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>> 發現之旅

    那麼,1990年,第一屆國際的納米科技會議在美國的巴爾的磨,與第五屆的國際掃描隧道顯微學的會議同時舉辦,那麼納米技術這個專業的學術刊物,Nanotechnology(納米技術),在1990年創刊,1991年創刊了Nanotechnology(納米技術),這兩個專業刊物,那麼大家認為,説90年代是納米科技誕生的時候,90年代初,但是也有人不同意見,像美國科學家,他們認為納米科技誕生的時候就是1981年,或者1982年,是掃描隧道顯微鏡誕生的時候,就是納米科技的誕生之日,有人有這麼一個觀點。

  這是1990年在美國巴爾的磨召開的第一屆的納米科技的國際會議,接著1993年莫斯科,1994年在丹佛爾,1996年在北京,98年在伯明翰,去年在美國波斯頓,目前已經開了六界的納米科技的國際會議,那麼在納米尺度上,這種多學科的交叉性,展現了巨大的生命力,迅速的形成了一個具有廣泛學科內容和潛在應用前景的研究領域。


  我是把納米科技的應用領域把它分為三個大的方面,第一個是納米材料,第二個是納米裝置,第三個是納米區域的探測和研究,表徵分析。

  下面我就分別介紹這三個大的領域,這個納米材料是納米科技的基礎,它的主要類型分為這麼四個大的方面,一個是納米顆粒與納米分體,就是納米材料它這尺寸,顆粒或者粉體都在納米的量級,都是粉狀的東西,顆粒狀的東西,那麼這是第一類。

  第二類是以組的納米材料,就是它有一個方向在納米量級,比如説碳納米管,是一個直徑再納米量級,但是非常長的,這麼一個管狀的東西,或者以維的納米材料,納米線,納米硅之類的,以維納米材料,就是一個方向上,兩個方向上,是納米尺寸,還有一個方向上是納米尺寸。

  比如納米薄膜,納米薄膜分成幾個方面,一個是納米的顆粒膜,就是説,顆粒大小都在納米量級,表面上構成一層膜,另外一種膜就是納米的層狀膜,就是涂層的厚度在納米的量級,一層一層的,納米薄膜。

  第四種是納米塊材,就是把納米的材料給壓製成一個整體的,宏觀上看著跟一塊一塊一樣的東西,這是納米塊層,大概分成這麼四個大的類。

  納米材料的性能,它是與傳統的材料,有非常大的不同,有的是傳統材料所沒有的,有的是傳統材料的特性有了很顯著的提高,比如説納米金屬固體的硬度,一般要比傳統的粗晶材料,就是不是納米的,要硬3到5倍,納米固體鐵的斷裂應力,它比常規的鐵材料會提高近12倍,那麼納米的固體銅,它比一般的銅材料的熱擴散增強近一倍,那麼納米的磁性金屬的磁化率,是普通磁性金屬的20倍。

  你想想看,它同樣東西,材料品質不變,把它做成一個納米量級,它很多性能就發生了非常重要的顯著的改變,比如説,我們知道,銅或者鋁,宏觀上銅和鋁什麼樣子,我們都知道,銅線,鋁材,鋁線,鋁材,但是如果你把銅和鋁給加工成納米顆粒時候,你把納米銅,納米鋁你放到桌面上的時候,它自己會燃燒起來,會著起來,會爆炸,它跟銅和鋁宏觀就不一樣,所以它可以作為火箭推行劑的燃料,你想想這同樣是銅和鋁。

  陶瓷耐高溫,很好的硬度,但是它易碎,掉地上會摔碎,但是如果把陶瓷的顆粒,做成納米量級,或者這裡面摻雜一些納米量級,它具有很高的硬度和耐高溫,它同時掉地也不會摔碎,那麼這樣,比如做陶瓷發動機,它可以耐高溫,它就不必像現在的發動機,需要水的冷卻,它的熱效率會提高。

  另外一個納米材料,納米氧化物,這個納米氧化物它可以在電場作用下,可以改變顏色,不同光,不同電場,就改變不同顏色,那麼可以豐富多彩,做廣告板。

  另外像納米氧化物,在催化及環境保護方面,都有廣泛的應用前景,比如説,用納米的二氧化鈦,可以廣泛的應用於防曬霜,防曬,化粧品當中,用的納米二氧化鈦,它可以吸收紫外線,防曬,另外它可以做轎車金屬色的面漆,可以做高壓絕緣材料,做銀光管等等。

  還有納米二氧化鈦具有催化性質,它可以降解汽車尾氣,所以像日本已經在高速公路的兩側,在公路的隧道之內,設置了涂有二氧化鈦的這種光催化板來防止汽車尾氣,汽車尾氣到催化板上,二氧化鈦就把汽車尾氣可以給它催化,變成性另外一種無毒的東西。

  那麼自清潔材料,那麼這也是一個納米材料很重要的應用,科學院化學所的江雷,他們做的這個納米的自清潔材料,通過自己建立一套理論,進行超 的界面材料,這個設計可以設計成,比如説粉色的是輸水,綠色的是輸油,那麼做成這樣的材料,表明輸水,這樣表明輸油,但是可以通這樣,就是説,這塊東西是輸水,但是裏面這塊輸油,或者這塊輸水,這裡面這個輸油,就使它具有既輸水又輸油的特性,界面的材料。

  那麼用這種方法,可以製備一些東西,比如説,這種超的雙氫的材料,涂在玻璃上,那麼,這面涂了,這面沒有涂了,浴室裏洗完澡以後,這面沒有沾水珠,這面霧氣就涂上了,這個不光是説家裏鏡子上,只是為了洗澡的時候不沾這個霧氣,但是還有一種,比如汽車的玻璃,後視鏡,你保持清潔,還有窗戶,比如窗戶玻璃經常臟,北京土也很大,你擦窗戶很難,涂上這個東西以後,它有土落上去,那麼一下雨,或者拿水一衝它馬上下來了,衝完以後玻璃上不留下一圈一圈水印,就不用你再去擦去了,因為我是到他實驗室(他實驗室)安了這麼一塊玻璃,玻璃上涂了這麼塊塗料,我看了看這個確實不錯,他拿礦泉水一衝,就不臟,其他地方還有很多水珠,臟東西留在那兒,尤其北京沙塵暴一來擦洗工作量比較(大)。

  現在他們正在做瓷磚,表面瓷磚,也是一樣,就是説能夠有自清潔效果,當然衣服上也可以做,具有自清潔的這種功能,那麼這個它倣照,比如説荷葉,荷葉它為什麼出污泥而不染,它表面上水不沾,它有很微小的納米結構,另外納米塑料也是這樣,比如説之我們這個塑料瓶可以裝可樂,裝雪碧,裝礦泉水,但是塑料瓶不能裝啤酒,但是啤酒玻璃瓶裝,很容易爆炸傷人,玻璃瓶一炸了,把誰眼睛給炸傷了,要索賠,或者很重,運輸也很不方便。

  那為什麼不能拿塑料瓶裝呢,就是塑料瓶氧氣透過率比較高,一般塑料瓶裝啤酒以後,當天變質,馬上就壞掉了,但是納米的塑料瓶它可以有效隔絕氧氣的透過率,它可以裝啤酒,那麼現在據説美國已經有這種納米的塑料瓶裝啤酒,我們國家,化學所已經做出了這種材料,也出口到日本去,現在在合作在考慮能不能把它也作為我們國家的裝啤酒的塑料瓶。

  但是吹這個瓶的技術,美國人有專利,所以説,這個可能還得看如何突破美國人的專利,所以這裡做報告,我就希望我們今天還有很多年輕的科學家,工程師,希望你們特別注重專利的保護,要不然最後你有技術出來以後,專利覆蓋了,也沒辦法。

  那麼也可以做納米的尼龍材料,做簾子線,做薄膜等等,還有利用它做一些納米的管材,具有自阻燃的特性,有些納米的材料它自己燒不起來,不能燃燒,這樣火災的發生,很多由於它是有毒氣體熏死了,而不是真正燒死的,那麼塑料的東西,燃燒以後,産生有毒的氣體,那麼如果這個塑料東西它不著,你做室內裝飾材料它就不會産生火災,造成那麼大的危害。

  所以在材料的發展上,要想做材料的目標,還是要做更輕,更強可設計的材料,使材料提高它的使用壽命,從而降低維修的費用,那麼再一個就是以新的原理和新的結構,在納米的層次上,來構築特定性質的材料,或者自然界不存在的材料。

  那麼做生物材料和倣生材料,還有對材料破壞過程當中,做納米級的損傷的診斷和修復等等。第二個大的領域,講納米器件,剛才講的是納米材料,剛才我前面説了,我説納米科技會帶來一場産業革命,很重要一個因素是來源於信息産業對它的需求,器件的發展,是非常重要的,所以説,我們説,如果説將來納米科技,我們到了納米時代,納米技術産生像微米技術這樣,對於我們人類的生活和生産方式,産生這樣深刻而廣泛的影響,那麼這才叫納米時代時候到來了,那麼這個到來的標誌,就是納米器件的研製水平,和應用程度。

  比如有科學幻想,預期説將來做納米的材料,納米器件,説可以做成微小機器人,到你血管裏頭爬行,説裏面血管內壁有膽固醇,給你清除,或者給你進行微小的治療,那個時候就是説分子馬達是非常重要的,因為分子馬達它是不需要外接的電力,或者很粗的東西,它必須靠那個來進行運動,因為在體內就有。

  那麼用納米器件製成的計算機,計算能力可以提高上千倍,那麼所需功率僅是目前的百萬分之一,這個納米的光電的學可以使通訊帶寬增強百倍,那麼利用納米技術也可以使信息存儲量成千倍的提高,還有製成集成納米的傳感器等等。

  第三個我來介紹一下關於納米科技前景的展望,這個納米科技它的應用領域可以分為幾個大的部分,比如在材料和製備上面,這個前面我已經講了應用,將來以後還有更有進一步發展,那麼在微電子和計算機技術方面,我也舉了它可能發展的例子,那麼這裡面我就不再講了。

  那麼在醫學與健康,航天與航空,環境與能源,生物技術,國家安全可以講一點可能的展望,比如環境和能源,發展綠色能源和環境處理技術,來減少污染或者恢復被破壞的環境,用納米技術,可以去除水和空氣當中極小顆粒的污染物質,説這水臟了,你如何給它去除呢,可以在水當中,小于200個納米的污染物,和空氣當中小于20個納米的污染物,來同時把它去除掉。

  那麼另外假如説你要通過納米技術,把藥物,很多人認為藥物你吃完以後,實際上很多東西並沒有被吸收,排出體外的,如果做成納米級顆粒以後,會有助於藥物的吸收,當然在介入治療當中也非常有作用,比如説,我舉個例子説,關於食道鏡,胃鏡檢測對人損傷很痛苦,現在還沒有用納米技術,用微小製備技術,把檢測的這種探頭,做成一個藥丸那麼大,你可以吞下來,吞下來以後,腰帶上別一個像BP機那麼大的接收機,那麼這個東西進到你的食道,胃裏頭以後,腸道裏頭以後,它不斷向外發射,它這裡面觀察到圖像,這時候你就可以知道,食道,胃裏邊它的內部的結構,就不需要非常痛苦的來吞食一個非常大的內窺鏡檢測的,這樣給病人自己痛苦的這樣一種觀察治療方式。

  所以如果把藥物或者治療器械做得非常小的話,可能都不用納米技術,都會給人類造福,使疾病的檢測和診斷起到更好的作用,那麼在生物技術上,在納米尺度上,如何按照預定的對稱性,排列來製備具有生物活性的蛋白質,核酸等等,如何加強通過納米材料和器件中植入生物材料,使其兼具生物功能和其它功能,來打破生命物質與非生命物質的界限,以及生物倣生學藥品和生物的可降解材料等等。

  納米技術在這方面也會有所作為,那麼航天和航空,那麼肯定是一樣,你把器件做得非常之小,它不僅僅是減少體積,它會減少能耗,因為很多航天的器件,航空的器件是需要提供太陽能電池,提供能源,耗能越少就會增加航天器的有效載荷,成指數倍的降低耗能指標,像美國NASA(國家航空航天局)就希望,航天器採用納米材料以後,發射費用,可以從目前的每磅一萬美元,降至二百美元,那麼,其製造成本也將只需6萬美元做一個航天器,體積也會大大減小,縮小。

  那麼國家安全,就是我們現在這種微電子技術,對我們戰爭這種方式,對國家安全影響,我們就可以知道,納電子技術,同樣會對國家安全産生非常重要的影響,那麼不僅僅是在這方面,就是説它對國家經濟安全,和國防安全,都是誰掌握了納米技術的知識産權,和廣泛應用,都會處於非常有利的地位。

  那麼納米科技對於維護國家安全的重要性,從當前的微電子技術,對信息戰的影響,就可見一斑,所以納米科技的發展,會給未來戰爭帶來比目前信息技術更大的影響,從戰場上的大容量信息,包括數據圖像的實時傳遞,戰爭的指揮,導彈的預警,核武器的防護,到納米技術製造的微型偵查裝置等等。都會對國家安全産生非常重要的影響。

  現在美國國家納米技術倡議,在國家安全方面又包含很多的內容,那麼納米的發展也可能經歷過幾個階段,美國一個公司預期納米科技發展可能經歷五個階段,它説第一個階段是要準確的控制原子數量,在100個以下的納米結構物質,這需要使用計算機設計製造技術和現有工廠設備,超精密電子裝置,那麼這個階段市場規模大約是五億美元。

  第二個階段是生産納米結構物質,這個階段納米結構物質和納米複合材料的製造,將達到實用化的水平,其中包括從有機碳酸鈣當中,制取的有機納米材料等等,這些市場規模,大約在50億到200億美元之間,第三個階段就是大量製造複雜的納米結構物質將成為可能,那麼這個要求有高級的計算機設計製造系統,目標設計技術,計算機模擬技術,和組裝技術等等,這個階段市場規模將達到一百億到一千億美元,到第四階段就是納米計算機將得以實現,那麼這一階段的市場規模將達到兩千億到一萬億美元,那麼第五個階段是將研製出能夠製造動力源與程序的自律化的元件和裝置,市場規模將達到六萬億美元。

  他預計在2010年之前,納米技術有可能發展到第三個階段,就是超越量子效應障礙的技術,將達到實用化水平,這超越量子效應障礙的技術什麼意思,就是前面我講的,就是説由於微電子技術的發展,量子效應會越來越顯著,線條寬度越小的話,那麼量子效應對微電子技術的發展,會産生技術局限,或者叫量子效應障礙,那這麼一説十年左右時間,超越這個障礙的技術也可以會達到實用化的水平。

  任何一個國家,他們都為了爭奪納米技術領域的領先地位,每個國家,都紛紛的實施了納米科技的研發計劃,在不同的方面各有特色,有些方面,比如美國在納米結構的組裝體系,納米顆粒製備合成,納米生物學方面,處於一個領先地位,歐共體在納米器件,納米儀器,超精度工程等方面具有領先地位,那麼德國在分子電子學技術,在納米材料方面,超薄膜方面有很強優勢,那麼日本在納米器件和複合材料方面有較強實力,説每個國家自己優勢方面可能不盡一樣,他們就是以未來的經濟發展和國家安全的需求為目標,來推動納米科技領域的基礎研究,義務研究和開發研究。

  那麼重視納米技術和納米材料,改造傳統産品和産業,産業和産品,提高技術含量,生産能力,那麼美國,已經開始推動了一個國家級的納米科技的研究計劃,政府投入將近5億美元,完全是聯邦政府的投入,德國和法國也分別建立了國家級的納米科技中心,配備了很多的人,給予了很強的投資,德國也有六個中心,美國有十幾個中心,日本也是有大的國家計劃,另外也推動新的研究中心的建設,那麼我們國家,實際上在90年代,就已經通過攀登計劃,科學院的部門,基金委就投入了一些錢,來資助納米科技研究,但是在前一階段,我們總共投入大概七百萬美元,跟發達國家相比,有很大差距,我們國家國際上地位可能在納米材料方面還比較好,在其他方面比較弱,材料在第四位左右,現在最近又有進展,是95年統計的,最近我們納米材料領域還有更多進展。

  那麼國內也成立了很多大學,有大學,科學院成立了一些研究中心,那麼兩會通過的十五綱要,把納米材料,納米科學的進展,作為十五規劃當中科技進步和創新的一個重要任務,所以國家也是制定了這方面的計劃,現在剛剛發了一個國家級的納米科技發展的綱要。

  我們認為,就是説為了我們國家科技的發展,提高我們國家科技競爭力,我們認為只要我們能夠決策得當,決策正確,措施得當,突出重點,我們完全可以在國際納米科技舞臺上,佔有一席之地,並且在某一方面實現跨越式的發展。

  我們國家目前成噸級以上的納米粉體的生産線已經有將近20條,現在不完全統計,有300多家企業從事所謂納米科技的發展,當然90%以上都是50以下的小企業,民辦企業比較多,所以我們國家希望通過這個總體的目標,希望能夠建成若干具有國際一流水平的科研創新基地,大幅度提高納米科技的創新能力,能夠形成一批具有市場競爭力的骨幹企業。

  那麼,在這方面,我們可能還要圍繞國家目標,加強基地建設,同時要把基礎研究和應用研究相結合,尤其對市場需求,要以市場需求為導向,加強應用技術的開發,促進産業化,同時還要注重知識産權,知識産權的保護,尤其在納米器件方面,國外申請了很多很多的專利,那麼在這方面我覺得我們國家應該特別注重知識産權的保護,不要再過幾年以後,我們自己即使開發出新的技術來,但是已經被人家所涵蓋。

  國家現在已經成立了國家的納米科技指導協調委員會,來加強對納米科技研究與開發的領導與協調,同時準備實施國家的納米科技專項行動計劃,有助於調動各方面積極性,集中精力和條件,能夠在某一方面取得重要突破,我想我今天就把關於納米科技它的概念,它的定義,它的發展的歷史,它的研究的領域,以及發展的展望,以及國外國內以及我們科學家對納米科技發展的一些基本情況,跟大家做了一個簡要介紹,我想我就講到這,謝謝大家!

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(編輯:戴昕來源:CCTV.com)