出类拔萃：型的纳米技术

2024-07-20 理论教育版权反馈

【摘要】：第一节出类拔萃——纳米技术概述纳米技术是指在0.1～100纳米的尺度范围内研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项新技术，包括纳米结构和纳米材料。因此，利用这些新特性制造出的具有特定功能设备的技术，就被称为纳米技术。首先是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。不过，这种关于纳米技术概念的说法并没有取得大家的认同。最后是从生物的角度出发而提出的纳米技术。

第一节　出类拔萃——纳米技术概述

纳米技术是指在0.1～100纳米的尺度范围内研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项新技术，包括纳米结构和纳米材料。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性。因此，利用这些新特性制造出的具有特定功能设备的技术，就被称为纳米技术。

原子示意图

此外，从纳米的研究状况来看，关于它的概念还有其他3种说法。首先是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。这一概念说明，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，当然也就能制造出任何种类的分子结构。不过，这种关于纳米技术概念的说法并没有取得大家的认同。其次是把纳米技术看成是微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小结构的技术。事实上，这种微加工技术也会使半导体等微型化达到极限。现在不是已经出现了很多的“迷你型”产品吗？因此，现有技术如果能不断地发展下去，从理论上讲它也终将达到一定的限度。无论怎么样变换，如果要把电路的线幅变小，就会使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样绝缘效果肯定没有原先的效果好。因此，关于这种概念的说法也有争议。最后是从生物的角度出发而提出的纳米技术。之所以要从生物中来提出，是因为在生物的细胞膜内本来就存在纳米级的结构。由于细胞是生物的基本单位，是体积最小的元素，所以纳米技术的概念从生物的角度来提出比较容易被人接受。

分子模拟图

分子结构示意图

显微镜下的细胞

生活中，我们了解最多的是微电子技术，比如我们所使用的收音机、电视机、计算机等电子产品都是利用微电子技术创造出来的。那么，纳米和微电子技术有什么区别呢？

电脑CPU

纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的；而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现它的功能，是利用电子的粒子性来工作的。所以，人们研究和开发纳米技术的主要目的也就是要实现对整个微观世界的有效控制。

由于纳米技术的研究内容涉及现代科技的领域，因此它是一门交叉性很强的综合学科。它在电子学、物理学、化学、生物学、加工学、计量学等分支学科中都有应用。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，纳米电子学则是它的重要内容。其实，这和纳米研究的对象有直接的关系。因为纳米技术主要研究对象是单个的原子、分子和电子，而这些又是和物理化学以及电子科学直接相关的。

虽然纳米技术涉及的领域比较广泛，但并不是所有的物质都和它有关系。那么，纳米技术到底和哪些内容有关系呢？

纳米材料

首先是纳米材料。从纳米技术的含义上我们可以知道，它是在0.1～100纳米的尺度范围内进行研究的。在这个范围内物质的性质会改变，失去原来的性质而拥有一种新的、特殊的性能。所形成的具有特殊性能的材料与原来物质的材料完全不同，这样的材料就是纳米材料。对纳米材料的研究一般是对它的表面积进行研究，它的表面积研究非常重要，其检测数据一般采用BET方法（也就是比表面积检测的一种）检测出来的结果才是真实可靠的。然而，这是一种比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力不同，有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神便会导致测试失败。显然这是一种很浪费人员、浪费时间的方法。那么，有没有能够完全自动化的方法呢？F-Sorb2400比表面积测试仪的出现实现了这一愿望，它是目前国内唯一一台完全自动化、智能化的比表面积检测设备，达到了国际水平，它的测试结果与国际测试结果一致性很高，稳定性也很好，同时也能减少人为误差，提高测试结果的精确性。

纳米材料的显微结构

纳米材料实验室

F-Sorb2400比表面积测试仪

纳米材料的确定并不是某个专家说了算，而是要通过一定的验证才能通过的。对于有的材料，即使它在尺度上达到了纳米的标准，但是由于没有特殊的性能，也不能称为纳米材料。

导热的铜

那么，你知道首次提出纳米材料的人是谁吗？第一次真正认识到某些物质的特殊性能并在其中引用纳米概念的是日本的科学家，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、也不导热的性能。后来他们又用磁性材料去做实验，结果也是这样。例如铁钴合金，把它做成大约20～30纳米大小，它们的磁畴就变成单磁畴，而磁性要比原来高1000倍左右。但是，当时并没有把这种材料命名为纳米材料。直到20世纪80年代中期，又经过一段时间的研究，人们才正式把这类材料命名为纳米材料。

铁钴合金

原子化学模拟图(www.chuimin.cn)

那么，为什么当磁性材料的磁畴变成单磁畴时，它们的磁性就会比原来提高1000倍左右呢？这是因为，在磁畴中，单个原子的排列并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外面则是绕其旋转的电子，这也是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列变得很规则，因此就会对外显示强大的磁性。后来，人们利用它的这一特性，主要把它们用于微型电机的制造。并且人们还预想，如果将这一技术继续往前发展，等到一定的时候，就能将它们用于制造磁悬浮，也就是说，可以用它们来制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。其实，现在这一理想已经实现，目前在我国上海就有磁悬浮列车。

微型电机

上海磁悬浮列车

其次是纳米的动力学。纳米动力学其实就是说和纳米技术有关系的微型电动机械系统。它主要用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通信系统、特种电子设备、医疗和诊断仪器等。所采用的工艺是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺，并且用于这些工艺的部件很小，刻蚀的深度也要求在数十至数百微米之间，而宽度误差要更小。

磁悬浮列车

纳米尺度生物结构

再次是纳米生物学和纳米药物学。纳米生物学和纳米药物学是指纳米技术在生物领域和医药界的应用。目前在生物上的应用主要是用于生物实验的研究；在医药方面主要是用于特殊疾病的治疗。另外，当纳米生物学发展到一定阶段时，就可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并且还能制成吸收癌细胞的生物医药，在注入人体内之后，就能用于定向杀癌细胞，并且不会伤害其他健康的细胞，达到治疗一些癌症的目的。

纳米尺度观察苍蝇的复眼

最后是纳米电子学。它指的是纳米在电子方面的应用，主要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，以及原子的操纵与组装等。目前市场上出现的电子产品越来越精巧化，迷你型的电子产品不断走向市场。这与目前人们的追求是有直接关系的，当然，电子产业为了满足消费者的需求，也就不得不把技术越提越高。电子产品就变得更小、更新、更快。那么究竟是什么技术满足了市场的这一需求呢？那就是纳米技术，它是建设者的技术后盾，具有很大的影响力。

黄金纳米条深入身体搜索癌症

当然，纳米技术的兴起也不是一夜之间出现的，它也是一步步发展来的。在纳米被科学家提倡以后，1990年7月，在美国巴尔的摩召开了国际首届纳米科学技术会议；1992年，首届纳米材料会议在墨西哥召开；1996年，在中国召开了第四届纳米科技学术会议。在这期间，纳米技术研究开始尝试性地应用到科学技术的各个领域中。但是由于一些条件还不够成熟，因此还没有被广泛地应用到各个领域中。直到2000年的第五届国际纳米材料会议在日本仙台举行，才推动纳米技术走向更广阔的领域。随后，一些和纳米有关系的产品不断地出现在人们的生活中。人们利用纳米技术大量制造复杂的纳米结构物质，纳米计算机已经验证出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置等。同时还有一个很重要的问题，那就是纳米技术的应用需要很高的费用。

纳米材料

知识小百科

理想纳米药物载体的性质

理想的纳米药物载体应具备以下性质：

①具有较高的载药量；

②具有较高的包封技术；

③有适宜的制备及提纯方法；

④载体材料可生物降解，毒性较低或没有毒性；

⑤具有适当的粒径与粒形；

⑥具有较长的体内循还时间。延长纳米粒在体内的循环时间，能使所载的有效成分在中央室的浓度增大且循环时间延长，这样药物能更好地发挥全身治疗或诊断作用，增强药物在病灶靶部位的疗效。如肿瘤等病变部位的上皮细胞处于一种渗漏状态，由于纳米粒在体内长时间循环，其装载的药物进入肿瘤等病变部位的机会增多。因此，长循环纳米微粒降低了药物对网状内皮系统的靶向性，实际上增加了对病变部位的靶向性，宏观效果是明显改善疗效。

出类拔萃：型的纳米技术

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