關於納米技術你應該知道的十件事

3)納米技術有什麼特別之處?為什麼它現在成了一個問題?

納米技術是從哪裏開始的?又是如何開始的?

化學家一直都在研究自然產生的納米顆粒。想想分子或病毒。毒理學家已經處理過現代人類生活的納米顆粒，比如內燃機尾氣中的碳顆粒。早在20世紀20年代，輪胎製造商就在不知不覺中使用納米顆粒——炭黑——來改善輪胎的性能。中世紀的藝術家使用金納米顆粒來製作教堂窗戶上的鮮紅色(納米大小的金顆粒是紅色的，不是金色的)。你甚至可以說，我們被納米結構包圍著，由納米結構構成——原子和分子畢竟是納米級別的物體。那麼，突然之間有什麼好大驚小怪的呢?

對微型化的不斷追求導致了原子力顯微鏡(AFM)或掃描隧道顯微鏡(STM)等工具的出現。這些儀器與電子束光刻等精細工藝相結合，可有意操縱和製造納米結構(“高速AFM實現實時納米製造”)．這在以前是不可能的。

有了新工具，就有了新概念，事實證明，支配納米世界的機械規則與我們日常的宏觀世界經驗截然不同。對在納米尺度上發揮作用的極微小力的表征也促進了儀器的進一步發展。僅僅在十多年前，直接測量分子間作用力的可能性似乎還很遙遠。納米技術的出現極大地改變了這種看法。今天，有許多工具可以用來描述生物分子和細胞相互作用的納米力學。例如光鑷、磁拉器和基於懸臂的儀器，如AFM。

工程納米材料-通過一種自頂向下方法(將大塊材料的尺寸縮小到納米級的圖案或結構)或一個自底向上方法(更大的結構是一個原子一個原子或一個分子一個分子地建立或生長的)——在小型化上更進一步。關於納米技術自上而下vs自下而上見本節第5部分“納米製造”。

當材料的體積特性降低到納米尺度時，往往會發生巨大的變化。大約從100納米及以下開始，材料打破了一個尺寸障礙，低於這個尺寸，固體中電子的能量量子化就變得相關了。

量子效應

所謂的量子尺寸效應描述在顆粒尺寸大大減小的固體中電子性質的物理學。從宏觀到微觀，這種效應是無法發揮作用的。然而，當納米尺寸範圍達到時，它成為主導。量子效應可以開始主導物質在納米尺度的行為——特別是在較低的一端(個位數和低幾十納米)——影響材料的光學、電和磁行為。可以生產出一維納米級(例如非常薄的表麵塗層)、二維納米級(例如納米線和納米管)或所有三維納米級(例如納米粒子和量子點)的材料。

這些劇烈變化的原因源於量子物理學的怪異世界。任何材料的體積特性僅僅是影響構成該材料的所有原子的所有量子力的平均值。當你把東西做得越來越小的時候，你最終會到達一個點，平均不再起作用，你必須處理單個原子或分子的特定行為——這些行為可能與這些原子聚集成大塊材料時非常不同。

與宏觀尺度相比，納米尺度的材料會突然表現出非常不同的性質。例如，不透明的物質變成透明的(銅);惰性材料成為催化劑(鉑);穩定的材料變成可燃的(鋁);固體在室溫下變成液體(黃金);絕緣體變成導體(矽)。

表麵積

納米材料的另一個重要方麵是表麵積。與同等質量的塊狀材料相比，納米級材料具有相對較大的表麵積。這可以使材料的化學反應性更強(在某些情況下，塊狀惰性的材料在其納米級形式生產時反應性更強)，並影響其強度或電學性能。

要了解顆粒大小對表麵積的影響，可以考慮一枚美國銀鷹硬幣。這枚銀幣含31克銀幣銀，總表麵積約為3000平方毫米。如果把同樣數量的銀幣銀分成直徑為10納米的微粒，這些微粒的總表麵積將達到7000平方米(相當於一個足球場的大小)，或者比白宮的麵積還要大，白宮的麵積為5100平方米。換句話說:當一枚銀元中所含的銀幣銀被渲染成10納米的粒子時，這些粒子的表麵積比銀元的表麵積大200多萬倍!

人們對納米技術的迷戀源於這些獨特的量子和表麵現象，這些現象在納米尺度上表現出來，使得新奇的應用和有趣的材料成為可能。

進化的vs.革命性的納米技術

然而，顯然有必要區分兩種類型的納米技術。一種是現在正在發生的，另一種是科幻小說和過時的技術場景中的東西。

我們今天要研究的是進化納米技術。進化納米技術的目標是通過縮小到納米領域來改進現有的工藝、材料和應用，並最終充分利用物質在納米尺度上表現出的獨特的量子和表麵現象。推動這一趨勢的是，企業不斷尋求以更低的成本，通過製造更小的組件和更好的性能材料來改進現有產品。

以計算機/電子行業為例——因為芯片設計結構已經突破了100納米的範圍，半導體行業正在向納米技術行業發展。

左:1947年建造的第一個點接觸晶體管。右圖:英特爾的32納米Nehalem芯片架構在單個芯片中包含了大約19億個晶體管。

想想看:最早的晶體管隻有1厘米大，現在最小的晶體管隻有不到30納米長——比它小了30多萬倍。這一壯舉相當於將目前世界上最高的建築、高509米的台北101大廈縮小到1.6毫米高的米粒大小。因此，今天先進的半導體製造已經深入到納米領域;當我們發明了單分子晶體管時，電子元件逐漸小型化的時代就結束了。

由於這種“更小、更好、更便宜”的持續趨勢，按照同樣的定義，許多公司都是“納米技術公司”(因為它們使用納米配方的食品配料;納米塗料;納米結構表麵技術;碳納米管電子學;等)將迅速增長，並很快成為許多行業的大多數公司——它們將擁有卡夫、歐萊雅、東芝、通用電氣、寶馬、諾基亞或拜耳等熟悉的名字，僅舉幾例。

相比之下，真正革命性的納米技術設想的是一種自下而上的方法，功能設備和整個製造係統是一個原子一個原子地構建的(澄清一下，這裏我們不隻是在談論納米材料的自組裝和化學合成，而是功能機械)。除非你求助於科幻小說情節，否則你將不可能對未來可能會帶來什麼做出哪怕是有根據的猜測。