纳米技术的发展历程及发展趋势 。

纳米技术的发展，灵感来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。 这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。 费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。 ”纳米技术的发展源于此。

纳米技术的发展历程及发展趋势

一、纳米技术的发展历程

70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；

1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；

1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。 他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。 这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。 不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。 使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。 现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。  著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在2017年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；

到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；

2001年，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。 日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。 中国也将纳米科技列为中国的“973计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。 二、纳米技术的发展相关领域

1、纳米材料

当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。

如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。

过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。 磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。 80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。 但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。

这一特性，主要用于制造微特电机。 如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。

2、纳米动力学

主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。 特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。 这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。 在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。 虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。

3、纳米生物学和纳米药物学

如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。 有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。 新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。

纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。 （上面是老钱加注）

4、纳米电子学

包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。 当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。 更冷是指单个器件的功耗要小。 但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。

三、纳米技术的发展主要研究方向

当今纳米科技领域发展的3个重要趋势，暨纳米材料的合成表征、纳米结构的物化性质表征、纳米器件的构筑和功能评估。 从基础研究的角度来看，发现新的纳米结构，并以这些纳米结构为基本模型，建立新的理论体系，研究新的物化性能已经是一个相当成熟的研究领域；而从应用研究的角度来看，纳米结构的器件化研究依然是该领域的最终需求。

（1）纳米材料的合成、表征设计与制备：目前纳米材料的合成研究已经不仅局限于零维或一维结构的控制合成，实现这些结构单元的周期性组装，并进一步服务于器件化研究，已经成为该领域所面临的巨大挑战。

超分子自组装过程依然是获得各种纳米结构最有效的方法。 印度科学家Rao教授在报告中提出了多种不同组成、纳米结构和形貌控制的溶液合成方法。 其主导思路是利用具有一定配位能力的有机分子作为模板剂，导向前驱物的定向反应和最终产物的晶化生长，这种合成法是经典化学合成的延续。 日本科学家Aida教授也介绍了利用芳环分子之间的п——п相互作用组装超分子结构，其系列工作包括，利用离子液体进行碳纳米管的成型，以稠环分子组装有机纳米管结构等。 日本科学家Fujita教授的报告则侧重于利用超分子自组装体系构筑三维孔道结构的配位聚合物，不同的金属离子与设计合成的有机配体之间存在丰富的配位方式，从而可以获得千变万化的有机——无机杂化骨架结构。

模板法是获得有序纳米结构最为有效的方法之一。 我国科学家赵东元教授介绍了利用软、硬模板法合成碳纳米结构。 通过合成不同孔道结构的介孔氧化硅材料为模板，可以获得相应的倒易碳纳米结构；而以嵌段共聚物为模板，以稠环类化合物为碳源，则可获得不同形貌、不同晶化度的碳纳米结构。 日本的Tatsumi教授介绍了以阴离子表面活性剂作为模板，合成氧化硅介孔材料的新思路。 以这种方法可以获得多种新型孔道结构。 我国科学家徐正教授一直致力于以多孔氧化铝为模板，电沉积合成金属纳米线阵列结构的工作，这类材料在超磁体方面有着巨大的潜在应用价值。 日本科学家Shinahara教授则以碳纳米管为模板，在其中装填富勒烯或笼内含稀土金属原子的富勒烯/稀土离子复合物，最终形成的材料具有类似豌豆的有趣结构。

在材料的表征方面，除了利用传统的仪器分析方法进行结构解析，计算机理论模拟已经成为设计材料、研究结构和预测性质的一个重要手段。 来自香港的汤子康教授介绍了利用理论模拟的方法研究直径0.4nm的单壁碳纳米管的结构及场反射性质，理论研究结果验证和丰富了实验研究。 同样，该方法也适用于其他纳米结构，如纳米带、纳米颗粒的结构和性质研究。

（2）纳米结构的物化性质表征、组装与功能：以纳米结构为模型，进行一些光、电、磁性质研究，不仅可以丰富少量原子聚集体的理论研究，同样也是为构筑纳米器件提供基础理论依据，筛选适合的结构单元。

本次会议的许多报告涉及纳米材料的物化性质表征。 其中通常以单分子体、原子簇或一维纳米结构为主要研究模型，所关注的性质主要在于特殊的光电现象，充分体现了以应用为主要导向的研究思路。 香港科学家李述汤教授介绍了利用氧化辅助的手段生长半导体一维纳米结构的方法。 利用该方法获得的材料具有极好的光致发光性质，在激光器件中具有很好的应用前景。 我国科学家薛其坤教授则以Si(111)面上的Pb原子簇为研究模型，构筑不同形貌的岛结构，并通过自由能钟摆技术（Free- Energy Pendulum）探索其依赖于簇结构形貌的不同量子尺寸效应，为纳米器件工程提供理论依据。 该方向的另一重要工作，是我国科学家候建国院士介绍的单分子体系及纳米颗粒的电子结构和电子传输性质的研究。 利用基底和STM针尖做为电极，结合理论模型，可以获得单分子或纳米颗粒的丰富的电子光谱数据，阐述其与形貌相关的单电子量子隧道效应、体系之间电子传输的量子尺寸效应和体系之间的共振隧道效应。

除了光电行为，复合材料的性质提升也是一个重要的研究内容。 我国科学家高廉教授采用溶剂热的方法合成了碳纳米管/氧化铝（氧化钛）复合材料，其导电率及机械强度都有明显的增强。

韩国科学家Jeong- Sook Ha详细介绍了金纳米粒子单分子膜上所吸附的烷基硫醇与羧酸封端硫醇之间取代反应，发现了金纳米粒子对不同有机组分的不同稳定作用。

（3）纳米器件的构筑和功能评估，纳米器件与纳米技术的应用：以低级纳米结构为基本单元，可以获得一些简单的纳米器件，探索这些器件的光、电性能，是利用纳米技术实现器件小型化的重要基础研究。

通过表面纳米结构阵列改变界面效应，可以被看作是最简单直接的一类纳米器件。 我国科学家江雷教授模拟自然界中植物叶片表面的组织结构，利用纳米结构修饰材料表面，可以获得不同亲水、疏水性质的界面效应，这种新技术即将投入实际应用。

单电子晶体管是目前最迫切需要的一类纳米电子器件。 韩国科学家K.-H. Yoo教授采用如DNA类的生物分子对纳米颗粒进行组装，从而实现单电子晶体管的构筑。 在这样的体系中，纳米粒子作为构成器件的量子点，而DNA分子则作为隧道势垒。 调整DNA分子的链长、端基功能团等，可以有效的调节隧道势垒的强弱，从而实现性质控制。

有机/无机杂化材料也是一类重要的功能性纳米器件。 韩国科学家 Seung- Hun Hong教授介绍了利用针尖刻蚀的方法，以有机分子对固体基底表面进行修饰，获得具有周期性结构纳米结构。 这种新型的纳米结构将有望在分子电子回路、纳米生物传感器、蛋白质纳米机器等方面有重要应用。 利用溶胶——凝胶过程，也可以获得类似的有机/无机杂化材料。 韩国科学家Eunk-Young Kim以带有甲级丙烯酸基团的芳环分子为掺杂组分，可以得到感光聚合物薄膜。 此类材料可用于全息摄影存储系统。 韩国科学家Myung-Ae Chung也介绍了类似的工作。 以有机纳米颗粒为掺杂组分，利用溶胶——凝胶技术获得了多层膜，这类材料特殊的荧光性质可以作为三维光存储器件。

四、纳米技术的发展及目前应用

当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。 用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。 利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。

1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。

2、纳米技术带动了技术革命。

3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。

4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。

5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。

6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。 五、纳米技术的发展问题

在纳米的世界中，人们按照自己的意愿，自由地剪裁、构筑材料，这一技术被称为纳米加工技术。 纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它既具有芯片的功能，又可探测到电磁波(包括可见光、红外线和紫外线等)信号，同时还能完成电脑的指令，这就是纳米集成器件。 将这种集成器件应用在卫星上，可以使卫星的重量、体积大大减小，发射更容易，成本也更经济。

和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。

1、社会问题

纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。 只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。 只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害。

要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：

纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。

“自由”纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。

这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物，比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。

现代，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最紧迫关心的。

因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。 这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。

更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。 这会使实验分析更加复杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。 而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。

2、健康问题

纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。 一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。 在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。 基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。 它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。 它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。 还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。 由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。 这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。

3、环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。

六、纳米技术的发展最新趋势

1.美国发展最新纳米细胞制造技术

纳米技术可制造出粒子小于人类血管大小的物体，美国国家标准与科技协会（NIST）指出已研究出一种生产一致的，且能够自行组合的纳米细胞（Nanocells）的方法，以应用在封装压缩药物的治疗工作上。 这种技术当前可被运用在药物的包装技术上，可以更精确地确保药物的用量，未来将运用在癌症化学治疗的相关技术上作更进一步的研究。

纳米计划是公元2005年联邦跨部会研发预算的主轴，达9.8亿美元。

2.DNA检测芯片的进展

公元2004年一月，美国HP正式对外发表其用来快速进行DNA检测的纳米级芯片。 2004年在DNA检测上采以光学原理为基础的“基因微芯片法”（DNA microarrays）繁复的检测步骤，HP团队改由将此繁复步骤交由电路芯片处理；制作上，DNA检测芯片的传感元件是一条利用电子束蚀刻法（electron-beam lithography）与反应性离子蚀刻法（reactive-ion etching）所制成粗细约50纳米的纳米线。 然就商业上考量，成果却过于高昂，因此研究团队正发展利用较便宜的光学蚀刻法（optical lithography）以制成DNA检测芯片元件的技术。

3.地下水污染改善之研究

地下水污染是现代被广泛讨论的一项重大议题，现代，美国发表了一种纳米微粒（nanoparticles）技术，在此微粒中心为铁芯（iron）而其外则由多层聚合物加以包覆，其中，内层是由防水性极佳的复合甲基丙烯酸甲脂（poly methl methacrylate;PMMA）包覆，而外层则由亲水的sulphonated polystyrene进行包覆。 由于亲水性外层使纳米微粒溶于水，内层防水层则能吸引污染源三氯乙烯（trichloroethylene）。 纳米微粒中的铁芯使得三氯乙烯产生分裂，进而使得此项污染源逐渐分裂成无毒的物质。

4.启动癌症纳米科技计划

为广泛将纳米科技、癌症研究与分子生物医学相互结合，美国国家癌症中心（NCI）提出了癌症纳米科技计划（Cancer Nanotechnology Plan），并将透过院外计划、院内计划与纳米科技标准实验室等三方面进行跨领域工作。 计划设定了六个挑战：

预防与控制癌症：发展能投递抗癌药物及多重抗癌疫苗的纳米级设备。

早期发现与蛋白质学：发展植入式早期侦测癌症生物标记的设备，并发展能收集大量生物标记进行大量分析的平台性装置。

影像诊断：发展可提高分辨率到可辨识单独癌细胞的影像装置，以及将一个肿瘤内部不同组织来源的细胞加以区分的纳米装置。

多功能治疗设备：开发兼具诊断与治疗的纳米装置。

癌症照护与生活品质提升：开发改善慢性癌症所引发的疼痛、沮丧、恶心等症状。