要切断原子间的结合,实现原子或分子的去除,切断原子间结合所需要的能量,必然要求超过该物质的原子间结合能,即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。

    截至2008年纳米加工有了很大的突破,如电子束光刻(uga技术)加工超大规模集成电路时,可实现01μm线宽的加工:离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除:扫描隧道显微技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。

    粒子制备

    纳米粒子的制备方法很多,可分为物理方法和化学方法。

    应用纳米技术制成的服装

    真空冷授法:用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控,但技术设备要求高。

    物理粉碎法:透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产晶纯度低,顺粒分布不均匀。

    机械球磨法:采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。

    气相沉积法:利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。

    沉淀法:把沉淀剂加人到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备载化物。

    水热合成法:高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高,分散性好、粒度易控制。

    溶胶凝胶法:金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物和11一mission;ec)对欧洲地区与国际社会发表一系列有关于纳米科技的专案计划,以宣示欧洲对于提高纳米科技竞争力的决心。

    欧盟将其计划分为五个主要区域:研究与发展(r&d)、基础建设(infrastructure)、教育与训练(educationandtraining)、创新(innovation)以及社会层面(societaldimension)。

    根据预估,如欧盟计划能顺

    2创新接继中心

    在公元1995年由欧盟委员会成立“创新接继中心”(innovationrelaycenters,ircs)。这个的组织和美国国家科技移转中心具相同功能。区域性的创新接继中心总数近70个,支援至少位于30个国家的相关科技移转中心。创新接继中心的目的,是将有问题的公司和能提出解决方法的公司结合在一起。欧洲多数的纳米科技公司都可受到创新接济中心或区域创新和科技移转策略计划的援助。

    欧洲纳米科技计划接受金援的方式和美国大致相同,有些是属于国家型计划。欧洲有多个跨国研发机构,以泛欧工业研发网络为例,其专门提供无条件研发补助,目的将研发成果发展为产品。透过泛欧工业研发网络提供的资金补助的国家包括奥地利、挪威和英国。其他在比利时、德国、斯洛伐尼亚、冰岛和以色列还包括贷款和免偿型补助。多数情况下,补助金额不超过计划完成的所需总金额的七成,剩余部分多仰赖地方政府和其他有意愿者赞助。

    日本

    1日本理研的纳米科学研究现况

    日本理化学研究所(riken,简称理研)系一跨学门的研究组织,该所各部门分布在日本的7个区域。riken的主要基地-和光园区,设置发现研究中心(dri)、新领域研究系统(frs)及头脑科学中心(bsi)等3研究中心。riken进行的研究可区分为三类:dri主要进行小型但具备长程观点的培育研究计划;frs同样执行小型计划,但以由上而下的方式,进行较具动态的中程及中等规模的计划;至于研究中心则是进行以目标为导向的中至长程的大型计划。riken在西元2003会计年度下半年(西元2003年十月至2004年三月)的研究预算共4748亿美元,全年预算超过9亿美元。

    公元1986年起riken开始从事纳米科学之研究,但正式的纳米科学计划则是自西元2002年开始,初期选定有18项的纳米科学计划,并陆续分别在各研究中心进行。

    2日本提高纳米科技预算与产业合作(japanboostsnanotechnologybudgetandindustrialcooperation)

    日本科学与科技政策顾问委员会(councilforscienceandtechnologypolicy)消息指出,日本在西元2004年会计年度(由4月1日起)中,纳米科技预算成长31个百分比,达到88亿美元。同时,两个主要负责日本纳米科技研发计划的政府部会,其预算也都有成长。负责推销即将完成的研发工作的日本经济产业省(ministryofeconomytradeandindustry,meti),预算由西元2003年的097亿美元提升到公元2004年的11亿美元。纳米科技与相关原料研究被指定为四个最高优先项目之一,其他领域包括资讯与通讯、生命科学与环境研究。

    日本的预算是经由日本大藏省(financeministry)批准,再由日本国会(japanesediet)制定为法律。日本文部科学省(ministryofeducation,culture,sports,scienceandtechnology,mext)的纳米科技研发经费,则由23亿美元成长到24亿元,将着重在基础原料研究与新药物研究计划上。

    韩国

    1韩国的纳米科技策略

    韩国政府已深切体认到纳米科技为本世纪科技发展的战略制高点,整合纳米技术与资讯、生物、材料、能源、环境、军事、航太领域之高新科技,并将创造出跨学门研究发新境界。韩国政府也理解到此新兴科技也将是创造新产业与高科技产品的驱动力,纳米科学与技术的突破性进展更将为人类能力、社会产出、国家生产力、经济成长与生命品质带来巨幅的改善。

    韩国已宣示在公元2001至2010年十年间投入韩币2,391兆元(约20亿美元)于纳米科技的研发,政府投入在纳米科技的经费,公元2002年与2000年比较,成长约400%。纳米国家计划的主要目标之一为在某些竞争性领域取得世界第一并发展产业成长的利基市场,韩国同时明确的把发展重点聚焦于诸如兆元级积体电子元件等核心关键技术。

    “2002年执行纳米技术发展计划”与“纳米结构材料技术发展”、“纳米微机电与制造技术发展”等两项新领域研究计划同步开始实施,再加上纳米科技领域研究计划在未来6~9年内每年将投入2千万美元,在众多政府研究机构林立的daejoen科学城。韩国高等科技研究院(kaist)于2001年设立纳米制造中心,在未来6~9年内投入165亿美元,政府调整“2003年纳米科技发展行动计划”,包括:纳米科技发展促进法案,其目的二:一为建构坚固的纳米科技核心研究基础,二为激励成熟纳米科技的产业化,韩国政府也将配置38亿美元(全国纳米科技经费的19%)于国家纳米产业化计划,其中包括产业研发基金与创投基金。

    根据公元2002年韩国专利局报道,纳米科技专利应用数目无论在国内或国外都呈现大幅成长,新兴纳米科技也在过去数年间呈现可观地成长,另外根据韩国商工能源部(mocie)的统计,西元2002年纳米科技新创公司也如雨后春笋纷纷抢搭纳米科技列车。

    2韩国预测国际市场对纳米纺织品的需求将快速增加

    韩国产业资源部预测,今后9年国际市场对纳米纺织品的需求将会出现迅速增长的趋势,交易额可望达到近400亿美元。韩国产业资源部委托韩国纤维产业联合会从西元2004年八月份开始的三个月内,对国际市场对纳米纺织品的需求和贸易趋势进行研究分析。

    韩国产业资源部分析认为,国际市场对纳米纺织品的需求金额以150亿美元为基准,今后每年将递增107%,到公元2007年和2012年,国际市场对纳米纺织品的需求金额将分别达到240亿美元和397亿元。到西元2012年,国际市场对用于制药、电子和生命科学的超高效能过滤纳米纺织品的需求金额将达到96亿美元,对用于防生化武器和体育娱乐的纳米纺织品的需求金额将达到26亿美元,对用于储存能源的纳米纺织品的需求金额将达到205亿美元。

    韩国对纳米纺织品的需求金额为19亿美元,占国际市场需求总额的121%。到西元2012年,韩国对纳米纺织品的需求金额将达到72亿美元,占当时国际市场需求总额的181%。

    3韩国在纳米科技的发展几乎完全集中在微电子产业

    透过由韩国科技部(ministryofscienceandtechnology)赞助的兆位水平纳米设备发展计划(tera-levelnanodevicesinitiatives),韩国的大学和产业都专注于发展下一世代微电子设备,包括具有兆位元(terabit)容量的内存设备和具有兆赫兹(terahertz)资料处理速度的元件。

    韩国最大企业财团之一的三星设有一个先进科技研究所(advancedinstituteoftechnology),从事微电子科技的研究和商业化发展。

    中国台湾

    台湾自公元1996年以来,国科会、经济部、教育部等部会已支持许多个别计划从事有关于纳米科技的研发,较九十年代的如教育部的卓越计划、国科会纳米材料尖端研究计划、经济部技术处纳米技术环境建构及其产业应用评估计划等等。为了有效地运用资源,并整合产官学研的智慧与力量,以提升国际竞争力;自西元2000年起,国科会即开始规划推动纳米科技计划。

    公元2000年12月“中华民国行政院科技顾问会议”与西元2001年一月第六次“全国科学技术会议”(全国科技会议)之结论,均指出纳米科技为台湾未来产业发展重点领域方向,国科会遂于西元2002年十一月廿一日成立工作小组办公室,负责国家型计划之规划,“纳米国家型科技计划工作小组”之成员由国科会、行政院科技顾问组、中研院、中华民国教育部、工研院、经济部、行政院原子能委员会及行政院环境保护署等单位共二十五位代表组成。

    国科会并于公元2002年一月十五日召开第一五五次委员会议,讨论“纳米国家型科技计划”构想;于西元2002年六月第一五七次委员会议中通过纳米国家型科技计划审议,自西元2003年一月正式开始推动,并决定自西元2003年至西元2008年间,投入经费新台币2319亿元于纳米科技发展;并于同年九月一日正式成立纳米国家型计划办公室,执行整体计划之领导、策划与管考。

    中国

    1“中国实验室国家认可委员会”是负责实验室和检查机构认可及相关工作的认可机构,为规范纳米产品市场、推动制定相关纳米材料及产品的标准,“国家纳米科学中心”和“中国实验室国家认可委员会”会商多次,联合成立“纳米技术专门委员会”,挂靠在“国家纳米科学中心”。

    2中国政府透过中国科学院主导众多纳米科技研发计划,多数强调半导体制造技术和发展以纳米科技为基础的电子元件,另一是利用纳米材料保存考古文物。

    已成功发展出的产品包括新式冷气机,其特点为利用创新的纳米材质。另估计约有两百家企业积极从事纳米科技产品的商业化。

    加拿大

    滑铁卢大学是全世界第一所设立以纳米科技工程为主科的大学。在2005年开始收生并在2010年开设纳米科技工程硕士班。在2012年,将会有一座量子纳米中心。

    多伦多大学也拥有以纳米科技工程为副科的科学工程的大学。

    圭尔夫大学则已设立了纳米科学。

上一章 目录 下一章