纳米科技展望与思考（上）

2004年5月铜陵学院电气工程系，要我搞一个科技讲座。以下就是这次讲座的讲稿，分上、下两页

The Nano- Science & Technology Outlook with Consider

纳米科技作为21世纪重要科技领域之一，本是理论物理学家的推想，技术界开发新产品的欲望，然而它却引起世界范围上至政府、下至民间的高度重视和广泛关注。只要我们对项领域的内含有了实质的了解，就能明白其中的原因；而当我们对这项领域的发展前景进行展望时，我们难免进入深沉的思考。

1959年，美国理论物理学家、加州理工大学教授、诺贝尔奖金获得者理查德·费曼，他在美国物理学年会上作了一次题为“底部有很大空间”的演讲，这个演讲使到会听众大为震惊。他问道，“为什么我们不可以从另一个角度出发，从单个分子甚至原子开始组装，以达到我们的要求呢？”他接着说，“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和可能性。”并预言，也许有一天人们会造出仅由几千个原子组成的微型机器。他的这一大胆的推想被公认是纳米科技思想的来源。我们一贯认为人工加工都是由大到小（top down），人类祖先的石器时代就是将大石头打磨成小石头而制成器具的，而这位大学者则要从小到大（bottom up）来组成机器。这真是大科学家的一个奇思妙想，带出一个新世纪的追求。

纳米本身是长度的计量单位，它是 一米的十亿分之一，英文为nanometer，记为nm，即1nm =10^-9m=1纳米。1纳米可分辨出遗传基因DNA，一条DNA双螺旋结构半径是一纳米左右，一个典型病毒的长度大约是100纳米（10^-7m）。

经研究发现，在一纳米到100纳米范围内的物质特性和相互作用，与它们在大尺寸时有相当大的差异，甚至达到令人吃惊、不可思议的程度，纳米科技的对象则是在这一范围内，研究物质的特性和相互作用，以及操纵分子和原子组成纳米产品。

据此，可以把纳米科技的概念定义为：在1纳米到100个纳米范围内来研究物质的特性和相互作用，包括对原子和分子的操纵，以及可能的实际应用的技术问题，称为纳米科技。可记为：Nano—ST（Science & Technology）

当前进行纳米科技研究的重要设备是扫描隧道显微镜（STM），它能实现对原子和分子的操纵。该设备是IBM公司苏黎世研究所两位科学家，G·宾尼格和H·洛勒 于1981年发明的，他们因此而获1986年度的诺贝尔物理奖。

当前纳米技术的应用只是纳米级材料的表层应用，还未进入深层次的实质性的应用。

下面就对纳米科技的发展，谈谈自己的几点展望和思考

一  人们在纳米领域里发现了一个全新的未知空间

现在人们的认识范围大约是大到宇宙深渊，达到10²⁶m，小到目前认识到的最小基本粒子夸克，可至10^-19m。纳米的尺寸介于这两者之间。在纳米这个空间里，经实验和研究发现，物质的性质发生了显著的变化，并伴之一些原来没有的奇异特性。如纳米陶瓷既有高强的硬度和耐高温性，又新增了很好的塑性，是一种新型的摔不碎的瓷器。再如碳纳米管，它内空、外径为几到几十纳米，比重是钢的六分之一，而强度却是钢的100倍，是最理想的防弹服材料。若要制造从地球到月球电梯的绳索，碳纳米管则是目前唯一不被自身重量拉断的绳索。若用纳米级颗粒的铜制成铜带，则将它拉伸50多倍不仅不断开还不会出现裂纹。实验发现当铜和铝制成纳米颗粒时，遇到空气它们就会激烈燃烧，发生爆炸，可用作火箭的固体燃料、催化剂等。还有些物质当制成纳米材料后，它的导电、导热、磁化性能出现几十倍、几百倍的提高。等等。

随着深入观察研究，发现在0.1nm到100nm空间内的物质世界存在着许多奇异的物理性质，在这里，既不同于原子、分子的微观领域，又不同于大物体的宏观领域，它处于微观和宏观之间，因此出现了一个新的领域概念，人们把这一领域称之为介观物理，或称介观。在这介观连接带，微观世界的量子定律，宏观世界的牛顿力学和欧姆定律都不适用，它等待着全新的物理学原理和化学原理，也等待着超级技术手段去实现。这里有无限发现和发明的机会和空间。有时我们以为现在科学这么发达，技术这么先进，几乎什么都知道了，什么都会做了，其实还有这么一大块未知领域，人类应谦逊的看到，认知是无限的，技术也是无止境的。

?/P> 二  计算机技术发展的摩尔定律估计到2010年将走到尽头，计算机发展期盼纳米技术

在计算机技术发展的历程中有个著名的摩尔定律，1965年戈登·摩尔提出，集成电路里晶体管数量每18个月翻一番，而体积缩小一倍，多年来的实践与摩尔定律非常一致，但这是微米尺度上定律。科学界普遍认为0.05微米（50纳米）是现代半导体工艺的极限，10年左右会达到这个极限。Intel 公司的最新工艺是0.13微米（130纳米）。有人预计，目前的微米级的信息技术到2010年会走到尽头。根据美国半导体协会预计，当整个器件的尺度小到100纳米时，这时量子效应就要起重要作用，就需要在介观领域用全新的理论和方式来构建新的纳米器件，那时纳米计算机可望登场。计算机技术的发展，呼唤纳米技术积极进展，以支持计算机技术向更高阶段发展。

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