1、现代物理科学与技术选讲目 录1神奇的纳米科技2纳米电子学及其应用 3纳米材料的奇异性质 4纳米科技与未来世界5超越极限高温超导技术 6从经典计算机到量子计算机7聚焦凝态物理学之一-高温超导 8聚焦凝态物理学之二-微结构物理 9聚焦凝态物理学之三-液晶10聚焦凝态物理学之四-有机超导体11核能技术和利用12能源和能源利用 13激光技术与应用14探测火星 1.神奇的纳米科技一、什么是纳米科技？ 纳米科学技术是研究在千万分之一米(10 -8)到亿分之一米(10 -9 米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 二、纳米科技的主
2、要研究内容 创造和制备具备优异性能的纳米材料。 设计和制备各种可供应用的纳米器件和装置。 探测和分析纳米区域的奇异性质和现象。 纳米是尺寸或大小的度量单位：从京米（10 9）兆米（10 6）千米（10 3）米（10 0）毫米（10 -3）微米（10 -6）纳米（10 -9）皮米（10 -12）费米（10 -15） 。一纳米大约是 4 倍原子大小、万分之一头发粗细。 几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。这种“组合 ”被称为“ 超分子 ”或“人工分子”。 “超分子”性质，如熔点、磁性、电容性、导电性、发旋旋光性和染、颜色及
3、水溶性有重大变化。当“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇特的性质又会失去，像真是一些长不大的孩子。在 10nm 尺度内，由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中，科学面临着新的挑战和机遇。 三、神通广大的纳米科技 诺贝尔物理奖获得者 Feyneman 在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。我们不妨来注意以下几种纳米材料的应用前景。 1奇妙的碳纳米管 碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却
4、是钢的 100 倍。轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。如果用碳纳米管作绳索，是港口码头的大吊车上最好的绳索，是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索，用它可作为地球到月球乘人的电梯。另外，由于电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制，因此，可以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料。其实，这并不是凭空设想，清华大学的范守善教授利用碳纳米管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。他们将 Si-SiO2 混合粉体置于石英管中的坩埚底部，加热并通入N2。SiO2 气体与 N2 在碳纳米管中反应生长出 Si3N4 纳
5、米线，其径向尺寸为 440nm。1998 年他们与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管数组的自组织生长，它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。 2刚柔并济的纳米陶瓷 陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性，而纳米技术是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度
6、下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。纳米 TiO2 陶瓷材料在室温下具有优良的韧性，在 180经受弯曲而不产生裂纹。虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其它材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。 3爱清洁的纳米材料 把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿
7、真丝面料，这些高科技的服装面料将令人耳目一新。最近，据北京首科集团负责人介绍，首届“ 首科杯” 新女装设计大赛不同于常见的时装，其亮点为高科技面料。其中相当一部分为首次从实验室拿出来的科研成果。新的纳米面料则具有自清洁功能，沾上油污用水冲洗即可，这种纳米面料还有抗菌性能。专业人士研制的超细纤维材料也有神奇的功能：其材料精细，甚至可代替纸张，制成军用防水地图。另外，一件看似普通的衣服，一杯水倒上去却能形成水银滚动般的效果，水珠落地衣服仍是干的。这种用纳米技术处理过的面料，目前正考虑用在警服、军装上，用不了多久警察、军人们就能穿上防油、防水又耐脏的纳米制服了。这种处理过的面料除了有超疏水、疏油的奇
8、异性外，同时，处理后的面料还保持原有织物的任何特性与特征，不含对人体有害的化学成分。 4功能强大的半导体纳米材料 半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光原。它还可以吸收太阳光中的光能；把它们直接变成电能。目前，单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。同样，具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。美国已研制成功尺寸只有 4nm 具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合 M
9、EMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型计算机带来希望。纳米电子学是立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为对世纪信息时代的核心。 5巧妙的生物加工厂 众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。到目前为止，虽然还没有出现商品化的分子计算机组件，但科学家们认为：要想提高集成
10、度，制造微型计算机，关键在于寻找具有开关功能的微型器件。纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。10nm 以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，可作为监测和诊断疾病的手段。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部，使这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到
11、患病的组织中，那幺药物治疗的效果会大大地提高。如果设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。 6善变的纳米氧化物材料 目前，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含 SO32-或 Cr2O72-体系） ，已经取得了很好的效果。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3、 TiO2、ZnO 等做成涂料，由于具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。另外，氧化物纳米微粒的颜色各种各样，因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，这种纳米静电屏蔽涂
12、料不但有很好的静电屏蔽特性，而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。另外，如将纳米 TiO2 粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。用添加 0.10.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。将金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可以大大降低静电作用。氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。做成士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下，会变得更加喧丽多彩。 四、纳米科技21 世纪国家科技竞争力的重要标志 纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术，其潜在的重要性毋庸置疑
13、，一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中心，日本文教科部把纳米技术，列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。在德国，以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资 6500 万美元支持微系统的研究。 我国许多科研院所和高等院校也组织科研力量，开展纳米技术的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：由中国科学院物理研究所解思深研究员等领导的研究小组完成了面积达 3 毫米3 毫米，碳纳米管之间间距为 100 微米的定向纳米碳管数组的合成。由清华大学范守善教授等研制完成了氮化镓纳米棒，首次利用碳纳米管制备出直径 340 纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳
14、米棒。由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成了准一维纳米丝和纳米电缆的研制，他们利用碳热还原、溶胶凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术，首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体 SiO2 纳米电缆。中国科学技术大学的钱逸泰等用催化热解法制成了纳米金刚石。中国科技大学的侯建国教授等在纳米材料和纳米结构的高分辨表征、控制等研究领域取得多项国际性显着性成果。但是，上述这些成功同国外发达国家的先进技术相比还有很大的差距。早前，德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测：他们认为未来几年，纳米结构器件市场容量将达到 6375 亿美元，纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到 545
15、7 亿美元，纳米加工技术市场容量将达到 442 亿美元，纳米材料的评价技术市场容量将达到 27.2 亿美元。并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域。 中国现在已有 100 家纳米技术企业，十几条纳米生产线。目前这 100 多家企业都有自己的产品，但绝大部分是以生产纳米的粉体材料为主，就是把材料做成纳米级的非常小的颗粒，再把粉体做成材料供大家使用。比如：纳米洗衣机是在洗衣机内胆涂上一种纳米材料以抑制霉菌的生长；纳米冰箱也是同理；还有纳米领带，普通领带的表面经物理、化学两种纳米方法处理后，便有了很强的自洁能力，不沾水、不沾油；此外，布料、瓷砖等材料经处理后也可具有自洁功能。 科学界预
16、计纳米技术是 21 世纪可能会取得重要突破的三个领域之一，美国人甚至认为纳米科技会成为 21 世纪经济发展的发动机。而根据德国科技部的预期，到 2010 年纳米技术的市场会达到 14 万亿美元这幺大的一个潜在市场使得很多企业愿意进行先期投入，比如风险投资，鼓励成果的转化。所以，不仅美国搞了一个国家纳米科技计划，从欧洲到日本，一些发达国家纷纷制定自己国家的发展战略，投入很多的人力和物力，再加上企业的投入，就形成了今天的纳米热。 2纳米电子学及其应用一纳米电子学 纳米电子学(Nanoelectromics)是纳米技术的重要组成部分，是纳米技术发展的主要动力。自 20 世纪 90 年代起，许多国家都
17、先后将纳米电子学作为“国家关键技术之一 “，并投入巨资进行研究和开发。经过几年的努力，已经取得了一系列震动世界的成果，目前正处在重大突破的前夜。 纳米技术发展的一个主要推动力来自于电子工业。在过去的 40 年中，晶体管的特征尺寸由 1cm 减小到小于 1um。现在商用上可以实现在一个集成片上包含 100 万个单元。作为信息科技核心的微电子学是以半导体理论为基础的，半导体芯片的加工技术也仅能达到亚微米级，晶体管尺寸大于电子波长。在这种情况下，电子被看成是一种粒子，只考虑粒子性，而不考虑波动性，基本上不涉及到量子力学理论。对于这种尺度的电子线路，宏观规律仍旧有效。纳米电子学主要是提供给人类这样的技
18、术，将集成电路的几何结构进一步减小，超越目前发展中遇到的极限，因而使得功能密度和资料通过率达到远是目前难以想象的水平。这个目标的实现不仅需要对器件的概念进行革新，而且器件尺寸进一步缩小 10-100 倍，即纳米量级。在这个尺度上，现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在，因而会出现种种新的现象，产生新的效应，即量子效应。利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件，像共振隧道二级管、量子激光器和量子干涉器件等。 与电子器件相比，量子器件具有高速、低耗、高效、高集成度、经济可靠等一系列优点。量子器件的诞生和应用，可以制造出高密度的内存，其存储密度估计可提高 1 亿倍。 有了这些好处，不仅现在做不到
19、的事能够做到，甚至现在想不到的事也能做到。就像 30 多年前还没有发明集成电路时，无法想象电子技术能有今天的发展一样。例如，巨型计算机到目前为止，其体积还像一个大柜子那幺大，加上外围设备还得放满一个房间，因此只能固定地安装在计算中心使用。如果有了量子组件，就可以使巨型机缩小到可以放到口袋里。它所带来的影响将是难以估量的。又如，现在在室外应用一些智能机器人，其智能水平还受到限制，遇到复杂的情况往往会不知所措。如果制成小体积、高性能的巨型机，装在机器人体内，它的智能便可大大提高。 由于只有在极微小的空间内才会出现量子效应，所以人们在努力开发量子箱。量子箱是直径约 10 纳米的微小构造。把电子关在这
20、样的箱里，就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现。利用这一现象使组件动作便可制成量子效应组件，即量子组件。对这样的组件加正电压时，电子便会进入量子箱中，引起组件的电阻变化，利用电阻大和电阻小的状态，可分别表示 “0“或 “1“。加上负电压或用光照射便可使所写入的信息抹去。不过这一试制的组件，要在零下 120 氏度低温下工作，所以还不能实用。如果使量子箱尺寸减小，进一步增强量子效应，就有可能提高工作温度，因此有希望成为耗电极小的大容量内存的基本组成要素。 二、纳米电子学的应用前景 纳米电子学与生物学相结合，为发展生物分子器件和生物计算机展现诱人的前景。纳米电子学另一令人神往的发展方向是利用纳米电子
21、学和生物学相结合研制生物分子器件。以分子自组装为基础制造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半导体为基础的电子组件。在传统的计算机中，其最基本的构件是开关组件，要想提高集成度，创造微型计算机关键在于寻找更小、具有开关功能的基本器件。在自然界中，能保持物质化学性质不变的最小单位是分子。科学家们发现，蛋白质分子是选作生物芯片的理想材料，利用蛋白质可制成各种生物分子器件，如开关器件、逻辑电路、内存、传感器、检测器以及蛋白质集成电路等。 另外，利用纳米电子学与纳米机械相结合，可制成微机电系统、微型机器人。现在日本已研制成功直径只有 1-2nm 的静电发动机、米粒大小的汽车。美国已研制成功微型光调器，并计划
22、研制微电机化坦克、纳米航天器等。德国已研制成功一架肉眼几乎看不见的直升飞机、微型机器人。最诱人的应用前景是利用纳米电子学与纳米生物学相结合可研制分子机器。第一代分子机器是生物系统和机械系统的有机结合体；第二代分子机器是能直接以原子、分子装备成具有一定功能的纳米装置；第三代分子机器将是含有纳米计算机的可人-机对话的并具有自我复制能力的纳米装置。分子机器一旦研制成功，它能在 1秒种内完成数十亿个操作动作，可在几秒钟内完成现在几天或几个月才能完成的工作。利用分子机器人可在血液中循环，可对身体各部位进行检测、诊断和实施特殊治疗。还可创造出全新的作战手段。利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中
23、控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。纳米电子学的发展是基于对纳米级结构的电子输运性质的研究。其应用包括基于电子弹道输运原理的超高速开关晶体管，它可成为新一代电子计算机的奠基石；基于量子干涉效应的电子干涉仪；截止频率超过 100 吉赫的微波器件；基于库仑阻塞效应的单电子晶体管可用于制作标准电流潭，单电子存储单元等。日本“ 日经产业新闻 “1993 年 12 月 3 日报导，东芝公司开发的半导体存储组件长度已达 40 纳米，能用于制作 100 兆位级的大规模集成电路。在用量子器件来制造超高密度内存，在 1 平方厘米的芯片上，将可存储 10 万亿比特的信息，即相当于 600 亿个报纸上印刷体的
24、汉字。日本日女公司研制的量子器件，可以简化运算电路，使原来需要数百个管子的电路换成一个量子器件就可以。1991 年，IBM 公司研制成功了开关速度为 005 纳秒的氙原子开关。利用这种高速开关，美国国会图书馆的全部藏书可存储在一个不大的芯片上。有了这些体积小，甚至可放在口袋中的器件，掌上型超级计算机将成为现实，机器人的智能也将大大提高，电子信息技术将产生革命性变革。 三、STM 技术与纳米加工 自从 1981 年 STM 问世以来，把它作为一种纳米加工工具的研究已涉及到在表面直接刻写、电子束辅助淀积和刻蚀、微小粒子及单原子操作等方面。首先，通过 STM 所进行的光刻、微区淀积和刻蚀等操作，有可
25、能将目前大规模集成电路线条宽度从微米数量级降到纳米数量级，这是当今世界高技术领域追求的目标之一；当器件尺寸达到纳米级甚至原子级时，量子效应可能起主要作用，这时有可能发现新效应，据此可设计出新器件，用 STM 等手段实现这些设想。其次，利用 STM 可修补表面淀积和刻蚀等方法建立或切断联机，以消除缺陷，达到修补的目的。而后还可用 STM 进行成以检查修补结果的好坏。另外，把 STM 的针尖作为工具，可对原子团或原子在表面上的生长、迁移、扩散等物理过程及微小粒子间的相互作用，微小粒子与表面间的相互作用等进行基础研究，以达到目的的控制和安排原子团甚至单个原子的目的。近年来通过用针尖直接刻写的办法，已
26、在 Si(100)表面写入了点的数组，在 10*10um，宽 120nm 的 Au-Pd 合金薄膜电阻，其室温电阻为 2.5K。 电磁聚焦的电子束、离子束或 X 光束也可用于纳米加工领域。STM 在芯片光刻技术等方面并无竞争能力，但其自有独到的特点。首先，STM 不仅可工作在隧道电流模式，也可工作在场发射模式。在后一种模式下工作时，针尖与样品仍相当接近，此时用不很高的外加电压（最低可到 10V 左右）就可产生足够电场，电子在其作用下将穿越针尖的势垒向空间发射。这些电子具有一定的束流和能量，由于它们在空间运动的距离极小，至样品处来不及发散，故束径很小，一般为纳米数量级，所以可能在纳米尺度上引起化
27、学键断裂，发生化学反应。与常规的高能电子束光刻不同，低能的 STM 束流不受在高能电子束光刻中遇到的电子背散射和二次电子等问题的困扰。另外，STM 是目前能提供具有纳米级尺寸的低能（0-20eV ）电子束的唯一手段，在控制和研究诸如迁移、化学反应、化学键断裂、微小粒子移动等过程时，由于每个原子的活化能小于10eV，要求探测束粒子的能量必须足够低，这时 STM 的重要性就更加显而易见了。 四、在军事领域里的应用 纳米技术在军事上的应用，主要体现在把纳米技术转化为微型武器装备系统的技术，其核心是运用微型机电系统实现武器装备袖珍化，以替代现有的重型武器装备。所谓微型机电系统，是指那种外形轮廓尺寸在毫
28、米以下，构成组件的尺寸在微米-纳米量级内的可控制、可运动的各种微型机电装置。预计，21 世纪纳米技术将成为军用关键技术。纳米技术将使未来武器装备的发展越来越微型化、袖珍化，它们也将使未来战争变得更加奥妙无穷。目前，运用纳米技术已研究出如蚂蚁机器人、“小草“ 传感器、纳米卫星、袖珍遥控飞机等高科技微型武器装备。 蚂蚁机器人背部装有一枚微太阳能电池作动力的微型机器人。因其有可观的破坏力，又称之为“蚂蚁雄兵“ 。通过声音控制，它可以神不知鬼不觉地潜入到敌军要害部门或部位。它根据指令可执行三大任务：一是充当遥控探测器；二是充当杀手，专门“ 吞咬“破坏敌计算机网络与通信线路；三是充当作战平台，即蚂蚁机器
29、人由程控“自行复制“微型探测器和微型地雷，并按一般的密度投放到需要控制的军事敏感区。通过微观装置焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪“，以至于不得不屈服微型机电系统所造成的战争压力。蚂蚁机器人还可以充当潜伏“特务“ ，能潜伏敌方关键设备中长达几十年之久。平时相安无事，战时则可群起而攻之。 “小草“ 传感器又称为“间谍草“，是一种带有摄像机和传感器的人工小草，能感知外界的震动和声音，能如人眼一般“看“周围景物。其作用是探测坦克或其它运输工具的行动，并将情报传回指挥部。“小草“ 传感器实际上是一种分布式战场微型传感网络，具有造价低廉、投布便利、耐久性强和隐蔽性好等明显优点。可在重要
30、的作战地区、敌人可能部署的原野上，用飞机快捷地撒布数以万计的这种小于 1 毫米的廉价微型传感系统，以掌握敌军动向。也可以散布在天空里，其在茫茫的天空中，不仅肉眼看不到，就是用仪器设备也很难辨认。用其追捕机动性极高、游动性很大的导弹，比现有的远程探测系统不仅节约大量的人力、物力和财力，而且覆盖面积大，能满足连续监视的要求。 纳米卫星实质上是一种分布式的卫星结构体，或布设成局部星团，或分布式星座。它是微型电机系统与微电子相结合的专用集成微型航天仪器系统。纳米卫星这种分布式体系与集中式体系相比，可避免单个航天器失灵后带来的危害，提高航天系统的生存能力和灵活性。假如在太阳同步轨道施放纳米卫星，在 18
31、 个等间距的轨道表面上，每个轨道表面等间距地安放36 颗，即共施放 648 颗纳米卫星，就可以保证在任何时刻内对地球上任何一点进行连续不断的覆盖与检视。 纳米技术必将成为 21 世纪的军用关键技术，届时的战士可能要带上扫描显微镜在战场上才不会吃亏。那时也许一棵“草“、一只“蚂蚁“ 就能决定一场战争的胜败。 随着技术的发展，纳米级电子器件和光学器件有可能集成，从而制备光电集成芯片、光内存等等，这将导致未来光电于计算机的可能出现，给人类生活带来光辉的未来。总之，纳米电子学展现出诱人的应用前景。 3 纳米材料的奇异性质一金属超微颗粒的奇异物理性质 利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂
32、和贮气材料以及低熔点材料。随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显着增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1）特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于 l。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感组件、红
33、外隐身技术等。 （2）特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显着降低，当颗粒小于 10 纳米量级时尤为显着。例如，金的常规熔点为 1064，当颗粒尺寸减小到 10 纳米寸时，则降低 27，2 纳米尺寸时的熔点仅为 327左右；银的常规熔点为 670，而超微银颗的熔点可低于 100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时组件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用 011 微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末
34、冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加 0.10.5重量比的超微颗粒后，可使烧结温度从 3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 （3）特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为 0.02 微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显着的不同，大块的纯铁矫顽力约为 80 安米，而当颗粒尺寸减小
35、到 0.02 微米以下时，其矫顽力可增加 1 千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 0.006 微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 （4）特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的接口，接口的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温
36、下可以大幅度弯曲而不断裂。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。宏观量子隧道效应各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒
37、尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或
38、者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在 025 微米。目前的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。 二氧化铈纳米微粒与脑细胞 依据中佛罗里达大学的研究显示，氧化铈纳米微粒可以延长老鼠脑细胞寿命，并且以再生自由基清除物型式保护细胞使之免于自由基媒介性的损伤。Beverly Rzigalinsk 的实验结果显示，切片培养的平均试管生命期为 28-32 天，以纳米微粒处理的培养液其试管生命期增加为至
39、少 68 天，有些可以到达 123 天，以纳米微粒处理的细胞在电子显微镜下，显示纳米微粒与粒线体、包涵体以及细胞边界结合。Rzigalinsk 对培养液中老化神经元的性质进行测试，发现神经元彼此间如同对照组年轻神经元一样的交换讯息，Rzigalinsk 认为纳米微粒不但有延长神经细胞生命的可能，而且能保持神经元的功能，此种纳米微粒给予了扮演自由基清除物角色的希望，所以对一些与老化有关的病症如阿兹海默症以及关节炎也许有所帮助。 由于上述的研究与发现，两位教授将自美国国家卫生院(NIH)以及国家老人学研究院(NIA)获得一百四十万美元的补助，对其所观察现象的原因以及未来可能应用继续进行研究。 三美
40、研制出强度最高的纳米纤维 也许将一件永不磨损的外衣穿在身上的日子已经不远了。日前，美国的研究人员研制出一种迄今为止最为坚韧牢固的人造纤维，除此之外这种纤维还具有导电的特性。通过把这种由碳纳米管制成的纤维应用于具有防弹功能的衣料，以及能够向传感器、电子器件和通讯装置传输电力的电子织物上，将能够引发军事服装的一场革命性变化。 自从年这种微小的、全部由碳原子构成的圆柱体被发现以来，研究人员就一直梦想能够利用碳纳米管制造出一种织物。相邻的碳原子之间牢固的化学键使得每一束碳纳米管都成为已知最为坚固的原料之一。但是如何让单束的碳纳米管彼此缠绕进而形成一股纤维，却被科学家视为一种挑战。年前，法国的研究人员通
41、过将碳纳米管和一种名为聚乙烯醇的聚合物(PVA) ，以及水混合，在该项研究中取得了一定的进展。像意大利式细面条一样的束缠绕在碳纳米管的周围，并且使它们聚拢在一起。但是当研究人员将处理干净后，这些碳纳米管纤维却只能保持 20 厘米长。 现在，一个由美国达拉斯得克萨斯大学的化学家 Baughman 领导的研究小组，对法国科学家的方法进行了改进，得到了激动人心的结果。最重要的一点在于，Baughman 的研究小组并没有试图将从碳纳米管的混合物中清理掉。他们同时还对纤维拉制的过程进行了改进，研究人员将凝胶体注入一个像车轴一样旋转的导管中，这样做是为了促进纤维成分的联合。最后的结果是令人震惊的：这些纤维
42、能够长达数百米，并且其韧性是蜘蛛丝的倍，更是用于制造防弹背心的凯夫拉尔（纤维，一种质地牢固重量轻的合成纤维）韧性的倍。同时这些新纤维的硬度以及强度是相同质量的钢丝的倍，而韧性则是钢丝的倍。研究小组在新近出版的自然杂志上报道了他们的研究成果。 当 Baughman 的研究小组将两根捻合的纤维与一节电池连接后，他们在两股纤维之间发现了电压的存在，这就好比将这一回路变成了一个超级电容器一种能够储存电荷的装置。Baughman 研究小组于是将他们的超级电容器纤维与更多的传统纤维编织在一起，织成了一小块电子织物的样品如果与一个电源相连，将能够为织物上的电子设备传输电力。 休斯敦 Rice 大学的纳米技术
43、专家 WadeAdams 认为，这项研究毫无疑问地将为高强度的电子活性纤维带来诸多有价值的应用。但是他说这项新研究给人印象最深的地方在于纤维的强度。 “能够达到如此的韧性真是非常酷的一件事”。然而不要指望马上就能将这种纤维穿在身上。在这种新织物中，每克单股的碳纳米管就需花费 350 美元。也就是说要制造一件公斤的碳纳米管外衣需要耗资 35 万美元。 四美国国家纳米计划评估 不久前，作为美国国家科学院工作机构的美国国家研究理事会，向联邦政府提交对国家纳米计划进行评估的研究报告。报告评价了国家纳米计划实施近三年的情况，并敦促政府积极推动国家纳米计划的实施，促进纳米科学和技术转化为生产力，为国家经济
44、和国土安全做出贡献，并保证美国在这一领域的优先地位。 早在年，当时的克林顿政府就批准了国家纳米计划。从年财政年度开始，美国政府共向该计划注入了亿美元的经费，年布什政府就该计划向国会提出了 7.009 亿美元的申请。 美国国家纳米计划包括五大主题。其目标也比较具体，其中包括年首次实现实验室演示万亿字节的容量芯片，进行微秒级的纳米测量，将植物中的光电蛋白质或昆虫听力器官作为可实现其它功能的纳米系统的模型或部件等。同时，在国家纳米计划中，美国政府十分重视开展国际合作，这由于很多纳米科学问题十分复杂，而国际合作能够加快这些问题的解决，并有助于将研究成果转化到产品开发中。更重要的是，美国政府认为在这方面
45、开展必要的国际合作有益于美国的国家安全。 应白宫国家经济委员会和其它参与国家纳米计划的联邦机构的委托，国家研究理事会从年开始对国家纳米计划进行评估，并成立了专门的评审委员会。评审委员会在评审报告中高度评价了国家科学基金委员会在建立纳米科学、工程学和技术下属委员会（） 、协调跨部门合作的工作中的领导水平，认为该下属委员会在确定研究重点、重大挑战等方面发挥了关键性作用，主办了一系列提高纳米科学和技术的研讨会，资助了与纳米科学进步可能涉及的伦理、法律和社会事件的讨论。报告指出美国国家纳米计划的成功还表现在多个国家的政府也相应成立了纳米科学和技术研究项目。同时，委员会向联邦政府提出了十大建议。这十大建
46、议包括：第一，建议白宫科技政策办公室成立一个独立、常设的纳米科学和技术咨询委员会，就研究资助政策、战略、项目目标和管理程序向提供咨询；第二，建议制定简明扼要、有指导意义和通观全局的战略计划，阐明短期（年） 、中期（年） 、长期（年以上）的目标和方向。应强调长期目标是让实验室成果商业化，服务于社会；第三，建议国家纳米计划长期稳定地支持纳米科学和研究，以最终实现它们的潜力和期望；第四，建议给多家从事纳米技术和生物学交叉领域研究的联邦机构增加经费；第五，建议制定有关发明和研制科学进步所需的新仪器的计划；第六，建议总统设立专项基金，在白宫科技政策办公室的管理下支持与纳米科学和技术有关的纳米部门研究。这
47、项基金应全部用于支持跨部门间的实质性跨领域合作，特别是在国立卫生院、能源部和国家科学基金委之间的合作；第七，建议在国家纳米计划中积极支持跨学科文化的建立；第八，建议鼓励和培育国内外工业合作伙伴，加速国家纳米计划研究成果的商业化。应建立相应的机制，协调和推动区域性竞争纳米科学和技术研究中心的建立；第九，建议制定新的资助战略，确保将纳米和技术对社会的影响作为资助的重要组成部分。第十，建议组织制定工作进度测定标准，评估国家纳米计划在实现目标和方向上的效果。4. 纳米科技与未来世界一纳米科技可能是未来决定大国战略地位的重要标准 纳米科技(Nano Technology)是继计算机、基因技术之后世界强国
48、追逐的又一大科技热点。纳米科技主要是指通过操纵单个原子、分子来构建纳米级的材料、超微型的功能器件甚至超微型机器或者机器人。近几年来美、日、欧盟都开始对纳米科技增加投资，制定纳米科技战略并予以优先研究开发。纳米科技正逐渐成为世界强国争夺科技制高点的又一个新战场。 纳米科技的魅力主要在于它几乎可以将人类目前所有的高科技重新定义。随着纳米科技的逐渐起步，很多在科幻小说中形容的外星人高科技对地球人来说也开始变得极为可能。比如说正在设想中的有超级飞行器纳米飞机，纳米飞机的表层安装数亿个与空气分子接触的微型机器装置，这些微型装置不断与空气分子摩擦而产生升力，众所周知飞机飞行的原理是与空气高速摩擦而获得向上
49、的升力而来的，而纳米飞机通过机身表面的微型分子机器主动摩擦空气分子则可以在机身的各个方向获得反作用力。这样一来纳米飞机可以实现在超音速的情况下在空中急停或者做 90 度转弯等现代飞机无法想象的功能。这些功能正是 UFO 飞行特征，假如说外星人真的驾驶 UFO 频繁访问地球的话，他们很有可能是通过纳米科技来实现这些飞行特技的。还有经常主导科幻小说及科幻电影主题的隐身人也不再是荒唐的幻想。纳米隐身服可以通过表层类似晶体的微分子装置对周围环境的色谱进行扫描并复制，复制后再通过隐身服表面分子向外部反射来达到一种虚拟的透明进而欺骗肉眼。 纳米科技对医疗的影响也将是非常深远的。其中纳米微型内窥镜技术将是医疗商业技术竞争的焦点。目前的内窥技术为两类，一是直径为 1 到 2 厘米的电视内窥装置，此技术能探测的仅仅是消化道系统并且造成很大疼痛。二是比较先进的电磁共振扫描，此技术只能够提供人体断层扫描并且图像精确度有限。而纳米微型内窥技术的开发及应用将使
