【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】 ———————————————— 纵论纳米科学与技术 王中林 《科学时报》2001年8月9日 科学认识纳米科技 日前，国家自然科学基金委在北京召开了国际华人科学家纳米科技研究会， 国际上很多著名的纳米科学家参加了会议。本报记者王丹红就目前我国出现的 “纳米热”问题采访了作为会议主席的旅美纳米科学家王中林教授。 　　王中林认为：由于出于商业化的目的，目前纳米界的“李鬼”还比较多。他 担心当“李逵”来到我们生活当中的时候，我们会不会辨别不出他，不再承认或 接受他。 　　在下面的文章中，这位旅美纳米学者谈论他所认为的什么是纳米科技，为什 么纳米科技目前如此之热，纳米技术发展的主要领域有哪些，以及纳米技术产业 化的问题。希望对纳米科技有一正确的认识。 纳米是一长度概念。一米的千分之一是一毫米，一毫米的千分之一是一微米， 一微米的千分之一是一纳米，即一纳米是十亿分之一米。我们普通人的一根头发 丝的直径约为五十微米，那么一纳米相当于头发丝直径的五万分之一。物质结构 的最小单元是原子，一纳米相当于五个原子并排起来的长度。那么原子有多大？ 打个比方，把一个原子放大一亿倍，它的大小就如一乒乓球，把一乒乓球放大一 亿倍，它的大小就如月球。可见原子之小，必须用特别的显微技术才能直接观察 到。 纳米技术是以纳米材料为基础的。纳米材料被定义为颗粒或尺寸至少在一维 尺度上小于100纳米，并且必须具有截然不同于块状材料的电学、磁学、光学、 热学、化学或力学性能的一类材料体系。可见纳米材料是以维数尺寸所定义的材 料，它包含所有的材料种类，例如金属、陶瓷、半导体等。纳米技术是组建和利 用纳米材料来实现特有功能和智能作用的高科技先进技术。这是一种从原子着手 由小而大的材料合成和控制途径。纳米材料是一门在原子级设计和组建新型材料 的学科。纳米材料在晶粒尺寸、表面与体内原子数比和晶粒形状等方面与一般材 料有很大的不同。这些材料的奇异性能是由其本身原子尺度上的结构、特殊的界 面和表面结构所决定的。举例来讲，由于表面原子的效应，金属铂纳米颗粒的熔 点可以由大块固体的摄氏1772度降低到700度。由尺寸效应而导致的电子能级量 子化，半导体纳米颗粒CdSe的光致发光的颜色可以由红色连续变化为蓝色。由于 特殊的石墨层结构，碳纳米管在室温下可以具有量子导电效应，即电子的非弹性 散射自由程如此之长以至于它在碳管内的传输过程中无热损耗，这是和我们普通 的导线截然不同。 纳米材料是贯穿于整个材料学科领域的一门综合性研究。对于未来的技术， 谁掌握了先进的材料谁就掌握了科学和技术的未来。 纳米热缘何席卷全球 为什么目前人们对纳米材料如此感兴趣呢？在纳米尺度范围，材料的性能发 生了由量变到质变的飞跃。我们以微电子技术的发展为例来说明这个问题。微电 子的趋势是运算速度越来越快，记忆容量越来越大。到目前每一块硅芯片上可以 刻制出一亿个逻辑单元。在如此高密度电路板上，单元与单元之间的接线的宽度 就不能超过100到200纳米。电子在如此细的导线中的传输过程就不能用经典力学 的传输方程来描述，而必需被量子力学所取代。器件的工作原理和相互作用都会 发生质的变化。因此，一个电子的传输就足以起动元件，即单电子器件。线与线 之间的电子隧道共振和量子干涉会引入新的物理现象和效应，使人们进入量子器 件时代。为了通俗易懂，我们用一个不严格的比方来说明这个量变到质变的过程。 想像一漂浮在一直径为20公里平静湖面上的小舟。小舟行走时荡起的水波在 几百米距离之外基本衰减而消失，整个湖面几乎不会受到小舟的影响。对于如此 大的湖，小舟以及它行走所带起的水波可以用一个点来代替；因此，舟的运动可 以用经典牛顿力学来描述。这相当于当质点的作用范围远远小于运载它的质体的 尺寸时，质点的运动轨迹可以用牛顿力学来确定。然而在另一种情形下，当湖面 直径缩小到50米，小舟行走时荡起的水波就会传播到湖岸再被反射，反射的水波 就会和小舟初始荡起的波相干衍。对于这样小的湖面，描述小舟的运动就必须考 虑它本身，它行走所荡起的水波以及它和湖岸的相互作用，即所谓的波动学。在 物理上讲，当质点的有效作用波长可以和运载它的物体尺寸相比拟时，质点的运 动就不能用牛顿力学来描述，取而代之的是量子波动力学。因此，在上述两种情 形下，描述质点运动的规则发生了从量变到质变的根本性转变，进而导致新的现 象。 对于材料来说，当它的尺寸小到纳米数量级时，它的物理和化学性能可以发 生巨大的变化、突变或产生奇异的新现象。例如，碳纳米管的金属性或半导体性 取决于形成碳管时的石墨层的螺旋角；随着颗粒尺寸的减小，纳米结构的金属材 料不但塑性大大增强，而且强度成倍增加。这就是为什么人们对纳米材料如此感 兴趣的根本原因。 目前是什么导致了人们对纳米技术如此狂热的追求？在科技发展的历史中， 蒸汽机，铁路，电力，电话电报，石油，汽车，飞机，计算机和万维网路等重大 里程碑技术的开创性发展，使得人类文明的发展速度日益急增，日新月异。在人 类文明历史发展进程中，没有任何事物可以和科学技术对人类产生的巨大影响相 比拟。从蒸汽机 到晶体管，两次产业革命对人类的进步起到了巨大的推动作用。 蒸汽机使人类进入工业时代，晶体管使人类进入信息时代。纳米技术有可能是人 类历史上的第三次产业革命，它将使人类进入智能化的类生物体系的生产时代。 人们岂能丢失这么重要的机会！然而，纳米技术从本质上并不类同于“纳米洗衣 机”和“纳米衣服”等一般民用技术，它是属于高科技前沿技术。为什么在目前 提出了纳米技术而不是十年以前也不是十年以后？我个人认为有以下五方面的原 因。 第一，微电子技术的发展已经达到了纳米级的尺寸。到目前电子器件的尺寸 已到了100纳米的范围，经典力学的极限已经来临，量子器件的发展势在必行。 可以说微电子和信息技术驱动了纳米技术的发展。第二，先进的显微技术和微观 操纵技术的发展使得人们可以把原子级的微观过程展现出来。近十年来透射电子 显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等的急速发展给人们带来了探索微观世 界的“眼睛”和操纵原子的“工具”，利用这些眼睛我们可以观测以前看不见的 纳米世界，操纵以前只可以想象而不能设计建造的原子分子结构。第三，新的纳 米结构的发现，例如碳60分子，碳纳米管，半导体量子点和线，半导体氧化物带 等，为人们展示了纳米世界的丰富多彩，奇异多变。奇异使科学变的如此神秘， 多变使得技术不断有创新。第四，新的量子现象的发现为人们设计未来世界提供 了新的色彩。新的器件，完全不一样的工作原理，给未来发展提供了新的机会。 最后，超快计算机的发展可以用模拟来展现在超短时间和超小空间范围内的动态 过程，为人们设计新的材料和器件提供了美好的蓝图。 10年前，技术的发展没有达到这一步，数字地球的概念尚未出现，信息高速 公路刚刚起步，因而形不成如此大的全球科技浪潮。但如果现在不进入纳米技术 的基础研究，10年后科学的发展有可能满足不了技术的需求。因此，目前发展纳 米技术是势在必行，机不可失。 产业化任重道远 众所周知，目前的信息产业是由硅半导体技术和集成电路的小型化带动起来 的。这一场技术革命最初只是来自一个想法：把器件做小、密度提高就可以提高 运算速度减小能耗。然而，由此带来的技术革命可以说不亚于17世纪蒸汽机带来 的工业革命。如果未来材料的制造可以控制到一个原子到下一个原子的精度，那 我们将迎来一场更高更深层次、史无前例的技术革命和科学新纪元。然而，前途 光明，道路曲折。一个极其重要的问题是纳米技术产业化什么时候可以实现?这 个问题是一非常难回答的问题，因为纳米技术概括之广，回答这个问题需要根据 领域的不同而有所区别。 纳米材料是纳米科学技术的基本组成部分。纳米材料在晶粒尺寸、表面与体 内原子数比和晶粒形状等方面与一般材料有很大的不同。这些材料的奇异性能是 由其本身原子尺度上的结构、特殊的界面和表面结构所决定的。制造纳米尺度上 的材料和器件在电子、光学、催化工程、陶瓷工程、磁存储和纳米复合技术上都 有着重要的意义。 但纳米技术的研究无论是在基础科学还是在应用技术上都面 临着许多新的挑战，任重道远。纳米科学技术的发展主要有一下六大领域：纳米 结构的性能；材料合成、制备和控制；表征和操纵；计算机模拟； 纳米器件； 系统组装和界面匹配。绝大多数有关纳米技术的研究是集中在前五个领域，仍处 于基础科学探讨和概念性发展阶段。然而实现产业化决定于系统组装和界面匹配。 科学家可以利用一根碳纳米管做成单电子器件，但根本是能否制造出上亿个性能 稳定的元件，而且可以把它们组装成逻辑电路。只有达到这种程度才能谈得上产 业化。目前微电子在一块硅芯片上可以做出上亿个逻辑电路。未来的纳米电子学 有可能是把纳米器件和材料同硅集成电路有机地结合起来。众所周知，从半导体 晶体管的发明到集成电路的工业化，科学和技术经历了几十年的发展。那么纳米 电子学的发展也需要很长的时间。 对于磁记录，纳米材料已经得到重大的应用。应用于平板显示的纳米材料有 可能在近年内形成产业化。有些纳米材料的合成有可能在短期内实现产业化。有 些纳米材料可以应用于已经成熟的工业产品，但这并不一定称得上是纳米科技， 除非在性能上有大幅度的提高。例如，纳米洗衣机只有在节能和节水方面有大幅 度改进的前提下才有可能列入纳米技术的范畴。 在生物工程领域，纳米技术的发展也将是一段漫长的过程。生物体系的复杂 性和多变性决定了该领域的缓慢发展。新药的研制一般需要十年以上的时间。任 何医药技术都要经过长时间的临床检验和论证才能投入产业化。但从另一角度， 其它纳米技术的发展可以带动生物工程的发展，例如新的生物标本验证技术，新 的探测和临床诊断技术等。新的生物材料有可能在近期内应用于医学，例如骨胳 的修复、心血管的支承和扩张技术等。 综上所述，纳米科学和技术的发展将会直接推动信息、生命和环境科学的发 展。发展纳米科技应该是我们的长远国策，未来高科技之命脉。目前纳米技术的 研究还只是处于初级阶段，而且大量的工作还是基础研究，实现大幅度产业化 任重道远。要取得未来重大的经济效益，坚持长期、持久的投资和研究是关键。 研究要重点突出，适合国情，抓长远利益，但不要搞"全民会战"，面面俱到。纳 米技术目前是高科技领域内极其严肃的科学问题，来不得半点虚夸。只有不断的 追求才会有持久的发展。正确地引导广大消费者对纳米技术的认识有利于未来的 发展和推广。我相信我们勤劳而有智慧的中国科学家和工程师们，一定会在纳米 科技领域中做出举世瞩目的贡献。 ———————————————— 【新语丝电子文库(www.xys.org)(www.xys2.org)】