關於納米技術你應該知道的十件事
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5) Nanomanufacturing |
大規模使用納米級製造技術的產業隻有半導體產業，其設備結構達到了單納米級。當然，化學工業長期以來一直在研究納米尺度的粒子和顏料，但這更多地屬於化學領域，而不是納米製造。
“原子精密製造”和“分子製造”的支持者喜歡談論這些技術將提供的令人難以置信的可能性。這些願景的範圍從一般的，如改進材料和更高效的化學品生產方法(已經在地平線上)，到令人震驚的，如分子桌麵晶片廠(遠遠遠遠的)。
關於革命性納米技術的文章幾乎總是跳過困難的部分，即從我們今天的位置到應許之地需要大量的研究突破。這就好像1903年奧維爾·賴特(Orville Wright)進行第一次動力飛行時，一些飛行愛好者會討論紐約-東京不間斷飛行的600座噴氣客機的頭等艙設計。
今天的納米科學家仍在努力解決一些非常基本的問題，比如如何控製納米顆粒的合成。這可能會讓你們當中的納米技術愛好者感到震驚，但即使是像今天合成金屬納米顆粒這樣完全基礎的東西，也更多的是一種經驗試驗和錯誤的方法，而不是一個可預測的，完全控製的過程。
納米顆粒的合成
正如《阿甘正傳》裏的布巴所指出的那樣，蝦仁有很多可能:“你可以燒烤、煮、烤、烤……有啊…菠蘿蝦、檸檬蝦、胡椒蝦、蝦湯、蝦燉、蝦沙拉、蝦漢堡、蝦三明治……僅此而已。”當你聽研究人員談論合成納米粒子的各種策略時，這聽起來幾乎是一樣的——你可以燒烤它(嗯，有點)，煮它，烤它，烤它……有啊…聲化學加工、空化加工、微乳加工、高能球磨。
問題是，無論你選擇哪種方法，納米顆粒的合成通常都是一個相當棘手的過程，需要化學家大量的技能和專業知識來獲得大小和形狀可控的高質量顆粒。從納米顆粒生產到複雜結構的納米製造，甚至功能齊全的納米設備，還有很長的路要走。
全自動流水線。
這個詞製造業這通常會讓人聯想到工業生產設施或多或少都是全自動裝配線。直到20世紀，一個工匠或一組工匠通常單獨製造工業產品的每個部分，然後將它們組裝成一個單一的產品，對各個部分進行修改，使它們能夠組裝在一起並一起工作;所謂的英國製造體係。
然後亨利·福特出現了，在1907-08年，他開發了T型汽車的裝配線。這一創新不僅徹底改變了工業，也改變了我們的社會，因為它允許以比以前低得多的成本大規模生產工業產品。裝配線的核心是一種製造過程，在這種過程中，可互換的部件按順序添加到產品中，從而形成成品。
今天的納米技術與福特發明流水線之前的工業世界相差無幾——這是工匠的領域，而不是大規模生產的領域。
實驗室空間位於加拿大工業材料研究所(NRC-IMI)的納米壓印成型設施。
在納米尺度上操縱物質有不同的方法。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技術
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，經過多年的鑿刻，做出了一座像大衛一樣壯觀的雕像。在這個過程中，他把原來的大理石塊減少到原來的一半，剩下的一半作為廢物。
這種納米技術相當於光刻技術和其他自上而下的方法，你先拿一塊材料，去掉你不想要的碎片，直到得到你想要的形狀和大小。在這個過程中，你要花費(相對較多的)能量，使用(有時是非常有毒的)化學物質，產生(通常是相當多的)廢物，需要很大的耐心(這些過程相對較慢)，而且結果往往是非常獨特的，不容易複製。
大理石-在米開朗基羅自上而下的方法前後。
自底向上方法更加優雅和高效。樂高積木。隻需選擇你需要的形狀和大小，然後一個接一個地用它們建造或多或少任何你想要的東西。把你的手換成一台(微小的)機器，或者其他一些組裝過程，用原子或分子的樂高積木，你就有了分子組裝。不幸的是，這種類比過於簡單。
讓事情變得更複雜一點，有兩種完全不同的方式從下往上製造東西。這就是很多關於不同納米技術術語的困惑的來源。
自組裝
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，從分子(如蛋白質折疊)到行星(如天氣係統)甚至更大(如星係)。
利用自組裝作為受控和定向製造過程的關鍵在於設計需要自組裝成所需模式和功能的組件。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;這些特征決定了它們之間的相互作用。
在非常小的範圍內，你甚至不會使用“自組裝”這個詞，而會使用“化學合成”——化學家多年來改進的過程。然而，共價鍵的穩定性使合成幾乎任意構型的原子最多隻能達到1000個。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一個鍵一個鍵地合成。自組裝是在更大範圍內組織物質的一種策略(源）.
這項技術可以概括如下:我們不知道為什麼某些原子和分子會以這種方式自我組裝，但一旦我們能夠啟動和控製這一過程，我們就可以利用它自下而上地構建結構——一個原子一個原子地構建結構。
自組裝已經成為納米技術中一個特別重要的概念。當小型化達到納米尺度時，傳統的製造技術失敗了，因為目前還不可能製造出將納米尺度組件組裝成功能性設備的機械。在能夠實現納米製造的機器人組裝之前，自組裝——加上化學合成——將是自下而上製造的必要技術(閱讀:“注意差距——納米技術機器人視覺與實驗室現實”）.
利用大自然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，它將引領現實世界的產品。最近的一個例子是IBM在他們的產品中宣布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如此深遠影響的原因。一個例子是用於工業產品的大量聚合物(比如塑料)。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。
一旦你知道了特定的納米顆粒的行為和它們的特性，你就可以利用這些知識來有意地創造出具有所需特性的結構。這是一種比水泥攪拌機更有效的方法舊的水泥攪拌機是根據最好的猜測以任意的方式混合化合物然後看看你得到什麼材料然後試著找出你可以用它們做什麼。
分子組裝
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。如果你看一看納米工廠的動畫“分子桌麵製造高效的納米係統:從分子到超級產品”，你就會明白了。
這是革命性納米技術的支持者提出的願景:分子組裝作為一個工廠概念，組裝線和所有，隻是縮小到納米級別。“自組裝”的概念與“自我複製”納米機器(即自組裝的機器)有關;但這與自然界中發現的自我組裝的類型非常不同。
但有一個非常大的問題:今天，通用分子組裝是一個願景;在科學意義上，它甚至還不是一個理論概念。
以我們今天的技術能力，最先進的自下而上的納米技術是化學合成和自組裝的結合。但它們已經允許我們在適度的規模上進行原子精確的製造，這將極大地改善材料，更高效的製造工藝和全新的醫療程序。
我們還沒有看到納米技術“以自然的方式進行”的最終結果。基於dna的納米技術的最新發展表明，這種新型組裝方法適合構建有用的納米結構。在納米尺度電子器件和傳感器的設計、製造和表征中，DNA分子可以作為精確可控和可編程的組織功能納米材料的支架。也許我們永遠不會擁有，也永遠不需要，模仿今天的工廠進行分子組裝。