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纳米技术发展史294248
纳米技术发展史
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【摘要】纳米技术是21世纪科技发展的制高点，是新工业革命的主导技术，它将引起一场各个领域生产方式的变革，也将改变未来人们的生活方式和工作方式，它在农业、工业、医学等领域的发展作出突出贡献使得我们有必要认识一下纳米技术的发展史。
纳米技术的发展史是一个很长的过程，同时也是一个广泛应用的过程。
【关键词】发展纳米技术纳米材料
一、什么是纳米科技
纳米技术是以纳米科学为基础，研究结构尺度在0.1～100nm范围内材料的性质及其应用，制造新材料、新器件、研究新工艺的方法
和手段。
纳米技术以物理、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，是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）相结合的产物。
在纳米领域，各传统学科之间的界限变得模糊，各学科高度交叉和融合。
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。
第一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，象铁钴合金，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。
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,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。
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。
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。
二、纳米科技概念的提出与发展
1、纳米科技概念的提出
最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德•费恩曼。
1959年他在一次著名的讲演中提出：
如果人类能够在原子／分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。
他指出，我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。
那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。
1974年，Taniguchi最早使用纳米技术（nanotechnology）一词描述精细机械加工。
20世纪70年代后期，麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。
纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。
80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。
与此同时，纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。
一门崭新的科学技术——纳米科技从此得到科技界的广泛关注。
据日本阿普莱德研究所提供的材料介绍，以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段：
第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。
这需要使用计算机设计／制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。
这个阶段的市场规模约为5亿美元。
第二个阶段是生产纳米结构物质。
在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。
其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。
该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间。
在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。
这要求有高
级的计算机设计／制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。
该阶段的市场规模可达100亿至1000亿美元。
纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。
这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。
在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。
2、纳米技术发展史上16个关键时间节点
1959年12月29日
理查德•费曼（RichardFeynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。
虽然没有使用“”纳米这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。
1974年
日本教授谷口纪男（NorioTaniguchi）在一篇题为：
“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。
1981年
格尔德•宾宁（GerdBinnig）和海因里希•罗雷尔（?
HeinrichRohrer）发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。
1985年
赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特•富勒（R.BuckminsterFuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使用最广泛的纳米材料之一。
1986年
在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文•夸特（CalvinQuate）和克里斯托•格柏（ChristophGerber）与德国物理学家宾尼（Binnig）协作，发明了原子力显微镜*。
它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳米技术最核心的部分。
1989年
在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾•格勒（DonEigler）和埃哈德•施魏策尔（ErhardSchweizer）使用35个氙原子拼出了IBM公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。
1991年
NEC公司的饭岛澄男（SumioIijima）制造出了碳纳米管。
1998年
白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。
它的任务是：
赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。
1999年
使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。
2001年
美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳米技术上的竞争力。
2002年
欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。
2003年
美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。
为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。
2008年12月10日
国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。
2009年9月29日
美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。
它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。
2010年1月8日
在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。
2010年3月
美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法收集证据。
美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。
近年来，一些国家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。
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。
三、纳米技术的应用
1、纳米技术在陶瓷领域方面的应用
陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。
但是，
由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。
随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。
英国材料学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。
要制备纳米陶瓷，这就需要解决：
粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。
块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。
Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的范性形变。
并且发现，纳米TiO2陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在180℃经受弯曲而不产生裂纹。
许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。
上海硅酸盐研究所在纳米陶瓷的制备方面起步较早，他们研究发现，纳米3Y-TZP陶瓷（100nm左右）在经室温循环拉伸试验后，在纳米3Y-TZP样品的断口区域发生了局部超塑性形变，形变量高达380%，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。
Tatsuki等人对制得的Al2O3-SiC纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验，结果发现伴随晶界的滑移，Al2O3晶界处的纳米SiC粒子发生旋转并嵌入Al2O3晶粒之中，从而增强了晶界滑动的阻力，也即提高了Al2O3-SiC纳米复相陶瓷的蠕变能力。
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。
2、纳米技术在微电子学上的应用
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。
纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。
目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。
单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。
并且，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。
碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在100nm以下。
电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。
以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料，并不是凭空设想，清华大学的范守善教授利用碳纳米管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。
他们将Si-SiO2混合粉体置于石英管中的坩埚底部，加热并通入N2。
SiO2气体与N2在碳纳米管中反应生长出Si3N4纳米线，其径向尺寸为4~40nm。
另外，在1997年，他们还制备出了GaN纳米线。
1998年该科研组与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长，它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。
其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。
早在1989年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。
日本的Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。
另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。
目前，美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。
美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。
在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。
利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。
此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。
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，纳米电子学将成为对世纪信息时代的核心。
3、纳米技术在生物工程上的应用
众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。
生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。
美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题-"哈密顿
路径问题"，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。
虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。
该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。
在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。
Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。
通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。
到目前为止，还没有出现商品化的分子计算机组件。
科学家们认为：
要想提高集成度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。
美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导"与"门，利用发光门制成蛋白质存储器。
此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。
纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。
它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。
4、在国防科技上的应用
（1）隐身材料
纳米材料由于质轻层薄，具有特殊的光学性能，可实现高吸收、宽频带、红外微波吸收兼顾等要求，是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂，由它制成的材料在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦查，同时也有红外隐身的作用，纳米材料已成为隐身材料重点研究方向之一。
纳米材料因为具有很高的对电磁波的吸收特性，纳米材料现已受到各主要国家的高度重视，并把其作为新一代隐身材料进行探索与研究。
（2）在防护涂层中的应用
与传统涂层相比，纳米结构涂层能使强度、韧性、耐腐蚀、耐磨、热障、抗剥蚀、抗氧化和抗热疲劳等性能得到显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。
某些纳米微粒还有杀菌、阻燃、导电、绝缘等作用，可用这些纳米粒子制成防生物涂料、阻燃涂料、导电涂料和绝缘涂料。
这些技术可有效解决舰艇动力推进装置螺旋桨的穴蚀问题以及潜艇、舰艇船体涂料的防污问题等。
纳米材料对海军舰艇的防海水腐蚀，增强船体及船内设备抗盐雾能力已处于应用阶段，作为水中武器世界各国也正在加大研制力度。
武汉海军工程大学已将海泰纳米的纳米氧化钛、纳米氧化锌和纳米氧化硅用于军舰的防腐，可以有效的解决上述问题。
（3）提高军事能源的使用效能
纳米微粒尺寸小，比表面积大，从而增加化学反应的接触面，表面有效反应中心多，可作为催化剂被广泛应用，纳米催化剂具有很高的化学活性，晶粒的微观结构复杂，这种独特的晶体结构及表面特性使得纳米材料的催化活性和选择性大大高于传统催化剂，用纳米催化剂取代火箭推进剂中的普通催化剂成为国内外研究的热点，纳米催化剂能显著提高固体推进剂的燃速。
四、纳米技术发展现状以及缺陷
1、纳米技术发展现状
现在纳米材料研究的基本特征是以实际应用为导向，一纳米材料与相关科学的交叉融合为手段，重点解决纳米材料应用的关键技术问题。
纳米材料属于上游产品，一方面用于传统产品的升级，两一方面用于纳米科技新产品的开发，而要在下游产品中体现纳米材料的优越性能就必须以纳米制造技术作为支撑。
近年来，一些国家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。
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2001年的4.97亿美元增加到2010年的22.65亿美元。
2、纳米技术的缺陷
任何事物都有两面性，纳米技术也不例外。
纳米技术在给人类带来种种好处的同时，也存在纳米材料的安全性问题。
这也成为当今世界各国研究学者关注的热点，许多国家包括中国、美国和欧盟等，都投入了大量的人力、物力和财力，试图在纳米技术得到普遍应用以前，解决其潜在的问题，以使其在将来更好地服务于人类。
其问题主要表现在：
（1）要达到精确的调节和控制粉末组成和化学剂量比以及粒子的粒度和形态等方面都还有相当大的困难。
（2）要制造成分准确、粒度均匀、表面功能团稳定的高质量微粒还有一定困难，其收集与存放也存在问题。
（3）纳米中药因其表面效应和量子效应显著增加，使得药物的有效成分获得了高能级的氧化和还原潜力，往往引起许多性质的变化。
这种变化究竟会对药物性质产生什么样的影响，目前还不清楚。
（4）纳米机器人一旦在人体内失控，能够快速复制的纳米机器人在体内扩散的速度可能比癌细胞还快，它是否会对人体正常的组织造成不利影响，目前还没有确切的研究结果。
结束语
纳米技术引起的世界性技术革命和产业革命，将会比历史上任何一次世界性技术革命对社会经济、政治、国防等领域产生的影响更为巨大。
纳米技术具有广阔的应用前景，它对信息、生物工程、医学、光学、材料科学等领域都将产生深远的影响：
有人曾把纳米技术、信息技术和生物技术看作21世纪的三大关键技术。
因此，21世纪也将是纳米世纪。
作为21世纪前沿战略科技领域的纳米技术，正在或者将要对社会各个层面产生不可估量的影响。
它向人们昭示：
一个科学技术发展的新时代即将来临。
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