纳米科技的发展及应用 摘要:纳米科技是近期发展起来的新兴科学领城它正在化学、物 理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成而且不断有新的发现和 突破。本文论述了国内外纳米科技研究现状,阐释了纳米科技发展的 过程,同时阐述了纳米科技在工业、医学、通信等方面的实际应用 关键词:纳米科技;纳米材料;纳米通信 1引言 纳米技术是20世纪80年代末期诞生并迅速崛起的新技术它的 基本涵义是在纳米尺寸范围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。纳迷米(nm是一个长度单位纳迷米体系(通常界 定为1~10onm的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描术宏 观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力 学规律它表现岀了许多独特的性能需要用全新的理论、方法和表征 手段在纳米尺寸范围內认识和改造自然这就是纳米科技。 纳米科技主要包括纳米物理、纳米化学、纳米材料、纳米生物 纳米电子等分支学科,它们之间既相互独立又相互联系。目前各个分 支领域都取得了令人瞩目的成果纳米科技正处于重大突破的前期。 2中国纳米科技的研究现状 中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20 世纪80年代中期,中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备 研制,目前中国的纳米科技基础硏究已在国际上占有一席之地。1982 年发明的扫描隧道显微镜( scanning tunneling microscope stm) 和1986年发明的原子力显微镜( atomic force microscope,AFM) 1/6
1 / 6 纳米科技的发展及应用 摘 要：纳米科技是近期发展起来的新兴科学领域,它正在化学、物 理学、生物学和电子工程学的交叉领域形成,而且不断有新的发现和 突破。本文论述了国内外纳米科技研究现状，阐释了纳米科技发展的 过程，同时阐述了纳米科技在工业、医学、通信等方面的实际应用。 关键词：纳米科技；纳米材料；纳米通信 1 引言 纳米技术是 20 世纪 80 年代末期诞生并迅速崛起的新技术,它的 基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排 原子、分子,创造新物质。纳米(nm)是一个长度单位,纳米体系(通常界 定为 1～100nm 的范围)就在其中。这一体系既不完全适合于描述宏 观领域的牛顿经典力学规律,又不完全适合于描述微观领域的量子力 学规律,它表现出了许多独特的性能,需要用全新的理论、方法和表征 手段在纳米尺寸范围内认识和改造自然,这就是纳米科技。 纳米科技主要包括:纳米物理、纳米化学、纳米材料、纳米生物 纳米电子等分支学科,它们之间既相互独立,又相互联系。目前,各个分 支领域都取得了令人瞩目的成果,纳米科技正处于重大突破的前期。 2 中国纳米科技的研究现状 中国是世界上少数几个最先开展纳米科技研究的国家之一。20 世纪 80 年代中期，中国开始资助纳米材料研究和纳米技术仪器装备 研制，目前中国的纳米科技基础研究已在国际上占有一席之地。1982 年发明的扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope，STM） 和 1986 年发明的原子力显微镜(atomic force microscope，AFM)
是纳米测量表征上的一个里程碑,标志着纳米科技从概念阶段,进入 到实质性研究阶段。 21.1纳米科技研究方面的支持情况 中国对纳米科技研究的支持,始于20世纪80年代中期。1987 年,中科院化学所计算机控制的STM硏制项目获中科院院长基金的 资助。自1990年以后,国家科委“攀登计划”资助了纳米科学硏究。 1999年,国家科委开始在“973计划”中单独设立“纳米材料和纳 米结构”研究项目。“863计划”在1990-200年间,支持了将近 1000个纳米方面的课题。在1991-2000年间,国家自然科学基金 委员会共资助纳米科技研究9000多万元。 21.2纳米科技的研究状兄 中科院物理所的解思深于1996年在国际上首次发明了控制多层 碳管直径和取向的模板生长方法,制备岀离散分布、高密度和高强度 的定向碳管;1998年合成了世界上最长的纳米碳管;2000年又对 管径仅为0.5nm的极小直径纳米碳管的力学、热学光学和导电性质 进行了系统研究。此系列工作在1998年2000年分别被评为国内 十大基础研究进展 清华大学范首善课题组在国际上首次利用碳纳米管限制反应形 成直径为3nm-40nm、长度达微米级的发蓝光的氮化镓维纳米 棒在国际上首次把氮化镓制备成-维纳米晶体。该成果被评为1998 年中国十大科技进展新闻。中科院金属所的研究小组,在世界上首次 发现纳米金属材料具备室温下的超塑延展性—纳米铜在室温下冷 轧可延伸50多倍。中科院金属所成会明硏究组利用等离子蒸发技术 成功地制备单壁碳纳米管材料并获得优异的储氢性能,质量储氢容量 可达4% 3世界各国纳米研究状况 新世纪是卓越的科学发现和巨大的技术突破层出不穷的时代。世 2/6
2 / 6 是纳米测量表征上的一个里程碑，标志着纳米科技从概念阶段，进入 到实质性研究阶段。 2.1.1 纳米科技研究方面的支持情况 中国对纳米科技研究的支持，始于 20 世纪 80 年代中期。1987 年，中科院化学所计算机控制的 STM 研制项目获中科院院长基金的 资助。自 1990 年以后，国家科委“攀登计划”资助了纳米科学研究。 1999 年，国家科委开始在“973 计划”中单独设立“纳米材料和纳 米结构”研究项目。“863 计划”在 1990—2002 年间，支持了将近 1000 个纳米方面的课题。在 1991—2000 年间，国家自然科学基金 委员会共资助纳米科技研究 9000 多万元。 2.1.2 纳米科技的研究状况 中科院物理所的解思深于1996年在国际上首次发明了控制多层 碳管直径和取向的模板生长方法，制备出离散分布、高密度和高强度 的定向碳管；1998 年合成了世界上最长的纳米碳管；2000 年,又对 管径仅为 0.5nm 的极小直径纳米碳管的力学、热学光学和导电性质 进行了系统研究。此系列工作在 1998 年、2000 年分别被评为国内 十大基础研究进展。 清华大学范首善课题组在国际上首次利用碳纳米管限制反应形 成直径为 3nm—40nm、长度达微米级的发蓝光的氮化镓一维纳米 棒，在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。该成果被评为 1998 年中国十大科技进展新闻。中科院金属所的研究小组，在世界上首次 发现纳米金属材料具备室温下的超塑延展性——纳米铜在室温下冷 轧可延伸 50 多倍。中科院金属所成会明研究组利用等离子蒸发技术 成功地制备单壁碳纳米管材料并获得优异的储氢性能，质量储氢容量 可达 4%。 3 世界各国纳米研究状况 新世纪是卓越的科学发现和巨大的技术突破层出不穷的时代。世
界许多国家都制定了自己的科技发展战略和规划,力争掌握科技发展 的先机,在国际科技舞台上占据一席之地。各个主要国家和地区在纳 米技术领域的竞争—年强于年。这种竞争体现在战略和政策、公共 和私人研发投资及追求应用方面。 31美国高度重视纳米技术究 美国在纳米技术方面起步早,联邦对硬件资助逐年增加。2000 年出台“国家纳米技术研究计划”后,联邦研发预算大幅增加,2001 年为422亿美元,2003年为71亿美元2004年达849亿美元。 据称,从2001年开始的三年内,美国联邦对纳米技术的资助总额增 长了83%。2003年12月3日,布什总统签署了《21世纪纳米技术 研发法》,规定从2005年开始,四年内联邦为国家纳米技术计划资 助37亿美元。目前,美国企业对纳米技术的投资两倍于联邦投资。 根据国会通过的有关纳米科学、研发与教育的法案,成立了“国家纳 米技术研发计划”这个常设机构。许多大学建立了跨学科的纳米技术 研究中心,并与工业界建立了研发伙伴关系 32欧盟对纳米技术的研发当仁不让 对于纳米技术研发,欧洲州对美国当仁不让。纳米技术是欧盟前两 个计划的重点在第六个框架计划中纳米技术又是一个最优先领域 研发经费为13亿欧元。纳米技术也处在欧盟另两个优先领域生命科 学和信息社会技术的核心地位。欧洲纳米商业联合会称,如果把欧盟 成员国的投资计算在内,欧州2002年的纳米技术的投资应是美国的 两倍。欧盟有86个国内和国际研究网络致力于纳米技术的硏究,参 加网络的有2000多个,其中有许多机构得到了国家的资助。德国 法国和英国等都有完备的纳米技术研究计划。 33日本视纳米技术为振兴经济的关键 1991年,日本电器公司的饭岛澄男发现了碳纳米管,此后,纳 米技术在日本备受重视近年日本关注经济振兴,政府确信科技是依 靠,而纳米技术在未来是关键,2003年政府技术拔款预计达10亿 3/6
3 / 6 界许多国家都制定了自己的科技发展战略和规划，力争掌握科技发展 的先机，在国际科技舞台上占据一席之地。各个主要国家和地区在纳 米技术领域的竞争一年强于一年。这种竞争体现在战略和政策、公共 和私人研发投资及追求应用方面。 3.1 美国高度重视纳米技术研究 美国在纳米技术方面起步早，联邦对硬件资助逐年增加。2000 年出台“国家纳米技术研究计划”后，联邦研发预算大幅增加，2001 年为 4.22 亿美元，2003 年为 7.1 亿美元,2004 年达 8.49 亿美元。 据称，从 2001 年开始的三年内，美国联邦对纳米技术的资助总额增 长了 83%。2003 年 12 月 3 日，布什总统签署了《21 世纪纳米技术 研发法》，规定从 2005 年开始，四年内联邦为国家纳米技术计划资 助 37 亿美元。目前，美国企业对纳米技术的投资两倍于联邦投资。 根据国会通过的有关纳米科学、研发与教育的法案，成立了“国家纳 米技术研发计划”这个常设机构。许多大学建立了跨学科的纳米技术 研究中心，并与工业界建立了研发伙伴关系。 3.2 欧盟对纳米技术的研发当仁不让 对于纳米技术研发，欧洲对美国当仁不让。纳米技术是欧盟前两 个计划的重点，在第六个框架计划中，纳米技术又是一个最优先领域， 研发经费为 13 亿欧元。纳米技术也处在欧盟另两个优先领域生命科 学和信息社会技术的核心地位。欧洲纳米商业联合会称，如果把欧盟 成员国的投资计算在内，欧洲 2002 年的纳米技术的投资应是美国的 两倍。欧盟有 86 个国内和国际研究网络致力于纳米技术的研究，参 加网络的有 2000 多个，其中有许多机构得到了国家的资助。德国、 法国和英国等都有完备的纳米技术研究计划。 3.3 日本视纳米技术为振兴经济的关键 1991 年，日本电器公司的饭岛澄男发现了碳纳米管，此后，纳 米技术在日本备受重视。近年日本关注经济振兴，政府确信科技是依 靠，而纳米技术在未来是关键，2003 年政府技术拨款预计达 10 亿
美元。支持纳米技术研究的政府机构主要是经济产业省和文部科学 省。大公司也是纳米技术研究资金的一个主要来源 3.4其他国家和地区研究不断深入 在世界三强共逐纳米技术之际,其他国家也有在目标、在重点地 追赶。韩国每年的纳米技术投入列为优先领域并制定了相应的计划。 韩国政府2009年18日决定在今后10年内投入148万亿韩元(1300 韩元合1美元)的资金用以大力开发纳米技术。将集中支持科研部门 开发具有战略意义和竞争力的纳米技术,促使韩国尽快拥有世界前五 位的技术竞争力。为此,韩国决定在国家科技委员会内新设纳米技术 专门委员会,并在今后10年内培养1.26万名专业人才,同时建立 研究设备中心。为了鼓舞科技工作者的土气,政府决定建立“科技工 作者名誉殿堂”,以提高科技工作者的社会地位,并对作岀成绩的科 技工作者进行奖励。与此同时,韩国政府还决定2010年的财政预算 中的5%要用于研究开发。在这笔预算中,20%要用于基础硏究。此 外,韩国国防部、科技部、产业资源部和情报通信部将共同投资363 亿韩元,用于开发军地两用技术和军地技术转移等。 4纳米科技的技术优势 在纳米研究快速发展的基础上纳米在工业、能源、医学和环境 等传统产业中的应用硏究也愈加广泛和深入推动着纳米科技自身的 发展和相关领域的技术进步,主要表现在: (1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新; (2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池成 为未来太阳能电池的主导 (3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料; (4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能 (5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力; (6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探则活细胞中的致癌毒 4/6
4 / 6 美元。支持纳米技术研究的政府机构主要是经济产业省和文部科学 省。大公司也是纳米技术研究资金的一个主要来源。 3.4 其他国家和地区研究不断深入 在世界三强共逐纳米技术之际，其他国家也有在目标、在重点地 追赶。韩国每年的纳米技术投入列为优先领域，并制定了相应的计划。 韩国政府2009年18日决定在今后10年内投入1.48万亿韩元(1300 韩元合 1 美元)的资金,用以大力开发纳米技术。将集中支持科研部门 开发具有战略意义和竞争力的纳米技术，促使韩国尽快拥有世界前五 位的技术竞争力。为此，韩国决定在国家科技委员会内新设纳米技术 专门委员会，并在今后 10 年内培养 1.26 万名专业人才，同时建立 研究设备中心。为了鼓舞科技工作者的士气，政府决定建立“科技工 作者名誉殿堂”，以提高科技工作者的社会地位，并对作出成绩的科 技工作者进行奖励。与此同时，韩国政府还决定 2010 年的财政预算 中的 5%要用于研究开发。在这笔预算中，20%要用于基础研究。此 外，韩国国防部、科技部、产业资源部和情报通信部将共同投资 363 亿韩元，用于开发军地两用技术和军地技术转移等。 4 纳米科技的技术优势 在纳米研究快速发展的基础上,纳米在工业、能源、医学和环境 等传统产业中的应用研究也愈加广泛和深入,推动着纳米科技自身的 发展和相关领域的技术进步,主要表现在: (1)纳米材料绿色制版技术是传统印刷行业的重大技术革新; (2)染料敏化纳米结构电池极有可能取代传统硅系太阳能电池,成 为未来太阳能电池的主导; (3)大面积单晶硼纳米线有可能成为柔性的显示材料; (4)基于纳米半导体材料的智能透明隔热薄膜使玻璃变更节能; (5)新型纳米纤维织造的“智能布”可利用人体运动产生电力; (6)碳纳米管制成的细胞“嗅探器”,能够探测活细胞中的致癌毒
素或追踪癌症药物的效用可用于化疗监测 刀)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路 迈出重要一步。 5纳米科技的美好前景 纳米科技已经显示了其在各产业技术创新中的巨大潜力。虽然目 前大部分研究成果还没有进入产业化应用但可以预在未来一段时 间内纳米科技必将强劲推动各产业的技术进步 5·1纳米技术将在能源领域取得突破 近年来纳米太阳能光伏电池产业的快速发展标志着纳米技术在 能源领域发展的广阔前景随着新的基于纳米技术的太阳能电池的岀 现将使廉价而大容量的太阳能制造技术成为可能 5·2纳米科技将在医学更广泛应用 通过纳米级微型探测器可以大幄提高医学诊断和疾病检测精度 同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治疗目前基于发现肿瘤标志物并 快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前 景。 5·3纳米科技开启电子信息产业革命 极端纳米技术和新型纳米器件将为电子信息产业带来革命性进 步。微机电系统是电子信息产业的发展趋势包括纳米制造、纳米计 量在内的纳米科技将使其成为可能同时也为纳米科技在其它领域的 应用奠定坚实的基础 54纳米科技在未来通信技术上的应用 通信技术是现代信息社会的重要技术支撑,在人们的社会生活中 发挥着重要的、不可替代的用。纳米科学技术的发展从材料、器件、 信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通 信科学技术的发展展示了全新的技术,正引未来通信科学技术的发 5/6
5 / 6 素或追踪癌症药物的效用,可用于化疗监测; (7)基于碳纳米管与氟化共聚物的可导电橡胶向制造可变形电路 迈出重要一步。 5 纳米科技的美好前景 纳米科技已经显示了其在各产业技术创新中的巨大潜力。虽然目 前大部分研究成果还没有进入产业化应用,但可以预见在未来一段时 间内纳米科技必将强劲推动各产业的技术进步。 5·1 纳米技术将在能源领域取得突破 近年来,纳米太阳能光伏电池产业的快速发展标志着纳米技术在 能源领域发展的广阔前景,随着新的基于纳米技术的太阳能电池的出 现,将使廉价而大容量的太阳能制造技术成为可能。 5·2 纳米科技将在医学更广泛应用 通过纳米级微型探测器可以大幅提高医学诊断和疾病检测精度, 同时纳米颗粒还可以实现靶向分子治疗目前基于发现肿瘤标志物并 快速表达的微阵列芯片、纳米碳管等技术已显示出非常好的应用前 景。 5·3 纳米科技开启电子信息产业革命 极端纳米技术和新型纳米器件将为电子信息产业带来革命性进 步。微机电系统是电子信息产业的发展趋势,包括纳米制造、纳米计 量在内的纳米科技将使其成为可能,同时也为纳米科技在其它领域的 应用奠定坚实的基础。 5·4 纳米科技在未来通信技术上的应用 通信技术是现代信息社会的重要技术支撑，在人们的社会生活中 发挥着重要的、不可替代的作用。纳米科学技术的发展从材料、器件、 信息传输、信息处理、信息显示、终端通信产品等多个方面为未来通 信科学技术的发展展示了全新的技术，正引领未来通信科学技术的发
展,特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作 用。纳米材料为光缆提供了新的技术,近来,一些商已开发出纳米 光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯(PE)及光纤护套管用 纳米PBT等材料。采用纳米材料的光缆,利用了纳米材料所具有的 许多优异性能,对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的 改善,并可延长光缆的使用寿命,提高了网络的可靠性。 采用纳米科技制造技术制备的量子点激光器能够用于量子加密 技术。目前,许多金鬲机构、政府部和一些国防项目承包商都采用 了量子加密技术。量子保密通信通过了信息传输过程中的安全性,在 未来10年会有比较大的发展。利用纳米制造技术制造的光子晶体光 纤能用于未来全新光孤子光通信系统。 参考文献 ]赵玉芳,杨伯君,张茹,纳米技术在光通信中的应用光通信技 术,2007,2,55-56 [2]周治平、郜定山、汪毅等,硅基集成电子器件的新进展U激光与 光电子学进展,2007,2(44),31-38 [2]运银霞张凊从现代科技革命的特点看高新技术开发区的建设[] 天津大学学报2001(9). [4]曾祥基新科技革命的特点与经济全球化趋势[成都大学学 报,2000(3) 5]王占国,陈永海,叶小玲等.纳米半导体技术.化学工业出版社, 2006 [6]刘太奇.纳米空气净化技术.化学工业出版社,2004:10 [7]曼索里.纳米技术原理.复旦大学出版社,2006:11 [8]周兆英,王中林,林立伟.微系统和纳洣技术.科学出版社,2007 6/6
6 / 6 展，特别是纳米科技对未来的电子信息技术将产生十分重要的促进作 用。纳米材料为光缆提供了新的技术，近来，一些厂商已开发出纳米 光纤涂料、纳米光纤油膏、纳米护套用聚乙烯（PE）及光纤护套管用 纳米 PBT 等材料。采用纳米材料的光缆，利用了纳米材料所具有的 许多优异性能，对光缆的抗机械冲击性能、阻水、阻气性都有一定的 改善，并可延长光缆的使用寿命，提高了网络的可靠性。 采用纳米科技制造技术制备的量子点激光器能够用于量子加密 技术。目前，许多金融机构、政府部门和一些国防项目承包商都采用 了量子加密技术。量子保密通信通过了信息传输过程中的安全性，在 未来 10 年会有比较大的发展。利用纳米制造技术制造的光子晶体光 纤能用于未来全新光孤子光通信系统。 参考文献 [1]赵玉芳，杨伯君，张茹，纳米技术在光通信中的应用[J].光通信技 术，2007，2，55-56. [2]周治平、郜定山、汪毅等，硅基集成电子器件的新进展[J].激光与 光电子学进展，2007，2（44）,31-38. [2]运银霞,张清.从现代科技革命的特点看高新技术开发区的建设[J]. 天津大学学报,2001(9). [4]曾祥基.新科技革命的特点与经济全球化趋势[J].成都大学学 报,2000(3). [5]王占国，陈永海，叶小玲等．纳米半导体技术．化学工业出版社， 2006： [6]刘太奇．纳米空气净化技术．化学工业出版社，2004：10 [7]曼索里．纳米技术原理．复旦大学出版社，2006：11 [8]周兆英，王中林，林立伟．微系统和纳米技术．科学出版社，2007