纳米技术的认识

对于纳米技术的认识的话题，我可以从不同的角度进行分析和讨论，并提供相关的资讯和建议。

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纳米技术的认识

理论含义

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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 ，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?[2]?。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：

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。

利用纳米技术将氙原子排成IBM

主要内容

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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。

纳米纤维

1993年， 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 各国的许多 科学家纷纷为之努力研究。 纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术?[3]?。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0.1—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。 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。

历史沿革

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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 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（Norio Taniguchi）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 ，对纳米科技发展产生了积极促进作用；

1990年，

理查德·费曼

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。 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?[4]?。

1990年7月， 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 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 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 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 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?[5]?。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1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。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。

应用领域

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英特尔cpu

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?[6]?。

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 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 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0.1一0.3nm，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0.1μm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

纳米技术应用——计算机磁盘

真空冷授法：用真空蒸发、加热、高 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。

应用纳米技术制成的服装

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VI族化合物的制备。

徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。

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到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。

材料合成

自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过10年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为“21世纪新材料”，具有许多特异性能。

例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，snm的金粉熔点降低到830℃，因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。

加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。

疾病诊断

当前常规的成像技术只能检测到癌症在组织上造成的可见的变化，而这个时候已经有数千的癌细胞生成并且可能会转移。而且，即使是已经可以看到肿瘤了，由于肿瘤本身的类别（恶性还是良性）和特征，要确定有效的治疗方法也还必须通过活组织检查。如果对癌性细胞或者癌变前细胞以某种方式进行标记，使用传统设备即可检测出来则更有利于癌症的诊断。

要实现这一目标有两个必要条件：某技术能够特定识别癌性细胞且能够让被识别的癌性细胞可见。纳米技术能够满足这两点。例如，在金属氧化物表面涂覆可特异识别癌性细胞表面超表达的受体的抗体。

由于金属氧化物在核磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）下发出高对比度信号，因此一旦进入体内后，这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体选择性地与癌性细胞结合，使检测仪器可以有效地识别出癌性细胞。同样地，金纳米粒也可以用于增强在内窥镜技术中的光散射。纳米技术能够将识别癌症类别及不同发展阶段的分子标记可视化，让医生能够通过传统的成像技术看到原本检测不到的细胞和分子。

在人类与癌症的斗争中，有一半的胜利是得益于早期的检测。纳米技术使得癌症的诊断更早更准确，并可用于治疗监测。纳米技术也可以增强甚至完全变革对组织和体液中生物标志物的筛查。癌症与癌症之间，以及癌细胞与正常细胞之间由于各种分子在表达和分布上的差异而各不相同。随着治疗技术的进步，对癌症的多个生物标志物进行同时检测是确定治疗方案时所必须的。

纳米颗粒——例如能够根据它们本身大小发出不同颜色光的量子点——可以实现同时检测多种标记物的目的。包被有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点可与各种癌症生物标记物抗体结合，方便肿瘤学家通过所看到的光谱区分癌细胞与健康细胞。

组装技术

由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到人们很大的重视。

纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。现在，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行lgG归生物大分子的组装过程中， 利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。

除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。

中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势。现代同美、日、德等国位于国际 梯队的前列。虽然现代中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地，纳米技术的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。

生物技术

纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。

DNA研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。

脑功能的研究

工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。

仿生学的研究

这是纳米生物学的热门研究内容。现在取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。

上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转

纳米陶瓷

。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有3onm，转速可以高达15r/min，可在1μs内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现代人们正在探索设计一种能用电位差驭动的人工鞭毛马达驱动器。

日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一步用于机器人。

有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元，单元尺寸仅Inm，可组装成超小型计算机， 数微米大小，就能达到现代常用计算机的同等性能。

在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。

衍生产品

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机器人

纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。

2005年，不少 纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：纳米机器人潜在用途十分广泛，其 别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国 学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言：到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

雨衣伞

纳米雨衣伞是雨伞与雨衣的结合体，纳米雨伞收伞有三折伞和直杆伞的收伞形态（简单说，收伞时有长短两种选择）。纳米雨衣可由纳米雨伞转变而成，纳米雨衣又不同于一般的雨衣，因为纳米雨衣可以保证从头到脚 不湿。因为纳米材料，所以这雨伞可以一甩即干，雨伞转变为雨衣后，这雨衣也只需穿着时轻轻一跳也即可全干。

防水材料

2014年8月4日，澳大利亚运用新发明的布料，制成一款具有开创性的T恤衫，不管人们怎样尝试着浸湿它，此T恤都能保持良好的防水性能。

这件叫做“骑士”(The Cavalier)的白色T恤是百分之百棉质的。虽然表面看起来平淡无奇，但是其布料运用“疏水”纳米技术应用编织而成，使得这件T恤能够有效防止大部分液体和污渍的浸入。这种T恤可以用机器清洗，其防水功能最多可承受80次清洗。它的布料有天然自净功能，任何附着在上的污渍都能用水擦洗或冲干净。

和其他含有化学物质的防水应用不同，T恤仿照的是荷叶的自然疏水特点。此布料的发明对于餐馆和咖啡厅来说可能具有革命性的影响。此外，这种布料还可以运用在医疗行业或医院等地。

潜在危害

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和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。

社会危害

纳米颗粒的危害

纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害?[7]?。

要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：

纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。

“自由”纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。

这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物，比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。

现代，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最紧迫关心的。

因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。

更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。

健康问题

纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。

环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。

社会风险

纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。

在结构层面，纳米技术的批评家们指出纳米技术打开了一个由产权和公司控制的新 。他们指出，就象生物技术的操控基因的能力伴随着生命的 化一样，纳米技术操控分子的技术带来的是物质的 化。过去的几年里，获得纳米尺度的 像一股淘金热。2003年，超过800纳米相关的 权获得批准，这个数字每年都在增长。大公司已经垄断了纳米尺度发明与发现的广泛的 。例如，NEC和IBM这两家大公司持有碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础 。碳纳米管具有广泛的运用，并被看好对从电子和计算机、到强化材料、到药物释放和诊断的许多工业领域都有关键的作用。碳纳米管很可能成为取代传统原材料的主要工业交易材料。但是，当它们的用途扩张时，任何想要制造或出售碳纳米管的人，不管应用是什么，都要先向NEC或者IBM购买许可证。

纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员开始有意识得通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成 上 块纳米材料，开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了 届国际纳米科学技术学术会议(Nano- ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。

1990年，美国国际商用机器公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面用36个氙原子排出“IBM”三个字母。科学家们从这种能操纵单个原子的纳米技术中,看到了设计和制造分子大小的器件的希望。1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。

九十年代以来，准一维纳米材料的研制一直是纳米科技的前沿领域。1991年1月，日本筑波 NEC实验室的饭岛澄男(S. Iijima) 用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。2000年10月，美国宾州大学研究人员在Science上发表文章称，纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢 100倍的强度。不仅具有良好的导电性能, 还是目前最好的导热材料。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉，也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。最新的研究表明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、模具或模板，而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模拟显示，封存在碳纳米管中的水能够以新的冰相存在，在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界线将会消失，液体物质将会连续地转变成固体，而不发生明显的凝固过程。

1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single- walled Carbon Nanotubes)。1996年，因发现C60获得诺贝尔奖的斯莫利(Smalley)和他的研究组合成了成行排列的单壁碳纳米管束。同年，中科院物理所解思深研究员的研究组用化学气相法制备出面积达3mm×3mm的大面积碳纳米管阵列，它可用作 的场发射平面显示器件。他们还于 1998年合成了当时最长的2毫米长度的纤维级碳纳米管。

除了碳纳米管外，科研人员还合成了其他的纳米管材料，如BxCyNz、NiCl2、类酯体、 MCM-41管中管、水铝英石、b-(g-)环糊精纳米管聚集体及定向排列的氮化硅纳米管等[1]。准一维纳米材料中除了空心的纳米管以外还有实心的纳米棒、纳米线、量子线。图1为我们研究组合成的氧化硅纳米线，直径为5-120nm，从线末梢到根部，长度为10-70mm。1997年，法国学者 Colliex在利用分析电弧放电得到包覆异质纳米壳体的C-BN-C管，由于它的几何结构类似于同轴电缆，直径又为纳米级，故称其为同轴纳米电缆(coaxial nanocable)。由于同轴纳米电缆具有的 结构，将在纳米结构器件中占有重要的地位。

1996年，中国科技大学谢毅博士利用苯热合成法制备出产率很高、平均粒度为30nm的氮化镓粉体。1997年，清华大学范守善教授制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓纳米棒， 把氮化镓制备成一维纳米晶体，提出碳纳米管限制反应的概念。1999年，他与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

1997年，美国纽约大学科学家发现，DNA（脱氧核糖核酸）可用于建造纳米层次上的机械装置。2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。

1998年，中国科技大学钱逸泰院士的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。

1999年，北京大学电子系薛增泉教授的研究组在将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。同年，中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上 先进水平。

1999年巴西和美国科学家用碳纳米管制备了 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；不久，德国科学家研制出称量单个原子重量的“纳米秤”，打破了先前的纪录。同年，美国科学家在单个分子上实现有机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。

中科院沈阳金属所的卢柯小组在纳米材料及相关亚稳材料领域取得了 的成绩。他发展的利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。他们发现的纳米铜的室温超塑延展性，被评为2000年中国十大科技新闻。

从发现纳米碳管始，科学家们不断研制出越来越细的纳米碳管。2000年，解思深组利用常现电弧放电方法制备出内径为 0.5nm的碳纳米管。同年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了 上最细的纯碳纳米碳管?0.4nm碳管，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。12月柏林的马克斯—玻恩研究所研制出1nm直径的薄壁纳米管，创出薄壁纳米管研制的新记录。

2001年初，中国科技大学朱清时院士的研究组 直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。3月，美国佐治亚理工学院留美中国学者王中林教授的研究组利用高温固体气相法，在 上 合成了 形态且无缺陷的半导体氧化物纳米带状结构。这是继纳米管、纳米线之后纳米家族增加的新的成员。它有望解决纳米管在大规模生产时稳定性的问题，并在纳米物理研究和纳米器件应用上有重要的作用。6月，香港科技大学沈平教授的研究组在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性。这一观察表明，当纳米碳管细到一定程度时，其材料性质将发生突变。从应用上来讲，纳米碳管超导性的发现，将有助解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。

由上可见，在纳米基础研究领域，中国并不落后?自90年代初，科技部、 自然科学基金委、中国科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、 重点基础研究项目等，投入数千万元资金支持纳米基础研究；中国的纳米科学家，在国际上取得了一系列令人瞩目的成果，相继在《Science》、《Nature》等 杂志上发表了高水平的论文，使中国在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居 第四。但是，在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手段离国外还有很大的差距。

二、 纳米科技的应用

在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏；纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。目前描述纳米材料中的基本物理效应主要是从金属纳米微粒研究基础上发展和建立起来的，要准确把握纳米科技中现象的本质，必须要在理论上实现从连续系统物理学向量子物理学的转变。

当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的“ 纳米技术倡议”(NNI)中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛，但最基本的有三个，即纳米材料，纳米电子学、光电子学和磁学，纳米医学和生物学。

1 纳米电子学、光电子学和磁学

纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍认为是70nm左右。目前国际上最窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。新概念器件的形成，单原子操纵是重要的方式。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料 。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。

利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance, TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。

2 纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构 ，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的 典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片) 等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。

纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3 在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。

在雷达隐身技术中，超高 (SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收 带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m?和m?几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

图2是我们研究组利用溶胶－凝胶法制备的b-纳米碳化硅粉的透射形貌照片，一次颗粒尺度约为 20nm。经微波网络矢量分析仪测量其介电损耗(tgd)达到9.28，而其它碳化硅粉的介电损耗在0.2-0.6之间，因而具备了在常温和高温下吸收超高 段电磁波的潜力。

4 纳米陶瓷的补强增韧

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一。

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶与a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料。

目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工艺和新方法不断出现，已具备了生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。我们研究组提出利用原位选择性反应法制备了纳米晶TiC和TiN复合TZP的复合粉料，为陶瓷材料的显微结构设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化手段也趋于多样化，其中微波烧结和放电等离子体烧结(SPS)具有良好的效果。美国宾州大学陈一苇教授利用无压烧结制备平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料，为发展纳米陶瓷带来新的希望。2001年6月，日本经济产业省报道将纳米陶瓷等新型材料应用于飞机部件制造技术。

5 纳米科技在其它方面的应用

纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高 100倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。

小型化本身并不代表纳米技术，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”(top down)尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”( bottom up)的方法来构建纳米器件。目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术，日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧，使功能性微器件的制备接受有了新的突破。另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1-2nm的单层的场效应晶体管，这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要的一步。这方面的工作现在还 于实验室研究阶段。

今天关于“纳米技术的认识”的探讨就到这里了。希望大家能够更深入地了解“纳米技术的认识”，并从我的答案中找到一些灵感。