第一节 纳米技术的发展与影响

由美国国家科学基金会（NSF）和美国商务部（DOS）共同资助的研究报告《聚合四大科技，提高人类能力》指出，“科学和技术的聚合始于纳米尺度的综合，它创造了大量的机遇，对人类发展而言，具有个人、社会和历史各方面的巨大影响”。纳米技术在四大科技中具有基础性作用，它的兴起和迅速发展，将对人类产生深远的影响。

一 纳米技术的兴起与主要特征

纳米是一个长度单位。在人类的日常感知参量中，长度单位是米（m），1纳米（nm）为十亿分之一米（10 -9m）。更直观地讲，“一般人类头发丝的直径在70—100微米左右，即约为7万至10万纳米。若形象地比喻，1纳米的物体放到乒乓球上，就像乒乓球放在地球上一般”。

1959年，著名物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）提出了纳米科技问题，即如果人们能在原子/分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。我们需要新的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性质，那时，化学将变成根据人们的意愿逐个准确地堆放原子的问题。1974年，谷口纪男（Taniguchi）最早使用纳米技术（Nanotechnology）一词描述精密机械加工。20世纪70年代后期，麻省理工学院教授埃里克·德雷克斯勒（Eric Drexler）大力倡导纳米科技研究，但为当时多数主流科学家所怀疑。到80年代末90年代初，纳米科技由于扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术的发展而迅速发展，纳米尺度上的多学科交叉研究展现出巨大的生命力，迅速发展为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的研究领域。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，标志着纳米科技正式诞生。

所谓纳米科技，是指在纳米尺度（1—100nm）上研究物质（包括原子和分子的操纵）特性和相互作用，以及利用这些特性开发新功能器件的一门科学技术，是现代科学与现代技术相结合的产物，涉及物理学、化学、材料学、现代仪器学、生物医学等众多基础学科。它的主要研究内容包括三个方面：纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技的基础，纳米器件的研制水平和应用程度是我们是否进入纳米时代的重要标志，纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段，是实践和理论的重要基础。纳米科技最基本的问题是合成结构与性质具有对应关系的纳米材料。

从研究的空间尺度看，人们对物质世界的研究主要从宏观和微观两个层次展开，特别是量子力学和相对论创立以来，人们在宏观和微观两个方面都取得了巨大的进展。然而，在基础物理的研究中，人们发现在介观体系中，表面和介面问题随几何尺寸的缩小而显得至关重要。在纳米尺度上，表面原子或分子占了相当大的比例，已经无法区分物质是长程有序（晶体），短程有序（液态），还是完全无序（气态）。介观态物质的性质不是取决于物质内部的原子或分子，而是主要取决于物质表面或界面上分子的排列状态，它们由于具有量子力学上强关联性而表现出完全不同于宏观和微观世界的奇异特性。纳米科技的最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。纳米材料主要有以下特性。

小尺寸效应。即当固体颗粒的尺寸与德布罗意波长相当或更小时，这种颗粒的周期性边界条件消失，其力、热、声、光、电、磁等特性出现改变而导致新特性的出现。比如纳米金就有明显的小尺寸效应，当其由块体变为粒径分别为20nm、5nm、4nm、2nm的纳米颗粒时，其熔点从块体的1064℃下降为900℃、850℃、750℃、330℃，相应地，颜色也发生较大的变化。

表面效应。是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比（称为比表面积）随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。以球性纳米粒子为例，其表面积与直径平方成正比，体积与直径的立方成正比，故球体的比表面积与直径成反比，即球体的比表面积随直径的减小而显著增大。因此，纳米粒子表面原子缺少近邻配位的原子，使表面总是处于施加弹性应力的状态，有着比常规固体表面过剩许多的能量，具有较高的表面能和表面结合能。

量子效应。是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。在纳米粒子中，未被占据的高低轨道能级间距随粒子粒径变小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，纳米微粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，即量子尺寸效应。量子尺寸效应产生了能级宽化，使纳米粒子的发射能量增加，光学吸收移动，直观上表现为样品颜色的改变。

宏观量子隧道效应。隧道效应是指电子贯穿势垒的现象。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。量子效应和宏观量子隧道效应是未来微电子学和光电子器件的基础，明确了现存微电子器件进一步微型化的物理极限。据计算，在制造半导体集成电路时，经典电路的极限尺寸大约在0.07μm。

从纳米科技的发展历史看，它不是像物理学、化学、生物学那样的单一学科，也不是单一学科的延伸或某一新工艺的产物，而是从不同学科研究向介观态（介于宏观和微观之间的状态）物质汇聚的结果。就纳米科技的跨学科交叉综合特性而言，目前很难明确区分纳米科学技术的基础科学问题和应用技术问题。如果从跨学科的角度看，它其实是一个综合性的科学技术群。联合国教科文组织发表的《纳米技术的伦理与政治》指出，目前尚无纳米技术的统一定义。而多种定义共存这一事实，恰好说明纳米技术像生物技术等新兴技术一样，模糊了纯基础研究与应用研究、公共研究与私人研究之间的界限。多学科背景和不同国家的科学建制将形成关于纳米科技的不同观念和不同关注点，这将影响到纳米技术的未来发展趋势。在该报告中，“纳米技术”一词既指基础研究又指应用研究，“在纳米技术中，科学与技术是紧紧地相互联系相互依赖的”。为方便起见，本文对纳米技术（Nanotechnology）、纳米科学（Nanoscience）、纳米科技（Nanoscience & Nanotechnology）不作严格区分，等同使用。

二 纳米技术的影响与发展趋势

与历史上其他新兴技术相比，纳米技术在其发展的初期（20世纪90年代）就引起了政府、科技专家、企业界、媒体和公众的高度关注，并得到了资本市场的青睐。各主要发达国家的政府都把纳米技术作为未来经济增长的“引擎”，有实力的大企业则把纳米技术的研发看成保持技术优势的良机。在纳米科技的投入上，政府与企业可谓双管齐下。产业政策和资本市场的强力推进，加速了纳米技术的研发进程。媒体的早期介入，在很大程度上强化了纳米科技的公众关注。美国《商业周刊》将纳米科技列为21世纪最有可能取得突破的三个领域之一。美国总统助理致国会的信中称：纳米技术将与信息技术或生物技术一样，对21世纪经济、国防和社会产生重大影响，可能引导下一场工业革命，应该把它放在科学技术发展最优先的地位。1999年，美国政府就把纳米技术列为21世纪前10年优先发展的11个关键领域之一，并于2000年拨款4.95亿美元，优先实施“国家纳米研究计划”（NNI）。从2000年起，美国联邦政府对纳米技术的投入逐年增加。2001年为4.65亿美元；2002年，美国国会纳米研发预算约为6.04亿美元，实际投入6.97亿美元；2003年，预算申请比2002年增加了17%，约7.10亿美元，实际投入为8.62亿美元。2003年12月，国会通过了《纳米科技促进法》，批准联邦政府从2005财年起的4年中投入约37亿美元，用于纳米科技的研究开发。2004年投入为9.89亿美元，2005年为10.81亿美元。2006年，布什政府提出在未来10年内，美国联邦政府将加倍扩增科技计划研究经费，主要投入到纳米科技、超级计算机应用、新能源开发等领域。2006年投入为13.5亿美元；估计2007年为13.9亿美元，2008年为14.4亿美元，2011年达到17.6亿美元。美国之所以在纳米技术研究上大量投入，其目的是想在纳米科技基础研究上保持绝对优势，在产业化上占领一半以上的全球市场。

除了美国这一领头羊之外，其他发达国家也纷纷加大对纳米科技的研发投入。加拿大政府于2001年正式宣布投资1.2亿加元，在阿尔伯特大学建立国家纳米技术研究院，整个项目包括1.8万平方米的纳米技术实验大楼，招募200名不同领域的科学家和培养250名研究生，计划在5年内建成具有世界领先水平的纳米技术综合研发中心。2005年6月，加拿大政府宣布投资455万加元，与加拿大商业联盟共同建立以纳米平面印刷为主的纳米制造中心，旨在推进纳米技术研究成果的商业化。以色列提出了国家纳米科技计划的基本框架（2003—2007），其目标是加大纳米科技的投入，5年内的总投入从原来的0.8亿美元增加到3亿美元。欧盟第六框架（2002—2006）计划为纳米技术研究拨款13亿欧元，将纳米科技作为7个重点发展的战略领域之一；2005年4月发布的欧盟第七框架计划（2007—2013），对纳米技术、材料和工艺的研发投入达到48.65亿欧元；同年6月，欧盟进一步公布了《欧洲纳米技术发展战略》，主要包括加大资金投入和加强技术平台建设。2011年11月，欧盟发布了第八个科技框架计划，在耗资约800亿欧元的总计划是，纳米科技亦是其重点领域之一。此外，欧盟各成员国也纷纷出台自己的纳米技术研究计划。德国从20世纪80年代就开始支持与纳米技术相关的研发。1998年则制定了专门的纳米研发战略和计划，从1998年到2004年，德国联邦政府对纳米技术的资助增长了4倍。2006年，德国教育和研究部开始启动了“纳米行动计划2010”。法国于2003年启动了“国家纳米科学计划”，增加纳米技术投资，建立了大型的研究开发网络和中心，调整了研发战略，加强了国内和国际合作。英国贸工部于1986年就提出了“国家纳米技术倡议”。近年来又在不断调整其发展战略，加大投入以应对世界纳米科技的巨大挑战。自2003年起，英国政府决定此后6年内拨款9000万英镑，用于支持企业和大学进行商用纳米技术开发。目前，英国有近100个学术研究团队，约有1000家公司投身于纳米技术的研究和生产。

日本对纳米技术非常重视，在20世纪70年代就实施了相关研究计划。目前，日本国会提出要把发展纳米技术作为今后20年日本的立国之本。自2001年开始，纳米技术研发计划就被列入“科学技术基本计划”的重大研究领域。参与纳米技术研发的企业数量多（近300家），资金投入量巨大。

2000年12月，中国科学院白春礼院士应邀为国家领导人作了题为“纳米科技及其发展前景”的讲座。他就纳米科技的意义与发展过程、纳米科技的研究领域、纳米科技的前景、中国纳米科技的发展状况和对策建议等问题作了系统介绍。中国政府在2001年7月发布了《国家纳米科技发展纲要》。《纲要》指出，纳米科技已经成为国际高技术竞争的热点之一，明确提出要占领科技制高点。并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。2006年正式颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020）》将纳米研究列为四项“重大科学研究计划”之一。

白春礼认为，纳米科技热不仅仅在于尺度缩小的问题，其实质在于其变革对于人类社会所具有的重大影响和意义：纳米科技将推动人类认知的革命，对这一交叉融合领域的认识形成的新概念和新理论，将会使人类建立新的世界观。纳米科技是信息科技和生物科技进一步发展的基础。纳米科技的突破，将引发一场新的科技革命和产业革命。纳米技术在生产和生活中的应用，会推进产品微型化、高性能化与环境友好化，节约资源和能源，为可持续发展提供新的物质和技术保证。由于纳米技术诱人的应用前景，人们对它寄予了厚望。认为随着纳米科学技术的发展及其应用，过去作为发展瓶颈的主要问题都将得到彻底解决或者缓解，这些问题包括健康与重大疾病防治、食品安全、水安全保障、油气安全保障、战略矿产资源安全保障、海洋监测与资源开发利用、清洁能源与再生能源、环境污染控制与生态综合治理、防灾减灾等。

总之，世界各主要国家普遍认为，随着纳米技术的发展，纳米电子代替微米电子、纳米加工代替微米加工、纳米材料代替微米材料、纳米生物技术代替微米生物技术是不以人的意志为转移的必然趋势。21世纪前20年又是发展纳米技术的关键时期，只有加速发展、抢占先机，才能在未来竞争中占据有利地位。