纳米科学技术的发展和未来（二）

纳米生物学与医药纳米结构检测

纳米科学技术是指在纳米尺度(约在1～100纳米之间)上研究物质的特性和相互作用(包括原子、分子的操纵)，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到了原子和分子水平，是当今最重要的新兴科学技术之一，已经引起了科学界和产业界的极大关注。

纳米科技的起源

纳米是长度度量单位，一纳米为十亿分之一米。纳米科技这一初始概念是已故美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖得主费恩曼(R.Feynman)于1959年在美国加州理工学院作题为"在低部还有很大空间"的讲演中提出的。费恩曼指出：如果人类能够在原子或分子尺度上来加工材料、制备装置，则将会有许多激动人心的新发现。他还强调：人们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质。费恩曼憧憬说：试想，如果有一天，人们可以按自己的意志来安排一个个原子，将会产生怎样的奇?

与所有的天才假想一样，费恩曼的科学思想起初并未被接受。然而科技的迅猛发展很快证明了费恩曼是正确的。继费恩曼之后，许多科学家又尽情发挥想像力，从不同角度继续编织纳米技术的神奇梦想。

纳米科技的迅速发展是在1980年代末1990年代初。1980年代初，宾尼希(C.Binnig)和罗雷尔(H.Rohrer)等人发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器--扫描隧穿显微镜(scanningtunnelingmicroscopy，STM)。STM不仅以极高的分辨率揭示出了"可见"的原子、分子微观世界，同时也为操纵原子、分子提供了有力工具，从而为人类进入纳米世界打开了一扇更加宽广的大门。

与此同时，纳米尺度上的多学科交叉迅速形成了一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。1990年，纳米技术获得了重大突破。美国IBM公司阿尔马登研究中心(AlmadenResearchCenter)的科学家使用STM把35个氙原子移动到各自的位置，组成了"IBM"三个字母，这三个字母加起来不到3纳米长。

1990年7月，第一届国际纳米科学技术大会和第五届国际扫描隧穿显微学大会在美国巴尔的摩同时召开，正式宣告了纳米科技作为一门学科的诞生。其后，《纳米技术》、《纳米生物学》、《纳米粒子研究》等国际性专业期刊也相继问世。至此，纳米科技正式步入科学殿堂，并迅速成为一颗耀眼的新星。

由于纳米科技的多学科交叉性质，纳米科技的研究对象涉及诸多领域，而它的基础研究问题又往往与应用密不可分。根据纳米科技与传统学科领域的结合，人们常将纳米科技分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米机械学和纳米加工等。为简便起见，本文分纳米材料、纳米器件、纳米生物和医药、纳米结构表征与检测四类来介绍纳米科技。

纳米材料

纳米材料是纳米科技的基础和先导，已成为世界各国纳米科技发展的热点。纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度，并且具有特殊性能的材料，其主要类型为：纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材等。

纳米材料尺寸小，会产生常规材料所不具有的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，以及大的比表面等，使纳米材料具有许多不同于传统材料的独特性能，从而优化材料的光、热、电、磁等性能，从根本上改变材料的结构，为克服材料科学研究中未能解决的问题开辟了新途径。

纳米材料的研究主要包括两个方面：一是发展新材料，二是系统地研究纳米材料的性能和结构等，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。

目前研究的纳米材料主要有以下五类：(1)纳米陶瓷材料，以此克服传统陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有金属的柔韧性和可加工性;(2)纳米电子材料，即用于纳米电子学研究的材料。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新理念构造电子系统，以开发物质潜在的存储和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破;(3)纳米生物及医学材料，即用于生物工程的材料;(4)纳米光电材料，用于现有的光电转换;(5)化工领域的高效长寿的催化剂以及多用途的具有特异性能的新型粉体材料。

纳米器件

纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，制造具有特殊功能的产品。因此，纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。

纳米器件的研究动力来自市场需求和科学发展两方面。纳米器件通常可分为三类：纳米电子器件、光电子器件和分子电子器件。纳米电子器件有单电子器件、隧穿器件、磁通量子器件、自旋器件等;光电子器件有低维半导体激光器、探测器和调制器等;分子电子器件主要有分子开关和分子逻辑器件等。

制造具有特定功能的纳米产品的技术路线可分为"自上而下"和"自下而上"两种方式。"自上而下"是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化;"自下而上"是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，构筑成具有特定功能的产品。其中，后一种技术路线可减少对原材料的需求，降低环境污染。

1999年，美国联邦政府向国会提出的国家纳米技术计划中，把纳米器件作为研究重点之一。计划描述的纳米器件的远景是：纳米技术将促进信息技术硬件的革命，其意义可能会超过30年前微电子取代真空电子管的革命。微小的晶体管和存储芯片将成百万倍地提高计算机的速度和性能，成千倍地提高单位面积的存储密度，电子存储器件可达到数千兆的存储容量，使数据能存储在针尖上，数万倍地降低功耗。

最近，美国康奈尔大学利用生物分子部件研制的一架80纳米大小的"纳米直升机"，可在人体生物能量的驱动下，实现自行组装、维护和修理，其由金属镍制成的螺旋桨可利用人体生物能每秒转8周。

人们希望通过对纳米生物学的研究，进一步掌握在纳米尺度上应用生物学原理制造生物分子器件的技术。目前，科学家已在纳米化工、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面做了重要尝试。

纳米生物和医药

纳米科技的发展方向之一是基于纳米材料、纳米器件及纳米表征测量技术等推动生命科学技术。各国对纳米生物医学的研究与发展都给予了高度重视。

纳米生物学在纳米尺度上研究生物结构与生物反应机理，其中包括复制、修复以及调控等多方面的生物过程，其研究对象是纳米尺度的生物大分子、细胞器等生物体的结构、功能以及动态生物过程。

纳米生物学与分子生物学的主要不同在于它利用纳米表征测量技术等手段，直接在纳米尺度上从事研究，它不仅包括对分子结构的观察，而且还以对分子的操纵和改性为目标，根据生物学原理，发展分子工程(主要包括纳米尺度的机器人以及智能化的信息处理系统)。纳米医学则是借助纳米科技开展疾病预防、诊治以及康复等许多医(药)学应用的科技，将对人类卫生健康事业的发展起巨大的推动作用。1992年创刊的《纳米生物学》标志着纳米生物学的诞生。1999年，美国出版了《纳米医学》的第一卷，表明人们已开始多方位探索纳米科技在医学临床诊治、药物学、康复等方面的应用，并将直接应用于人类健康关怀事业。

就国内外发展动态而言，今后，纳米生物医学的发展重点主要为：单分子等生物纳米结构的检测与操纵、功能分子组装技术(含基于DNA的纳米技术)、纳米材料的安全性研究、纳米磁性材料及其生物医学应用技术、纳米材料及技术在医学材料研发方面的应用、生物医学纳米器件、纳米技术推动药学进步的研究等。

纳米结构表征与检测

纳米科技是科学发展的新领域，在这个领域内，很多结构和特性还不为人们所认识，因此测量和表征是发展纳米科技的入门和基础，也是纳米科技发展的前提和条件。这些测量和表征包括：①结构测量，包括纳米结构的形貌，纳米材料的颗粒尺寸测量与粒度分布分析，结构的周期有序性和完整性测量等;②物理化学性能测量，如电学、磁学、热学、电子态、化学键合等性质的测定;③对纳米结构在原子、分子尺度的操纵和控制及原子、分子尺度结构的构建等。

用于纳米结构的表征技术中，一部分是属于常规的、发展完备的实验方法，如X射线衍射、电子显微镜等，另一部分则是以扫描隧穿显微镜为代表的扫描探针显微(ScanningProbeMicroscope，SPM)技术。SPM技术不仅使人们能以原子、分子分辨率直接观测样品表面纳米尺度的结构，观察原子、分子的排列和取向，还可以用于操纵单个原子、分子，对物质表面进行可控的局域加工或进行局域的化学反应。

SPM技术的这些独有特点使它成为当今表面科学、材料科学、纳米电子学、生命科学等领域重要的研究工具，因此被形象地称为纳米科技的"眼"和"手"。所谓"眼"，即可利用SPM直接观察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性;所谓"手"，是指SPM可用于移动原子，构造纳米结构，同时为科学家提供在纳米尺度下研究新现象、提出新理论的微小实验室。

同时，与纳米材料和结构的制备过程及纳米器件性能的检测相结合的多种新型纳米检测技术的研究和开发也受到广泛重视，如激光镊子技术、聚焦粒子束加工技术等。由于SPM以及其他新型纳米检测技术的进步与完善，纳米科技的最终目标--制造纳米产品的梦想正在逐步变为现实。

纳米科技的发展前景

鉴于纳米科技对高新技术产业的重要影响，世界上掀起了纳米技术研究的热潮，很多国家纷纷制订纳米技术研究开发专门计划，争取抢占21世纪科技战略制高点。综合分析国内外纳米科技发展现状，目前，纳米科技的发展大致有几个方面的发展趋势。

材料与制造纳米技术将对材料制备产生根本变革：将合成并建造尺寸和性能可控、重量更轻、强度更高、加工性更好的材料;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的或自然界不存在的材料，以及其他生物材料和仿生材料。

纳米电子与器件将研制更节能、更价廉、使计算机的效率提高百万倍的纳米结构微处理器、更高工作频率的宽带网、海量的存储器、集传感、数据处理和通讯为一体的智能器件等。

环境和能源发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被损坏的环境;提高监测环境的传感器灵敏度;更有效地处理核废料;利用纳米过滤器分离核燃料中的同位素;成倍提高太阳能电池的能量转换率。

医学和卫生纳米技术将给医学带来变革：利用纳米器件进行基因诊断，以及早发现癌细胞，并主动搜索和攻击癌细胞或修补损伤组织;为药物在体内输运提供新的方式和路线;预防移植后的排斥反应。

生物技术和农业生物合成为制造新的化学品和新药提供了新方式。通过在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等，对动植物的基因进行改善和治疗，将药物和基因植入动物体内，利用纳米阵列测试DNA，了解生物的基因和基因表达。

航空与航天纳米器件在航空航天领域的应用，不仅可增加有效载荷，更重要的是可使耗能指标指数成倍地降低。这方面的研究内容还包括：设计和制造重量更轻、强度更高、热稳定性更好的纳米结构材料;为微型航天器研制用纳米集成的测试、控制和电子设备;研制低能耗、抗辐射、高性能的计算机。

科学与教育纳米科学将极大地改变人们对客观世界的认知水平，推动物理、化学、生物学、材料科学、数学和工程学等学科的发展。

国家安全由于纳米技术对经济社会的广泛渗透，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家将在国家经济和国防安全方面处于有利地位。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，可极大地提高军队在预警、导弹拦截等方面的反应速度;通过纳米机械学、微小机器人的应用，可提高部队的灵活性并增加战斗的有效性;通过纳米材料技术的应用，可大大提高舰船、潜艇和战斗机等武器装备的耐腐蚀性、吸波性和隐蔽性。

由于人们在原子、分子水平上对物质控制能力的提高，纳米科技发展的进程正在逐步加快。2000年10月，中国政府明确提出了将新材料和纳米科学的进展作为"十五"规划中科技进步和创新的重要任务，这为中国21世纪纳米科技的快速发展奠定了重要基础。近年来，中国的纳米材料研究取得了重要进展，引起了国际上的关注，使中国的基础研究在国际上占有了一席之地，应用开发研究也出现了新局面。相信在各方的共同努力下，中国定会为纳米科技的发展做出更大的贡献。