奈米製造是什麼?
條款奈米製造而且nanomanufacturing在各種情況下(醫學、光子學、電子學、能源等)，通常可互換用於製造一、二或三維納米結構，具有相對較高的功能性和結構複雜性和層次性。這些術語涵蓋了大量不同的材料、設備、產品和工藝，在一篇簡短的文章中無法詳細介紹。
區分這兩個術語的一個可能的方法是使用經濟生存能力的標準:與這個詞相關的工業規模和盈利能力的含義製造業暗示納米製造是一種經濟活動，具有或多或少完全自動化的裝配線的工業生產設施。相比之下,奈米製造更多的是一種基於開發新材料和新工藝的研究活動，更多的是熟練工匠的領域，而不是大規模生產的領域。
今天，唯一大規模應用納米製造技術的行業是半導體行業，該行業的器件結構已達到單納米級。當然，化學工業長期以來一直在研究納米級別的粒子和顏料，但這更多地屬於化學領域，而不是納米製造。
為了本文的目的，我們將使用術語納米製造，它可以有一係列的含義:在較大的物體上製造小的特征，(例如，集成電路製造):
製造功能性納米結構有不同的方法。你聽到最多的兩個概念是自頂向下而且自底向上方法。
自上而下與自下而上的納米製造
米開朗基羅是一個自頂向下藝術家。他取了一塊巨大的卡拉拉大理石，經過多年的雕琢，製成了一尊壯觀的大衛雕像。在這個過程中，他把原來的大理石塊縮小到原來體積的一半，留下另一半作為廢物。
這是納米技術的對等物光刻技術——主要是光刻這是當今半導體行業使用的標準主力nanoimprint光刻(NIL)，用於大規模生產用於診斷和治療的納米顆粒——以及其他自上而下的方法，即從一塊材料開始，去除你不想要的碎片，直到你得到你想要的形狀和大小。
在這個過程中，你花費(相對多的)能量，使用(有時非常有毒)的化學物質，產生(通常相當多的)廢物，需要很大的耐心(這些過程相對緩慢)，通常結果是相當獨特的，不容易複製。
盡管有大量其他的納米製造方法可用，但光學光刻和NIL是主要的自上而下的納米製造方法。例如，電子束光刻(EBL)可以在大範圍內生成10納米以下的特征，具有良好的放置和覆蓋，但由於其相對較低的通量，它在商業上僅限於用於照相和納米壓印光刻和器件開發的掩模生產。
與自頂向下過程的確定性性質相反，自底向上過程由熱力學和動力學的組合驅動，然後決定所需結構的產量。
自底向上的納米製造過程通常不需要昂貴的工具來創建納米級結構，而且大規模擴展可能很簡單。隨著化學合成工具的應用，用於醫療應用的量子點、等離子體活性粒子、碳納米管、金屬納米線和多功能粒子已經成功地大量生產出來。
開發純自底向上的自組裝方法以創建更複雜的設備的努力通常依賴於設計各種組件之間的交互，將它們放在一個簡單的環境中，然後讓係統發展到最終狀態。
為了讓事情更複雜一點，從下到上有兩種完全不同的製造方法。這就是許多關於不同納米技術術語的困惑的來源。
一種自下而上的方法是自然的方式:自組裝．自組織過程在自然界中很常見，包括從分子(如蛋白質折疊)到行星尺度(如天氣係統)甚至更遠(如星係)的成分。
另一種自下而上的納米技術是人類的方式:分子組裝．這聽起來像自我組裝，但這是一個非常不同的概念。如果您看一下下麵的納米工廠動畫，您就會明白其中的意思。這是納米技術的支持者或革命者提出的願景:分子組裝作為一個工廠概念，流水線和所有的一切，隻是縮小到納米級別。
“自我組裝”的概念在這種情況下與“自我複製”的納米機器相關，即自我組裝的機器;但這與自然界中發現的自組裝類型截然不同。
不過有一個非常大的問題:今天，通用分子組裝隻是一個願景;在科學意義上，它甚至還不是一個理論概念。
自組裝
使用自組裝作為控製和定向的製造過程的關鍵在於設計需要自組裝成所需的模式和功能的組件。自組裝反映信息編碼-如形狀，表麵性質，電荷，極化率，磁偶極子，質量等-在單個組件中;這些特性決定了它們之間的相互作用。
不幸的是，自發的自組裝很大程度上依賴於粒子的特性。使用不同的粒子，自組裝要麼形成不同的結構，要麼根本不發生。
在非常小的範圍內，你甚至不會使用這個術語自組裝而是化學合成-化學家多年來不斷改進的過程。然而，共價鍵的穩定性使得最多1000個原子的幾乎任意構型的合成成為可能。更大的分子、分子聚集體和比分子更廣泛的有組織物質的形式不能按鍵合成。自組裝是在這些大尺度上組織物質的一種策略。
這種技術可以總結如下:我們不知道為什麼某些原子和分子會以這樣的方式自我組裝，但一旦我們可以啟動和控製這個過程，我們就可以用它從下往上構建結構——一個原子一個原子。
自組裝已成為納米技術中一個特別重要的概念。隨著微型化達到納米級別，傳統的製造技術失敗了，因為還不可能製造出將納米級別的組件組裝成功能設備的機器。在能夠製造納米製造的機器人裝配器被製造出來之前，自組裝——連同化學合成——將成為自下而上製造的必要技術。“注意差距——納米技術機器人願景與實驗室現實”）.
利用自然界的自我組裝技巧是真正的科學，它已經在實驗室中發生了。事實上，它將會帶來現實世界的產品。最近的一個例子是IBM宣布了他們的自組裝結構空隙處理器．
自組裝也是納米技術對化學工業產生深遠影響的原因。一個例子是用於工業產品的大量聚合物(如塑料)。化學家利用分子的自排列傾向來設計具有特定性質的分子結構。
一旦你知道了某些納米粒子的行為和它們所具有的特性，你就可以利用這些知識有意識地創造出具有所需特性的結構。這是一種比老式水泥混合化學更有效的方法在老式水泥混合化學中，你根據最好的猜測以一種或多或少任意的方式混合化合物，看看你得到的是什麼材料，然後試著弄清楚你可以用它們做什麼。
兩種主要的自組裝技術是膠體自組裝技術和DNA自組裝技術。膠體自組裝技術具有令人興奮的可能性，可以通過將不同性質的納米顆粒組合成定義明確的晶體結構來生成新材料。
基於dna自組裝
基於dna的自組裝提供了可以產生的結構類型的靈活性，基於單鏈、雙鏈或雙鏈，以及更複雜的超分子組裝。一、二、三維結構可以被製造出來，其他納米尺度的物體也可以被DNA功能化，再加上互補序列識別所賦予的特異性，這意味著DNA可以連接和組織不同的納米結構來製造相對複雜的結構，包括控製良好的納米粒子晶格，甚至是活性係統。
結構DNA納米技術即分子自組裝過程DNA折紙，已經成為一種多功能的方法，用於製造具有複雜納米級幾何結構、確定分子功能位置、程序化機械和動態特性的納米器件。
科學家們已經在使用DNA折紙技術設計和構建病毒規模的結構和細胞的細胞器。
DNA折紙是一種設計技術——類似於傳統的日本藝術或將紙折疊成裝飾性或具象的形式的技術——納米技術研究人員使用它將DNA鏈折疊成類似可編程釘板的東西，上麵可以附著不同的納米組件。
這些DNA組件允許自底向上在<100納米尺度上製造具有任意形狀和圖案的複雜納米結構。
定向自組裝——自上而下與自下而上的結合
導向或模板自組裝通常利用自上而下方法創建的邊界，與具有固有結構長度刻度的係統相互作用。後者可以產生於遠程磁、靜電或應變能之間的平衡，或者，就像嵌段共聚物的情況一樣，可以來自於材料分子結構內的局部相互作用。
結論
製造集成電路的技術將在性能和成本方麵繼續發展，但對於單位麵積低價值、大批量的產品來說仍然不經濟。光刻技術家族，如納米壓印技術，其發展在很大程度上是由半導體工業推動的，將被擴展以適應各種成本結構，因此將找到廣泛的應用，特別是那些隻需要單一圖案層的結構。
自底向上的自組裝將在大批量使用且價格低廉的簡單功能材料的生產中發揮作用，而定向組裝則允許對某些應用施加更大範圍的順序和層次，這將是重要的。
也許最令人興奮的前景是創造能夠展示更豐富的結構和功能的動態納米級係統。這是通過學習如何直接控製和設計生物係統來實現的，還是通過建立基於同樣原理的係統來實現的，還有待觀察，但毫無疑問，這將是顛覆性的，很可能是革命性的。