納米(nanometer):長度單位的一種，1納米=10^-9米,，即十億分之一米,。大約相當(dāng)于頭發(fā)粗細(xì)的八萬分之一,。“nanometer“"源自拉丁文，意思是"矮小",。納米的確微乎其微,，然而納米構(gòu)建的世界卻

　　是神奇而宏大的。21世紀(jì),，信息科學(xué)技術(shù),、生命科學(xué)技術(shù)和納米科學(xué)技術(shù)是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主流。人們普遍認(rèn)為,，納米技術(shù)是信息和生命科學(xué)技術(shù)能夠進(jìn)一步發(fā)展的共同基礎(chǔ),。納米技術(shù)所帶動的技術(shù)革命及其對人類的影響，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過電子技術(shù),。
納米技術(shù)：于細(xì)微之處顯神奇

　　納米技術(shù)是在納米尺度內(nèi),，通過對物質(zhì)反應(yīng)、傳輸和轉(zhuǎn)變的控制來實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造新的材料,、器件和充分利用它們的特殊的性能,，并且探索在納米尺度內(nèi)物質(zhì)運(yùn)動的新現(xiàn)象和新規(guī)律。由于納米正好處于原子,、分子為代表的微觀世界和以人類活動空間為代表的宏觀世界的中間地帶,，被稱為納米世界，也是物理,、化學(xué),、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及信息科學(xué)發(fā)展的新領(lǐng)地,。納米材料中包含了若干個原子,、分子，使得人們可以在原子層面上進(jìn)行材料和器件的設(shè)計(jì)和制備,。幾十個原子,、分子或成千個原子、分子"組合"在一起時(shí),，表現(xiàn)出既不同于單個原子,、分子的性質(zhì)，也不同于大塊物體的性質(zhì),，這種"組合"被稱為"超分子"或"人工分子",。"超分子"的性質(zhì)，如它的熔點(diǎn),、磁性,、電容性、導(dǎo)電性、發(fā)光性和顏色及水溶性都有重大變化,。當(dāng)"超分子"繼續(xù)長大或以通常的方式聚集成大塊材料時(shí),，奇特的性質(zhì)又會失去。通俗來說,，納米材料一方面可以被當(dāng)作一種"超分子",，充分地展現(xiàn)出量子效應(yīng)；而另一方面它也可以被當(dāng)作一種非常小的"宏觀物質(zhì)",，以至于表現(xiàn)出前所未有的特性,。同時(shí),，許多化學(xué)和生物反應(yīng)的過程也發(fā)生在納米尺度的層面上,，因此探測納米尺度內(nèi)物理、化學(xué)和生物性質(zhì)的變化,，將加深對生命科學(xué)的理解,。對由數(shù)量不多的電子、原子或分子組成的體系中新規(guī)律的認(rèn)識和如何操縱或組合他們,，是當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)的主要問題之一,。當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用主要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù),、醫(yī)學(xué)與健康,、航天和航空、環(huán)境和能源,、生物技術(shù)和農(nóng)業(yè)等方面,。

納米材料:材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿

　　納米科技發(fā)展中，納米材料是它的前導(dǎo),，因?yàn)榧{米材料集中體現(xiàn)了小尺寸,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高集成度和強(qiáng)相互作用以及高比表面積等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn),，其中最應(yīng)該指出的是納米材料是將量子力學(xué)效應(yīng)工程化或技術(shù)化的最好場合之一,，可能會產(chǎn)生全新的物理、化學(xué)現(xiàn)象,。

　　現(xiàn)在可以用物理,、化學(xué)及生物學(xué)的方法制備出只包含幾百個或兒千個原子、分子的 "顆粒",。這些"顆粒"的尺寸只有幾個納米,，它們很容易與外界的氣體、流體甚至固體的原子發(fā)生反應(yīng),，也就是說十分活潑,。實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會燃燒，發(fā)生爆炸,。有人認(rèn)為用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力,。另外，用納米金屬顆粒粉體做催化劑,，可加快化學(xué)反應(yīng)過程,，大大地提高化工合成的產(chǎn)率。

　　如果把金屬納米材料顆粒粉體制成塊狀金屬材料,，它會變得十分結(jié)實(shí),，強(qiáng)度比普通金屬高十幾倍，同時(shí)又可以像橡膠一樣富于彈性,。人們幻想有一天會使用這樣的納米鋼材或納米鋁材制造出汽車,、飛機(jī)或輪船，使它們的重量減少到原來的1/10,。不僅如此,，汽車或飛機(jī)的發(fā)動機(jī)由具有塑性的納米陶瓷材料制成，可在更高的溫度下運(yùn)作,，汽車跑得更快,，飛機(jī)飛得更高。

　　氧化物納米顆粒最大的本領(lǐng)是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色,。平常人們戴的變色鏡變色的速度較慢,，用納米材料做成的變色鏡就不一樣了，變色速度很快,，用它做士兵的防護(hù)激光鏡是再好不過了,。用納米氧化物材料做成廣告板，在電,、光的作用下會變得更加絢麗多彩,。

　　半導(dǎo)體納米材料的最大用處是可以發(fā)出各種顏色的光，可以做成超小型激光的光源,。它還可以吸收太陽光中的光能,，把它們直接變成電能，這種技術(shù)一旦實(shí)現(xiàn),，太陽能汽車,、太陽能住宅就會成為現(xiàn)實(shí)。利用特種半導(dǎo)體納米材料使海水淡化已得到應(yīng)用,；半導(dǎo)體納米材料做成的各種傳感器,，可靈敏地檢測溫度、濕度和大氣成分的變化,，這在汽車尾氣和大氣環(huán)境保護(hù)士已得到應(yīng)用,。

　　目前科學(xué)家正在致力于研究的碳納米管材料,，是一種非常獨(dú)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(nèi)部是空的,，外部直徑只有幾到幾十個納米。這種材料的密度是鋼的1/6,，而強(qiáng)度卻是鋼的l00倍,。用這樣輕而柔軟，又非常結(jié)實(shí)的材料做防彈背心是最好不過的,。如果用碳納米管作繩索,，是惟一可以從月球上掛到地球表面，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,，人們到月球定居就很容易了。納米管的細(xì)尖極易發(fā)射電子,，用于做電子槍,，可以做成幾厘米厚的壁掛式電視屏,，這是電視制造業(yè)新的方向,。

　　利用納米技術(shù)還可以以新原理和新結(jié)構(gòu)在納米層次上構(gòu)筑特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料,，并能在材料破壞過程中進(jìn)行納米級損傷的診斷和修復(fù),。

納米器件：給信息技術(shù)帶來革命

　　納米科技的另一主要研究領(lǐng)域是設(shè)計(jì)、制備新型納米結(jié)構(gòu)和納米器件,。就像30年前,，微電子器件取代真空電子管器件給信息技術(shù)帶來革命一樣，納米結(jié)構(gòu)將再次給信息技術(shù)帶來革命,。

　　把自由運(yùn)動的電子囚禁在一個小的納米顆粒內(nèi),，或者在一根非常細(xì)的短金屬線內(nèi)，線的寬度只有幾個納米,，會發(fā)生十分奇妙的事情,。由于顆粒內(nèi)的電子運(yùn)動受到限制，原來可以在費(fèi)米動量以下連續(xù)具有任意動量的電子狀態(tài),，變成只能具有某動量值,，也就是電子動量或能量被量子化了。自由電子能量量子化的最直接的結(jié)果表現(xiàn)在：當(dāng)在金屬顆粒的兩端加上合適電壓,，金屬顆粒導(dǎo)電,；而電壓不合適時(shí)，金屬顆粒不導(dǎo)電,。這樣一來,，原來在宏觀世界內(nèi)奉為經(jīng)典的歐姆定律在納米世界內(nèi)就不再成立了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當(dāng)金屬顆粒具有了負(fù)電性,，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進(jìn)入金屬顆粒內(nèi),，從而切斷了電流的連續(xù)性。這使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控制的電子器件,，即所謂單電子器件,。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來做成電腦芯片,，電腦的容量和計(jì)算速度不知要提高多少倍,。然而，事情可不是人們想像的那么簡單,。實(shí)際上,，被囚禁的電子可不那么"老實(shí)"，按照量子力學(xué)的規(guī)律,，有時(shí)它可以穿過"監(jiān)獄"的"墻壁"逃逸出來,，這會使芯片的動作不可控制，同時(shí)還需要新的設(shè)計(jì)使單電子器件變成集成電路,。所以盡管電子器件已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室里得以實(shí)現(xiàn),，但是真要用在工業(yè)上還需要時(shí)間。

　　被囚禁在小尺寸內(nèi)的電子的另一種貢獻(xiàn),，是會使材料發(fā)出強(qiáng)的光,。"量子點(diǎn)列激光器"或"級聯(lián)激光器"的尺寸極小，但發(fā)光的強(qiáng)度很高,，用很低的電壓就可以驅(qū)動它們發(fā)生藍(lán)光或綠光,，用來讀寫光盤可使光盤的存貯密度提高幾倍。如果用"囚禁"原子的小顆粒量子點(diǎn)來存貯數(shù)據(jù),，制成量子磁盤,，存貯度可提高成千上萬倍，會給信息存貯的技術(shù)帶來一場革命,。

納米加工：有待人類顯身手

　　為了研究納米科學(xué)和應(yīng)用納米科學(xué)的研究成果,，首先要能按照人們的意愿在納米尺度的世界中自由地剪裁、安排材料,，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù),。實(shí)際上，一方面納米加工技術(shù)是納米材料的重要基礎(chǔ),，另一方面納米加工技術(shù)中包含了許多人們尚未認(rèn)識清楚的納米科學(xué)問題,。比如說，在一個粗細(xì)為幾納米的孔或線里,，原子的擴(kuò)散就與宏觀世界里的擴(kuò)散大不一樣,。一般而言,，原子運(yùn)動的自由程為幾個微米，在此長度上,，原子發(fā)生碰撞,，進(jìn)行熱擴(kuò)散器壁的作用可忽略不計(jì)，可在納米孔或線內(nèi),，原子的擴(kuò)散主要是靠與孔壁的碰撞來完成的,。再舉一個例子，一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動時(shí)的摩擦力主要來源于物體表面的不平整性,，即物體表面越光滑,，它們之間的摩擦力越小。而納米材料表面越小,，相互之間距離很近,，以至于兩塊材料表面上的原子會發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對相互運(yùn)動的阻力。因此,，在納米世界里,，所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮。納米加工技術(shù)可以使不同材質(zhì)的材料集成在一起,，它具有芯片的功能,，又可以探測到電磁波、光波(包括可見光,、紅外線,、紫外線等)信號，同時(shí)還能完成電腦的命令,。如果將這一集成器件安裝在衛(wèi)星上，可以使衛(wèi)星的重量大大地減小,，更容易發(fā)射,，成本也更低。當(dāng)前人們已經(jīng)在考慮用"小鳥"衛(wèi)星部分地代替現(xiàn)有的衛(wèi)星系統(tǒng),。