重视纳米科技的研究与应用_纳米技术论文

重视纳米科技的研究与应用_纳米技术论文

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我国开展纳米科学技术研究已有十多年了,而且取得了一批具有国际水平的成果,如纳米微晶的制备,纳米碳管的研究,纳米陶瓷性能的改善,原子操纵技术的开发,以及深入到原子级检测方法的建立等等。国家自然科学基金每年对若干关于纳米技术的探索项目予以资助;国家重大基础研究项目也将其先列入攀登A,近年又列入"973"项目。这表明我国科学家对此较为敏感,同时他们的工作及时得到了政府的支撑。最近看到美国2000年2月公布的一个报告,深感我们支持的力度太小,涉及面不够广,特别是组织不够严密,如不及时采取措施,很可能像半导体产业一样,起步虽不晚,最终却被远远抛在发达国家的后面。因此,我国应进一步加大对纳米科学技术研究的支持。

美国这份报告名为“国家纳米技术倡议”(National Nanotechnol-ogy Initiative)。报告是在国家科学技术理事会主持下,由各部门组成的“纳米科学、工程与技术工作组”完成的,工作组以国家科学基金会(NSF)的Roco为组长,国防部的Trew为副组长,成员包括国家经济理事会、商业部、能源部、运输部、财政部、科学技术政策办公室、管理与预算办公室、宇航局及国家卫生院等单位的代表与专家。报告形成后,总统科技助理写信给国会称:纳米技术将对21世纪的经济、国防与社会产生重大影响,可能与信息技术或生物技术一样,引导下一个工业革命,应把它放在科学技术的最优先地位。

纳米技术所以受到如此重视,是因为当物质小到1至100个纳米(10[-9]-10[-7]米)时,由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面与界面效应,使物质的很多性能发生质变,这些变化渗透到很多领域,可引导“新的工业革命”。

纳米材料以原子或分子为起点,可设计出更强、更轻、可以自修复的结构材料,如可使碳和陶瓷材料的强度10倍于钢,高分子材料强度提高3倍。与传统材料相比,具有纳米结构的材料,其化学反应速度、电导、热导与磁学性质都明显不同。由于具有很高的表面和可控的疏松度,纳米材料是十分有效的催化剂、吸附剂(用于清洁)及分离膜。若用于军事,可做到多波段吸收而成为很好的隐身材料;用于涂料,可耐磨、抗蚀、长寿命;涂于玻璃,可随外界温度而变色,成为智能窗。

(一)纳米电子学、光电子学与磁学

微电子器件的极限线宽一般认为是0.07微米(70纳米),十几年内就可实现。可以预计,以之制成计算机,其计算能力可提高千倍,而所需功率仅为目前的百万分之一。利用纳米磁学,信息存储量可成千倍提高。纳米光电子学可使通信带宽增加百倍。

(二)健康护理、医疗与诊断

采用纳米技术可使疾病得到早期诊断和治病,当人体中只有几个癌细胞时就可以发现,当血流只有微小变化时就可断定心脏病是否发生等等。通过纳米技术开发出纳米机械系统,可以定向地将药物注入需要治疗的癌细胞或病区而不伤害正常细胞。这在医学上将是一个革命性的进步。

(三)环境与能源

纳米技术的发展可大幅度减少资源与能源的消耗,因而减少生态环境的破坏与污染。在治理污染方面利用纳米技术可去除水和空气中颗粒极小的污染物质(分别<200纳米及<20纳米),能连续地测量和缓解大面积的环境污染;用于海水淡化其能源仅为目前工艺的1/10。在能源方面,纳米技术将会对能量功效、能量存储以及能量生产有显著影响。纳米技术可望使太阳能的光伏转化率和燃料电池效率提高一倍;纳米碳管作为储氢材料可能是效率最高的;悬浮于流体的纳米晶可大幅度提高传热与热导,这对提高工业的热效率有明显效果。

(四)航天技术与交通运输

21世纪的空间技术主要是开发微型空间机械以探索太阳系,所需时间长(几十年),环境恶劣,必须依赖于先进的纳米技术的开发。纳米制造技术将使我们设计和制造出轻质、高强度、热稳定的材料,可用于飞机、火箭、空间站、行星/太阳探测平台。纳米材料的高强度与轻量化,可使空间机械的体积和能耗降至原来的十分之一,并且使机械高度智能化(自操纵、自修复)。由于纳米电子技术信息容量大、运算快,控制系统灵敏度高,自决能力强,可使空中运输工具做到经济的超音速、低能耗、少污染;先进航空电子可使飞机运行更安全。地面运输装置将更轻量化、高效率、无污染和智能化,公路和桥梁将不再需要维修。

(五)国家安全

今后战争的优势在于知识的优势。随着纳米科学技术的深入开发,到2020年可使美国处于知识优势。例如传感器可缩小到千分之一;处理器速度和容量可提高百倍,而能耗只有千分之一;通信带宽可提高百倍等等。对结构件来说,利用纳米技术,可根据需要设计陶瓷构件而不需加工,不但性能大为提高,而且价廉。有机复合材料具有高比强度、耐腐蚀、能吸波、隐蔽性好,可用于舰船、潜艇。纳米结构的燃料电池及太阳能电池转化效率大为提高。材料中混以纳米传感器及制动材料,可对外界环境的变化实现自我保护,提高生存能力。

根据以上所述可以看出,纳米科学技术能渗透到各个领域,所以说,纳米科学技术可引导下一个工业革命。但是,上述目标的实现至少要10-20年,而目前正处于探索与开发阶段。美国对纳米科学的投入逐年增加,1999年为2.55亿美元,2000年为2.70亿美元,前述报告提出2001年为4.95亿美元,比上年度经费增加83%,因为他们感到前些年美国在纳米科学技术方面的投入并不比日本或欧洲多,而今他们要急起直追,使美国纳米科学技术领先于世界。

美国所列的纳米科学技术涉及的领域是十分广泛的,但最基本的有三个,即纳米材料科学与技术,纳米电子学、光电子学及磁学,纳米医学和生物学。我国在上述三个方面都有相关的工作在进行,有的列入"973",有的列入“国家自然科学基金”,还有一些研究由各单位自发地进行,但处于无序状态,相互没有联系。中国科学院作为我国纳米科技研究领域的主要研究力量,借助正在实施的知识创新工程试点,正在全院范围内对纳米科技领域的研究和发展工作做通盘考虑,统一规划。目前正在筹建“中国科学院纳米科技研究与发展中心”,加强本领域信息的交流,工作的协调,鼓励不同学科交叉和不同单位的合作。为了使我国纳米科学技术得到健康有序的发展,兹提出以下几点建议:

(一)加大对纳米科学技术研究的投入。国家自然科学基金委员会应向全国征求有关纳米科学技术方面的新概念、新技术、新方法,有的可列为重点项目;打破正常秩序,尽快启动,对那些前景较好的项目,也可组织力量列为重大项目,甚至转入国家重大基础研究项目(973)。有些达到应用的项目,可以进入"863"、科技攻关或高新技术产业化项目。

(二)加大对有关纳米科学技术的国家重点实验室的投入。有些已取得较好成就并有较强实力的实验室或研究中心应上升为国家重点实验室,如北京大学“纳米科学与技术研究中心”在纳米电子学方面曾做出具有国际水平的成果而且有很强的实力。

(三)加大对纳米科学技术研究与开发的投入。我国目前这方面的年投入资金可能有几千万元,远远不能满足需要。根据美国报告列出的数字,1997年日本、西欧和美国各投入约1.2亿美元,相当于10亿元人民币。我国今后每年至少要投入2亿元,相当于美国1997年的1/5、2001年的1/20。只有这样才能吸引更多的人才,做出有创造性的工作。

(四)加强与纳米技术应用部门的联系。如国防军工部门的科学技术企业,不但可以提出要求,而且研究成果可以随时得到推广。

(五)加强国际学术交流与合作,使我国纳米科学研究处于国际先进水平,并突出自己的特点。

(六)建议成立一个国家级的“纳米科学技术指导协调小组”,协助政府做好我国纳米科学技术的研究与开发工作。

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