什么是纳米技术?

定义:纳米科学与技术,有时简称为纳米技术,是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术是20世纪80年代末期诞生在90年代初迅速发展起来的用原子和分子创制新物质的技术,是研究尺寸范围在在一百纳米以下的物质的组成,在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。美国的国家纳米科技启动计划(National Nanotechnology Initiative)将其定义为“1至100纳米尺寸间的物体,其中能有重大应用的独特现象的了解与操纵。” 这个极其微小的空间,正好是原子和分子的尺寸范围,也是它们相互作用的空间。在这样的一个尺度空间,由于量子效应、物质的局域性及巨大的表面和界面效应,使物质的很多性能发生质变。纳米科技是学习纳米尺度下的现象以及物质的掌控,尤其是对现存科技在纳米研究的延伸。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点和高分子集合,并且他们的表面效应有着显著的特点,如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子隧穿等,而惯性和湍流等在大的物体时显示的效应则小得可以被忽略掉。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。1993年,国际纳米科技指导委员会将纳米技术划分为纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米加工学和纳米计量学等6个分支学科。其中,纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础,而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米科技的最终目标是人类按照自己的意识直接操纵单个原子、分子,制造出具有特定功能的产品。纳米科技以空前的分辨率为我们揭示了一个可见的原子、分子世界。这表明,人类正越来越向微观世界深入,人们认识、改造微观世界的水平提高了前所未有的高度。

在纳米尺度大小里的持续探究以使得新的工具诞生,如原子显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序,这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质,不论是由上至下制成(将块材缩至纳米尺度,主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状(比如超精度加工,难度在于得到的微小结构必须精确)或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构,主要办法有化学合成,自组装(self assembly)和定点组装positional assembly。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量),都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响,称为量子尺度效应,描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的,但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。物质在纳米尺度时,会和它们在巨观时有很大的不同,例如:不透明的物质会变成透明的(铜)、惰性的物质变成可以当催化剂(白金)、稳定的物质变得易燃(铝)、固体在室温下变成了液体(金)、绝缘体变成了导体(硅)。纳米科技的神奇来自于其在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象,并因此可能可以有许多重要的应用和制造许多有趣的材质。

尽管纳米是非常小的长度单位,但是纳米技术并不是简单的指非常细小的产品或物质。而相反的,纳米技术更多的被应用于比较大产品。

纳米技术的三种概念

从迄今为止的研究状况看,关于纳米技术分为三种概念。

第一种,是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即便发展下去,从理论上讲终将会达到限度。这是因为,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜的为得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。

关于“纳米技术”一词运用的争议

广义上,纳米技术包括多用来制造迟存在100纳米以下的结构的技术。包括那些用来制作纳米线的;包括那些用在半导体制造工业上的技术,如深紫外线光刻、电子束光刻、聚焦粒子束光刻、纳米印刷光刻、原子层沉积和化学气相法;更进一步还包括分子自组装技术。但是这些技术在就出现在纳米时代之前,而不是专为了纳米技术而设计,也不是纳米技术研究的结果。

现在以「纳米」冠名的某些技术,远远不能达到要求纳米技术所具备的一些要求。“纳米”可能被科学家们和企业家们滥用而形成“纳米泡沫”。

美国国家科学基金资助了研究者David Berube对纳米领域进行整体上的研究,后者的研究成果出版成为了专着《纳米骗局:纳米技术喧嚣背后的真相》(Nano Hype – the truth behind the nanotechnology buzz)。这个由NNI(National Nanotechnology Initiative 国家纳米技术计划)主席Mihail Roco摄写序言的着作得出的结论是:许多被当作「纳米技术」出售的产品,其实只是就材料科学的新瓶装旧酒,直接导致一个仅仅是售卖的纳米管,纳米线或类似产品的纳米技术工业,最后的结果是少数售卖大量低端产品的供应商。

纳米的研究工具与技术

当代电子和中子的发现让人类知道还有比我们能想象到的最小的东西还要小的物质时,对纳米世界的好奇心已经萌发。当然,十九世纪10年代,可以研究纳米结构的早期工具的发展才真的使纳米科学和纳米技术成为可能。

原子力显微镜(atomic force microscope,简称AFM)和扫描隧道显微镜(STM)的这两种早期的扫描探针促成了纳米时代的到来。同时,基于STM的许多其它类型的扫描探针显微镜,使得观测纳米结构成为可能。

探针的探头可以用来操纵纳米结构(这种工艺叫做位置组装)。但是这种过程太慢了,从而到导致了各种纳米光刻技术的发展,例如蘸笔纳米光刻术,电子束曝光和纳米压印术。

光刻是自上的下的制作技术,用来把大块物体缩小到纳米尺寸。相对的,自下而上的技术直接用原子或分子搭建更大的结构。这些技术包括化学合成,自组装和位置组装。