第二節(jié)　神奇的納米

繼互聯網之后，“納米”又成為一個熱點話題，有科學家預言，納米技術對人類的影響可能會比微電子技術和信息技術更為深遠。它為何有這么大的魅力？人們對它的了解又有多少？

什么是納米

“納米”對于大多數人來說熟悉又陌生，那么納米到底是什么？

“納米”是英文namomer的譯名，是一種長度量單位，1納米為百萬分之一毫米，即1毫微米，也就是十億分之一米，約相當于45個原子串起來那么長。納米結構通常是指尺寸在100納米以下的微小結構。

我們把度量單位按從大到小的排列如下：

米——厘米——毫米——微米——納米

我們用肉眼看不見幾納米物質的長度，但它確實存在著。就像我們站在喜瑪拉雅山頂上看山腳下的一只螞蟻一樣，我們無法看見它，但它卻真實地存在。更形象地講，一納米的物體放到足球上，就好像一個足球放在地球上一樣。

既然1納米有45個原子串起來那么長，那么利用納米技術，隨意搬動原子便成為可能。

納米技術是什么

納米科學是研究在千萬分之一米到十億分之一米范圍內，原子、分子等的運動和變化的學問。在這千分之一微米的微小世界里，人們將對這個世界里的變化洞若觀火，從而制定出新的游戲規(guī)則，以改變這個微小世界。

至于什么是納米技術，對于不同的研究領域和研究人員的看法大相徑庭。從迄今為止的研究狀況來看，大體上分為三種概念。

第一種概念就是德雷克斯勒博士1986年在《創(chuàng)造的機器》一書中提出的“分子納米技術”的概念。即在0．1—100納米尺度上對物質（存在的種類、數量和結構形態(tài)）進行精確地觀測、識別與控制的研究與應用的高新技術。它的最終目標是直接以分子、原子在納米尺度上制造具有該特定功能的產品，實現生產方式的飛躍。也就是說隨意地組裝原子、分子，以創(chuàng)造出另一種物質。

用一種更為形象的比喻來說明德雷克斯勒博士的“分子納米技術”概念就是：如果我們面前有兩塊木板，我們只能把它們搭成簡單的幾種形狀。而如果把這兩塊木板分割成幾十塊小木塊，那么我們就可像搭積木一樣，根據想像搭成各種形狀。

第二種概念把納米技術定位為微加工技術的極限。也就是通過納米精度的“加工”，人工形成納米大小的結構的技術。各種納米級的加工技術將打破現有技術的發(fā)展極限，例如將使半導體微型化達到極限。而現有技術即便發(fā)展下去，從理論上講終將會達到限度。這是因為，如果把電路的線幅變小，會使構成電路的絕緣膜的厚度變得極薄，這將破壞絕緣效果。此外還有發(fā)熱和晃動等問題。

第三種概念是從生物的角度出發(fā)而提出的。生物在細胞和生物膜內本來就存在納米級的結構。事實上，每個細胞都是活生生的納米機器的例子，它們不僅可以將食物轉變成能量，還能根據其DNA上的信息制造并輸出蛋白質和酶。通過將不同物種的DNA重新組合；基因工程師已經學會了如何制造新的納米裝置。

但是，由于細胞各自具有固有的功能，使用生物技術很受限制。然而這種限制并沒有打斷人類“夢想”的翅膀，設想中的一種納米機器可以把天然碳的分子逐個排列，制成完美無瑕的鉆石，另一種機器可將二惡英的分子逐個分解成基本組件；一種可以在人體血液中運動的裝置，它能發(fā)現并分解血管壁上沉積的膽固醇；還有一種裝置可將剪下的草屑改造成面包……這就意味著人類可以從零開始制造幾乎任何東西——因為化學和生物學說到底就是分子的改變和重排，而制造只不過是聚集大量分子并使它們組成有用物品的過程。

誰掀起原子的神秘“蓋頭”

納米技術將徹底改變我們的生活，追根溯源，有賴于原子被發(fā)現。那么是誰最早把宇宙識破，并把它打成“最小的碎片”呢。

在遠古時代，人們無法解釋神秘莫測的宇宙以及一切生命的構成，于是便產生了各種各樣的神話和寓言，認為宇宙與生命的形成正如他們所想像的那樣。但也有人更加理性地思考：世間萬物到底是怎樣形成的？

大約在2000多年前，古希臘哲學家德謨克利特認為宇宙不是一個無法分割的整體，而是由獨立的，不能再分的、肉眼不能看見的粒子組成的。他所謂的粒子，就是現在所說的原子。在中國，也有類似的看法。如《墨經》所說的“端”也就是原子，他們認為“端，體之無序而最前也?！痹谟《龋诱摵筒豢稍俜值膶嶓w論也在公元后不久盛行一時。在古羅馬，詩人盧克萊修詳述了原子論的哲學。然而他們的思想因過于“新潮”，遭到了同時代人的冷落與嘲笑。

直到17世紀中期，一個叫皮埃爾·伽桑狄的法國神父受盧克萊修的影響，成為第一個真正提出物質是由“粒子”組成的人。伽桑狄不僅提出了原子論，而且還極力地宣傳它，使得它的觀點在哲學界、科學界受到廣泛的關注。大約在17世紀中葉，一位年輕的英國科學家——波義耳把原子論從純理論運用到實驗室，從而為物質原子論拉開了現實依據的序幕。在伽桑狄去世后6年，波義耳發(fā)表了相關的論文。在論文中，他認為任何物質都可以分解成更簡單的物質。此后，許多數學家、科學家、哲學家都對物質原子論進行深入的研究。并取得了令人震驚的突破。數學家笛卡爾發(fā)表了《方法論》。原子理論與笛卡爾的原子方法的結合，成為工業(yè)現實觀的重要組成部分。

寂寞的演說

既然人類文明的腳步可以向宏觀世界無休止地進發(fā)，為什么不能無休止地向微觀世界探索呢。天才總習慣于這樣的逆向思維，諾貝爾獎獲得者、被認為繼愛因斯坦之后最為睿智的理論物理學家理查德·費曼就是其中一位。1959年，他在加州理工學院發(fā)表了一個題為《底部有很大空間》的演講。在演講中，這位當時在加州理工大學任教的教授向聽眾們提出了一個令人震驚的想法：“為什么我們不可以從另外一個方向出發(fā)，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以達到我們的要求？”他說：“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?！痹谘葜v中他提到也許有一天人們會造出僅由幾千個原子組成的微型機器。他的演說正是納米技術的最早萌芽。

如果真如理查德·費曼所說的那樣，未來的世界將是多么奇妙。但他的想法相對他所處的時代過于超前，并沒有引起廣泛的注意。當時誰也沒想到，幾十年后，他的演講重又浮出水面，它對人們的震撼是那樣的真實，對人類的影響是那樣的不可估量。

“科學巫師”的預言

現年42歲的德雷克斯勒被人們稱為“科學巫師”，他在上世紀70年代中期還是麻省理工學院的一名大學生。那時的生物學家們還在研究如何控制構成DNA鏈的分子。年輕的德雷克斯勒就產生了“為什么不能用原子建造微型機器”的想法。

這種想法讓德雷克斯勒著迷，他開始將這種想法付諸現實研究，在研究中他才知道幾乎在20年前理查德－費曼就已經提出了類似看法。到1977年畢業(yè)時，德雷克斯勒已經大大推進了這項研究。他運用了更為通俗和形象的描述，他說：“我們?yōu)槭裁床恢圃斐龀扇旱摹⑷庋劭床灰姷奈⑿蜋C器人。讓它們在地毯上爬行，把灰塵分解成原子，再將這些原子組裝成餐巾、肥皂和電視機呢？這些微型機器人不僅是一些只懂得搬原子的建筑‘工人’，并且還具有絕妙的自我復制和自我維修能力，由于它們同時工作，因此速度很快而且廉價得令人難以置信?！?/p>

與理查德·費曼的命運有些相似，多數主流派科學家對德雷克斯勒的想法不屑一顧，認為是一派胡言。但德雷克斯勒沒有理會那些人，他仍然著書立說，闡述自己的觀點。有的科學冢隨后開始進行試驗性的研究。對于納米技術，德雷克斯勒認為：“它不是尺寸的延伸，它甚至根本不該被看做技術，而是一場認知的革命”。如果理查德·費曼與德雷克斯勒的夢想能成真的話，我們小仿再大膽的想像一下，隨意組裝原子會是什么樣子。有一天，我們用的桌子能夠像植物或動物那樣生長；智能藥店在人剛出生時就注入體內，它會將不同的來犯者殲滅；那醫(yī)生呢？干什么去了？變成編程師了。將沙原子與植物原子、水原子組裝成沙樹，并自動復制，茫茫沙漠將成為綠洲……

打開納米大門的鑰匙

要洞察微觀世界的秘密，需要借助儀器來開拓視野、延伸雙手。

1981年，科學家發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。這種顯微鏡像“芝麻開門”的口訣一樣打開了一扇神秘大門，原子、分子世界從此展現在人們的眼前。

1989年，隨意搬動原子的夢想變成了現實。美國斯坦福大學搬動原子團寫下了“斯坦福大學”的英文名字。一年后，美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氤原子排出“IBM”字樣，后來又用48個鐵原子排列組成了漢字“原子”兩字。4年后，西北大學的化學教授查德·米爾金利用一臺納米級的設備把費曼演講的大部分內容刻在了一個大約只有10個香煙微粒大小的表面上。

1990年，美國貝爾實驗室推出一個只有跳蚤大小但“五臟俱全”的納米機器人。同年7月，在美國巴爾的摩舉辦了第一屆國際納米科學技術會議和第五屆國際掃描隧道顯微學術會議，標志著納米科技的正式誕生，并正式提出了納米科學、納米生物學、納米電子學和納米機械學的概念。

1993年，中國科學院北京真空物理實驗室搬動原子寫出“中國”二字。

1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，這種技術可用于研制速度和存儲容量比現在提高成千上萬倍的量子計算機。

1999年，巴西和美國科學家發(fā)明了世界上最小的秤，這種秤能稱出一個病毒的重量；不久，德國科學家發(fā)明更小的秤，它能稱出單個原子的重量。

納米技術的發(fā)展，大致經歷了以下幾個發(fā)展階段：首先是在實驗室探索用各種手段制備各種納米微粒，合成塊體。用研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。其次是利用納米材料已挖掘出來的奇特的物理、化學和力學性能，設計納米復合材料。目前，主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結構材料的研究。雖然已經取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍是一大難關。如何合成具有特定尺寸，并且料度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現分子手術的主要手段。科學家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內生成并穩(wěn)定存在，則可以控制納米粒子的尺寸大小并防止團聚的發(fā)生。

隨著各個國家對納米技術的重視，納米產品也將走出深閨，走進尋常百姓家。

納米世界的另類游戲規(guī)則

當粒子的尺寸小到納米級時，會表現出奇異的特性，很多客觀和微觀的物理定律就不再適用了，比如，在電學方面，歐姆定律就不適用于納米材料；過去常用的描述原子集體行為的概念也不再適用。納米世界的游戲規(guī)則將變得另類，也就是這些另類特性，形成了納米夢幻般的世界。那么它到底有哪些特殊的表現呢？

表面效應

物體的表面積與體積之比稱為比表面積，球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分比將會顯著增加。

例如，直徑大于0．1微米的顆粒表面效應可忽略不計，而當尺寸小于0．1微米時，其表面原子百分比急劇增長。甚至1克超微顆粒表面積的總和可高達100平方米，這時的表面效應將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。若用高倍率電子顯微鏡對金屬超微顆粒進行電視攝像和實時觀察，就會發(fā)現這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體、十面體、二十面體）。這種狀態(tài)既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài)。尺寸大于10納米后就看不到這種顆粒結構的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結構狀態(tài)。

超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。

小尺寸效應

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質：

1．特殊的光學性質

當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現為黑色。利用這個特性可以制造高效率的光熱、光電轉換材料，以很高的效率將太陽能轉變?yōu)闊崮?、電能。另外還有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。

2．特殊的熱學性質

固態(tài)物質在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當顆粒尺寸減小到10納米時會降低27℃，2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670%，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業(yè)有很大的作用。例如，在鎢顆粒中附加0．1%—0．5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結溫度從3000℃降低到1200℃—1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片。

3．特殊的磁學性質

人們發(fā)現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。通過電子顯微鏡觀察表明，在趨磁細菌體內通常含有直徑約為微米級的磁性氧化物顆粒。小尺寸的磁性超微顆粒與大塊材料顯著不同。大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺寸減小到2×10^－2微米以下時，其矯頑力可增加1000倍。若進一步減小其尺寸，大約小于6×10^－3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已研制成高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

4．特殊的力學性質

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出很強的韌性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3—5倍。金屬—陶瓷復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。

超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

量子尺寸效應

各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋．由無數的原子構成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶。由于電子數目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看做是連續(xù)的。從能帶理論出發(fā)，成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯系與區(qū)別。對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應。例如，導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數還是偶數有關，比熱亦會反常變化，光譜線會產生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應的宏觀表現。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應。原有的宏觀規(guī)律已不再成立。

量子隧道效應

電子既具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應。近年來，人們發(fā)現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相關器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者說它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如，在制造半導體集成電路時，當電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應而溢出器件，使器件無法正常工作，經典電路的極限尺寸大概在0．25微米。目前研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應制成的新一代器件。

性格各異的納米材料

納米材料是納米科技的核心，材料的發(fā)展從來就是人類文明和時代進步的標志。在人類文明史上，每一個時代都是以材料命名的，如新石器時代、青銅器時代等。那么，納米材料的成熟與否在人類文明的歷史上將是一個非常重要的里程碑。

納米材料又稱超微粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，這些顆粒的尺寸一般在1—100納米之間。由于納米微粒具有表面效應、小尺寸效應、量子效應、量子隧道效應，這些獨特的效應使納米材料形成了獨特的個性。

1．脾氣暴躁、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。實驗發(fā)現如果將金屬銅或鋁作成納米顆粒，遇到空氣就會激烈燃燒，發(fā)生爆炸?？捎眉{米顆粒的粉體作成固體火箭的燃料、催化劑。

2．力大無比的納米金屬塊體

金屬納米顆粒粉體制成塊狀金屬材料，會變得十分結實，強度比一般金屬高十幾倍，同時又可以像橡膠一樣富于彈性。

3．奇妙的碳納米管

碳納米管是由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。比重只有鋼的六分之一，而強度卻是鋼的100倍，輕便、柔軟又非常結實，是做防彈背心的最好材料。如果用碳納米管做繩索，從月球上掛到地球表面，不會被自身重量所拉斷。想像一下，如果未來我們要修一條從地球到月球的高速公路，用這樣的材料不就可以實現人類的夢想嗎，那時普通人不就可以乘坐太空大巴去其他星球旅行了嗎？

4．善變顏色的納米氧化物材料

氧化物納米顆粒最大的本領是在電場作用下或在光的照射下迅速改變顏色。用其制成士兵防護激光槍的眼鏡、廣告板或摻進服裝面料中做成衣服，在電、光的作用下，世界會變得更加絢麗多彩。

5．剛柔并濟的納米陶瓷

納米陶瓷粉具有高硬度、耐高溫、高韌性、低溫可塑等特點，納米陶瓷制成的發(fā)動機能在更高的溫度下工作，裝上這種新材料發(fā)動機，汽車會跑得更快，飛機會飛得更高。

6．愛清潔的納米材料

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，大樓不會被空氣中的油污弄臟，玻璃也不會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。

7．法力無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源。它還可以吸收太陽光中的光能，把它們直接變成電能。

8．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，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大大地提高。當然，還有無數神奇的納米材料，隨著納米技術的高速發(fā)展，它們將會被一一發(fā)掘、利用。