纳米科技概述

纳米科技是20世纪80年代末期开始兴起的新技术，所研究的领域是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间介观领域，它的出现打开了通向未知世界的一扇大门，是一门在纳米尺度（1～100nm）范围内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科，其涵义是人类在纳米尺寸（10^-9～10^-7m）范围内认识和改造自然，是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。这就标志着人类改造自然的能力已开始延伸到原子、分子水平，人类科学技术已进入一个新的时代，即纳米科技时代。纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。80年代初发明了纳米科技研究所需的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）及近场显微镜（Near-field Micro-scopes）等微观表征和操纵技术，成为纳米结构测量及操作所需的“眼睛”及“手指”，它们对纳米科技的发展起到了积极的推动作用。与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了很强的生命力，迅速形成一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。

纳米科技不仅为人类的创新研究提供了新思路，成为当前科学研究领域的热点，并且对整个社会产生巨大的冲击。微电子及系统技术在20世纪末为世界带来第二次工业革命，使世界在短短三四十年间的进步，超越过去几千年。由于人类对微小化材料的殷切需求，已由原来的微米（10^-6m）范围进入了纳米（10^-9m）范围的时代，在面临21世纪高科技发展的竞争中，纳米技术及材料的发展，将是各国高科技发展政策中不可或缺的一环。人类科技21世纪的发展将更趋向于轻薄短小、多功能、物美价廉的方向发展。纳米技术与材料在过去十几年来，在集成电路（IC）技术及纳米材料的发展下，已有相当突破性的研究成果，这些研究发展主要方向是重在物理、化学、材料、化工、电机、光电与机械等方面，在实际应用上具有特殊及特定功能性，它的发展需要基础物理、化学、材料、电机及机械等相关领域做有效的整合。这样的整合，近年来在研究上有突出的发展，它不只有应用的价值，更在基础科学开发了许多新领域。例如：纳米结构感测材料、电子陶瓷、光电材料、场发射显示器、微制动器、微机电系统等应用上的开发。

纳米科技是多学科交叉性的综合学科，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、纳米测量学及纳米力学8个学科。这8个学科既具有相关性，又具有各自领域独立的科学框架，共同构成了纳米科技体系。

纳米科技的本质是能够在分子层次制造加工、利用新的分子构建技术将原子与原子结合，从而制备大型结构材料或系统的能力。由纳米分子组成的块体材料，同大小约为1nm的独立分子相比较，其结构特征及行为呈现重要的改变，纳米技术关心的就是在结构与成分上因其纳米规模的大小，而出现奇特性质以及可以显著改善物理、化学、生物及力学性质、现象与过程的材料及其系统，其目标在于：①借由控制原子、分子及超分子的结构和装置以利用这些性质，②学习如何有效地制造与利用这些装置，③维持纳米材料界面的稳定，④在纳米及显微规模下整合这些纳米结构。

纳米材料的奇异特性行为并非仅仅因为材料规模大小的降低，更重要的原因是其内在本质显著的变化如尺寸限制、界面现象以及量子力学的影响等。只要能够控制这些关键影响因素，就能够改善材料特性及其装置的功能。已有因降低结构的大小而表现独特性质的实体，如碳纳米管、量子线与点、纳米涂层与薄膜、以DNA为基础的结构以及激光发射器等。如果我们能够发现并充分利用纳米材料与结构的基本原理，上述这些新形式的材料与装置将成为纳米科技时代的先驱。(www.xing528.com)

对传统材料性质和设备操作方面的模型和理论一般多以大于100nm的“临界长度”为假设基础。当材料结构至少有一维在此临界长度以下时，经常就会出现为传统模型及理论所无法解释的行为。为了发掘介于个别原子、分子及由成千上万个分子组成的块材之间的介观领域纳米材料的新奇现象，来自各个领域的科学家对纳米结构材料的设计、制备、分析及计算等进行了全方位的研究，目的在于弄清纳米材料的设计、制备原理、结构及其特殊性能之间的关系，从而使得纳米结构或元件成为一个性能可控的系统。纳米结构与材料的不同制备方法就为纳米材料设计、制备、结构与应用特性的研究提供了一个很好的范例，它主要包括小部分的“自上而下”（top-down）的极小型化法和大部分的“自下而上”（bottom-up）的次微米组合法，如图2-1所示。所谓“自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；而“自下而上”，是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特定功能的产品。这种自下而上的技术路线将减少对原材料的需求量，降低环境污染。如科学家希望通过纳米生物学、纳米力学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应用生物学及力学原理制造生物分子器件、微/纳电子机械系统及其功能薄膜材料等，这代表了纳米材料及器件可控制备研究的一个重要发展方向。

由上可见，纳米科技是在现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。纳米材料是纳米科技的重要组成部分，但纳米科技不仅仅是纳米材料的问题，它是一门体现多学科交叉性质的前沿学科。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新名词。若以研究对象或工作性质来区分，纳米科技包括三个研究领域：纳米材料，纳米器件，纳米尺度的检测、表征与计算。纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测、表征及计算是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。

图2-1 纳米结构材料“自下而上”或“自上而下”的制备过程示意图