庾　晉　周　艷　瓊子蔭

21世紀是“納米時代”

納米是一個長度單位，1納米=10－9米。納米技術(shù)是在01納米～100納米的尺度空間內(nèi)研究電子、原子、分子的內(nèi)在運行規(guī)律和特性的嶄新技術(shù)。它的涵蓋面十分廣泛，包括納米電子技術(shù)、納米材料技術(shù)、納米機械制造技術(shù)、納米顯微技術(shù)以及納米物理學和納米生物學等不同學科和領(lǐng)域。

納米技術(shù)是世紀之交異軍突起的新興技術(shù)，它的出現(xiàn)，標志著人類在改造自然方面進入了一個新的層次，即從微米層次深入到原于、分子級的納米層次，使人類最終能夠按照自己的意愿操縱單個原子和分子，以實現(xiàn)對微觀世界的有效控制。專家們認為，正像產(chǎn)業(yè)革命、抗生素、核能和微電子技術(shù)的出現(xiàn)和應用所產(chǎn)生的巨大影響一樣，納米技術(shù)將創(chuàng)造人們想像不到的推動新世紀前進的奇跡。納米技術(shù)的發(fā)展不但會開創(chuàng)一個科學技術(shù)的新時代，還將會對社會各領(lǐng)域引發(fā)重大變革。有人甚至斷言，人類迎來的21世紀將是“納米時代”。

納米技術(shù)一出現(xiàn)，許多國家將其列為“關(guān)鍵技術(shù)”范圍，投入巨資進行研究開發(fā)。納米技術(shù)的研究與開發(fā)時間雖然很短，但已取得了令人矚目的成果，向世人展示了其誘人的發(fā)展前景。近年來，一些國家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地，日本和西歐1997年在這個領(lǐng)域的支出超過了美國。日本、德國、英國、瑞典、瑞士和歐盟都在具體的納米技術(shù)領(lǐng)域創(chuàng)造了中心優(yōu)勢，日本在納米設備和強化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，歐洲在分散、涂層和新儀器應用方面處于領(lǐng)先地位。美國目前雖在合成、化學品和生物方面處于領(lǐng)先地位，但是在納米裝置、納米設備的生產(chǎn)、極精確工程、陶瓷和其他結(jié)構(gòu)材料方面落后于其他國家。

納米科技發(fā)展簡史

1959年，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制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢想。20世紀70年代，科學家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。1974年，科學家唐尼古奇最早使用“納米技術(shù)”一詞描述精密機械加工。1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示出一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進作用。1990年7月，第一屆國際納米科學技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術(shù)的正式誕生。1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的1/6，強度卻是鋼的l0倍，成為納米技術(shù)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，也將被廣泛用于超微導線、超微開關(guān)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”下斯坦福大學英文名字和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”之后，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(lǐng)域占有一席之地。l997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(shù)可望在20年后研制成功速度和存儲容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量。此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄。

美國納米技術(shù)的開發(fā)情況

美國科學家正試圖利用精確控制形狀和成分的納米“磚塊”合成出自然界中沒有的材料，然后可以把這些材料組裝成更輕更強的較大結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)還可能具有可設計性。美國國家科學和技術(shù)委員會發(fā)布的一份研究報告描述了這些預計會出現(xiàn)的特種新奇材料的特性。這些材料將具有多種功能，并能夠感知環(huán)境變化以及做出相應的反應。研究人員預計，還會出現(xiàn)強度是鋼鐵的10倍的材料、重量只有紙張的1／10的材料、具有順磁性或者超導電性的材料、透明材料和具有更高熔點的材料。把納米技術(shù)用于存儲器，可使整個國會圖書館的信息放入一個只有糖塊大小的裝置中。

西北大學開發(fā)的一種比色傳感器，已經(jīng)成功地探測出發(fā)疽和結(jié)核桿菌?？茖W家把探測對象的DNA附加在納米大小的黃金微粒上，當互補的微粒在溶液中存在時，黃金微粒會緊緊地結(jié)合在一起，改變懸浮液的顏色。這種傳感器更加簡單，且成本只是現(xiàn)有技術(shù)的1／10。

美國半導體工業(yè)協(xié)會制定了一個處理器、傳感器、存儲器和傳輸設備的開發(fā)路線圖，但是這個路線圖只延伸到了2010年，并且只達到了大小為100納米的結(jié)構(gòu)，這比全部是納米結(jié)構(gòu)的裝置要大。這個協(xié)會說，科學發(fā)現(xiàn)發(fā)展成商業(yè)上可行的技術(shù)需要時間。該協(xié)會預計，納米技術(shù)還要再過10年～15年才能成熟。這個估計部分是基于磁阻效應從發(fā)現(xiàn)到產(chǎn)品上市所需的時間。1988年，科學家在經(jīng)過特殊處理的納米厚的有磁與無磁薄層中發(fā)現(xiàn)了巨大的磁阻效應。到1991年，IBM公司展示了簡便制造小型樣品的能力，到1997年12月就生產(chǎn)出了替代計算機磁頭的商業(yè)產(chǎn)品。

美國康奈爾大學的一個科研小組最近制成了400架“納米直升機”，現(xiàn)在正在實驗室中對其進行性能實驗。這是納米技術(shù)的一個新成果。這些“納米直升機”之所以被稱為“納米直升機”，是因為它有一個用金屬鎳制成的螺旋槳，并且利用它的生物分子部件將人體內(nèi)產(chǎn)生的一種名叫ATP的物質(zhì)轉(zhuǎn)換成能量，利用這個能量它們可以在人的細胞內(nèi)“飛翔”和著陸?？茖W家希望它們能幫助醫(yī)生清除細胞的缺陷和釋放藥物。該生物分子部件坐落在一個也是由金屬鎳制成的柱體上。在實驗中發(fā)現(xiàn)，該螺旋槳每秒鐘可以轉(zhuǎn)8周，而且，令人驚訝的是，只要將上述的鎳螺旋槳、生物分子部件和鎳柱體等3個部件放在一起，它們就可以在由ATP轉(zhuǎn)換成的能量驅(qū)動下自行組裝成“納米直升機”。不過，科學家目前只是在實驗室中對其進行性能實驗，而且在400架“納米直升機”中，目前只有五架工作正常。但是參與研制的科學家指出，他們的實驗結(jié)果已經(jīng)顯示，在人體生物能量的驅(qū)動之下，這種三件式的“納米直升機”能自行組裝、維護和修理，這已經(jīng)是一個大突破了。

盡管美國在納米研究和開發(fā)上仍處于世界領(lǐng)先水平，但是美國的優(yōu)勢最近幾年卻在下降。1950年，美國的國內(nèi)生產(chǎn)總值占發(fā)達國家總和的40％，開展的研究開發(fā)是世界其他國家總和的2倍～3倍。到1997年，美國的國內(nèi)生產(chǎn)總值只占全世界國內(nèi)生產(chǎn)總值的27％，開展的研究開發(fā)只占世界的40％。美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從l997年的116億美元增加到2001年的497億美元。

中國納米科技成就卓越

近年來，中國科學家在納米科技領(lǐng)域?qū)覄?chuàng)佳績，世界權(quán)威科學刊物或者相關(guān)國際會議上，中國人頻頻在納米領(lǐng)域“露臉”，讓世界為之矚目。1993年，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(lǐng)域占有一席之地，并居于國際科技前沿。l998年，清華大學范守善小組成功地制造出直徑為3納米～50納米、長度達微米量級的氮化鎵半導體一維納米棒，使中國在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體。1998年，美國《科學》雜志上刊登了中國科學家的論文。中國科學家用非水熱合成法，制備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金——從四氯化碳制成金剛石?！苯陙恚袊茖W院物理研究所的解思深研究員率領(lǐng)的科研小組，不僅合成了世界上最長的“超級纖維”碳納米管，創(chuàng)造了一項“3毫米的世界之最”，而且合成出世界上最細的碳納米管。l999年上半年，北京大學納米技術(shù)研究取得重大突破，電子學系教授薛增泉領(lǐng)導的研究組在世界上首次將單壁碳納米管組裝豎立在金屬表面，并組裝出世界上最細且性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。l999年，中科院金屬研究所成會明博士合成出高質(zhì)量的碳納米材料，使中國新型儲氫材料研究一舉躍上世界先進水平。這種新材料能儲存和凝聚大量的氫氣，并可能做成燃料電池驅(qū)動汽車。不久前，中科院金屬研究所盧柯博士率領(lǐng)的小組，在世界上首次直接發(fā)現(xiàn)納米金屬的“奇異”性能——超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而“不折不撓”，被譽為“本領(lǐng)域的一次突破”，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的。

由中國科學家自行發(fā)明、研制的納米生物醫(yī)藥產(chǎn)品已橫空出世，并將大規(guī)模進入平民百姓家庭。也是在1999年9月16日在中國深圳召開的中國首屆納米生物醫(yī)藥學術(shù)研討會上，深圳安信納米科技控股有限公司宣布，利用納米技術(shù)研制生產(chǎn)出“廣譜速效納米抗菌顆粒”，并以此為原料成功開發(fā)出納米醫(yī)藥類產(chǎn)品。其中創(chuàng)傷貼、潰瘍貼、燒燙傷敷料等3種納米醫(yī)用產(chǎn)品進入規(guī)?；a(chǎn)階段，并陸續(xù)投放市場。安信公司為實現(xiàn)這個項目的突破花了近7年的時間。他們把在中國購得的兩項納米發(fā)明專利在實驗室里進行轉(zhuǎn)化，經(jīng)過數(shù)萬次修改，終于在2000年研制出粒徑為25納米的“廣譜速效納米抗菌顆?！?。經(jīng)臨床應用和中國科學院、中國醫(yī)學科學院等多家權(quán)威機構(gòu)檢測，證實是目前國際上最安全的抗菌、殺菌劑。它無毒、無味、無刺激，無過敏反應，遇水殺菌力更強，是世界上惟一“不產(chǎn)生耐藥性的純天然抗感染醫(yī)藥產(chǎn)品”。與會專家一致認為，這種納米抗菌材料的誕生，開創(chuàng)了納米技術(shù)在生物醫(yī)藥領(lǐng)域應用的先河。安信公司由此成為世界上首家將納米速效抗菌材料運用于生物醫(yī)藥工程領(lǐng)域的企業(yè)。值得自豪的是，這是中國人自己發(fā)明的惟一純天然的抗感染原料藥。某些性能遠遠優(yōu)于現(xiàn)有的抗感染藥，它將廣泛應用于人體皮膚和粘膜組織的抗菌?？芍委煁D女陰道炎、陰道止癢、除臭，還可以治療結(jié)膜炎、鼻炎、粉刺、口腔潰瘍以及燒燙傷、創(chuàng)傷、感染化膿、褥瘡、皮膚病等由細菌和真菌引起的疾病。特別是研制開發(fā)的潰瘍貼，較好地解決了目前難以解決的糖尿病人創(chuàng)傷潰瘍難以愈合的醫(yī)學難題，實現(xiàn)了真正不含抗生素的長效廣譜抗菌功效。它的成功研制和投產(chǎn)，標志著人類在同細菌和真菌的斗爭中，在抗感染藥物領(lǐng)域進行了一場革命。成冠倫圖