“纳米技术”浅谈

Wisewind

科学家们普遍认为：“纳米技术将会是下一个信息时代的中心，并将引发许多领域的技术革命！”因此，粗浅了解什么是“纳米技术”，对于我们每个人也许都是很重要的。

什么是“纳米”？

纳米（Nano-Meter）是长度单位，即毫微米，也就是10亿分之一米（10的负九次方米）。例如，氢原子的直径约为0.1纳米，单个细菌的直径约为5千纳米，人的头发直径大约为2万-5万纳米。

什么是“纳米技术”？

纳米科学与技术，简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料所呈现的特殊性质及其应用的科学知识及技术手段。

构成一切物质的最基本的单元是原子。原子的直径大约在0.1-0.6纳米之间。尺寸在1至100纳米之间的结构所含有的原子总数大约只有数千，数百甚至数十个。

因此，纳米技术就是“研究最小极限尺寸范围（1至100纳米）内材料的性质和应用的科技。”它的本质是以原子为单位创造全新形态的结构。它的目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。

纳米技术涉及的是人类制造技术所能达到的最小尺度范围，其影响将是巨大的。

“纳米技术”是如何起源的？

20世纪70年代的研究发现，当材料尺度减小到1—100纳米这个范围时，物质的性能就会发生突变，呈现特殊性能。

科学家们认为，由于纳米材料的超微粒尺度（1—100纳米），所含原子总数不大，因此其界面原子数量比例极大，一般占原子总数的40%-50%左右，致使纳米材料本身具有宏观量子隧道、表面和界面等效应，从而具有许多与传统材料不同的物理、化学性质，这些性质不能用传统的模式和理论解释。

比如导电、导热性能良好的的铜和银，做成纳米尺度以后就失去导电性和导热性。

磁性材料如铁钴合金，常规尺寸时呈现多磁畴，并且多数磁畴的磁性互相抵消。但把它做成大约20—30纳米大小时，磁畴就变成单磁畴，而且磁性要比原来强1000倍。

石墨强度很低，但实验室制造出来的原子点阵结构与单层石墨（Graphene）相同但成管状的纳米碳管（Carbon Nano-Tube）,沿长度方向的强度却很高……等等。

这些发现使“纳米材料”成为一个新的前沿科学领域。

20世纪80年代初，研究纳米的重要工具 - 扫描隧道显微镜被发明。纳米技术又在信息储存，电子、光电子，医疗、医药和农业等各个研究领域取得了巨大进展。

到本世纪初，全球纳米产品的年营业额已超过500亿美元。

“纳米技术”有哪些应用？

·在材料科学领域的应用

使用纳米技术制造出来的纳米碳管是人类迄今为止所发现的强度及刚度最高的材料。单壁纳米碳管（Single-Walled Nano Tube）的比重是钢的六分之一，而抗拉强度却是钢的10倍以上，甚至30倍。若比较两者的“比强度”（即强度除以比重），则更惊人：多壁纳米碳管（Multi-Walled Nano Tube）的比强度是钢的200倍以上，甚至300倍！因此纳米碳管具有广泛而特殊的用途。将纳米技术应用于陶瓷，可使硬而脆的陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。在普通的棉布上覆盖一层纳米颗粒，可使之具有导电性。在普通的服装外覆盖一层纳米颗粒，雨点落在上面，就像落在荷叶上一样，不会将衣服浸湿。在贴身穿的军服里层覆盖医用纳米颗粒，可自动为战士疗伤……等等。

·在微电子学上的应用 

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为本世纪信息时代的核心。20-30年后可望研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机……。

·在生物工程上的应用 

科学家们在研究应用纳米技术制造人造器官比如血管和骨骼的可能性。将特殊的纳米颗粒和纳米机器人注射进血管，这些颗粒将吸附血液中的低密度脂蛋白胆固醇（坏胆固醇），并将之输送到肝脏以便派出体外，从而防止它们沉积在血管内壁；而纳米机器人将清除已经沉积在血管内壁的低密度胆固醇。应用生物分子制造计算机的组件，代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，制造分子计算机，将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍……等等。

·在光电领域的应用

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，使光电器件在信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。例如，潜艇在巡航时会形成尾流，并扩展到海面上形成较大面积的特性波纹，部署在卫星上的合成孔径雷达能够探测到这种特性波纹，从而发现水下的潜艇。

·在化工领域的应用

将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，可以有效地遮蔽紫外线。利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面、较高的机械强度做成纳米反应器，能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。用纳米颗粒制成的过滤器可以过滤掉水中的细菌。科学家们正在研究从空气，地热蒸汽和工业排放气体中采集二氧化碳，然后应用纳米技术将之转化为燃料。这种方法可以提供取之不尽的燃料资源，而且这些燃料在使用（燃烧）之后不会增加大气中二氧化碳的含量。

·在医学上的应用 

科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离。

用金的纳米粒子可以进行定位病变治疗，以减少副作用。

科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗。

目前治疗癌症最有效的方法是施行手术将肿瘤切除。不幸的是对于绝大多数种类的癌症，这也是最困难的手段。原因有两个：一是要找出所有残留的肿瘤几乎是不可能的；二是要确定身体某个部位肿瘤已停止扩散而健康组织已重新生长也是非常困难的。现在已经找到一种办法 – “双功能纳米颗粒”可以解决这两个难题。这种纳米颗粒可以渗透进肿瘤细胞内部，然后通过萤光成像和磁共振成像将这些肿瘤细胞显示出来。

经过广泛的研究和刻苦努力之后，科学家们已经成功地制造出非常微小的纳米颗粒机器人。这些纳米颗粒机器人可以被注射进血管和恶性肿瘤里面，去“关闭掉”癌症基因，以减缓和阻止癌细胞的扩散……等等。

未雨绸缪 – 防止“纳米技术”的副作用

纳米颗粒的尺寸比细菌还小很多，几乎所有的纳米颗粒都能溶解于水，因此，纳米颗粒通过空气，水或其他媒介扩散是非常可能的。一些有识之士已就纳米颗粒可能造成环境污染提出了警告，这个问题应该引起科学家及各国政府的重视。

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