纳米科学与技术的发展历史
物三 李妍 1130060110
纳米科学与技术(简称纳米科技) 是80年代后期发展起来的, 面向21 世纪的综合交叉性学科领域, 是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础. 它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm 之间) 研究物质(包括原子、分子) 的特性和相互作用, 以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品, 实现生产方式的飞跃。
历史背景
对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前著名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman 于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质. 他的设想包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子. 他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子. 在这种尺度上的原子和在体块材料中原子的行为表现不同. 在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律. 这正是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器———扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔的摩举办, 同时《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。自1991 年, 中国开始热衷于纳米技术的研
究, 到“ 十五”计划之后, 纳米科技呈现出快速发展的势头。1993年8月在俄罗斯,1994年11月在美国, 先后召开了第二届和第三届国际纳米科学与技术会议. 第四届国际纳米科技会议将于1996年在中国召开。1999 年上半年, 北京大学纳米技术研究取得重大突破, 电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面, 并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。近年来, 一些国家也纷纷投入巨资抢占纳米技术战略高地。
发展趋势
由于纳米科技在材料科学、机械制造、信息科学、应用物理、生物科学以及国防和空间技术上有着广阔的发展前景, 因此这个领域的研究在全世界范围内受到高度重视. 世界上一些发达国家已投巨资, 组织该领域有影响的科学家进行纳米科技研究. 纳米科技在世界范围内方兴未艾. 美、英、日、德等国对纳米科技给予了高度重视. 美国真空学会成立了纳米科学与技术部. 美国国家基金会把纳米科技列为优先支持的项目, 美国与纳米技术有关的资助一半以上来自军方. 英国政府在财力困难的情况下也制订了纳米技术计划, 在机械、光学、电子学等领域遴选了8 个项目进行研究. 日本制订的关于先进技术开发研究规划(ERATO) 中有12 个项目与纳米科技有关, 研究主体是35 岁以下的青年人. 其投资额多达几十亿日元. 美、日政府和公司也纷纷投入了人力、财力、物力去进行纳米科技的研究. 德国汉堡大学应用物理系微结构研究中心已投资1 千万马克, 正准备建造一套具有世界一流水平的超高真空低温扫描隧道显微镜(STM), 期望在研究磁单极的存在性的重要科学问题上有重要的突破. 纳米科技的发展速度比原先人们估计的要快得多, 有的已实用化了. 纳米科技在计算机、信息处理、通讯、生物、医疗等领域迅速发展, 尤其是在国防上有巨大的发展前景, 国外已开始注意到对有关纳米科技的研究内容实行保密和技术封锁. 纳米科技的产业应用直接根植于基础研究, 与传统的技术发展规律不同, 它从基础到应用的转化是直接的, 并且转化的周期将会更短. 科学家们预言, 纳米科技的研究与发展, 将极大地改变人们的思维方式和更新人们的传统观念, 从而对人类的社会生活面貌产生革命性的影响. 纳米科技给人类带来的变化可能会像产业革命、抗菌素以及核武器给人类带来的变化那样深远. 纳米科技对于基础科学(纳米化学、量子力学、介观物理、混沌物理) 研究来说有着诱人的前景, 因为在纳米尺度上物质表现出新颖的现象、奇特的效应和特异的性质. 纳米科技更具有直接的实用目的, 作为一门技术, 能为人类提供新颖的、特定功能的装置. 纳米科技的一个重要方面是微型化, 如制作体积更小、价格更便宜、速度更快的微电子元件, 设计微型传感器、微型工具及微型仪器等。