物質(zhì)是由原子構成的,其性質(zhì)依賴(lài)于這些原子的排列形式如果我們將煤炭中的原子重新排列,就能得到鉆石;如果向沙子中加入一些微量元素,并將其原子重新排列,就能制成電腦芯片;而土壤水和空氣的原子重新排列后就能生產(chǎn)出馬鈴薯聽(tīng)起來(lái)是不是有點(diǎn)玄?不過(guò)這決非天方夜譚,如果你能走進(jìn)納米世界,了解納米技術(shù),就會(huì )知道上述目標的實(shí)現指日可待
科學(xué)家們已為我們勾勒了一幅若干年后的藍圖:超強輕型新型材料有可能使太空旅行變得便宜而且容易,甚至像一些作家預測的那樣利用納米技術(shù)在火星上制造出大氣如果新的"納米醫學(xué)"能夠在細胞老化時(shí)1個(gè)分子一個(gè)分子地制造出新的細胞,從而把人們的壽命無(wú)限地延長(cháng),那么就有必要向太空移民納米技術(shù)已經(jīng)創(chuàng )造出足夠多的小奇跡,這至少能讓一些科學(xué)泰斗們相信這些宏偉的想法也會(huì )實(shí)現
（一）什么是納米
1納米是啥"米"
納米(nm),又稱(chēng)毫微米,如同厘米分米和米一樣,是長(cháng)度的度量單位具體地說(shuō),一納米等于十億分之一米的長(cháng)度,相當于4倍原子大小,萬(wàn)分之一頭發(fā)粗細;形象地講,一納米的物體放到乒乓球上,就像一個(gè)乒乓球放在地球上一般這就是納米長(cháng)度的概念
當代科學(xué)技術(shù)有認識上的盲區或人類(lèi)知識大廈上存在著(zhù)裂縫裂縫的一邊是以原子分子為主體的微觀(guān)世界,另一岸是人類(lèi)活動(dòng)的宏觀(guān)世界兩個(gè)世界之間不是直接而簡(jiǎn)單的聯(lián)結,存在一個(gè)過(guò)渡區——納米世界
幾十個(gè)原子分子或成千個(gè)原子分子"組合"在一起時(shí),表現出既不同于單個(gè)原子分子的性質(zhì),也不同于大塊物體的性質(zhì)這種"組合"被稱(chēng)為"超分子"或"人工分子"
"分子"性質(zhì),如熔點(diǎn)磁性電容性導電性發(fā)光性和染色及水溶性有重大變化當"超分子"繼續長(cháng)大或以通常的方式聚集成大塊材料時(shí),奇特的性質(zhì)又會(huì )失去,真像是一些長(cháng)不大的孩子
2介于宏觀(guān)與微觀(guān)之間
納米技術(shù)是單個(gè)原子分子層次上對物質(zhì)的種類(lèi)數量和結構形態(tài)進(jìn)行精確的觀(guān)測識別和控制的技術(shù),是在納米尺度內研究物質(zhì)的特征和相互作用,并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的高新技術(shù)
納米材料是納米科學(xué)技術(shù)的基礎,正引起世界觀(guān)各國的廣泛的關(guān)注現代材料和物理學(xué)家所稱(chēng)的納米材料是指固體顆粒小到納米(1納米=10-9米)尺度的超微粒子(也稱(chēng)之為納米粉)和晶粒尺寸小到納米量極的固體和薄膜
納米材料又稱(chēng)為超微顆粒材料,由納米粒子組成納米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在1～100nm間的粒子,是處在原子簇和宏觀(guān)物體交界的過(guò)渡區域,從通常的關(guān)于微觀(guān)和宏觀(guān)的觀(guān)點(diǎn)看,這樣的系統既非典型的微觀(guān)系統亦非典型的宏觀(guān)系統,是一種典型的介觀(guān)系統,它具有表面效應小尺寸效應和宏觀(guān)量子隧道效應當人們將宏觀(guān)物體細分成超微顆粒(納米級)后,它將顯示出許多奇異的特性,即它的光學(xué)熱學(xué)電學(xué)磁學(xué)力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì )有顯著(zhù)的不同
（二）神奇的納米技術(shù)
1神通廣大的納米材料
納米顆粒是納米材料基元用物理化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只包含幾百個(gè)或幾千個(gè)原子分子的"顆粒"這些"顆粒"的尺寸只有幾個(gè)納米
脾氣爆燥易燃易爆的納米金屬顆粒
金屬納米顆粒表面上的原子十分活潑實(shí)驗上發(fā)現如果將金屬銅或鋁作成納米顆粒,遇到空氣就會(huì )激烈燃燒,發(fā)生爆炸可用納米顆粒的粉體作成功固體火箭的燃料催化劑
材料世界中的大力士--納米金屬塊體
金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料,它會(huì )變得十分結實(shí),強度比一般金屬高十幾倍,同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性
善變顏色的納米氧化物材料
氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場(chǎng)作用下或在光的照射下迅速改變顏色作成士兵防護激光槍的眼鏡和廣告板,在電光的作用下,會(huì )變得更加暄麗多彩
剛柔并濟的納米陶瓷
納米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性,高硬度和耐高溫,使發(fā)動(dòng)機工作在更高的溫度下,汽車(chē)會(huì )跑得更快,飛機會(huì )飛得更高
愛(ài)清潔的納米材料
把透明疏油疏水的納米材料顆粒組合在大樓表面或窗玻璃上,大樓不會(huì )被空氣中的油污弄臟,玻璃也不會(huì )沾上水蒸氣而永遠透明將這種納米顆粒放到織物纖維中,做成的衣服不沾塵,省去不少洗衣的麻煩
法力無(wú)邊的半導體納米材料
半導體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光,可以做成超小型的激光光原它還可以吸收太陽(yáng)光中的光能;把它們直接變成電能
運送藥物的"導彈"
把藥物制成納米顆?；蛘甙阉幬锓湃氪判约{米顆粒的內部這些顆?？梢宰杂傻卦谘芎腿梭w組織內運動(dòng),如果在人體外部加以導向,使藥物集中到患病的組織中,那么藥物治療的效果會(huì )大大地提高
2奇妙的碳納米管
最近,科學(xué)家正在致力于一種新型納米材料——碳納米管的研究,這是一種非常奇特的材料,它是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀"纖維",內部是空的,外部直徑只有幾到幾十納米這樣的材料很輕,但很結實(shí)它的密度是鋼的1/6,而強度卻是鋼的100倍
用這樣輕而柔軟又非常結實(shí)的材料做防彈背心是最好不過(guò)的了如果用碳納米管做繩索,是唯1可以從月球掛到地球表面,而不被自身重量所拉斷的繩索如果用它做成地球-月球乘人的電梯,人們在月球定居就很容易了
納米碳管的細尖極易發(fā)射電子用于做電子槍,可做成幾厘米厚的壁掛式電視屏,這是電視制造業(yè)的發(fā)展方向
3被囚禁的電子和未來(lái)的電子學(xué)器件
把自由運動(dòng)的電子囚禁在一個(gè)小的納米顆粒內,或者在一根非常細的短金屬線(xiàn)內,線(xiàn)的寬度只有幾個(gè)納米,會(huì )發(fā)生十分奇妙的事情由于顆粒內的電子運動(dòng)受到限制,電子動(dòng)能或能量被量子化了結果表現在當在金屬顆粒的兩端加上電壓,電壓合適時(shí),金屬顆粒導電;而電壓不合適時(shí)金屬顆粒不導電這樣一來(lái),原本在宏觀(guān)世界內奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內不再成立了還有一種奇怪的現象,當金屬納米顆粒從外電路得到一個(gè)額外的電子時(shí),金屬顆粒具有了負電性,它的庫侖力,足以排斥下一個(gè)電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒內,切斷了電流的連續性,也使得人們想到是否可以發(fā)展用一個(gè)電子來(lái)控制的電子器件,所謂單電子器件單電子器件的尺寸很小,一旦實(shí)現,并把它們集成起來(lái)作成計算機芯片計算機的容量和計算速度不知要提高多少倍
然而,事情可不是像人們所設想的那么簡(jiǎn)單起碼有兩個(gè)方面的問(wèn)題向當前的科學(xué)技術(shù)提出了挑戰實(shí)際上,被囚禁的電子可不是那么"老實(shí)”,按照量子力學(xué)的規律,有時(shí)它可以穿過(guò)"監獄"的壁逃逸出來(lái),一方面在新一代芯片中似乎不用連線(xiàn)而相互關(guān)聯(lián)在一起,當然,需要新的設計才能使單電子器件變成集成電路,另一方面也會(huì )使芯片的動(dòng)作不可控制歸根到底,在這一世界中電子應被看成是"波"而不是一個(gè)粒子所以盡管單電子器件已經(jīng)在實(shí)驗室里得以實(shí)現,但是真是要用在工業(yè)上,要假以時(shí)日,是明天或后天的技術(shù)
被囚禁在小尺寸內的電子的另一種貢獻,會(huì )使材料發(fā)出強的光"量子點(diǎn)列陣激光器"或"級聯(lián)激光器"的尺寸小,發(fā)光的強度高,驅動(dòng)它們發(fā)光的電壓低可發(fā)生蘭光和綠光用來(lái)讀寫(xiě)光盤(pán)可使光盤(pán)的存貯密度提高幾倍還有甚者,如果用"囚禁"原子的小顆粒量子點(diǎn)來(lái)存貯數據,制成量子磁盤(pán),存貯度可提高成千上萬(wàn)倍會(huì )給信息存貯的技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)革命
4囚禁冷卻的原子和"原子激光"
絕對零度(10nK)附近囚禁原子,原子的熱運動(dòng)十分弱在磁場(chǎng)中,同時(shí)在三個(gè)方向上用激光照射被冷卻的原子,原子將停留在激光的電場(chǎng)波動(dòng)的谷內實(shí)驗上已經(jīng)可將成千上萬(wàn)個(gè)原子囚禁在一個(gè)很小的范圍內有趣的是所有的原子還具有同樣的動(dòng)量發(fā)射出來(lái),一束原子具有與激光一樣的性質(zhì),即空間和時(shí)間的相干性人們在思考該如何利用這一束原子"激光"初步認為在通信和物質(zhì)探索上會(huì )有重要的應用
5納米加工技術(shù)——通向納米世界的橋梁
按照人們的意愿在納米尺寸的世界中自由地剪裁按排材料,這一技術(shù)被稱(chēng)為納米加工技術(shù)
納米加工技術(shù)是納米科學(xué)的重要基礎,也包含了許多人們尚未認識清楚的納米科學(xué)問(wèn)題
例:納米的孔或線(xiàn)里的原子的擴散
納米尺度內相互運動(dòng)時(shí)的摩擦在納米世界內,所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮
納米集成技術(shù)使不同材質(zhì)的材料集成在一起,它既具有芯片的功能,又可以探測到電磁波,光波(包括可見(jiàn)光紅外紫外線(xiàn)等)的信號,還同時(shí)能完成計算機的命令的動(dòng)作
6掃描探針顯微鏡功不可沒(méi)
歷史發(fā)展
最早發(fā)明的光學(xué)顯微鏡,能觀(guān)察我們肉眼看不見(jiàn)的生物細胞,后來(lái)發(fā)明了電子顯微鏡,能進(jìn)一步看到細胞內部的結構這些都是在微米尺度上的觀(guān)察所謂微米,就是頭發(fā)絲的幾十分之一到了20世紀八十年代,掃描隧道顯微鏡的發(fā)明,使人們的觀(guān)察視野更深入了一步,進(jìn)入到納米層次納米相當于頭發(fā)絲的幾十萬(wàn)分之一,能看到物質(zhì)內部的分子和原子
1982年IBM公司蘇黎士研究實(shí)驗室的兩位科學(xué)家比尼西(Binning)和盧勒(Rohrer)利用原子之間的隧道電流效應發(fā)明了掃描隧道顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)STM),從而使人們第一次直觀(guān)地看到了原子分子,被人們稱(chēng)為可以看得見(jiàn)原子的顯微鏡
STM的發(fā)明解開(kāi)了物理學(xué)中的很多問(wèn)題,使兩位科學(xué)家獲得了1986年的諾貝爾物理學(xué)獎其后1986年原子力顯微鏡(簡(jiǎn)稱(chēng)AFM)誕生,它的出現加深拓寬了應用范圍,可以綜合地對物質(zhì)表面的微結構(原子分子級別)信息,如成分溫度硬度表面電勢和電容繪圖以及磁電粘著(zhù)摩擦等信息進(jìn)行測量和分析,因而它們又被稱(chēng)為繼光學(xué)顯微鏡電子顯微鏡后的第三代顯微鏡
目前除了隧道顯微鏡(STM)原子力顯微鏡(AFM)以外,還有近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡(NSOM)側面力顯微鏡(IFM)磁力顯微鏡(MFM)極化力顯微鏡(SPFM)……已有二十多個(gè)品種但大量還處在實(shí)驗室的產(chǎn)品研發(fā)階段由于它們都是用探針通過(guò)掃描系統來(lái)獲取圖像,因此這類(lèi)顯微鏡統稱(chēng)為掃描探針顯微鏡(SPM)
SPM與前二代顯微鏡不僅成像原理不同,而且更為令人興奮的是SPM中的某些品種還能操縱一個(gè)個(gè)原子分子最早的成果是IBM的科學(xué)家用一個(gè)個(gè)氙原子在鉑表面上排布成IBM商標字樣目前在操縱原子分子上又有很大發(fā)展,人們有朝一日終將按照自己的意志直接操縱一個(gè)個(gè)原子來(lái)制造具有特定功能的產(chǎn)品SPM使人類(lèi)在納米尺度上,觀(guān)察改造世界有了一種新的工具和手段由于SPM的優(yōu)良特性,使其一誕生便得到廣泛的重視主要應用在教學(xué)科研及工業(yè)領(lǐng)域,特別是半導體集成電路光盤(pán)工業(yè)膠體化學(xué)醫療檢測存儲磁盤(pán)電池工業(yè)光學(xué)晶體等領(lǐng)域隨著(zhù)SPM的不斷發(fā)展,它正在進(jìn)入食品石油地質(zhì)礦產(chǎn)及計量領(lǐng)域
工作原理
這種顯微鏡是基于量子力學(xué)的隧道效應,通過(guò)一個(gè)由壓電陶瓷驅動(dòng)的探針在物體表面作精確的二維掃描,其掃描精度達到幾分之一毫微米(即納米=10-9)該探針尖端可以制成只有一個(gè)原子大小的粗細,并且位于距樣品表面足夠近的距離內,以使探針尖端與樣品表面之處的電子支有些微重疊這時(shí)若在探針與樣品表面之間加一上定的偏壓,就會(huì )有一種被稱(chēng)作為隧道電流的電子流流過(guò)探針這種隧道電流對探針與物體表的間距十分靈敏,從而在探針掃描時(shí)通過(guò)感知這種隧道電流的變化就可以記錄下物體表面的起伏情況這些信息再經(jīng)計算機重建后就可以計算機屏幕上獲得反映物體表面形貌的直觀(guān)圖象這就是掃描隧道顯微鏡的工作原理
這種顯微鏡輕而易舉地克服了光學(xué)顯微鏡所受的Abbe囿限,能夠以空前的高分辨率探測原子與分子的形狀,確定物體的電磁與機械特性,甚至能確定溫度變化的情況這種顯微鏡在物理學(xué)化學(xué)生物微電子學(xué)與材料科學(xué)等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應用,以至人們逐漸認識到:這類(lèi)顯微鏡的問(wèn)世不僅僅是顯微技術(shù)的長(cháng)足發(fā)展,而且標志著(zhù)一個(gè)科技新紀元——納米科技時(shí)代的開(kāi)始
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