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纳米科学和技术范文1
NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution
Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.
Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor
I.引言
纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。
II.纳米结构的制备———首次浪潮
有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。
“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。
很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。
在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。
III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮
为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。
—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。
—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。
—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。
—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。
—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。
—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。
—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：
1）大的戳子尺寸
2）高图形密度戳子
3）低穿刺（lowsticking）
4）压印温度和压力的优化
5）长戳子寿命。
具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。
IV．纳米制造所面对的困难和挑战
上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：
1．在一块模版上刻写图形
2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形
3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。
很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。
随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。
另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。
纳米科学和技术范文2
纳米。微米是长度单位。1微米相当于1米的一百万分之一。纳米也是长度单位，原称毫微米。1纳米相当于10的负九次方米（10亿分之一米），即10的负六次方毫米（100万分之一毫米）。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小的多。
纳米技术：
是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。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，它是动态科学（动态力学）和现代科学（混沌物理、智能量子、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，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。
（来源：文章屋网 ）
纳米科学和技术范文3
【关键词】 纳米、纳米技术、纳米材料、纳米结构
1 引言
著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中，以“由下而上的方法”出发，提出从单个分子甚至原子开始进行组装，以达到设计要求。他说道，“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言，“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话，将极大得扩充我们获得物性的范围。”[1]
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具――扫描隧道显微镜，使人类首次在大气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。[2]
2 纳米技术
纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。
3 纳米材料
3.1纳米材料的概念
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
3.2纳米材料的分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
（1）纳米粉末
纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
（2）纳米纤维
纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。
（3）纳米膜
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
（4）纳米块体
纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
4 纳米材料的应用
由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性[8]、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。
5 纳米材料的前景
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域，21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。
21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。
6 结束语
纳米材料在21世纪高科技发展中占有重要地位。纳米材料由于其无可挑剔的优越性，已成为世界各国研究的热点。其应用已渗透到人类生活和生产的各个领域，促使许多传统产业得到改进。世界发达国家的政府都在部署未来10～15年有关纳米科技研究规划。我国对纳米材料的研究也取得了令世界瞩目的、具有前沿性的科技成果。纳米技术的开发，纳米材料的应用，推动了整个人类社会的发展，也给市场带来了巨大的商业机遇。
参考文献
[1]孙红庆.科技天地―计划与市场探索[M]，2001/05
纳米科学和技术范文4
【关键词】纳米材料 微纳米技术 汽车工业 应用 发展
1 纳米材料与微纳米技术
纳米（nanometer）并不是一种物质，它是一个尺寸的度量，与米、厘米、毫米一样，1个纳米等于百万分之一毫米，本身没有物理内涵。20世纪80年代，纳米级颗粒的出现，产生了纳米材料以及后来的微纳米科技。
1.1 纳米材料
以“纳米”命名的颗粒，其尺寸在1nm-100nm范围内。最早的纳米材料是由纳米颗粒、纳米膜以及固体组成，它是一种单元物质。广义上说，纳米材料指在三维立体空间中其有一维或多维处于纳米尺度范围作为基本构成的单元物质。大多数纳米粒子为理想单晶态，与原子和结晶体都不同。
1.2 微纳米技术
纳米技术指研究纳米尺度范围物质的结构、特性和相互作用，以及利用这些特性制造具有特定功能产品的技术[2]。最早提出纳米技术概念是在1959年，由美国著名物理学家理查德・费曼在题为《空间之尽头仍然很大》的开创性发言中提出的，发展的源动力来自20世纪80、90年代仪器设备领域的关键发明。
2 纳米材料与技术在汽车工业上的应用
任何一门科技决不是一种孤立的科学技术，纳米科技不仅如此，较其他科技而言，它涉足的领域更为宽广。近几年来，电子学、生物学、材料学、生物科学、医学、机械工业、环保、汽车、国防都有它的足迹，并且成果累累。尤其在汽车工业领域，纳米科技正日益成为旧科技的汇合点和新科技的孵化器。
2.1 纳米材料与汽车的发展
纳米材料在汽车生产制造上的使用广泛，几乎可应用在汽车的任何部位，内部的内装，外部的车身，动力系统，传动系统，行驶系统。材料种类繁多，有纳米塑料、纳米陶瓷、纳米剂、纳米催化剂、纳米涂料、纳米液体膜、纳米橡胶等几乎包罗了汽车的所有零部件。比如纳米材料科可强化车身钢板结构；纳米涂料可以让车漆色泽光亮、耐蚀以及耐磨；纳米粒子可以使内装更清洁、健康；纳米金属作为排气系统的触媒，可以获得刚好的转换效果。以上材料具备超强的物理性能，对于汽车的安全、轻质、环保等有很大的帮助。同时，对轻量化车身，减少使用成本，净化尾气排放，降低燃油消耗，延长使用寿命具有十分重要的意义。
2.2 减小汽车零部件损耗
机械零部件使用时间长，容易出现磨损、疲劳和腐蚀，磨损造成的经济损失十分巨大。纳米剂利用纳米离子的良好摩擦性，将粒子采取恰当的方式与油液混合，形成悬浮液后通过吸附、游离和扩散等形式产生保护膜。它不对其他车用油剂产生不良作用，是纯石油产品。
纳米剂与高级油或固定添加剂相比，在重载和高温条件下，可以最大可能地减小金属与金属间微孔的摩擦，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强，使用寿命延长，从而大幅度地降低摩擦和磨损。现代汽车在发动机曲轴轴承和气缸壁等部位应用较多。
2.3 降低尾气污染，净化空气
大气污染是当今世界各国共同面临的重点议题，超标的二氧化硫、一氧化碳和氮氧化物在大气中扩散蔓延，严重影响人类身体健康。碳纳米管、纳米汽油等新纳米材料和纳米技术的应用能有效缓解并解决产生有害气体的污染问题。
纳米汽油是一种将纳米微粒通过纳米技术制备的一种汽油微乳化剂，用它来替代工业生产中使用的汽油、柴油，能够改善燃料品质，促进油液燃烧。此外，通过活性炭为载体、纳米粉体为催化活性体的汽车尾气净化催化剂，具有极强的电子得失能力和氧化还原性，所以它能够氧化一氧化碳并且还原氮氧化物，最终转化为一二氧化碳和氮气，对人体没有任何伤害。因此，降低了汽车尾气污染，同时净化了空气。
结语
“十二五规划”对于我国未来汽车工业和汽车技术指明了发展方向，我国汽车工业与国外的竞争，核心和本质是技术水平的竞争。充分利用高新技术，使新型汽车向轻量化、低能耗、低排放、高效能的方向发展，优化汽车产品设计、制造工艺、拓展营销等。同时建立以纳米技术为主导的新兴产业基地，并形成自主知识产权，树立发展以纳米技术促进产业结构调整，推进产业升级的主要指导思想，从而有序推动我国汽车工业健康、快速、高效发展。
参考文献
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纳米科学和技术范文5
关键词：纳米 环境 健康 公正分配
中图分类号：X9 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2012）002-185-02
在电影《食破天惊》中，男主角弗林特为自己只有沙丁鱼吃的家乡发明了一款依据水分子变异便什么食物都能产出的机器。该电影的导演或者编剧也许并不知道有了纳米技术，这样的机器可能会以另外的形式成为现实。后来机器的失控给小镇带去了一些麻烦，在这幻想里，我们看到了纳米技术可能带来的巨大利益和巨大灾难。作为一门交叉学科，纳米技术涉及的范围十分广泛，在军事、生物、医学、化学、环境、电子、信息、分子组装等领域都有听到过关于纳米的发展。世界主要发达国家，英、美、日、德等都将发展纳米科技作为自己新世纪的战略项目。在纳米技术还没有引起如工业革命那般的巨大影响时，人们吸取了工业革命的教训，对纳米技术的可行性进行了各种考察，近年来也越来越关注纳米技术的伦理问题了。下面我们将探讨纳米技术带来的两大伦理问题。
1 人类健康和环境问题
根据美国国家纳米技术行动计划，纳米技术的社会和伦理问题主要包括三个问题，其中一个便是纳米技术的环境、健康和安全议题。纳米技术对人类健康和环境的毒性及风险，主要包括纳米微粒的危害和暴露风险的两个焦点。纳米技术作为一个全新的领域在给人类带来巨大机遇的同时，也带来了巨大的潜在风险。纳米新材料具有了全新的特性，并且可以做到无孔不入，特别是对人和动物这样的有机组织，不可回收的纳米粒子可以穿越自然的屏障排放到包括有机体在内的环境中，还可能对包括人自身的有机体造成实质改变。2002年，Erosion technology and Concentration行动小组（ETC）呼吁政府颁布法令禁止纳米材料以及纳米材料的商业生产。面对ETC的禁止呼声，担心纳米技术的发展受到阻碍的专家们，旨在缩小纳米技术与伦理之间的差距。王国豫教授等指出，纳米伦理的兴起首先是因为纳米材料的安全问题。安全是人们自由生活的保障，是社会人人都应享有，不应被侵犯的权利，是“正义的最低限度要求。”而我们要鉴定的安全，首先便是人的自身安全。山西大学科技哲学研究中心的费多益认为材料变成纳米级后，活性、毒性都更加的大。如果这材料暴露在空气中，无疑对可能接触的人和环境都会带去破坏。纳米技术的发展，使得接触纳米材料的人群从研发人员扩大到了产业劳动者和消费者。2009年北京朝阳医院宋玉果课题组对一起职业中毒死亡事故进行调查，发现死去的两名女工肺部及肺盥洗液中均检出了30nm尺寸的颗粒物，课题组认为女工的死亡与纳米颗粒有关。工人是在原材料生产场地长时间接触高浓度纳米材料的人群，在生产场地的呼吸与皮肤接触都使他们暴露在可能的危险中。紧接着在加工的过程中，工人们也可能以同样的方式接触到纳米材料，并且无论是原材料生产还是产品加工生产，工厂都有可能将生产的废气、废料排入环境中。最后，消费者通过使用纳米材料化妆品和体育用品进行皮肤接触，使用过后的产品也会随生活垃圾进入环境。
当然，上述的风险只有在纳米颗粒具有毒性并且有暴露发生时才会存在。那么，纳米微粒是否存在毒性？尽管关于工程纳米材料的人体健康以及环境风险的研究正在进行，但是研究成果很少公布，在波兰华沙的某研究小组称“在含有碳纳米管的尘埃中工作不会产生太大的健康问题”。NASA的研究人员却发现，与同等质量的炭黑或石英相比，“碳纳米管如果被吸入肺部，会表现出更强的毒性”。杜邦公司则发现，当暴露于高浓度的单臂纳米管的环境中时，有一部分小老鼠会死亡，但是存活下来的老鼠并没有显示出任何炎症反应。研究发现，纳米材料的毒性是极其不稳定不确定的因素。种种不确定因素聚集起来，就形成了“评估人体健康风险时几个数量级的不确定性”。许多毒理学家都承认毒性评估“非常不准确”。Rice大学生物及环境纳米技术中心主任Vicki Colivin博士在2003年向国会的陈述中概括了这一领域的不确定性：“近年来，如果你曾使用过防晒霜，那么你的皮肤就有可能接触过纳米级陶瓷材料。该不该为此而担心呢？没有人知道……纳米材料是十分有价值的材料……然而，诸如研究人员、在工厂上班的工人甚至普通大众如果不小心接触某些纳米级物质，则有可能产生非常可怕的后果，远比让皮肤变蓝可怕得多。当然结果也有可能是良性的。只是我们不知道罢了。”
笔者认为，人类健康和环境问题是纳米伦理学中最关键的问题，纳米科技的安全由于其材料本身毒性风险的不确定性，给参与其中的人员埋下了一块定时炸弹。科学家应在国家安全前提下及时将纳米的毒性研究公之于众，并致力于纳米毒性的检测。在研究过程中采取必要安全措施，保证自身安全，从事相关工作的人员亦是如此，否则可能会对人员与环境造成无法挽救的伤害。
2 公正分配问题
从一个国家内部来说，以纳米技术为支撑的任何生物技术都需要大量的资金支持，用于医学时更是只有富贵的阶层才负担得起，结果只有社会的小部分人能够从纳米技术中获益。没有公正的分配制度，巨大的经济效益将会变成巨大的社会问题。而最重要的问题是风险与利益分配的不公正，即少数人享受了纳米技术带来的巨大利益，而大多数人却要为之付出健康与环境的代价。这样最终也影响到纳米技术的健康、可持续发展。从国与国之间来看，国内的加剧不公也会同理沿用到各国之间，在有些发展中国家还在解决粮食问题，医疗问题，维护国内和平的时候，发达国家却有时间和精力去研发纳米技术，这将加剧各国之间的不平等。南京大学哲学系的沈骊天教授谈到，纳米技术在被认为拥有缓解人们争夺能源大战，大幅度削减物质能量消耗的正面能量时，纳米时代也被人们设想为了纳米武器的战争年代。而纳米在军事上的强大应用的可能性，会掀起新一轮的军备竞赛，结果还可能使新的霸权主义诞生。
纳米技术用于治疗疾病之外，还被考虑用在健康的人身上使人变得更满意自己或更被别人满意。现在在人们思考范围内的纳米技术用于人类增强引发的生命伦理思考大概有用于延长寿命、基因优先和人类复制。长生不老的灵丹妙药是古代道士帝王的不舍追求，如果纳米技术让他那变成了现实，也许并不是什么好事。当延长寿命普及到社会的时候，生命的质量和生命的价值都将受到影响，更不利于社会的发展。谁有生命无限的权利？少数人或每个人？科学家会成为控制个人生死的实施者吗？额外获得的寿命也许使人的价值观整个颠覆，漫长甚至无期的人生路人们能否依然保持该有的动力？人们能否依然只有唯一的伴侣？人们能否依然致力于保持家庭的稳定？甚至只来但久久不去的人会给早已超重负荷的地球更添压力，为了抢夺资源，将上演怎么样的大战。
基因工程刚刚被提出能帮助治愈如亨廷顿舞蹈这类家族遗传“绝症”时，本应获得来自社会受其迫害和善良的人们的欢呼，但当人们同时想到基因工程也能用来做点其他的改变，使人更完美或更如父母社会所期待的那样时，伦理学家们指出了其中的问题。神学论证认为人类不能代替上帝。但也有神学家认为上帝与人都有义务利用基因工程改善人类生物学。世俗论证主要反对改变人类胚胎基因和设计婴儿，强调生物复制性和不可预测性。生物学家纽曼引用动物克隆的教训，指出克隆和生殖细胞基因工程往往出现差错，破坏胚胎的正常发育，给人类胚胎带来不可接受的风险。但也有人认为现今的国际协议并没有妨碍父母利用生殖细胞和胚胎选择技术来改良他们的后代。在笔者看来，我们也许轻易地发现将纳米技术用于基因优生给人类带来的影响。首先，人们可以根据自己的意愿选择拥有一个儿子还是女儿。在传统的中国，我们将面临更严峻的男女比例严重不平衡状态，因为即使在文明程度达到如此境地的今天，重男轻女的思想依然存在。其次，贫富差距和社会不公愈演愈烈。有机会并有能力选择的父母将为自己的孩子选择尽可能好的未来吗，更好的外表、更强的记忆，更高的智商，将人生的比赛起点提前了很多，这些“优生” 的孩子将在未来处于更有利的地位，并“恶性循环”。
纳米技术引发的伦理问题归纳起来最引人担忧的还是安全问题，虽然纳米技术完全发挥科学家预想的功能还需要无法估量的时间，但是未雨绸缪，总可以避免毁灭性的灾难，以免“弗莱肯斯坦”的故成现实。一步步探索，一步步求证，纳米伦理与纳米技术同步发展，将为纳米技术保驾护航。尽管我国政府也重视发展纳米技术，也强调发展纳米伦理，但是我国纳米技术的伦理研究远远滞后于纳米技术的发展。首先，目前我国伦理问题的提出没有得到解决的办法，也没有国际的认可。其次，我国公众参与纳米伦理的意识薄弱。再者，文理分界明显阻碍发展。美国曾预言，纳米技术将带来与工业革命一样的影响，在可持续发展发面，工业革命留给世界很多的遗憾，人们希望这一次可以在还没有给环境给人类带来不能挽救的伤害时就采取对策引导其发展，我国纳米伦理的研究可以说才刚刚起步，完善纳米伦理研究方式为人类造福是所有纳米伦理研究人员的目标。
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纳米科学和技术范文6
[关键词] 纳米技术 体育 应用 思考
随着科学技术的发展，如何将纳米科技真正应用于体育运动，使运动训练更加科学化，使运动员的运动能力和运动技术水平得到更充分的发挥，运动成绩的提高更加有保证已经成为研究重点。
一、体育与纳米技术
1.利用纳米技术进行运动员的科学选材。由于纳米科技推动了微观生物学的发展进程，运用人类基因组计划和纳米技术，有助于我们对人类基因组中与运动成绩密切相关的基因加以认识和了解。有研究表明，人类基因组中有某些与人类运动能力密切相关的基因，其多态性的差异，有可能是造成人们运动能力和训练效果巨大个体差异的最终原因。该领域的研究，为人们进行有效的基因选材提供了理论基础，也为提高运动成绩提供事半功倍的方法。例如在运动员的选材方面，利用纳米加工技术进行DNA的分离和提取，可以快速有效地决定其基因序列，在分子水平上对其遗传、发育进行研究，实现更高层次的基因选材。
2.利用纳米科技揭示人体对各项运动能力的适应度和对各项运动能力的遗传度，找到运动训练在人体生长发育过程中的关键阶段(如青春期)的影响及作用机制。通过开发一种可以植入皮下微型生物芯片，模拟健康人体内的葡萄糖检测系统监测机体在运动过程中血糖水平，然后根据人体需要，适时释放糖等物质，维持机体在运动过程中的血糖水平，有效地提高机体的运动能力。
3.利用纳米技术进行体育运动与健康关系的研究。利用纳米微粒技术，可以灵敏地检测各种组织的特异性蛋白，探讨某些运动性疾病的发病机制，有效地对运动员进行医务监督，维护运动员的健康。通过纳米级敏感器可以监视运动训练导致的细胞内结构的形态与数目的变化，以及这些变化所反映各器官功能结构的功能状态。纳米科技在中国传统医学中的应用，使传统中医药对运动损伤与运动性疾病的预防和治疗具有更好的效果。
4.利用纳米技术防止运动性疲劳和加快其恢复过程。关于运动性疲劳发生的机制，目前虽然有许多假说，但确切的疲劳机制还有待于进一步研究。由于纳米科技在医学上的突破，将对运动疲劳机制尤其是在中枢神经系统方面及其靶器官和靶细胞的研究将更加深入，人们可以利用纳米生物芯片直接研究机体在运动过程中骨骼肌、心肌、肝脏和神经等组织的代谢过程，探讨中枢和外周运动性疲劳及其恢复的生物学机制，并且可以通过某些手段(如纳米药物)抑制导致运动性疲劳的基因表达或诱导加速恢复的基因表达。
5.利用纳米技术防止运动损伤与运动性疾病的临床诊断与治疗。纳米医学材料的研制，对于人造器官、人造肌肉、骨骼、关节皮肤等成为永久性的非排斥性。用纳米机械潜入人体的血管和器官，对人体进行检查和治疗，并且可以进入毛细血管以及器官的细胞内，对损伤的细胞进行治疗和处理，甚至可以从细胞基因组中除掉“有害”的DNA，或把正常的DNA安装到细胞基因组中。
6.利用纳米技术对运动员进行机能评定。在人们全面了解运动引起机体产生适应性变化的基因调节机制后，人们可以通过基因工程技术和纳米技术对运动员的疲劳状态、运动训练的适应性及其免疫功能等进行基因诊断。这种诊断一般是在基因的转录水平上进行评定，可以较早地发现运动员在运动工程中的机能变化,具有较好的应用价值。
7.利用纳米技术了解控制运动营养水平，使运动员的营养代谢趋于更加合理和平衡。通过纳米级敏感器使运动员的营养代谢处于一个精细、准确、严密的监控中。运动员所需的营养素完全按照运动项目特点和个人的生理特点进行补充和调配，使运动员的营养变得合理化、科学化。
8.利用纳米技术对体育运动进行精确客观的定量分析。利用纳米技术对运动时人体的骨骼、肌肉、血液组织以及心血管系统、呼吸系统、消化系统等各器官系统对运动训练的适应性进行客观的精确的定量分析，不仅使运动训练更具有科学性，也大大地提高运动员训练的成材率。
二、纳米技术在竞技体育中的作用
1.纳米相材料技术。这是一种通过控制结构纳米颗粒的大小而制造出强度、颜色和可塑性都能满足人们需要的相材料，这种纳米相材料除微观结构与普通材料完全不同外，在宏观上也表现出许多奇妙特征，如纳米相铜强度比普通铜高5倍，纳米陶瓷摔不碎等。这种纳米相材料技术已应用在体育器械、场地和服装的改进方面。就拿撑杆跳运动员使用的撑杆来讲，撑杆跳高最早使用的撑竿是竹竿，1942年美国运动员达姆首次在国际比赛中使用了轻合金撑竿而创下了4.77米世界记录。可以想象应用纳米相技术，将会生产出具有“个性化”(根据撑竿跳项目的特点和竞赛规则的要求及运动员自身的生理和技能特征的)撑竿，使该项目的世界记录再有突破。
2.纳米复合改进技术。少量纳米材料可以综合改善传统材料的性能。例如美国把AL2O3纳米颗粒加入到橡胶中提高了橡胶的耐磨性和介电特性。
3.纳米器件技术。利用纳米器件技术生产的分子自组织结构可用于电子记忆、数据接收、存储器和传递等，这种器件运用于体育训练将大大增加训练的效率和成绩。
三、纳米技术应用于竞技体育所引起的思考
综上所述，随着科学技术的发展，纳米技术在体育运动中的应用显得日益重要，同时，也会引起一些体育道德和伦理道德问题。同时我们要思考的是：器材的高科技化是否会削弱运动员在竞技体育中的主体地位，从而变相剥夺运动员的竞赛权利？若运动成绩的提高在较大程度上依赖于器械和服装的高科技化，这是否会带来一些新的不公平？器材作弊是否会成为兴奋剂的另一种表现形式？这些是我们必须考虑的。可以通过修改某些项目的器械的设计规则，加强一些项目的器械、服装的申报和检测程序，国际奥委会和各国际单项体育联合会要针对纳米技术等高科技的新成就加强新的检测手段，来杜绝运用器械作弊;通过对运动员、教练员、裁判员和科技工作者等进行个体道德教育，以保证竞技体育更好地弘扬奥林匹克精神。
参考文献:
[1]芸世纪之交的我国运动形态学研究.中国运动医学,2000,19(4):340～341
