纳米科技发展史

纳米科技发展史 纳米材料的概念只出现了二十几年,但是人类使用纳米材料的历史可追溯到两千年以前。我国占代收集蜡烛的烟灰作为墨的原料,所作字画可历经千年而不褪色,原因就在于所使用的原料实际上为纳米级的炭黑,我国古代制造的铜镜之所以不十锈则是因为表面自一层纳米氧化锡薄膜起到了防锈层的作用。制造于公元4世纪古罗马的策格拉斯的雕花 玻璃酒杯(Lycurgus Cup).在反射光下呈绿色、在透射光下呈红色,这种奇妙的颜色变化就源于在玻璃杯的内层形成了微量的金、银纳米微粒。最近的研究表明,在两千多年前的希腊-罗马时期,占埃及人掌握了一种把头发染黑的技术,其机理是通过原位反应得方式,在头发的皮质层及表层形成了平均粗径约5nm 的方铅矿纳米微粒。古人利用纳米材料的类似例子还有很多,当然,古人对纳米材料的制备与应用都属于“无意之作”。 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费恩曼。1959年他在一次著名的讲演中提出:如果人类能够在原子/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。他指出,我们需要新型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地准确放置原子的问题。1974年,Taniguchi最早使用纳米技术(nanotechnology)一词描述精细机械加工。20世纪70年代后期,麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究,但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。 到了1 9世纪中叶,人们开始有意识地制备超细粒子。1857年,法拉第成功地制备出了红色的纳米金溶胶,1861年胶体化学建立,人们开始通过各种不同方法制备纳米级的胶体粒子,但是对纳米微粒所具备的独特性能仍然缺乏足够的认识,这种状况一直延伸到 20世纪中期人们先后开发了辉光放电、气相蒸发等方法,制备出多种金属及氧化物超细粒子。 纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。80年代初发明了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术,它们对纳米科技的发展起到了积极的促进作用。与此同时,纳米尺度上的多学科交叉展现了巨大的生命力,迅速形成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,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办《纳米技术》与《纳米生物学》这两种国际性专业期刊也相继问世。一门崭新的科学技术——纳米科技从此得到科技界的广泛关注。 1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制做更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造产品,这是关于纳米技术最早的梦想。 1962年日水东京大学的九保亮五(R. Kubo)教授为了解释超细金属粒子的能阶不连续性,提出了超细粒子的量子限域理论。虽然九保理论刚提出时并未引起广泛的注意,但是对于纳米材料科学来说是一个十分重要的里程碑,人们开始关注材料的尺寸对其结构与性能的影响,显著地推动了对纳米微粒的研究。 1963年,日本的上田良二(Ryozi, Uyeda)在纯净隋性气体中通过蒸发冷凝法制备了直径为几纳米到几百纳米的金属颗粒,并用透射电镜对其形貌和晶体结构 进行丁研究。 20世纪70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,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,美国的W. R. Cannon等人利用激光辅助制备了可烧结的Si3N4、SiC等非氧化物纳米陶瓷粉体。 1982年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,揭示了一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极的促进作用。 1984年,德国的H. Gleiler等人通过气体蒸发冷凝法获得了纳米铁粒子,在真空下原位压制成纳米块体材料,并首次提出了“纳米材料”的概念。 1987年.美国阿贡国家实验室的Siegel等人制备出了纳米T1O2粉体及陶瓷,一系列的研究表明,以纳米粉体为原料制备陶瓷.不仅烧结温度大大降低,而且陶瓷的韧性得到了明显的改善。以纳米粉体为原料可以提高块体材料的性能,是纳米材料研究史上的一个突破性进展,使纳米材料研究成为材料科学中的一个备受关注的热点领域。 20世纪80年代末,对单一的纳米晶或纳米相材料进行了大量的研究,不仅探索了制备各种不同类型纳米微粒、纳米块体与纳米薄膜的方法,而且纳米材料的结构、性能及表征方法等也得到了广泛的研究,纳米材料逐渐成为材料科学与工程领域的一个重要组成部分。 1900年,在首次召开的国际纳米科技会议上,正式把纳米材料学定为材料科学的一个分支。纳米材料学科的正式诞生,引导人们更加注意从材料科学的角度探索纳米材料的结构与性能之间的关系促使纳米复合材料得到了很快的发展。人们开发了大量纳米微粒与纳米微粒复合、纳米微粒与常规块体复台的方法,充分利用纳米材料的各种独特的物理与化学性能,促进传统材料性能升级。纳米复合材料的设计、开发及性能研究一度成为纳 米材料研究的主导方向。 1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的10倍,成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。 1993年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。 1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额达到500亿美元。 2000-2006 年,各种纳米带、线等二维纳米物体以及纳米机器相继在实验室制备成功,对纳米物质的检测表征有了进一步的发展。或许在不久的将来我们用的电脑显示器只是你面前的一片空气,所显示内容可以是大脑想象的图像,也可以是接收到的特定图像信息,国外科幻大片中的景象将不再是梦! 近年来,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。 纳米技术发展可能经历的五个阶段 据日本阿普莱德研究所提供的材料介绍,以研究分子机械而著称的美国风险企业宰贝克斯公司的一项预测认为,纳米技术的发展可能会经历以下五个阶段:第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使 用计算机设计/制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。这个阶段的市场规模约为5亿美元。 第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段,纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料,其强度将达到无机单晶材料的3000倍。该阶段的市场规模在50亿至200亿美元之间。 在第三个阶段,大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计/制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。该阶段的市场规模可达100亿至1000亿美元。 纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。这个阶段的市场规模将达到2000亿至1万亿美元。 在第五阶段里,科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置,市场规模将高达6万亿美元。 有人认为,虽然纳米技术每个阶段到来的时间有很大的不确定性,难以准确预测,但在2010年之前,纳米技术有可能发展到第三个阶段,超越“量子效应障碍”的技术将达到实用化水平。