纳米机器人

纳米机器人在测井中的应用

1959年，著名物理学家、诺贝尔将获得者Richard Feynman首次提出了按人类意愿操纵单个原子与分子的设想，预言了纳米科技的存在。自此，人们对于这种处于纳米尺度范围的具有特殊性质的物质发生了浓厚的兴趣，进而开拓了一个全新的领域，到现在，纳米科技对传统产业的实质性影响以及对未来传统产业的潜在革新似已毋庸置疑，21世纪，纳米技术必将进入一个崭新的时期。纳米技术由于纳米技术以及纳米机器人的优良特性，是的它们在测井领域拥有广阔的应用前景。下面主要介绍纳米技术和纳米机器人在测井中的应用。

纳米技术

1、纳米与纳米结构

爱因斯坦曾预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”宏观领域是以人的肉眼可分辨的物体为下限，后者则是以分子原子为上限。随着认识的深入，我们发现在此宏观与微观领域之间存在着一个不同于两者的所谓介观领域的区块。这个领域包括了微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围。纳米（nanometer）是一个长度单位，

1nm=10-3μm=10-9m

1纳米大约是10个氢原子排列起来的长度，通常界定1nm-100nm的体系为纳米体系。由于这个微尺度空间约等于或略大于分子的尺寸上限，恰好能体现分子之间的相互作用，因此具有这一尺度的物质粒子的许多性质均与常规前物质相异，甚至发生质变，正是这种性质特异性才引起了人们对纳米的广泛关注。

纳米结构定义为以具有纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新物质体系，包括一维、二维及三维的体系，或至少有一维的尺寸处在1nm-100nm之间的结构。这类物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子（artfical atom）、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞。通过人工或自组装，这类纳米尺寸的物质单元课组装或排列成维数不同的体系，它们是构筑纳米世界中块体、薄膜、多层膜等材料的基础构件。

2、纳米技术与纳米材料

纳米技术是20世纪80年代末诞生并崛起的高科技，它的基本涵义是指在纳米尺寸范围内研究物质的组成，通过直接操纵和安排原子、分子而创造的新物质。纳米技术的出现标志着人类的认知领域已拓展至分子、原子水平，标志着人类科技的新时代—纳米科技时代的来临。)纳米技术是科技发展的一个新领域，从过去的宏观领域进入到物理的微观领域，从微米层深入到分子、原子级的纳米层。纳米新技术将成为21世纪前沿学科和主导学科。

纳米技术包括：1）纳米级精度和表面形貌的测量，如纳米级精度的尺寸和位移的测量。纳米级测量技术发展方向为光干涉测量技术和扫描显微测量技术；2）纳米级表层物理、化学、机械性能的检测，包括表层显微物理学探针技术和摩擦磨损的检测技术；3）纳米级精度的加工和纳米级表层的加工——原子和分子的去除、搬迁和重组，包括机械加工、化学腐蚀A能量束加工、复合加工、扫描隧道显微加工等；4）纳米材料，包括纳米材料的制备和应用；5）纳米级传感器和控制技术；6）微型和超微型机械；7）纳米生物学等等。

纳米材料广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内或由它们作为基本单元构成的材料，即纳米材料是以纳米结构按一定方式组装成的体系。或纳米结构排列于一定基体中分散形成的体系，包括纳米超微粒子、纳米块体材料和纳米复合材料等。组成纳米材料的基本单元在维数上可分为三类：1）零微：指在空间三维尺寸均在纳米尺度范围内。如纳米尺度颗粒，原子簇等；2）一维：指在空间有两微处于纳米尺度范围内，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；3）二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度范围内，如超薄膜、多层膜、超晶格等；构成纳米材料的物质的类别可以有很多种，分为金属纳米材料、半导体纳米材料、、纳米陶瓷材料和有机-无机纳米复合材料及纳米介孔固体与介孔复合体材料等。

3、纳米材料的特性

处于纳米尺度下的物质，其电子的波性及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响，诸如熔点、磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性会出现与传统材料完全不同的性质。其特殊的性质如下：

1）体积效应：亦称小尺寸效应，由于纳米粒子的体积极小,所包含的原子数很少。因此，许多现象就不能用通常的无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。

久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距和金属纳米粒子的直径d的关系为:

其中,N为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；为费米能级。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。

当纳米粒子的尺寸与传导电子的波长及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，熔点、磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化性等与普通粒子相比都有很大变化。该效应为其应用开拓了广阔的新领域。

2）表面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。纳米晶粒的减小结果导致其表面积、表面能及表面结合能的增大，并具有不饱和性质，表现出很高的化学活性。

图表面原子数与粒径的关系

从图中可以看出，粒径在10nm以下,将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm 时,表面原子数比例达到约90%以上,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面.由于纳米粒子表面原子数增多,表面原子配位数不足和高的表面能,使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来,故具有很高的化学活性。

3）量子尺寸效应：该效应指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费密能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级。并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象。纳米材料中处于离散的量子化能级中的电子的波动性使纳米材料具有一系列特殊性质，如高的光学非线性、特异性催化、强氧化性和还原性。

4）宏观量子隧道效应：微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。磁化的纳米粒子具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化（即宏观量子隧道效应)。这种效应和量子效应一起，将会是未来微电子器件的基础，它们确定了微电子器件进一步微型化的极限。

5）化学反应性质：纳米材料表面原子数多，吸附能力强，表面反应活性高。6)催化性质:纳米粒子晶粒体积小，比表面积大，表面活性中心多，其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。而且，纳米晶粒催化剂没有孔隙$可避免使用常规催化剂所引起的反应物向孔内扩散带来的影响。纳米催化剂不必附着在惰性载

体上使用，可直接放入液相反应体系之中。

7）光学性质：纳米晶粒吸光能力强。

8）其他性质：纳米材料除具有以上特性外，还具有硬度高，可塑性强，高比热和热膨胀，高导电率，高扩散性，烧结温度低，烧结收缩比大等性质。这些性质为其应用奠定了广阔前景。

4 纳米技术的历史与发展

1959年，两次诺贝尔物理奖获得者,Feynman R.第一次提出了天才设想“如果人类能按

照自己的意志来安排原子将会怎样？”1963年,Vyedo R第一次通过气相沉积方法制备了金属纳米粒子，1977年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术(nano technology)。1980年，Kubo理论成功用来解释纳米粒子的量子尺寸效应。1982年Binining和 Rohrer研制成功了扫描隧道显微镜（STM），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。1984年，Gleiter H第一次制备了由Pd,Cu,Fe纳米晶组成

组成的块体材

的块体材料,1987年, Siegel R W 第一次制备了晶体Tio

2

料,1988-1990年，Lehn等创立了超分子化学,阐明了微小结构组装的可能性。1990年，IBM用扫描隧道显微镜（STM）将Ni（110）表面吸附的Xe原子在针尖电场作用下逐一搬迁，最终以35个Xe原子排布成“IBM”字样，每个字高仅5nm，Xe原子间的距离约1.2nm。在IBM 取得突破一年内，日立中心实验室的Hosoki和其合作

表面写下了“NANO SPACE”字母.这些字母仅有者通过STM 除去单个S原子在MoS

2

2nm高。当年7月在美国首次召开了纳米科技的国际学术会议，相继出现了冠以纳米的新学科，例如：纳米电子学、纳米生物学、纳米材料学等等。因此，1990年被认为是纳米科技正式诞生的年代。纳米科学技术（Nano—ST）的基本涵义是在纳米尺寸范围（10-9～10-7m）内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。而我们平时指的纳米技术是指纳米级（0.1～100nm）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。纳米技术是科技发展的一个新领域，从过去的宏观领域进入到物理的微观领域，深入了一个新的层次，即从微米层深入到分子、原子级的纳米层次。1990年以后，人,们认识到“All Thing NANO”。纳米研究在全球掀起热潮，这段时期被称之为“Nanomania”。

目前，纳米科学技术正处于重大突破的前期，它所取得的成绩已使人们为之震动，并引起关心未来的科学家们的思考。纳米新技术将成为二十一世纪科学的前沿和主导科学，目前正处于基础研究阶段，是物理、化学、生物、材料、电子等多学科的交叉汇合点。

纳米机器人原理

纳米机器人根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人。理论上讲纳米机器人是大量原子或分子按确定顺序聚集而成为具有确定功能的微型器件。

早在1990年, 美国贝尔实验室就成功地制造出了极其微小的纳米机器人。这种只有跳蚤般大小的机器人由许多齿轮等零件、涡轮机及微电脑组成, 其零件小得犹如空气中漂浮的尘埃。该纳米机器人一亮相, 就引起了人们极大的兴趣。不久后, 美国犹他大学和加州大学也先后制出了几种极其微小的纳米电机。2000年, 美国波士顿大学又制造出了一种世界上最小的分子马达。该马达仅由78个原子组成。几乎同时, 日本和荷兰也研制出另一种用太阳能驱动的分子马达, 它能在光的照射下连续不断地旋转。分子马达是纳米机器人的核心部件, 它可为未来

的分子机械提供动力, 为今后开发及研制微小的分子机械奠定一定的基础。2000年2月, 日本东京大学宣布, 他们在世界上首次研制成功可以自由控制转速的分子齿轮。该分子齿轮的结构由两个直径约为1nm的卟啉分子夹着一个直径约为0.11nm的金属离子组成。

美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下, 制造出了另一种分子马达。这种微马达以三磷酸腺苷酶为基础, 依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷( ATP)作为能源, 再把由金属镍制成的螺旋桨连接到三磷酸腺苷酶分子中轴上, 制造了400个分子马达。当它们被浸入ATP 溶液中后,其中有5个转动了起来, 转速达到8 r/s。这种分子马达只有在显微镜下才能被观察到。分子马达的潜在应用价值非常巨大, 如果在分子上嫁接其他零部件, 可以制造出其他纳米机器, 例如可探测有害化学物质的纳米传感器, 当被有害物质激活后, 这种传感器内的马达就打开阀门释放出可见的物质信号。

自1990年以后的10年中, 科学家们已经成功地制造出了纳米齿轮、纳米轴承、纳米喷嘴、纳米传感器等纳米机械及机电零器件, 而且还发明了纳米发动机和纳米执行机构。如将这些纳米零器件和发动机等执行机构组装起来, 就可以构成人类梦寐以求的实用微型系统。例如, 日本丰田汽车公司用微型部件制造了一辆只有1粒米那么大的能开动的微型汽车; 东京大学用硅材料制造了1只微型仿生昆虫, 这种微型昆虫已经能够飞行数厘米, 将来有望应用于军事目的。

美国贝尔实验室认为, 微型机械的物理特性使其相当可靠, 而且坚固耐用。微型电子机械技术是科学家研制纳米机械的一个突破口。该技术可以将100 万个极小的器件集成在一块硅片上, 类似于制成集成电路, 这就使得人们制造纳米机器(人)成为可能, 并可以大幅度降低生产成本。早在2000年2月20日, 科学家在美国举行的科学促进年会上宣告, 尺寸为分子般大小, 厚度只有1根头发丝的几百分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入实际使用。

纳米机器人可以随钻杆带入到地下储层空间中，从而进行对储层相关地质参数的采集与地质情况的监测。详细应用将在下一节中讲述。

10.3.3 纳米技术在测井方面的应用

纳米技术可能给材料科学带来好处，也会给能源工业带来好处。在未来的年代里，纳米技术可能给油气作业带来好处。纳米管如碳纤维管可能创造更轻、更

坚固和更耐腐蚀的海上油气钻井的结构材料，而设计的其它纳米工具可以探测和鉴定油气储量或划定油气储量的边界。炼油中的纳米催化剂可以优化原油处理过程，而其它纳米催化剂可以降低原油的粘度和硫含量。纳米润滑剂可以通过在表面上浓缩气体而提供超薄保护膜，从而减少摩擦，而在流体中凝结在表面上的纳米颗粒可以用来提高采收率。同时可以为加速采油设计更好的化学剂，制造显微计量装置和布置纳米载体，以便更有利地采收油气。纳米机器人在测井中的应用也十分前景广泛。下面详细介绍一下纳米机器人在测井中的应用

1、利用纳米机器人进行对地下储层地质情况的实时监测

纳米机器人可以随钻杆进入地层利用其本身携带的微型摄像机以及其他传感系统来采集地下储层的信息（孔渗饱以及岩石和流体特性等），能够更加直观的展现原始条件下的地层特征。并且能够实时监测地下储层流体随油气开采的变化参数，为开采过程中的改良方案提供依据。

2、利用纳米机器人对套管腐蚀情况进行检测

由于固井质量差，或固井完井时的强烈震动，以及增产、增注工程施工等，造成套管外水泥环的破裂，使储层间相互窜通，即形成窜槽。而且由于长期受腐蚀或作业中机械损失等因素影响，部分井会出现套管漏失现象。油水井管外窜槽的存在，以及套管腐蚀对油田、开采、开发管理极为不利。利用纳米机器人进行检测，及时更换套管可以避免事故的发生。

纳米机器人在测井中的应用

虽然纳米技术的应用前景广阔，但是纳米技术的研究直到现在仍然处于起步阶段，有很多问题需要解决。

1、纳米机器人的制作问题

当物体尺寸达到纳米级。常规的加工技术就没有了用武之地。怎么办?纳米技术研究者采用了盖房子的方法。将扫描隧道显微镜的极其尖锐的金属探针，向材料表面不断逼近．当距离达到1纳米时，施加适当电压产生电流．这时探针尖端便吸引材料的一个原子过来，然后将探针移至预定位置。去除电压，原子会从探针上脱落。如此反复进行．最后便按设计要求堆砌出各种微型构件。整个过程就像是用砖头盖房子一样。

第一个真正的纳米机器人仅仅在过去几年中才出现。并且只是实验性质的。很多有趣的难题困扰着带有活动部分的纳米器件的装配。一个至关重要的问题是磨擦和粘性。因为微型器件表面积比率更大。表面效应(好的和坏的)变得比宏观器件更加重要。如果值得做，这样的问题最终会被解决。但是现在它带给人们的是困难的技术挑战。毫无疑问．科学界将会发展出更复杂的纳米机械以及类似人类尺度机械的纳米机械模型．但是在人类制造出适合任何实际用途的纳米器件之前，还有很长的一段路要走。也没有任何理由认为纳米机械一定要和人类尺度机械相似。

另外地层条件下的高温高压环境也对纳米机器人的制作增加了难度。测井纳米机器人制作过程十分复杂，技术要求相当高，目前想要制作出能够满足测井要求的纳米机器人还是难题。

2、纳米机器人的动力问题

哪里可以找到供纳米机构使用的动力?没有纳米尺度的电源插座。细胞使用特定的化合物进行化学反应提供动力：纳米尺度机械相应的策略尚待发展。能够自我复制的纳米机械如何贮存和使用信息?生物的策略是基于DNA的，它运行的很好，然而如果想使用一个不同的策略，科学界就不清楚如何入手了。

3、纳米机器人的控制问题

众所周知，地层条件相当复杂，这就更增加了纳米机器人的不可控性，即使是纳米机器人能够完好的放入到地下储层中，怎样来控制它已达到采集相关地层信息的目的，仍是个难题，这也是设计纳米机器人的问题。

4、纳米机器人的回收问题

即便前面的条件已经满足，已经制作出了耐高温高压以及复杂地层条件的纳米机器人，并且它能够被认为的控制，也解决了动力问题，纳米机器人可以长期的在地层中采集信息，那么怎样来收集纳米机器人采集到的信息仍是个问题。

纳米机器人在测井中有着其他任何测井方法都难以比拟的优越性，同时在技术上又存在许多问题，因此仍需我们去努力研究，争取早日找到解决办法，以发挥纳米机器人的优良条件。