納米技術

来源:www.uuuwell.com

   

納米技術(nanotechnology)是用單個原子、分子製造物質科學技術。納米科學技術是以許多現代先進科學技術為基礎的科學技術,它是現代科學(混沌物理量子力學、介觀物理、分子生物)和現代技術(電腦技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術)結合的產物,納米科學技術又將引發一系列新的科學技術,例如納電子學、納米材科學、納機械學等。

理論基礎

  納米技術(nanotechnology),也稱毫微技術,是研究結構尺寸在0.1至100納米範圍內材料的性質和應用的一種技術。   1981年掃描隧道顯微鏡發明后,誕生了一門以0.1到100納米長度為研究分子世界,它的最終目標是直接以原子或分子來構造具有特定功能產品。因此,納米技術其實就是一種用單個原子、分子射程物質的技術。

利用納米技術將氙原子排成IBM

  納米技術是一門交叉性很強的綜合學科,研究的內容涉及現代科技的廣闊領域。納米科學與技術主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學等 。這七個相對獨立又相互滲透的學科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表徵這三個研究領域。納米材料的製備和研究是整個納米科技的基礎。其中,納米物理學和納米化學是納米技術的理論基礎,而納米電子學是納米技術最重要的內容。

概念分類

  從迄今為止的研究來看,關於納米技術分為三種概念:   第一種,是1986年美國科學家德雷克斯勒博士在《創造的機器》一書中提出的分子納米技術。根據這一概念,可以使組合分子的機器實用化,從而可以任意組合所有種類的分子,可以製造出任何種類的分子結構。這種概念的納米技術還未取得重大進展。   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"來人工形成納米大小的結構的技術。這種納米級的加工技術,也使半導體微型化即將達到極限。現有技術即使發展下去,從理論上講終將會達到限度,這是因為,如果把電路的線幅逐漸變小,將使構成電路的絕緣膜變得極薄,這樣將破壞絕緣效果。此外,還有發熱和晃動等問題。為了解決這些問題,研究人員正在研究新型的納米技術。   第三種概念是從生物的角度出發而提出的。本來,生物在細胞和生物膜內就存在納米級的結構。DNA分子電腦、細胞生物電腦的開發,成為納米生物技術的重要內容。

技術分類

納米纖維

  1993年,第一屆國際納米技術大會(INTC)在美國召開,將納米技術劃分為6大分支:納米物理學、納米生物學、納米化學、納米電子學、納米加工技術和納米計量學,促進了納米技術的發展。由於該技術的特殊性,神奇性和廣泛性,吸引了世界各國的許多優秀科學家紛紛為之努力研究。 納米技術一般指納米級(0.1一100nm)的材料、設計、製造,測量、控制和產品的技術。納米技術主要包括:納米級測量技術:納米級表層物理力學性能的檢測技術:納米級加工技術;納米粒子的製備技術;納米材料;納米生物學技術;納米組裝技術等。

發展歷史

靈感來源

理查德·費曼

  納米技術的靈感,來自於已故物理學家理查德·費曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始,人類從磨尖箭頭到光刻晶元的所有技術,都與一次性地削去或者融合數以億計的原子以便把物質做成有用的形態有關。費曼質問道,為什麼我們不可以從另外一個角度出發,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,物理學的規律不排除一個原子一個原子地製造物品的可能性。」

關鍵突破

  1990年,IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家成功地對單個的原子進行了重排,納米技術取得一項關鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把35個原子移動到各自的位置,組成了IBM三個字母。這證明費曼是正確的,二個字母加起來還沒有3個納米長。不久,科學家不僅能夠操縱單個的原子,而且還能夠「噴塗原子」。使用分子束外延長生長技術,科學家們學會了製造極薄的特殊晶體薄膜的方法,每次只造出一層分子。目前,製造電腦硬碟讀寫頭使用的就是這項技術。 著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德· 費曼預言,人類可以用小的機器製作更小的機器,最後將變成根據人類意願,逐個地排列原子,製造產品,這是關於納米技術最早的夢想。

技術編年史

  70年代,科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想,1974年,科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工;   1982年,科學家發明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡,為我們揭示一個可見的原子、分子世界,對納米科技發展產生了積極促進作用;   1990年7月,第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦,標志著納米科學技術的正式誕生;   1991年,碳納米管被人類發現,它的質量相同體積鋼的六分之一,強度卻是鋼的10倍,成為納米技術研究的熱點,諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為,納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料,也將被廣泛用於超微導線、超微開關以及納米級電子線路等;   1993年,繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團「寫」下斯坦福大學英文、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出「IBM」之後,中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出「 中國」二字,標志著中國開始在國際納米科技領域佔有一席之地;   1997年,美國科學家首次成功地用單電子移動單電子,利用這種技術可望在20年後研製成功速度和存貯容量比現在提高成千上萬倍的量子電腦;   1999年,巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發明了世界上最小的「秤」,它能夠稱量十億分之一克的物體,即相當於一個病毒重量;此後不久,德國科學家研製出能稱量單個原子重量的秤,打破了美國和巴西科學家聯合創造的紀錄;   到1999年,納米技術逐步走向市場,全年基於納米產品的營業額達到500億美元;   近年來,一些國家紛紛制定相關戰略或者計劃,投入巨資搶佔納米技術戰略高地。日本設立納米材料研究中心,把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發重點;德國專門建立納米技術研究網;美國將納米計劃視為下一次工業革命的核心,美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。中國也將納米科技列為中國的「973計劃」,其間湧出了像「安然納米」等一系列以納米科技為代表的高科技企業。

技術內容

  納米技術包含下列四個主要方面:   1、納米材料:當物質到納米尺度以後,大約是在0.1—100納米這個範圍空間,物質的性能就會發生突變,出現特殊性能。 這種既具不同於原來組成的原子、分子,也不同於宏觀的物質的特殊性能構成的材料,即為納米材料。   如果僅僅是尺度達到納米,而沒有特殊性能的材料,也不能叫納米材料。   過去,人們只注意原子、分子或者宇宙空間,常常忽略這個中間領域,而這個領域實際上大量存在於自然界,只是以前沒有認識到這個尺度範圍的性能。第一個真正認識到它的性能並引用納米概念的是日本科學家,他們在20世紀70年代用蒸發法製備超微離子,並通過研究它的性能發現:一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以後,它就失去原來的性質,表現出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此,像鐵鈷合金,把它做成大約20—30納米大小,磁疇就變成單磁疇,它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期,人們就正式把這類材料命名為納米材料。   為什麼磁疇變成單磁疇,磁性要比原來提高1000倍呢?這是因為,磁疇中的單個原子排列的並不是很規則,而單原子中間是一個原子核,外則是電子繞其旋轉的電子,這是形成磁性的原因。但是,變成單磁疇后,單個原子排列的很規則,對外顯示了強大磁性。   這一特性,主要用於製造微特電機。如果將技術發展到一定的時候,用於製造磁懸浮,可以製造出速度更快、更穩定、更節約能源的高速度列車。   2、納米動力學主要是微機械和微電機,或總稱為微型電動機械系統(MEMS),用於有傳動機械的微型感測器和執行器、光纖通訊系統,特種電子設備、醫療和診斷儀器等.用的是一種類似於集成電器設計和製造的新工藝。特點是部件很小,刻蝕的深度往往要求數十至數百微米,而寬度誤差很小。這種工藝還可用於製作三相電動機,用於超快速離心機或陀螺儀等。在研究方面還要相應地檢測准原子尺度的微變形和微摩擦等。雖然它們目前尚未真正進入納米尺度,但有很大的潛在科學價值經濟價值。   理論上講:可以使微電機和檢測技術達到納米數量級。   3、納米生物學和納米藥物學:如在雲母表面用納米微粒度的膠體金固定dna的粒子,在二氧化硅表面的叉指形電極做生物分子間互作用的試驗磷脂脂肪酸雙層平面生物膜,dna的精細結構等。有了納米技術,還可用自組裝方法在細胞內放入零件或組件使構成新的材料。新的藥物,即使是微米粒子的細粉,也大約有半數不溶於水;但如粒子為納米尺度(即超微粒子),則可溶於水。   納米生物學發展到一定技術時,可以用納米材料製成具有識別能力的納米生物細胞,並可以吸收癌細胞生物醫藥,注入人體內,可以用於定向殺癌細胞。(上面是老錢加註)   4、納米電子學:包括基於量子效應的納米電子器件、納米結構的光/電性質、納米電子材料的表徵,以及原子操縱和原子組裝等。當前電子技術的趨勢要求器件和系統更小、更快、更冷,更小,是指響應速度要快。更冷是指單個器件的功耗要小。但是更小並非沒有限度。 納米技術是建設者的最後疆界,它的影響將是巨大的。

研究應用

英特爾cpu

  當前納米技術的研究和應用主要在材料和製備、微電子和電腦技術醫學健康、航天和航空、環境和能源、生物技術和農產品等方面。用納米材料製作的器材重量更輕、硬度更強、壽命更長、維修費更低、設計更方便。利用納米材料還可以製作出特定性質的材料或自然界不存在的材料,製作出生物材料和仿生材料。   1、納米是一種幾何尺寸的度量單位,1納米=百萬分之一毫米。   2、納米技術帶動了技術革命。   3、利用納米技術製作的藥物可以阻斷毛細血管,「餓死」癌細胞。   4、如果在衛星上用納米集成器件,衛星將更小,更容易發射。   5、納米技術是多科學綜合,有些目標需要長時間的努力才會實現。   6、納米技術和信息科學技術、生命科學技術是當前的科學發展主流,它們的發展將使人類社會、生存環境和科學技術本身變得更美好。   7、納米技術可以觀察病人身體中的癌細胞病變及情況,可讓醫生對症下藥。

測量技術

  納米級測量技術包括:納米級精度的尺寸和位移的測量,納米級表面形貌的測量。納米級測量技術主要有兩個發展方向。   一是光干涉測量技術,它是利用光的干涉條紋來提高測量的分辯率,其測量方法有:雙頻激光干涉測量法、光外差干涉測量法、X射線干涉測量法、F一P標準工具測量法等,可用於長度和位移的精確測量,也可用於表面顯微形貌的測量。   二是掃描探針顯微測量技術(STM),其基本原理是基於量子力學的隧道效應,它的原理是用極尖的探針(或類似的方法)對被測表面進行掃描(探針和被測表面實際並不接觸),借助納米級的三維位移定位控制系統測出該表面的三維微觀立體形貌。主要用於測量表面的微觀形貌和尺寸。   用這原理的測量方法有:掃描隧道顯微鏡(STM)、原子顯微鏡(AFM)等。

電阻值測量

  在敏感伏安特性和電阻值的測量中,測試裝置通常由兩部分組成:電流源以及電壓測試裝置。研究人員使用鎖定放大器測試法時一般選擇傳統電源,因為精密交流電流源在這裡無法簡單使用。   鎖定放大器[2]測試法。鎖定放大器可以用來測量微小交流信號,有時可達納伏[3]級。通過使用這種裝置,即使雜訊信號大於有效信號也可進行精確測量。鎖定放大器使用一種叫做相敏檢波的技術來選出具有某一特定頻率的信號。其他頻率的雜訊信號大部分都被忽略。因為鎖定放大器只會處理測試頻率上或與之接近的交流信號,熱電效應[4](直流與交流)的影響也都會被減弱。   圖1是一個鎖定放大器在低功率條件下檢測元件電壓的簡化框圖。通過在測試對象和串聯電阻RREF上施加電壓(A sin[2π fo t])來獲得一個電流。通常選擇的電阻RREF都會比測試對象阻值大許多倍,這樣這種電路可以看作是驅動測試對象的近似電流源。   圖1 鎖定放大器測量設置的簡化框圖

圖1

  放大后的測試對象電壓會分別與外加源同頻同相位的正交參考信號相乘,然後再分別通過低通濾波器。這其中的乘法器和濾波器可通過模擬電路來實現,但如今更普遍的方法是在鎖定放大器內部進行數字化,然後採用數字方法實現。   在頻率點fo,低通濾波器[5]的輸出是電壓的實部(同相位)和虛部(90度相位)。研究人員基於預設的電流和測得的電壓值來分別計算測試對象的阻值。   使用鎖定放大器[6]的研究人員通常使儀器工作在相對較低的頻率上,比如50Hz以下。選擇低頻有許多原因:(1)得到遠低於測試對象和互聯的衰減頻率以進行精確測量;(2)避免電源頻率處的雜訊;和(3)獲得遠低於電磁干擾濾波器的截止頻率,該濾波器用於防止環境雜訊影響測試對象。   直流反轉測量法   鎖定放大器的一個替代方法是在電流信號上使用直流極性反轉的方法來消除雜訊。這是消除偏移低頻雜訊的一種完善技術。當今的直流源和納伏表在降低雜訊源的影響和縮短實現低雜訊測量的時間方面都要顯著優於鎖定放大器。   如圖2所示,首先簡單的為測試對象提供電流並測量其電壓值,然後反轉電流並再次測量電壓值。將兩次測量的差值除以二就得到測試對象在外加電流下的電壓響應。重複這一過程並使用平均法來降低雜訊帶寬,並因此降低雜訊。有些研究人員稱這一方法為Delta測量法。   圖2 使用四線法的直流反轉測量電路

圖2

  直流反轉監測   直流反轉方法則使用一個可反轉極性的直流源,測試對象的響應則通過一個納伏表來測量。   過去,直流反轉監測法在大部分測量儀器上都需要手動操作,這將反轉速度限制在低於1Hz。如今的儀器則使這種技術自動化並提高了反轉速度。反轉速度設定了主導雜訊的頻率。更高的反轉速度去除了低頻雜訊,並使熱漂移有所改善,這是因為這些雜訊源在高頻下具有更低的功率。   3 在直流反轉測量(Delta法)中測試信號和熱電誤差電壓

圖3

  簡單說,Delta包括反轉電源極性以及使用三次測量電壓值的移動平均來計算電阻(圖3)。三次測量為:   VM1 = VDUT + VEMF   VM2 = –VDUT + VEMF + δV   VM3 = VDUT + VEMF + 2δV,   其中VM1, VM2 和 VM3為電壓測量   VDUT:因外加電流而在測試對象上產生的電壓降   VEMF:在測定VM1時,恆定熱電動勢電壓偏置   δV:線性變化的熱電動勢   使用三個電壓測量進行數學計算就可能去除熱電動勢電壓偏置項(VEMF)和熱電動勢電壓變化項(δV)。首先,求出前兩次電壓測量差的一半,並稱其為VA:   VA = (VM1 – VM2)/2 = [(VDUT + VEMF) – (–VDUT + VEMF + δV)]/2 = VDUT – δ/2   同樣地,求出第二次(VM2)和第三次(VM3)電壓測量差的一半,並將此項稱為VB:   VB = (VM2 – VM3)/2 = [(VDUT + VEMF + 2δV) – (–VDUT + VEMF + δV)]/2 = VDUT + δV/2   這些結果都可以抵消偏置量VEMF,但仍有漂移誤差δV。VA和VB的平均值就是簡單的VDUT。   Vfinal = (VA + VB)/2 = (VM1 – 2VM2 + VM3)/4 = VDUT   對連續讀數取平均值來減少測量帶寬,達到所需的噪音等級。   經檢驗前面的數學計算實際上是VM讀數序列以+1, –1, +1等為權重的增值。這與鎖定放大器乘以所需的正弦激勵信號是類似的。本文章節附註中介紹的商用電流源及納伏表可以實現整個過程的自動化,計算電阻值並在儀器上顯示出來。   低電阻被測器件的測量   同樣的技術,改善測量儀器的硬體。正如我們所看到的,鎖定放大器法和直流反轉法都是交流測量方法,這兩種方法都可排除直流雜訊高頻雜訊。然而,納伏表及電流源組合可以在設備的整個電阻測量內提供超級的測量能力,如下面章節所解釋的一樣。   圖4所示為典型的低電阻測量應用。儀器電壓雜訊通常是低電阻測量中的主導雜訊,但當電阻阻值低於一定程度后,共模雜訊也會成為一個問題。   圖4典型低電阻測量框圖

圖4

  圖4所示的4個導線電阻在0.1Ω至100Ω變化,具體變化取決於實驗。重視他們的原因是因為對於低電阻設備,相對於測試對象,銅連接的導線阻抗也會變得很大。此外,許多在低溫下進行的低電阻實驗,在四個設備連接線上都有射頻濾波器(如Pi濾波器),電阻的典型值也是100Ω。   不考慮進行交流測量的儀器,測試電流流經電源引線,從而在接地點到測試對象的連接中產生電壓降,如圖節點A。因此,A點電壓會以ITEST × RLEAD為幅度上下波動,而VMEASURE輸入檢測一個更小的交流電壓ITEST × RDUT。   在這一類測量電路的連接中,共模抑制比(CMRR)是需要注意的一個問題。共模抑制比規定儀器在本地震蕩測量時抗擾動能力的強弱。典型鎖定放大器的共模抑制比一般為100dB(105的係數)。在實際測量中,更可能會降在85-90dB。相比之下,納伏表的共模抑制比在140dB。與按Delta模式工作的現代電流源相結合后,實際測量中可能達到高於200dB的共模抑制比。

圖5

  圖5 用鎖定放大器製作一個「電流源」   大電阻的測量   目前,大於10 kΩ的被測電阻是對電流雜訊和輸入負載誤差方面的挑戰。因電壓雜訊與測試對象的電阻成比例,電流雜訊就會非常明顯。在鎖定放大器法和直流反轉系統中,電流雜訊來自於測量電路,在流經測試對象和/或引線電阻時會產生額外的直流和交流電壓。   對於這兩種測試系統,雜訊具有相近的幅值。對於反轉電流源及納伏表的組合,在80fA/雜訊下電流雜訊的典型值是直流50pA。對於鎖定放大器法在180fA/雜訊下,電流雜訊為直流50pA。雖然50pA直流無法干擾到交流測量,但它會增加測試對象的功率,因此必須計入測量系統施加在測試對象上的總功率中去。在直流反轉法中這就是一個很小的問題了,因為可編程電流源可以很容易的產生一個直流分量來抵消納伏表的直流量。鎖定放大器則沒有這個能力。   測量高阻測試對象的第二個限制是電壓測試電路的輸入阻抗,它會帶來負載誤差。假設需要對一個10MΩ阻值的測試對象進行測量。典型的鎖定放大器電路有一個近似的輸入阻抗—10MΩ。這就意味著本應流經測試對象的電流將會有一半流入儀器的輸入,造成測量電壓50%的誤差。即便使用精確的差分法,使用鎖定放大器測量超過1MΩ阻值的被測器件時,要達到1%的誤差精度也是不現實的。   中等電阻的測量   傳統上,鎖定放大器用來測量100mΩ至1MΩ的電阻,超出這個範圍的話限制就會比較明顯。即使測試電阻在這個範圍內,使用直流反轉法的新儀器也能提供優勢。舉例來說,鎖定放大器比直流反轉系統具有兩倍(或更高)的白雜訊,1/f電壓雜訊更是後者的10倍以上(圖7所示)。比如,工作在13Hz(鎖定放大器的一個典型頻率)時,典型的直流反轉系統的電壓雜訊比鎖定放大器低7倍,這就導致所需功率低50倍。

表層材料檢測

  各種材料的極薄表層的物理、化學、力學性能和材料內部的性能常有很大差異。而正是這極薄的表面材料在康擦磨損、物理、化學、機械行為中起著主導作用。反映在現在「信

原子力顯微鏡——納米測量技術

息時代」的新型「智能型」材料的出現,如電腦磁碟、光碟等,要求表層小但有優良的電、磁、光性能,而且要求有良好的潤滑性、摩擦小、耐磨損、抗化學腐蝕、組織穩定和優良的力學性能。因此,世界各國都非常重視材料的納米級表層的物理、化學、機械性能及其檢測方法的研究。納米級表層物理力學性能的檢測方法主要是表層微力學探針檢側法,它是用納米壓痕的原理檢測其力學性能的.其基本原理是利用金剛石針尖用極小的力在試件表面壓出納米級或微米級壓痕,根據壓痕的大小測出試件表層的顯徽力學性能,即連續記錄探針針尖載入逐步壓人和卸載逐步退出試件表層的全過程的壓痕深度變化。因其中包含試件表層的彈XX形,塑性變形、姍變、變形速率等多種信息,通過這些信息測出表層材料的多項力學性能。

加工技術

  納米級加工的含意是達到納米級精度的加工技術。   由於原於間的距離為0.1一0.3nm,納米加工的實質就是要切斷原子間的結合,實現原子或分子的去除,切斷原子間結合所需要的能量,必然要求超過該物質的原子間結合能,即所播的能t密度是很大的。用傳統的切削、磨削加工方法進行納米級加工就相當困難了。近年來納米加工有了很大的突破,如電子束光刻(UGA技術)加工超大規模集成電路時,可實現0.1μm線寬的加工:離子刻蝕可實現微米級和納米級表層材料的去除:掃描隧道顯徽技術可實現單個原子的去除、扭遷、增添和原子的重組

粒子製備

  納米粒子的製備方法很多,可分為物理方法和化學方法。

物理方法

  應用納米技術製成的服裝   真空冷授法:用真空蒸發、加熱、高頻感應等方法使原料氣化或形成等粒子體,然後驟冷。其特點純度高、結晶組織好、位度可控,但技術設備要求高。

納米技術應用——電腦磁碟

物理粉碎:透過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低,但產晶純度低,順粒分佈不均勻。   機械球磨法:採用球磨方法,控制適當的條件得到純元素、合金或複合材料的納米粒子。其特點操作簡單、成本低,但產品純度低,顆粒分佈不均勻。

化學方法

  氣相沉積法:利用金屬化合物蒸汽的化學反應合成納米材料。其特點產品純度高,粒度分佈窄。   沉澱:把沉澱劑加人到鹽溶液中反應后,將沉澱熱處理得到納米材料.其特點簡單易行,但純度低,顆粒半徑大,適合製備載化物。

應用納米技術製成的服裝

水熱合成法:高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成,再經分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高,分散性好、拉度易控制。   溶膠凝膠法:金屬化合物經溶液、溶膠、凝膠而固化,再經低沮熱處理而生成納米粒子。其特點反應物種多,產物顆粒均一,過程易控制,適於氧化物和11一VI族化合物的製備。   乳液:兩:互不相溶的溶劑表面活性劑的作用下形成乳液,在徽泡中經成核,聚結、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點粒子的單分散和介面性好,11一VI族半導體納米粒子多用此法製備。

材料合成

  自1991年Gleiter等人率先制得納米材料以來,經過10年的發展納米材料有了長足的進步。如今納米材料種類較多,按其材質分有:金屬材料、納米陶瓷材料、納米半導體材料、納米複合材料、納米聚合材料等等。納米材料是超徽粒材料,被稱為「21世紀新材料」,具有許多特異性能。   例如用納米級金屬微粉燒結成的材料,強度和硬度大大高於原來的金屬,納米金屬居然由導電體變成絕緣體。一般的陶瓷強度低並且很脆。但納米級微粉燒結成的陶瓷不但強度高並且有良好的韌性。納米材料的熔點會隨超細粉的直徑的減小而降低。例如金的熔點為1064℃,但10nm的金粉熔點降低到940℃,snm的金粉熔點降低到830℃,因而燒結溫度可以大大降低。納米陶瓷的燒結溫度大大低於原來的陶瓷。納米級的催化劑加入汽油中。可提高內燃機的效率。   加人固體燃料可使火箭的速度加快。藥物製成納米微粉。可以注XX血管內順利進入微血管

納米生物學

  納米生物學是以納米尺度研究細胞內部各種細胞器的結構和功能。研究細胞內部,細胞內外之間以及整個生物體的物質、能量和信息交換。納米生物學的研究集中在下列方面。

遺傳物質DNA的研究

  這方面的研究在形貌觀察、特性研究和基因改造三個方面有不少進展。

腦功能的研究

  工作目標是弄清人類的記憶思維,語言和學習這些高級神經功能和人腦的信息處理功能。

仿生學的研究

  這是納米生物學的熱門研究內容。近年取得不少成果。是納米技術中有希望獲得突破性巨大成果的部分。   世界上最小的馬達是一種生物馬達—鞭毛馬達。能象螺旋槳那樣旋轉驅動鞭毛旋轉

納米陶瓷

。該馬達通常由10種以上的蛋白群體組成,其構造如同人工馬達。由相當的定子、轉子、軸承、萬向接頭等組成。它的直徑只有3onm,轉速可以高達15r/min,可在1μs內進行右轉或左轉的相互切換。利用外部電場可實現加速或減速。轉動的動力源,是細菌內支撐馬達的薄膜內外的氮氧離子濃度差。實驗證明。細菌體內外的電位差也可驅動鞭毛馬達。現在人們正在探索設計一種能用電位差馭動的人工鞭毛馬達驅動器。   日本三菱公司已開發出一種能模擬人眼處理視覺形象功能的視網膜晶元。該晶元以砷化稼半導體作為片基。每個晶元內含4096個感測元。可望進一步用於機器人。   有人提出製作類似環和桿那樣的分子機械。把它們裝配起來構成電腦的線路單元,單元尺寸僅Inm,可組裝成超小型電腦,僅有數微米大小,就能達到現在常用電腦的同等性能。   在納米結構自組裝複雜徽型機電系統製造中,很大的難題是系統中各部件的組裝。系統愈先進、愈複雜,組裝的問題也愈難解決。自然界各種生物、生物體內的蛋白質、DNA、細胞等都是極為複雜的結構。它們的生成、組裝都是自動進行的。如能了解並控制生物大分子的自組裝原理,人類對自然界的認識和改造必然會上升到一個全新的更高的水平

組裝技術

  由於在納米尺度下刻蝕技術已達到極限,組裝技術將成為納米科技的重要手段,受到人們很大的重視。   納米組裝技術就是通過機械、物理、化學或生物的方法,把原子、分子或者分子聚集體進行組裝,形成有功能的結構單元。組裝技術包括分子有序組裝技術,掃描探針原子、分子搬遷技術以及生物組裝技術。分子有序組裝是通過分子之間的物理或化學相互作用,形成有序的二維或三維分子體系。近年來,分子有序組裝技術及其應用研究方面取得的最新進展主要是LB膜研究及有關特性的發現。生物大分子走向識別組裝。蛋白質、核酸等生物活性大分子的組裝要求商密度定取向,這對於製備高性能生物微感膜、發展生物分子器件,以及研究生物大分子之間相互作用是十分重要的。在進行lgG歸生物大分子的組裝過程中,首次利用抗體活性片斷的識別功能進行活性生物大分子的組裝。這一重要的進展使得生物分子的定向組裝產生了新的突破。   除以上幾種組裝外,在長鏈聚合物分子上的有序組裝、橋連自組裝技術、有序分子薄膜的應用研究等技術也有進展。採用納米加工技術還可以對材料進行原子量級加工,使加工技術進人一個更加徽細的深度。納米結構自組裝技術的發展,將會使納米機械、納米機電系統和納米生物學產生突破性的飛躍。   中國在納米領域的科學發現和產業化研究有一定的優勢,目前同美、日、德等國位於國際第一梯隊的前列。雖然現在中國己經建立了一定數量的納米材料生產基地,納米技術的開發應用也已經興起,並初步實現了產業化。納米要實現大規模、低成本的產業化生產,還有許多的工作要做,只有依賴大量的資金和高科技投人才能換取高額的利潤回報。

潛在危害

  和生物技術一樣,納米科技也有很多環境和安全問題(比如尺寸小是否會避開生物的自然防禦系統,還有是否能生物降解毒性副作用如何等等)。

社會危害

  納米顆粒的危害   納米材料(包含有納米顆粒的材料)本身的存在並不是一種危害。只有它的一些方面具有危害性,特別是他們的移動性和增強的反應性。只有某些納米粒子的某些方面對生物或環境有害,我們才面臨一個真的危害。   要討論納米材料對健康和環境的影響,我們必須區分兩類納米結構:   納米尺寸的粒子被組裝在一個基體、材料或器件上的納米合成物、納米表面結構或納米組份(電子,光學感測器等),又稱為固定納米粒子。   「自由」納米粒子,不管在生產的某些步驟中存還是直接使用單獨的納米粒子。   這些自由納米粒子可能是納米尺寸的單元素,化合物,或是複雜的混合物,比如在一種元素上鍍上另外一張物質的「鍍膜」納米粒子或叫做「核殼」納米粒子。   目前,公認的觀點是,雖然我們需要關注有固定納米粒子的材料,自由納米粒子是最緊迫關心的。   因為,納米粒子同它們日常的對應物實在是區別太大了,它們的有害效應不能從已知毒性推演而來。這樣討論自由納米粒子的健康和環境影響具有很重要的意義。   更加複雜的是,當我們討論納米粒子的時候,我們必須知道含有的納米粒子的粉末或液體幾乎從來不會單分散化,而是具有一定範圍內許多不同尺寸。這會使實驗分析更加複雜,因為大的納米粒子可能和小的有不同的性質。而且,納米粒子具有聚合的趨勢,而聚合的納米粒子具有同單個納米粒子不同的行為。

健康問題

  納米顆粒進入人體有四種途徑:吸入吞咽,從皮膚吸收或在醫療過程中被有意的注入(或由植入體釋放)。一旦進入人體,它們具有高度的可移動性。在一些個例中,它們甚至能穿越血腦屏障。   納米粒子在器官中的行為仍然是需要研究的一個大課題。基本上,納米顆粒的行為取決於它們的大小,形狀和同周圍組織的相互作用活動性。它們可能引起噬菌細胞(吞咽並消滅外來物質的細胞)的「過載」,從而引發防禦性的發燒和降低機體免疫力。它們可能因為無法降解或降解緩慢,而在器官里集聚。還有一個顧慮是它們同人體中一些生物過程發生反應的潛在危險。由於極大的表面積,暴露在組織和液體中的納米粒子會立即吸附他們遇到的大分子。這樣會影響到例如酶和其他蛋白的調整機制。

環境問題

  主要擔心納米顆粒可能會造成未知的危害。

社會風險

  納米技術的使用也存在社會學風險。在儀器的層面,也包括在軍事領域使用納米技術的可能性。(例如,在MIT士兵納米技術研究所[1] 研究的裝備士兵的植入體或其他手段,同時還有通過納米探測器增強的監視手段。   在結構層面,納米技術的批評家們指出納米技術打開了一個由產權和公司控制的新世界。他們指出,就象生物技術的操控基因的能力伴隨著生命的專利化一樣,納米技術操控分子的技術帶來的是物質的專利化。過去的幾年裡,獲得納米尺度的專利像一股淘金熱。2003年,超過800納米相關的專利權獲得批准,這個數字每年都在增長。大公司已經壟斷了納米尺度發明與發現的廣泛的專利。例如,NEC和IBM這兩家大公司持有碳納米管這一納米科技基石之一的基礎專利。碳納米管具有廣泛的運用,並被看好對從電子和電腦、到強化材料、到藥物釋放和診斷的許多工業領域都有關鍵的作用。碳納米管很可能成為取代傳統原材料的主要工業交易材料。但是,當它們的用途擴張時,任何想要製造或出售碳納米管的人,不管應用是什麼,都要先向NEC或者IBM購買許可證。

發展趨勢

  高級納米技術,有時被稱為分子製造,用於描述分子尺度上的納米工程系統(納米機器)。無數例子證明,億萬年的進化能夠產生複雜的、隨機優化的生物機器。在納米領域中,我們希望使用仿生學的方法找到製造納米機器的捷徑。然而,K Eric Drexler和其他研究者提出:高級納米技術雖然最初會使用仿生學輔助手段,最終可能會建立在機械工程的原理上。

美國

  美國國家科學委員會(National Science Board)于西元2003年底批准「國家納米科技基礎結構網路計劃」(National Science Board Approves Award for a National Nanotechnology Infrastructure Network,簡稱NNIN),將由美國13所大學共同建構支持全國納米科技與教育的網路體系。該計劃為期5年,于西元2004年一月開始執行,將提供整體性的全國性使用技能以支持納米尺度科學工程與技術的研究與教育工作。預估5年間至少投資700億美元的研究經費。計劃目的不僅在提供美國研究人員頂尖的實驗儀器與設備,並能訓練出一批專精於最先進納米科技的研究人員。   1.美國發展最新納米細胞製造技術   納米技術可製造出粒子小於人類血管大小的物體,美國國家標準與科技協會(NIST)指出已研究出一種生產一致的,且能夠自行組合的納米細胞(Nanocells)的方法,以應用在封裝壓縮藥物的治療工作上。這種技術當前可被運用在藥物的包裝技術上,可以更精確地確保藥物的用量,未來將運用在癌症化學治療的相關技術上作更進一步的研究。   納米計劃是西元2005年聯邦跨部會研發預算的主軸,達9.8億美元。   2.DNA檢測晶元的進展   西元2004年一月,美國HP正式對外發表其用來快速進行DNA檢測的納米級晶元。取代目前在DNA檢測上采以光學原理為基礎的「基因微晶元法」(DNA microarrays)繁複的檢測步驟,HP團隊改由將此繁複步驟交由電路晶元處理;製作上,DNA檢測晶元的感測元件是一條利用電子束蝕刻法(electron-beam lithography)與反應性離子蝕刻法(reactive-ion etching)所製成粗細約50納米的納米線。然就商業上考量,成果卻過於高昂,因此研究團隊正發展利用較便宜的光學蝕刻法(optical lithography)以製成DNA檢測晶元元件的技術。   3.地下水污染改善之研究   地下水污染是近年被廣泛討論的一項重大議題,目前能準確找出與清除地下水污染的技術並不成熟。西元2004年四月,美國發表了一種納米微粒(nanoparticles)技術,在此微粒中心為鐵芯(iron)而其外則由多層聚合物加以包覆,其中,內層是由防水性極佳的複合甲基丙烯酸甲脂(poly methl methacrylate;PMMA)包覆,而外層則由親水的sulphonated polystyrene進行包覆。由於親水性外層使納米微粒溶於水,內層防水層則能吸引污染源三氯乙烯(trichloroethylene)。納米微粒中的鐵芯使得三氯乙烯產生分裂,進而使得此項污染源逐漸分裂成無毒的物質。   4.啟動癌症納米科技計劃   為廣泛將納米科技、癌症研究與分子生物醫學相互結合,美國國家癌症中心(NCI)提出了癌症納米科技計劃(Cancer Nanotechnology Plan),並將透過院外計劃、院內計劃與納米科技標準實驗室等三方面進行跨領域工作。計劃設定了六個挑戰:   預防與控制癌症:發展能投遞抗癌藥物及多重抗癌疫苗的納米級設備。   早期發現與蛋白質學:發展植入式早期偵測癌症生物標記的設備,並發展能收集大量生物標記進行大量分析的平台性裝置。   影像診斷:發展可提高解析度到可辨識單獨癌細胞的影像裝置,以及將一個腫瘤內部不同組織來源的細胞加以區分的納米裝置。   多功能治療設備:開發兼具診斷與治療的納米裝置。   癌症照護與生活品質提升:開發改善慢性癌症所引發的疼痛沮喪噁心癥狀,並提供理想性投藥裝置。   跨領域訓練:訓練熟悉癌症生物學與納米科技的新一代研究人員。

歐盟

  1.歐盟的國際納米科學研究政策   歐洲為全球最早開始進行納米科學研究的區域,但由於當時並沒有歐盟加以居中協調與規劃,因此在研究初期因為缺乏資金援助、相關管理上的支援,同時因為面臨專利取得的問題,導致研究人員遭遇許多阻礙,西元2004年五月,歐盟議會(European Commission;EC)對歐洲地區與國際社會發表一系列有關於納米科技的專案計劃,以宣示歐洲對於提高納米科技競爭力的決心。   歐盟將其計劃分為五個主要區域:研究與發展(R&D)、基礎建設(infrastructure)、教育與訓練(education and training)、創新(innovation)以及社會層面(societal dimension)。   根據預估,如歐盟計劃能順利推展,在西元2010年前將可望為歐洲創造上百億歐元的經濟營收。歐盟議會也強調提高社會大眾對於納米科技的認知,也同樣屬於整體納米發展計劃的一部分。另外,公眾健康、安全、環保問題及消費者保護也同樣被包含在此項議題之中。目前,納米科學及納米科技仍屬於新興的R&D領域,其所必須解決與進行研究的對象都存在於原子與分子的階層中。納米科學在未來幾年內的應用是眾所矚目,且必將對所有的科技產生重大影響。在未來,納米科技的研發工作也將對人體保健食物、環保研究、資訊科學、安全、新興材料科學及能源儲存等領域產生重大的改變。 西元2004~2006年歐盟所進行的第六期架構計劃(FP6)中,納米科技與新興材料研發的經費約為歐元13億,而歐盟議會也有意提高經費並延長研究時程(由西元2007~2013年)。同時為凝聚與加強所有歐盟會員國在納米科學方面的研究,因此在規劃上歐盟議會也有意召集民間與其他單位的專家凝聚共識,以強化整體歐盟在此方面研究領域的力量。   2.創新接繼中心   在西元1995年由歐盟委員會成立「創新接繼中心」(Innovation Relay Centers, IRCs)。這個的組織和美國國家科技移轉中心具相同功能。區域性的創新接繼中心總數近70個,支援至少位於30個國家的相關科技移轉中心。創新接繼中心的目的,是將有問題的公司和能提出解決方法的公司結合在一起。歐洲多數的納米科技公司都可受到創新接濟中心或區域創新和科技移轉策略計劃的援助。   歐洲納米科技計劃接受金援的方式和美國大致相同,有些是屬於國家型計劃。歐洲有多個跨國研發機構,以泛歐工業研髮網絡為例,其專門提供無條件研發補助,目的將研發成果發展為產品。透過泛歐工業研髮網絡提供的資金補助的國家包括奧地利、挪威和英國。其他在比利時、德國、斯洛伐尼亞、冰島和以色列還包括貸款和免償型補助。多數情況下,補助金額不超過計劃完成的所需總金額的七成,剩餘部分多仰賴地方政府和其他有意願者贊助。

日本

  1.日本理研的納米科學研究現況   日本理化學研究所(RIKEN,簡稱理研)系一跨學門的研究組織,該所各部門分佈在日本的7個區域。RIKEN的主要基地-和光園區,設置發現研究中心(DRI)、新領域研究系統(FRS)及頭腦科學中心(BSI)等3研究中心。RIKEN進行的研究可區分為三類:DRI主要進行小型但具備長程觀點的培育研究計劃;FRS同樣執行小型計劃,但以由上而下的方式,進行較具動態的中程及中等規模的計劃;至於研究中心則是進行以目標為導向的中至長程的大型計劃。RIKEN在西元2003會計年度下半年(西元2003年十月至2004年三月)的研究預算共4.748億美元,全年預算超過9億美元。   西元1986年起RIKEN開始從事納米科學之研究,但正式的納米科學計劃則是自西元2002年開始,初期選定有18項的納米科學計劃,並陸續分別在各研究中心進行。   2.日本提高納米科技預算與產業合作(JAPAN BOOSTS NANOTECHNOLOGY BUDGET AND INDUSTRIAL COOPERATION)   日本科學與科技政策顧問委員會(Council for Science and Technology Policy)消息指出,日本在西元2004年會計年度(由4月1日起)中,納米科技預算成長3.1個百分比,達到8.8億美元。同時,兩個主要負責日本納米科技研發計劃的政府部會,其預算也都有成長。負責推銷即將完成的研發工作的日本經濟產業省(Ministry of Economy Trade and Industry, METI),預算由西元2003年的0.97億美元提升到西元2004年的1.1億美元。納米科技與相關原料研究被指定為四個最高優先項目之一,其他領域包括資訊與通訊、生命科學與環境研究。   日本的預算是經由日本大藏省(Finance Ministry)批准,再由日本國會(Japanese Diet)制定為法律。日本文部科學省(Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, MEXT)的納米科技研發經費,則由2.3億美元成長到2.4億元

推薦閱讀