纳米技术：材料科学领域的前沿

纳米技术是最可能在未来取得突破的科学和工程领域。这项技术可能改变未来材料和装置的生产方式，并且给人类带来巨大的经济益处。美国科学家正在与其他国家的科学家展开竞争
【美国《航空与空间技术周刊》9月4日一期文章】题：纳米技术扩展材料科学领域的前沿
　人类将获益匪浅
人类可以从新的纳米技术领域获得很大好处。这项技术的目的是在纳米级别上操纵物质，以创造出具有全新分子组织形式的结构。这有可能改变未来材料和装置的生产方式，并且给人类带来巨大的经济益处。
比如，利用精确控制形状和成分的纳米"砖块"，人类有可能合成出自然界中没有的材料。然后可以把这些材料组装成更轻更强的较大结构，这种结构还可能具有可设计性。
国家科学和技术委员会刚刚发布的一份研究报告，描述了这些预计会出现的特种新奇材料的特性。这些材料将具有多种功能，并能够感知环境变化以及做出相应的反应。研究人员预计还会出现强度是钢铁的10倍的材料、重量只有纸张的1／10的材料、具有顺磁性或者超导电性的材料、透明材料和具有更高熔点的材料。把纳米技术用于存储器，可使整个国会图书馆的信息放入一个只有糖块大小的装置中。
总统科学顾问尼尔·莱恩说，纳米技术是最可能在未来取得突破的科学和工程领域。这项技术并不只是向小型化迈进了一步，而是迈入了一个崭新的微观世界，在这个世界中物质的运动受量子原理的主宰。
传统的解释材料性质的理论，只适用于大于临界长度100纳米的物质。如果一个结构的某个维度小于临界长度，那么物质的性质就常常无法用传统理论解释。科学家正试图在中等级别领域，即单个分子或原子级别到数十万个分子级别之内，发现新奇的现象。
现在知道的是，在纳米科学研究的领域内，物质的基本性质是确定的和能够操纵的。以前在硬盘涂层和制药领域内获得的突破表明，这些突破能够使价值数以十亿计美元的商业领域发生革命。最近对诸如碳纳米管、分子马达、量子点和分子开关等一些有序结构和物质所做的研究，预示着纳米技术有着广阔的发展前景。但是这份报告说，这些成果只是表明了未来的潜在发展方向。
　　　美国的研究计划
美国的报告呼吁加快纳米科学和工程的基础研究。美国总统认为，纳米技术对保持美国科学技术和经济的领先地位非常重要，并建议把联邦纳米技术研究预算增加一倍，使之达到4.95亿美元。
国家纳米技术计划的研究工作将由一个委员会协调，该委员会的成员是来自政府各个研究和开发项目的高级代表。国防部、能源部、商务部、航天局、全国科学基金会和国家卫生研究所将在国家科学和技术委员会的指导下发挥重要作用。科学和技术委员会是总统于1993年建立的，其作用就像一个科学和技术局。
国家纳米技术计划在初期研究的重点，是在分子层次上具有新奇特性并且系统、物理和化学性能有显著提高的材料。以下是研究人员感兴趣的一些具体领域：
·在纳米层次上，电子和原子的交互作用受到变化因素的影响。这样，在纳米层次上组织物质的结构就有可能使科学家在不改变材料化学成分的前提下，控制物质的基本特性，比如磁性、蓄电能力和催化能力等。
·在纳米层次，生物系统具有一套成系统的组织，这使科学家能够把人造组件和装配系统放入细胞中，以制造出结构经过组织后的新材料。更多的与生物机体兼容的材料，有可能使人类模拟自然的自行装配。
·纳米组件具有很大的表面积，这能够使它们成为理想的催化剂和吸收剂等，并且在释放电能和向人体细胞施药方面派上用场。
·利用纳米技术制造的材料与一般材料相比，在成分不变的情况下体积会大大缩小而且强度和韧性得到提高。科学家认为，由于纳米颗粒非常小，故不会产生表面缺陷，另外由于纳米颗粒具有很高的表面能量，所以强度会提高。这对制造强度大的复合材料将非常有用。
·与微观结构相比，纳米结构在各个维度上的数量级都较小，所以互动作用将更快地发生，这将给人们带来能效更高性能更好的系统。
　　10到15年后商业化
科学家对将来的预见能够达到多远？美国半导体工业协会制订了一个处理器、传感器、存储器和传输设备的开发路线图，但是这个路线图只延伸到了2010年，并且只达到了大小为100纳米的结构，这比全部是纳米结构的装置要大。这个协会说，科学发现发展成商业上可行的技术需要时间。该协会预计纳米技术还要再过10到15年才能成熟。这个估计部分是基于磁阻效应从发现到产品上市所需的时间。1988年，科学家在经过特殊处理的纳米厚的有磁与无磁薄层中发现了巨大的磁阻效应。到1991年，IBM公司展示了简便制造小型样品的能力，到1997年12月就生产出了替代计算机磁头的商业产品。这份报告说，这个市场目前的价值为380亿美元。
美国半导体工业协会认为，这场信息技术硬件的革命，可以与30年前用微电子设备取代晶体管而引发的那场革命相提并论。有科学家预计，未来出现的微型晶体管和存储器芯片，将使计算机的速度和效率提高数百万倍，使海量存储的容量达到数万亿比特，并且使能耗降低到现在的几十万分之一。通信带宽可能会增大好几百倍，可折叠的显示器将比目前的显示器明亮10倍。另外一个在纳米层次上有可能办到的事，是生物的和非生物的部件将结合成交互作用的传感器和处理器。
纳米元件制造厂的成本不会低。一家生产70纳米微电子器件的工厂估计要花100亿美元才能造成。必需具备一个研究中心才有的那种基础设施才能从事纳米技术的研究，或者可以与其他机构合用设备。国家纳米技术计划希望能够在5年内，以每年300万美元的资金资助10个纳米科学和技术中心以及科研网络。与超级计算机中心相似的机构将起关键的作用。
　　　现有成果和状况
制造出三维的纳米结构系统还需要几年时间，但一些一维的电子纳米结构已经上市。有两种产品利用了超网格结构——高电子移动性晶体管（HEMT）和垂直空穴选择发射激光器（VCSEL）。HEMT是国防部超小型电子设备研究项目（1981-1988财年）的成果。HEMT装置是国防高级研究计划局90年代制造雷达和通信系统专用的微波和毫米波集成电路的主要基本元件。
东京工业大学于70年代首次展示了VCSEL。国防高级研究计划局的资助在90年代把VCSEL转化为光纤数据通信领域中的产品。目前这种产品的市场价值约为1亿美元，并且将在未来3到5年之内增长到10亿美元以上。
把生物、化学和物理学在纳米层次结合在一起，已经给人们带来了能够探测生化武器的便宜传感器。由西北大学开发的一种比色传感器，已经成功地探测出炭疽和结核杆菌。科学家把探测对象的DNA附加在纳米大小的黄金微粒上。当互补的微粒在溶液中存在时，黄金微粒会紧紧地结合在一起，改变悬浮液的颜色。这份报告说，这种传感器更加简单，且成本只是现有技术的1／10。
尽管美国在研究和开发上仍处于世界领先水平，但是美国的优势最近几年却在下降。1950年，美国占发达国家国内生产总值之和的40％，开展的研究开发是世界其他国家总和的2到3倍。这份报告说，到1997年，美国的国内生产总值只占世界国内生产总值的27％，开展的研究开发只占世界的40％。
纳米技术最能说明研究经费由集中于美国到分散到世界这个过程。日本和西欧1997年在这个领域的支出超过了美国。澳大利亚、中国、韩国、新加坡等都在开展纳米技术研究。　　这份报告说，美国目前在合成、化学品和生物方面处于领先地位，但是在纳米装置、纳米设备的生产、极精确工程、陶瓷和其他结构材料方面落后于其他国家。日本在纳米设备和强化纳米结构领域具有优势。欧洲在分散、涂层和新仪器应用方面处于领先地位。日本、德国、英国、瑞典、瑞士和欧盟都在具体的纳米技术领域创造优势中心。