纳米技术

纳米技术（nanotechnology）主要研究结构尺寸在1～100 nm范围内材料的性质和应用，其中纳米（nm）和米（m）、微米（μm）等一样，属于长度单位。当粒子尺寸进入纳米量级时，由于纳米粒子的表面原子与总原子数之比随粒径尺寸的减小而急剧增大，显示出强烈的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，从而在光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面显示出许多奇特的性质。

国际标准化组织（Internation Standard Organization，ISO）关于纳米技术的定义是：在纳米尺度理解和控制物质的过程，通常至少有一维的尺寸是100 nm以下，利用纳米尺度的材料性质不同于单个原子、分子和体相材料，制造出可以利用这些新特性而被改进的材料、仪器和系统。

美国国家纳米技术研究院对纳米技术的定义必须同时满足三个条件：在原子、分子和大分子水平（1～100 nm）进行技术研究和开发；所制造的结构、装置和系统由于处于纳米尺度必须具有新颖的性质和功能；具有在原子尺度能够进行控制和操作的能力。

英国皇家协会对纳米技术的定义是：研究材料在极其小的尺度（原子和分子级别）下的新颖现象和性质；纳米尺度科学在工程和技术上的应用，从而实现新颖的材料和装置的生产，包括未来生物和医药应用的材料。

1959年，物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼（Richard Feynman）教授在美国物理学年会上作的题为“There’s Plenty of Room at the Bottom”的演讲是纳米技术的起源。

理查德·费恩曼

1962年，久保（Kubo）等人提出超微粒子的量子限域理论，推动实验物理学家向纳米尺度微粒进行探索，并开始认识到这一尺度范围内的粒子体系是介于微观与宏观之间一个新的物质层次。

1974年，日本学者谷口纪男（Norio Taniguchi）提出了“Nanotechnology”一词，将其定义为获得超高精度和超细尺寸的加工技术，精度和细度均在纳米尺度，并将纳米技术应用到精细机械加工过程中。

1981年，IBM公司苏黎世研究实验室的宾尼（G.Binning）和罗雷尔（H.Rohrer）发明了扫描隧道显微镜，能够首次在大气及常温下观察到原子，为纳米技术的发展奠定了基础。

1984年，德国萨尔大学格莱特（Gleiter）教授等人首次制备了具有清洁表面的纳米金属粉末和纳米固体。

C₆₀

1986年，美国麻省理工学院埃里克·德瑞克斯勒（K.Eric Drexler）博士出版的《创造的引擎》（Engines of Creation）一书中，描述了一种可以自我复制的纳米机器，对理查德·费恩曼提出的纳米技术概念进行了拓展。

同年，宾尼（G.Binnig）、奎特（C.Quate）和格伯（C.Cerber）共同发明了原子力显微镜。原子力显微镜的工作原理与扫描隧道显微镜极为相似，但能弥补扫描隧道显微镜不能直接观察与研究绝缘及有较厚氧化层试样的不足。

同年，IBM的研究中心借助于SPM（Scanning Tunneling Microscopy）搬动原子，利用35个氙原子排列成IBM字样，表明人们不仅可以采用SPM观察和测量物质表面的原子和分子结构，而且还可以根据人的意志加工制造出最小的人工结构。

IBM字样

2000年，美国前总统克林顿在加州理工大学宣布了纳米科技的国家计划（NNI）。此后，世界各国都将纳米技术纳入国家发展规划，纳米技术进入新的发展时期。

2003年3月，在美国举行的化学年会上有学者提出了纳米粒子可能对生物产生危害。之后，国际上高水平杂志相继报道了一些相关纳米粒子对生物的危害效应。

2003年6月，加拿大环保组织（ETC）在布鲁塞尔会议上呼呼关注纳米粒子的安全问题。同时，英国政府也提出英国的科学机构（皇家学会和皇家工程院）对纳米粒子的伦理以及社会意义进行审查，并于2005年9月提出了纳米技术安全性评价报告。

处于纳米级尺度下的物质其电子的波性及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响，其热学性能、磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性等会出现与传统材料截然不同的性质，称其为纳米效应。

表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大并引起性质上的变化。随着粒子尺寸减小到纳米级，粒子的表面积、表面能和表面张力随之增加，这种表面原子活性的增加不但能引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，也能引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化，导致纳米粒子性质发生变化。

随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当颗粒尺寸减小到纳米级时，其比表面积显著增加，纳米粒子的磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等均较普通粒子发生了很大的变化，产生一系列新奇的性质。

量子尺寸效应是指当微粒尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能或超导态的凝聚能时，会导致纳米材料的量子尺寸效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能与宏观材料显著不同。

宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒，微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量包括微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等都具有隧道效应，能够穿越宏观系统的势垒而产生变化，称为宏观量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起，能够确定微电子器件进一步微型化的极限。

纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm，1 nm=10m。纳米微粒尺寸为纳米数量级，常限制在1～l00 nm范围，包含的原子数范围为10～10个，这导致纳米粒子单位体积（或质量）的表面积比块体材料要大很多，因而出现纳米微粒电子状态发生突变，表现出表面效应、体积效应等特殊性质。

银纳米粒子

纳米科学是现代科学的前沿，纳米制造是纳米科学发展的基础。21世纪，纳米制造已引起各国政府、科技界和产业界广泛而深入的关注，包括生物分子马达、纳米电动机、纳米机器人、分子光电器件、纳米电路、纳米传感器、纳米智能器件和系统等。2001年开始，美国实施的国家纳米技术计划（NNI）启动，此后，包括欧盟及其成员国、日本、加拿大、新加坡、韩国、中国、印度和巴西等国家，相继出台了各国的纳米制造发展战略和专项计划。

纳米制造作为基于物理/化学/生物原理的制造方法，针对纳米结构生长、加工、改性、组装等纳米尺度范围内，材料-结构-功能一体化的制造新工艺，是纳米尺度结构与器件的性能演变规律的新方法。纳米制造技术已经涉及到信息、材料、环境、能源、生物医学、农业、航空航天和国防安全等众多领域核心产品的制造，随着纳米制造的发展形成很多新的制造理论和方法，逐渐将纳米科学的新发现、新成果成功转变为实物产品。

纳米材料可分为：纳米微粉材料（零维纳米材料）、纳米纤维（一维纳米材料）、纳米薄膜（二维纳米材料）、纳米块体材料、纳米微结构材料、纳米复合材料。

纳米材料分类

纳米材料的研究大致可分为三个阶段。第一阶段，是在实验室探索用各种手段合成纳米颗粒粉体或块体等单一材料和单相材料，研究评价表征纳米材料的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能；第二阶段，是如何利用纳米材料已被挖掘出来的奇特的物理、化学等性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合以及发展复合纳米薄膜；第三阶段，是纳米组装体系、人工组装合成的纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系等纳米结构材料体系受到关注，成为纳米材料研究的热点。

奥迪纳米材料概念车

纳米功能复合材料的设计主要包括材料的功能设计，为实现这种功能而采取的制备方法设计（工艺方法、工艺路线的选择与设计），以及使这种特殊复合材料具有足够的物理化学安定性的稳定性设计，和具备一定的强度的力学性能设计。为了使复合材料具有某种功能，通常是靠在该复合材料中加入具有所需功能的纳米材料及合适的基体材料来实现的。纳米功能复合材料的功能设计主要包括纳米材料及基体材料的选择设计与复合材料的界面设计。

很多纳米材料，如纳米粒子、纳米管、核酸、纳米多肽等具有在临床应用方面取得进展。纳米材料在临床应用的一个主要问题是这些材料能否被机体免疫系统接受。带有生物相容性表面的纳米材料可直接用于制造临床纳米装置及用作组织工程材料。例如，水凝胶基础上的自组织肽拥有唯一的纳米与微米形态，已用作组织工程支架。生物降解的聚乳酸支架可用作骨的替代物。基因治疗是一种富有发展前景的肿瘤与遗传疾病治疗方法等。

“自上而下”的方法的基本原理是一次又一次地削去材料的某些部分，即可得到逐渐变小后的结构，其本质就是对块体材料进行切割处理，得到所需的材料和结构。采用这种方法能达到的最小特征尺度取决于所使用的工具。“自上而下”的纳米加工方式主要包括：定型机械纳米加工、磨粒纳米加工、非机械纳米加工、光刻加工和生物纳米加工等。

“自下而上”方式主要是采用自组装技术，以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，即通过人工手段把原子或分子层层淀积（在极端情况下可以把原子或分子逐个地淀积）构筑成具有特定功能的产品。“自下而上”的方法可分为五种类型：应用非传统材料和工艺扩展采用传统材料的光刻技术，使之达到纳米尺度；利用生物分子自组装或自组织性能的开发，构建基于简单纳米材料的复杂功能纳米结构组装模板；将外加可控力场应用于离散操作和/或预制纳米组元的组装；原子操作；蘸水笔纳米加工技术。

纳米压印技术通过使用直接接触的方法形成图案转移，具有不同图案尺寸大小的母版用来压在衬底上的热塑性聚合物或紫外敏感单体薄膜上，然后样品被加热或紫外辐射，最后母版从聚合物层分离。纳米压印技术主要包括：热压印、紫外压印、微接触印刷。

纳米技术的应用包括电子学、材料学、生物医学、航天航空、通信、环保、能源、国防等方面。

纳米材料可填充于聚合物基体中的复合材料制成纳米塑料，具有增强、增韧与耐磨损的效果；纳米材料可添加到橡胶制品，制造出高性能多功能的改性橡胶；纳米材料可在合成纤维中掺入制成衣物，起到抗菌、防霉、除臭、屏蔽红外线、抗静电、抗紫外线等作用；在化妆品中添加纳米材料，得到纳米数量级的化妆品膏体微粒，可提高皮肤渗透性和利用率，具有缓释和定向释放的特性；将纳米材料与表面涂层技术相结合，针对涂层的性能添加纳米材料，可以获得纳米复合涂层，能提高其触变性、抗老化性、光洁度等性能；纳米材料还能显著提高陶瓷材料的烧结性能，改善其显微组织，优化其性能，此外，纳米材料还能用于随角异色效应涂料、红外反射材料、静电屏蔽材料、耐磨涂料、黏结剂等。

纳米材料在电子领域的应用主要分为三个方面：纳米材料作为电子信息产业基础材料，如石墨烯、氧化锡、黑磷等新型低维晶体材料、高性能纳米抛光材料、电子浆料和电子墨水等；纳米电子器件及集成，如高性能超柔性半导体单晶纳米薄膜大规模转印的集成电路，利用纳米纤维能量转换器制备的可高效收集人体生物机械能的发电织物等；纳米传感器，如集成光、电、磁、化学及生物活性等多方面特性的检测器，与微纳机电系统器件制备技术相结合的传感器。

斯坦福大学开发的首台基于碳纳米晶体管 技术的计算机

纳米生物技术是纳米技术和生物技术相结合的产物，它既可以用于生物医学，也可以服务于其他社会需求。纳米生物技术包括：在很小尺度表面积上，装配一种或集成多种生物活性单元，形成的生物芯片；由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米分子马达；能够灵敏探测到生物战毒气的硅虫晶体管；能够探测单个活细胞的纳米传感器纳米探针；适合于生物体内应用的生物纳米材料，如DNA导线、骨修复纳米生物材料等。

纳米技术在能源领域的应用主要为纳米材料添加剂、太阳能电池、能源转换和能源存储。如在传统能源领域，利用纳米材料的表面效应制备的净化剂、助燃剂能使煤、汽油、柴油充分燃烧；在新型太阳能电池中，纳米材料可设计为光谱选择性吸收涂层、减反射膜、光致变色器件、量子点太阳能电池等；利用纳米材料的高反应活性，制备纳米能源催化材料，可用于甲烷高效活化、电催化制氢等方面。

纳米技术在航空航天领域的应用可分为在结构材料和功能材料两个方面。氮化硅、氮化锆、氮化钛等氮化物纳米材料常用于金属表面涂层，可提高工件的稳定性；金属铝和镍的纳米粉添加到固体火箭推进剂中，可显著改善固体推进剂的燃烧性能。

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：用于虚拟训练系统和战场上的实时联系的纳米电子器件；对化学、生物、核武器进行探测的纳米探测系统；可以提高常规武器打击与防护能力的新型纳米材料；纳米机器人；纳米卫星；雷达隐身技术等。

硅纳米光子芯片

随着纳米技术的发展，人们与纳米材料接触频繁，纳米的安全性越来越受到重视。2003~2004年间，《科学》《自然》等杂志连续发表系列文章对于纳米材料的生物安全性及纳米科技发展带来的问题提出警告，提醒人们在科技发展的同时要注意负效应问题。此后，美国、欧盟、日本纷纷投巨资开展纳米安全性研究。2008年，经济合作与发展组织成立的人造纳米材料工作小组制定并通过了“人类健康和环境安全研究数据库-人造纳米材料安全性研究数据库”的建立及纳米毒理学替代方法的研究等课题。纳米材料的安全性研究已经得到了国际上的高度重视。

纳米技术的发展和纳米材料的广泛推广使用，离不开对纳米材料的充分认识和监管法规、标准的制定。国际标准化组织成立了纳米材料的相关技术委员会ISO/TC229，并成立了四个工作组：术语和名称组，计量与表征组，纳米技术的健康、安全和环境问题组和材料规格组，出版《1SO/TR 12885:2008纳米技术-纳米技术相关的职业场所健康与安全实践》等标准。经济合作与发展组织建立了纳米材料制造商工作组，致力于从事研究纳米材料特性和风险的诸多项目，如建立环境健康和安全研究的数据库，编写纳米材料制造和测试指南等。

欧盟最重要的与纳米相关的法规是《化学品注册、评估、许可和限制》。该法规中操作环境部分明确提到了人造物质的监管，规定需要根据相应的申报表格填写人造材料的属性。2008年，欧盟颁布的纳米技术方面的法规指出，如果有必要评估物质的安全性，欧洲化学品管理局可以要求制造商和进口商提交该物质的任何消息，而且独立于《化学品注册、评估、许可和限制》法规要求的最低信息要求之外。欧盟有关分类、包装和标识法规明确表示，符合法规的危险物质标准的纳米材料需要进行分类和标识，委员会更是建议对纳米材料进行单独的分类和标识，某些物质（如极毒性物质）必须有特殊标识。另外在《杀虫剂指令》《工作人员保护框架性指令》《化妆品法规》《食品添加剂条例》《环境保护相关法规》均明确表示纳米材料应符合相关的要求。

美国对纳米实行监管的机构包括环境保护局、食品药品管理局和疾病预防控制中心。美国的许多法规与纳米材料的监管相关，包括《有毒物质控制法案》《职业安全与健康法案》和不同的产品责任法和环境法、支持负责任的开发和管理纳米技术的法案、确保纳米技术负责任的开发的法案等。其中明确针对食品和化妆品的法律基础是《食品、药品与化妆品法案》，该法案设立了一个框架，在此框架下食品药品管理局得到授权监管和控制食品、药品、化妆品的安全。

中国在2004年召开的第243次香山科学会议就是关于纳米生物的安全性问题，将纳米生物安全性问题提到了一个战略的高度。2006年国家自然科学基金委员设立的重大研究计划中列入纳米生物安全性的内容。国家基础科学研究973计划立项了资助纳米技术生物安全性的研究。同时，中国纳米技术标准化委员会召开了关于纳米技术生物安全性标准化问题会议。

日本实行多部门对纳米材料的安全联合监管，包括：经济产业省、环境省、厚生劳动省、农林水产省、文部科学省、内阁府。澳大利亚根据工业化学品监管部门-国家工业化学品申报和评估机构在2010年10月引入的工业纳米材料申报与评估的新监管程序进行监管。泰国国务院事务部部长翁安要求消费者保护协会将纳米产品列为卷标监管产品。

纳米技术领域最显著的现代检测技术主要有扫描隧道显微镜技术（ScanningTunnel Microscope,STM），利用STM不仅可以直接观察原子和分子，还能够直接操纵和安排原子和分子；原子力显微技术（Atomic Force Microscope,AFM）可以对数十个甚至数个分子进行操控，其微型化学反应称为针尖上的化学。除此之外，还有摩擦力显微镜、激光力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、扫描热显微镜、扫描离子电导显微镜和扫描近场光学显微镜等微表征和微加工设备与技术，它们分别对应于不同的应用范围和场合，共同构成了纳米技术的水平标志。