纳米科学发展史

纳米科学发展史

摘要：

纳米科学是研究于纳米尺（1~100nm）时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用的应用科学。“纳米科学”最初的设想来自于著名物理学家费曼1959年在加州理工大学的一次演讲。经过半个多世纪的发展，特别是上世纪末期，随着测量与表征技术的显著提高，纳米科学技术得到了飞速的发展，已经成为一门集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域，其理论基础、研究对象涉及物理学、化学、材料学、机械学、微电子学、生物学和医学等多个不同的学科。关键字：纳米科学，纳米技术，发展，应用。

1、纳米科学发展简史

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼在美国加州理工学院召开的美国物理学会年会上预言：如果人们可以在更小尺度上制备并控制材料的性质，将会打开一个崭新的世界。这一预言被科学界视为纳米材料萌芽的标志。 1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。70年代美国康奈尔大学格兰维斯特和布赫曼利用气相凝集的手段制备纳米颗粒，开始了人工合成纳米材料。

1982年，研究纳米的重要工具-扫描隧道显微镜被发明。

1989年德国教授格雷特利用惰性气体凝集的方法制备出纳米颗粒，从理论及性能上全面研究了相关材料的试样，提出了纳米晶体材料的概念，成为纳米材料的创始人。

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行。

1991年，碳纳米管被发现，它的质量只有同体积钢的六分之一，强度却是钢的十倍。

1992年开始，两年一届的世界纳米材料会议分别在墨西哥、德国、美国夏威夷、瑞典举行。

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字。

1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中科北京真空物理实验室操纵原子成功写出“中国”二字。

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20年后研制成功速度和存储容量比现有计算机提高成千上万倍的量子计算机。

1999年，巴西和美国科学家发明了世界上最小的“秤”，可称量十亿分之一克的物体，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”。

1999年，全球纳米产品的年营业额达到500亿美元。

2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。

2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维.沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。

2、纳米科学及技术的发展

2.1、纳米技术发展五个阶段

新观点：纳米技术发展可能经历五个阶段。

据日本阿普莱德研究所提供的材料介绍，以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为，纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段：第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计／制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。这个阶的市场规模约为5亿美元。

第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间。第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算设计／制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。该阶段的市场规模可达100亿至1000亿美元。

第四个阶段中实现纳米计算机。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。

第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置，市场规模将高达6万亿美元。

宰贝克斯公司认为，虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性，难以准确预测，但在2010年之前，纳米技术有可能发展到第三个阶段，超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。

2.2、世界各国对纳米技术的发展现状

美国最早成立了纳米科技研究中心，开展了预研究，IBM和德克萨斯仪器公司都是积极参与者。在加州大学伯克利分校、圣巴巴拉分校、斯坦福大学、加州理工学院等十多所著名大学、研究机构都在重点发展纳米科技研究。1988年美国能源部召集专题研讨会“团簇及团簇组装材料相关的研究战略”，表现出对这一前沿领域的高度重视；1989年美国NMAR-NRC又召集专题研讨会“具有亚微米尺度材料的研究战略”；1991年以后，美国正式把纳米技术列入国家关键技术的第8项和2005年的战略技术，报告提出：微米级和米级制造涉及显微量级（微米）和子量级（纳米）的材料及器件的制造和使用，对先进的纳米级技术的研究可能导纳米机械装置和传感器的产生。纳米技术的发展，可能使许多领域产生突破性进展；1992年美国启动“总统倡导的材料R&D项目”，旨在促进超细及纳米材料的商业化；1993年美国再次启动联邦先进材料及过程项目推动该领域技术的商业化。

日本也早在80年代初就以巨资投入纳米技术研究，制定了庞大的国家计划，从1991年起实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制订的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术。德国在1993年提出今后10年重点发展的9个关键技术领域，纳米技术就涉及其中4个领域，德国政府每年投入约5000万美元，用于基础及应用开发。英国也制订了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域遴选了8个项目进行研究。

我国在纳米技术领域的研究也已起步。中国科学院、中国真空学会分别召开研讨会讨论我国纳米科技的发展战略，纳米材料的研制已被国家列入攀登计划、“863”计划、攻关计划、火炬计划等，纳米加工和DNA结构的STM研究也已被列为中科院八五重大基础研究项目。去年，科技部又启动了有关纳米材料的国家重点基础研究项目，投入数千万资金支持基础研究。我国已有了自己的纳米技术产品，建立了十多条纳米材料和技术的生产线。

3、纳米技术的应用

3.1、应用领域

应用领域包含下列四个主要方面：

第一方面是纳米材料，包括制备和表征。在纳米尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性质）和原子的相互作用将受到尺度大小的影响，如能得到纳米尺度的结构，就可能控制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至颜色。而不改变