第一章 高新科技(三)

七、纳米科学技术

所谓纳米科学,是人们研究纳米尺度——即100纳米至0、1纳米范围之内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学,而纳米技术则是在此基础之上制造新材料、研究新工艺的方法和手段。纳米科学技术不是某一学科的延伸,也不是某一工艺革新的产物,而是基础理论学科与当代高新技术的结晶。它以物理、化学的微观研究理论为基础,以当代精密仪器和先进的分析技术为手段,是一个内容广阔的学科群。按照目前的研究领域,大致可以分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米制造、纳米光学等等。而其中的每一门又都是跨学科的边缘科学。

纳米材料,是指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下,应不超过10纳米。大家都知道,原子的半径在10-10米这一量级,而1纳米等于10-9米,因此在纳米量级内,物质颗粒的尺度已经很接近原子的大小。这时候,量子效应就已经开始影响到物质的性能和结构。由纳米颗粒最后制成的材料与普通材料相比,在机械强度、磁、光、声、热等方面都有很大的不同。由于这些不同,我们便有可能制造出性能优良的各种特殊材料。

纳米材料是由众多尺度很小的微粒构成的,因此表面积大大增加,表面结构也发生较大的变化。纳米材料与宏观材料也有显著的区别。纳米材料的表面积大,表面活性强,在催化领域中前景良好,在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成功地提高燃烧的效率。

纳米电子学是微电子技术向纵深发展的直接结果。现代集成电路的生产使用的是一种叫作平面处理的工艺过程。由于这种方法需要用可见光光波先在抹有光刻胶的基片上进行曝光,所以,这种方法的分辨率受到可见光波长的限制。分辨率越高,集成器件的密度越大,集成电路的功能也就越强。

纳米电子学的主题有两个:一是开发具有纳米量级分辨率的工艺以取代现有集成电路生产工艺;二是研究纳米器件的运行规律,因为在纳米尺度上,经典电子器件运行的理论基础已不再适用,必须考虑量子效应的影响,建立新的理论,为新一代计算机的出现打下基础。

纳米生物学研究纳米尺度上的生命现象,并根据生物学的原理发展分子工程,包括纳米机器人和纳米信息处理系统。生物学在20世纪的发展趋势是在分子水平上了解生命现象,原有方法已经无法有效地对其进行精细结构分析和加工。一旦纳米传感器成为现实,这个难题就能迎刃而解。通过纳米传感器,甚至可以在不干扰活细胞正常生理过程的情况下,获取有关分子的动态信息,深化人们对它的认识,从而解开众多生命之谜。

纳米科学技术的范围远远超出上述三个领域,由于正在形成之中,一些新的学科很难叫出名字,有待于全面的发展定型之后才能作出决断。同时,又不断有新的发现和新的突破,将纳米科学技术的范围不断拓展。