科普系列上线！什么是纳米技术？微观世界中的未来革命

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@小白创作中心

科普系列上线！什么是纳米技术？微观世界中的未来革命

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https://www.nanoplatform.cn/new/14116/

纳米技术是20世纪末期发展起来的一项前沿科学技术，它以纳米（10的负九次方米）为单位，在原子和分子层面操控物质，重新定义了材料科学的边界，并在医学、能源、电子等领域掀起革命浪潮。本文将为您详细介绍纳米技术的定义、发现历史、概念分类、特性以及广泛应用。

在人类探索自然的历程中，科学家们始终渴望突破尺度限制，从宇宙星辰到微观粒子，每一次技术的跃进都带来文明的颠覆性变革。20世纪80年代，一门以“纳米”为单位的全新学科悄然诞生——纳米技术，它让人类第一次具备了在原子和分子层面操控物质的能力。
这项技术不仅重新定义了材料科学的边界，更在医学、能源、电子等领域掀起革命浪潮。让我们一起走进这个肉眼不可见的微观世界，揭开纳米技术的神秘面纱。

纳米是一个尺度单位，1纳米约等于10的负九次方米。打个比方，如果把一根头发均匀等分成50000根，那么每一根的直径大约就是1纳米。这里用一幅画，做了一个形象的类比：一纳米的富勒烯与一个橙子的大小类比关系，就相当于一个橙子与地球的大小类比关系。

纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术。

纳米技术的发现

“纳米概念”，最早是由科学家是理查德·费曼，理查德·菲利普斯·费曼（英文：Richard Phillips Feynman提出的），他被誉为是爱因斯坦之后最睿智的理论物理学家，也是第一位提出纳米概念的人。

1959年12月，物理学家理查德·费曼发表了名为“底部充足的空间”的演讲，他的主题是“在微小等级操纵和控制事物的问题”。在这次演讲中，费曼不满足于在针头上刻字母的技术（这在当时已经是非常前沿的技术了），他问：“我们为什么不能把整本的百科全书写在针头上？”

他给出了解决这个问题的答案：我们并不是尽量将字母变小去刻字，而是操纵针头的原子本身去形成字母，纳米技术被正式提出。1990年，首次出现了操纵原子“写出”的字母，一共用了35个原子的英文字母“IBM”，实现了费曼的设想。

纳米（Nanometer，符号:nm），即为毫微米，是长度的度量单位，1纳米=10的负9次方米，1纳米相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小的多，单个细菌用肉眼是根本看不到的，用显微镜测直径大约是五微米，假设一根头发的直径是0.05毫米，把它轴向平均剖成5万根，每根的厚度大约就是1纳米，也就是说，1纳米就是0.000001毫米，纳米科学与技术，简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

我们通常所说的纳米技术研究范围，就主要集中在10的负九次方到10的负七次方米之间，也就是1nm到100nm之间。

在可控制的条件下
改变原子的连接结构以创造一种新的分子
纳米技术生产不同种类的纳米级材料
（由纳米粒子组成）
纳米粒子结构尺寸在1～100纳米之间

纳米技术概念

从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种概念，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。2018年6月27日，这一研究发表在《Nature》杂志上。来自德国 Peter Grünberg 研究中心的科学家操纵了一个平面大分子 3,4,9,10-苝四甲酸二酐（PTCDA），让 PTCDA 分子“站”了起来。该结果也许是使分子纳米技术成为现实的重要里程碑，有望带来其他颠覆性的技术。

第二种概念，把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念，是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

纳米技术特性

正如上文提到的，制造和使用单个原子和分子的科学技术：纳米技术涉及到用单个原子或分子制造物质的科学技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，它的研究内容涉及现代科技的多个领域，包括但不限于制造业、能源、医学、计算和电子等多个方向。

宏观技术将大的物质块以相对粗糙和近似的模式排列以建造微芯片、运动汽车、橡木餐桌和摩天大楼。而纳米技术则能够操纵单个原子，使人类技术提升到新的层面。

纳米粒子最重要的不是它的尺寸特别小，而是在纳米级下，物质的性质会有很大的不同。因为我们面对的是单个的原子或分子而不是成团的物质，在这里，量子效应成了最重要的影响因素。对于宏观物质来说，不管形状、大小如何，物质的性质不会改变，但是对于纳米级物质来说，面积体积比、相对尺寸改变，物质的性质也会改变。

举个例子

纳米粒子通常会有意想不到的光学性质，因为纳米粒子可以限制它们的电子并产生量子效应，比如黄金的纳米粒子在溶液中就会呈现紫红色。纳米粒子可以形成悬浮液，这是因为颗粒表面与溶剂的相互作用强到足以克服密度差异；如果是非纳米材料，这种相互作用通常会导致材料下沉或漂在液体中。纳米粒子中不均匀的电子分布会导致磁性，磁性纳米粒子引起了不同学科研究人员的兴趣。纳米粒子独特的机械性也在许多重要领域得到了应用，这些机械性能包括弹性模量、硬度、应力和应变、粘附力和摩擦力等。