納米科技簡介

初二物理陳瑋清科技與未來TechnologyandFuture尤瓦爾·赫拉利〔YuvalHarari〕，1976年生，牛津大學(xué)歷史學(xué)博士，現(xiàn)為耶路撒冷希伯來大學(xué)的歷史系教授，青年怪才，全球矚目的新銳歷史學(xué)家。2014年，一位年輕的以色列歷史學(xué)家尤瓦爾赫拉利寫了一部叫做《人類簡史》的書。這本書一經(jīng)上市就登上以色列暢銷書排行榜第一名，引發(fā)30個國家爭相購置版權(quán)，該書簡體中文版出版后，同樣備受關(guān)注，榮登各大圖書暢銷榜。這本被稱作奇書的《人類簡史》以其宏大的歷史視角和獨到的觀點，顛覆了人們對人類歷史的認(rèn)知。他認(rèn)為人類祖先智人之所以能夠崛起統(tǒng)治地球，是因為其擁有強大的虛構(gòu)能力，人類現(xiàn)存的一切——國家、宗教、企業(yè)等都是虛構(gòu)出來的現(xiàn)實，是一種基于想象的共同體。正因為有了這樣的共同認(rèn)知，人類才能夠有效協(xié)作，形成更大規(guī)模的全球性連接。人類未來面臨的新議題如果說《人類簡史》是關(guān)于我們從哪里來，那么《未來簡史》就是關(guān)于我們?nèi)祟惖奈磥砻\。赫拉利提出，幾千年來，人類面臨著三大重要的生存課題——饑荒、瘟疫和戰(zhàn)爭。

戰(zhàn)爭正在消失，過去主要的財富來源是物質(zhì)資產(chǎn)，像是金礦、麥田、油井，而現(xiàn)在的主要財富來源那么是知識。發(fā)動戰(zhàn)爭雖然能搶下油田，卻無法霸占知識。因此，隨著知識成為最重要的經(jīng)濟資源，戰(zhàn)爭能帶來的獲利便會下降。那么，新世紀(jì)，人類面臨的重大議題是什么？不知滿足的人類下一個努力目標(biāo)將是什么——長生不死、幸?？鞓泛突頌樯瘛５诙握J(rèn)知革命：從智人到神人赫拉利提出的這三個新議題的實現(xiàn)根底，來源于近年來人工智能和生物基因技術(shù)領(lǐng)域獲得的成就。在作者看來，今天克服死亡只是技術(shù)問題，既然是技術(shù)問題就能找到解決方案。未來掌握在少數(shù)精英手中

按照赫拉利的觀點，隨著人工智能的開展，人會變得慢慢放棄決策權(quán)。計算機與我們的關(guān)系，大概分三步走：第一步，算法相當(dāng)于我們身邊的先知，你有什么問題問它下，但決策權(quán)在你手里。第二步，算法相當(dāng)于是我們的代理人，它告訴你一個大的方向和原那么，它去執(zhí)行，執(zhí)行中的一些小的決策，它自己說了算。第三步，算法成了我們的君主，你索性什么都聽它的。

當(dāng)然，還有一種人是不受算法控制的人，他們就是控制算法的精英。算法不能理解這些精英，也不知道他們有什么需求，這些人才是世界的主人，做最重要決策的人。普通人聽算法的，算法聽他們的。而這些精英，就已經(jīng)不是普通的“智人〞，而是掌控了算法，并通過生物技術(shù)戰(zhàn)勝了死亡、獲得幸?？鞓返摹吧袢栓暋Ｋ麄儾攀俏磥硎澜绲闹髟渍?，是人類進化而成的新物種。納米科技進展納米科技進展納米科技1納米材料及其特性2納米科技應(yīng)用3納米科技帶來的負(fù)面影響4在工業(yè)革命以前，大局部人類生產(chǎn)、科研不需要用到毫米，說明了我們對這個世界認(rèn)知的粗淺。以蒸汽機等機械創(chuàng)造為主要標(biāo)志的第一次工業(yè)革命，將人類認(rèn)知推向毫米層次。第二次工業(yè)革命，創(chuàng)造了電，從機械時代進入微電子時代，毫米不夠用了，毫米的千分之一———微米誕生了。隨著科學(xué)技術(shù)的開展，微米層次的局限越來越明顯，只有進入另一個層次———納米層次，才會有更大的突破。我國著名科學(xué)家錢學(xué)森曾指出，納米技術(shù)是下一階段科技開展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。

納米科技科技的進步向微觀的方向發(fā)展納米1nm=10-9m，即1毫微米，十億分之一米，納米微粒的尺度一般定義為10-7—10-10m內(nèi)〔0.1—100nm〕；相當(dāng)于人發(fā)直徑的1/10萬。形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個乒乓球放在地球上一般。這就是納米長度的概念。它很可能成為本世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)。美國科學(xué)技術(shù)委員會那么把啟動納米技術(shù)的方案看作是下一次的工業(yè)革命的核心。納米科技定義：

納米科技是指在納米尺度(1nm到l00nm之間)上研究物質(zhì)(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用，以及利用這些特性的科學(xué)和技術(shù)。納米科技的最終目標(biāo)是直接以原子、分子及物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的新穎的物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米科技性質(zhì)：納米技術(shù)是一個嶄新的高科技學(xué)科群，它包含納米電子學(xué)、納米物理學(xué)、納米材料學(xué)、納米機械學(xué)、納米生物學(xué)、納米測量學(xué)、納米工藝學(xué)等，是一門根底研究與應(yīng)用探索相互融合的新興科學(xué)技術(shù)。

隨著納米科技的開展，人們越來越認(rèn)識到，納米科技在諸多領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景，它將對人類產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。納米科技1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎獲得者理查德·費曼預(yù)言，人類可以用小的機器制做更小的機器，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(jì)70年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的設(shè)想，1974年，科學(xué)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(xué)家創(chuàng)造研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技開展產(chǎn)生了積極的促進作用。1990年在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議，并正式創(chuàng)辦了《納米技術(shù)》雜志，標(biāo)志著納米科學(xué)的誕生。納米科技發(fā)展歷程1991年，碳納米管被發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量只有同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的十倍。1992年開始，兩年一屆的世界納米材料會議分別在墨西哥、德國、美國夏威夷、瑞典舉行。1993年，繼1989年美國斯坦福大學(xué)搬走原子團“寫〞下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國國際商用機器公司在鎳外表用36個氙原子排出“IBM〞之后，中科院物理所操縱原子成功寫出“中國〞二字。1997年，美國科學(xué)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)有計算機提高成千上萬倍的量子計算機。1999年，巴西和美國科學(xué)家創(chuàng)造了世界上最小的“秤〞，可稱量十億分之一克的物體，相當(dāng)于一個病毒的重量；此后不久，德國科學(xué)家研制出能稱量單個原子重量的“秤〞。納米科技發(fā)展歷程1993年后，我國科學(xué)家先后操縱原子寫出“中國〞、繪出中國輪廓圖。納米存儲器納米軸承納米齒輪納米材料，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。它具有外表效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)，庫侖阻塞效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆?！布{米級〕后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。納米材料及其性質(zhì)①外表效應(yīng)納米微粒尺寸小，外表能高，位于外表的原子或分子所占的比例非常大。并隨納米粒子尺寸的減小而急劇增大。外表原子數(shù)的增加導(dǎo)致了性質(zhì)的急劇變化。這種外表原子數(shù)隨納米粒子尺寸減小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的顯著變化稱為外表效應(yīng)。從化學(xué)角度來看，外表原子所處的鍵合狀態(tài)或鍵合環(huán)境與內(nèi)部原子有很大的差異，常常處于不飽和狀態(tài)，導(dǎo)致納米材料具有極高的外表活性，易與其它原子結(jié)合。納米顆粒表現(xiàn)出來的高催化活性和高反響性。納米材料及其性質(zhì)粒徑在10nm以下，將迅速增加外表原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時，外表原子數(shù)比例到達(dá)約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的外表。①外表效應(yīng)納米金屬顆?？勺龉腆w火箭燃料②小尺寸效應(yīng)〔1〕特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)金屬被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在納米顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，由此可見，金屬納米顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感組件、紅外隱身技術(shù)等。

納米材料及其性質(zhì)吸波：納米ZnO對雷達(dá)電磁波具有很強的吸收能力，所以可以做隱形飛機的重要涂料?！?〕特殊的熱學(xué)性質(zhì)：固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，那么降低270℃；銀的常規(guī)熔點為96O℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。

納米材料及其性質(zhì)

〔3〕特殊的磁學(xué)性質(zhì)：人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能區(qū)分方向，具有回歸的本領(lǐng)。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增加1千倍，假設(shè)進一步減小其尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。納米材料及其性質(zhì)宇航員頭盔的密封是納米磁性材料的

最早重要應(yīng)用之一----磁性液體〔4〕特殊的力學(xué)性質(zhì)：

陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。研究說明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料那么可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣?！?〕小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

納米材料及其性質(zhì)納米碳管既輕又強度極高，是鋼的10—100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強大的子彈的沖擊力。納米銅具納米陶瓷目前唯一可作為太空云梯的理想材料。③宏觀量子隧道效應(yīng)〔1〕量子尺寸效應(yīng):介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒會呈現(xiàn)出反常的特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)，如導(dǎo)電金屬超微顆?？梢宰兂山^緣體，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向移動；〔2〕宏觀量子隧道效應(yīng)：超微顆粒的一些物理量會顯示出隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)，如電路尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法工作。納米材料及其性質(zhì)③庫侖阻塞效應(yīng)庫侖阻塞效應(yīng)是20世紀(jì)80年代所發(fā)現(xiàn)的極其重要的物理現(xiàn)象之一。體系電荷是“量子化〞的，即充電和放電過程是不連續(xù)的，充入一個電子所需能量為Ec=e2/2C?？梢?體系越小，C越小，Ec就越大，我們稱Ec為庫侖阻塞能。庫侖阻塞能是前一個電子對后一個電子的庫侖排斥能，這就導(dǎo)致對一個小體系的充放電過程，電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子的傳輸，通常把小體系的這種單電子輸運行為稱為庫侖阻塞效應(yīng)。納米材料及其性質(zhì)單電子器件單電子器件是基于庫侖阻塞效應(yīng)和單電子隧道效應(yīng)的根本原理，而產(chǎn)生的一種新型的納米電子器件。單電子器件包括單電子晶體管和電電子存儲器。單電子晶體管比較普通，也比較重要。它在未來的微電子學(xué)和納米電子學(xué)領(lǐng)域?qū)⒄贾匾牡匚弧坞娮泳w管的特點：〔1〕功耗低，靈敏度高，易于集成等；〔2〕高頻高速工作，由于隧穿機制為一高速過程，同時單電子晶體管具有極小的電容，故工作速度非?？欤弧?〕功耗非常小，因其運輸過程是單電子性的，所以電流和功耗非常低；〔4〕適用于多值邏輯，由于單電子晶體管的I-V特性為臺階狀，不同電壓對應(yīng)多個穩(wěn)定的電流值，故適宜用作多值邏輯。納米材料及其性質(zhì)在催化方面的應(yīng)用作為光學(xué)材料的應(yīng)用磁性材料應(yīng)用在醫(yī)學(xué)、生物工程方面的應(yīng)用復(fù)合材料的應(yīng)用能源其他納米科技應(yīng)用超微粒的外表有效活性中心多，這就為做催化劑提供了根本條件。在高分子聚合物的氫化和脫氧反響中，納米銅粉催化劑有很高的活性和選擇性；在汽車尾氣凈化處理的過程中，納米銅粉作為催化劑可以用來局部代替貴金屬鉑和銠。催化方面應(yīng)用催化方面應(yīng)用納米TiO2：在光照條件下，會產(chǎn)生具有非常強的氧化能力的空穴，從而將附在外表上的有機物、細(xì)菌及其它灰塵分解掉，直至生成CO2和H2O。殺菌、除味：由于納米ZnO具有大的比外表積，可以很快地吸收并分解臭氣，同時還能有效地殺菌。對黃色葡萄球菌和大腸桿菌的殺菌率高達(dá)95%以上催化方面應(yīng)用納米技術(shù)的開展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察。光學(xué)材料應(yīng)用光學(xué)材料應(yīng)用光敏器件：把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，是光電測量中的一個根本器件。種類：光電管、光開光、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等用途：檢測、自動控制和通信等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用2001年，楊培東研究小組利用高晶化質(zhì)量的ZnO納米陣列制成了室溫下的納米激光器。光學(xué)材料應(yīng)用光學(xué)材料應(yīng)用太陽能電池板只有拇指大小

家庭使用太陽能電池磁性材料應(yīng)用美國前總統(tǒng)克林頓二000年七月

向國會提交的美國國家納米技術(shù)啟動方案

(NationalNanotechnologyInitiative)

其中將

電腦硬盤磁頭的巨磁電阻讀傳感器

(GMRReadSensor)

作為納米科技在信息存儲技術(shù)中的

第一個應(yīng)用實例磁性材料應(yīng)用GMR磁頭不僅在厚度上，而且在長度上

都在100納米以內(nèi)

磁性材料應(yīng)用二十一世紀(jì)以來利用模板生長一維磁性納米絲的研究很活潑材料包括單一金屬，合金，化合物，多層材料，復(fù)合材料等等，應(yīng)用目標(biāo)也從存儲介質(zhì)到細(xì)胞別離多種多樣。1993年理論說明

納米級的軟磁和硬磁顆粒復(fù)合

將綜合軟磁Ms高，硬磁Hc高的優(yōu)點

獲得磁能級比現(xiàn)有最好NdFeB高一倍的

新型納米硬磁材料磁性材料應(yīng)用人類大腦中平均含有20微克〔約500萬?！车拇判约{米粒子。磁性材料應(yīng)用與進化，成長，某些腦功能的關(guān)系？蜜蜂腹部的磁性納米顆粒，G代表磁性顆粒。

對地磁場的準(zhǔn)確定位，磁偏角和磁傾角？醫(yī)學(xué)、生物工程方面應(yīng)用美國麻省理工學(xué)院的研究人員正在研究一種只有20nm的藥物炸彈和包含了1000個納米藥包的微型芯片。在固定的DNA鏈上連接上殺癌的藥物膠囊，放到病人血液和組織內(nèi)，一遇上癌細(xì)胞的DNA時，DNA鏈就與癌細(xì)胞的DNA結(jié)合，這時藥物開關(guān)受觸發(fā)而開放，藥物便釋放出來，殺滅癌細(xì)胞。醫(yī)學(xué)、生物工程方面應(yīng)用瑞典科學(xué)家制作的微型醫(yī)用機器人，可移動并撿起肉眼看不見的玻璃珠。用這種微型機器手將果蠅的染色體基因進行信號移動，培育出的果蠅多長了一個胸脯和翅膀，甚至把果蠅的眼睛和翅膀挪位。果蠅：遺傳學(xué)和分子發(fā)育生物學(xué)的國王

圖中左側(cè)為雌性，右側(cè)為雄性納米材料在復(fù)合材料的制各方面也有廣泛的應(yīng)用。例如把金屬的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中可大大改善材料的力學(xué)性能，將金屬超微粒摻入合成纖維中可防止帶靜電，在塑料中摻入金屬超微?？刹桓淖兤鋸姸榷刂破潆姶判再|(zhì)等。超微粒也有可能作為梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高溫外表為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷和金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達(dá)1000℃的航天飛機隔熱材料，核聚變反響堆的結(jié)構(gòu)材料等。復(fù)合材料應(yīng)用具有特殊浸潤性(超疏水／超親水)的二元協(xié)同納米界面材料的構(gòu)筑復(fù)合材料應(yīng)用中國國家大劇院：自清潔玻璃荷葉出污泥而不染

能源方面應(yīng)用碳納米管是直徑非常細(xì)的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個“納米鋼瓶〞。研究說明，約2/3的氫氣能夠在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測，到2010年，就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲氫納米碳管，即可行駛500km。儲氫能源方面應(yīng)用燃料電池應(yīng)用燃料電池應(yīng)用能源方面應(yīng)用其他應(yīng)用：原子操控STMAFM其他應(yīng)用：納米機械其他應(yīng)用：場發(fā)射平面顯示器場發(fā)射器件ElectronemittingmaterialElectricalcontactsCathodeglassplatespacerelectronsAnodeglassplatelightLuminescentphosphordotsElectricalcontactsA場發(fā)射顯示器具有適用溫度范圍寬、重量輕、功耗小、顯像方具有高亮度、分辨率高、色再現(xiàn)性好、比照度強、響應(yīng)速度快、電磁輻射極微等諸多特點，因而成為未來極具競爭力的顯