从35亿年前的天然纳米物质到纳米制造时代
如今,纳米制造的时代己经到来,纳米科学的曙光已经初现。
随着人们对纳米技术研究的深入,纳米技术的应用不断拓展,纳米技术已成为当今最受追捧的学科之一。在Science和Nature杂志的年度科技评比中,有关纳米技术的研究成果总在前列。许多国家纷纷制定计划,将开发纳米技术定为国家战略,在开发纳米技术上的经费逐年递增。
✎ 然而,纳米技术的发展经历了一个漫长的过程,从天然存在的纳米物质(如活细胞、细菌、烟尘等)到人工操控原子、分子制造纳米材料,这是一个从不自觉到自觉、从设想到理论上的突破再到制造应用的过程。
自然界中存在的纳米物质
细胞
35亿年前,首批出现的活细胞即是天然存在的纳米物质。细胞是自我复制的分子纳米机器的集合体,它的内部容纳了蛋白质、DNA、RNA 分子等众多的纳米生物机器。这些纳米级的细胞“器官”各司其职。建造蛋白质、进行光合作用使生物能迅速地生长,使地球的原始表面布满了微生物、植物等种种有机物质,它把地球大气大部分CO₂转化为O₂,彻底地改变了地球的表面和大气。可见,在自然界的演变过程中,这些纳米机器集合体起着举足轻重的作用。
天然无机纳米颗粒
除有机体内部存在各种复杂的纳米物质外,自然界中还存在着天然的无机纳米颗粒。在古代中国,人们用收集蜡烛燃烧的烟尘来制造精墨,这种烟尘就是纳米级尺寸的碳黑;在古代铜镜表面有一层薄薄的防锈层,经过检验发现这种防锈层是由纳米氧化锡构成的薄膜。这些天然无机纳米物质为人们进行纳米技术研究提供了天然素材。
纳米技术的早期发展
早期理论发展
公元前400年,Democritus和Leucippus提出了原子论(atom),原子论为纳米技术的发展提供了理论基础,即通过一些技术手段由下而上构造新物质成为可能。科学家对纳米技术的理论研究始于19世纪60年代,Thomas Graham使用明胶溶解扩散后制备了胶体,胶体粒子的直径为1~100nm。后来科学家对胶体进行了大量的研究,并建立了胶体化学理论。1905年,Albert Einstein由糖在水中扩散的实验数据计算出一个糖分子的直径约为1nm,人类第一次对纳米尺度有了一个感性认识。直到1935年,Max Knoll和N.Ruska研制出了电子显微镜,实现亚纳米级的成像,为人们探索微观世界提供了观察工具。
早期技术酝酿
第二次世界大战期间,日本名古屋大学的田良二教授为日军导弹探测器研制一种红外辐射吸收剂,在惰性气体的保护下,利用真空蒸发法制备了纯锌黑,锌黑的平均粒度小于10nm。然而还没有应用于实际,战争就结束了。后来,德国科学家也通过类似的方法制备了纳米金属粒子,当时还没有纳米材料这个概念,就把这种材料称为超微粒子(ultra-fine particles),这可能是人类有目的地制造纳米材料的真正开始。
纳米技术起源
费曼预言
1959年12月,诺贝尔奖获得者Richard Feynman在美国物理学会在加利福尼亚理工学院举行的一次会议上发表了题为《在底部还有很大空间》 (There's plenty of room at the bottom)的演讲。他以“由下而上的方法” (bottom up)出发,提出从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求。他说道,“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大地扩充我们获得物性的范围。”尽管真正属于“纳米”范畴的技术在几十年后才出现,但在这篇讲稿中,费曼预见到了纳米科技的未来,对纳米技术起了界定作用,为纳米范畴的研究提供了最早的理论基础。事实上,以后许多科学家在纳米尺度上获得的研究成果在极大程度上是受了这篇讲话的启发。
纳米技术的诞生
纳米技术诞生于20世纪70年代初。1968年,Alfred Y。Cho和John。 Archur及其同事利用分子束外延生长技术,在表面上沉积出单层原子;1969年Esaki和Tsu提出了超晶格(super lattices)理论,它由两种以上不同材料的薄片周期性地交替生长所构成。1971年,张立纲等利用超晶格理论和分子束外延生长技术,制备了能隙大小不同的半导体多层膜,并实现了量子阱和超晶格,观察到了极其丰富的物理效应。其中量子阱中的量子限制效应得到了广泛而深入的研究,并在此基础上研制出了许多新型的高性能光电子和微电子器件。1974年,谷口纪男(Norio Taniguchi)发明了“纳米技术”这个词,用以表示公差小于1μm 的机械加工,这使得纳米技术真正成为一种独立技术展现在历史舞台。但是,当时纳米尺度上物理学的完整图景还远不明朗。
纳米技术的重大突破
纳米革命的象征——STM
1981年,Gerd Binnig和Heirich Rohrer根据量子力学中的隧道效应研制出世界上第一台扫描隧道显微镜(STM),它通过探测固体表面原子和电子的隧道电流来观察固体表面的形貌和操纵。STM 的发明是显微领域的一场革命,它是“纳米革命的象征”。在STM 的基础上,人们研制出了一系列的扫描探针显微镜,如原子力显微镜(AFM)、磁力显微镜和激光显微镜。STM 的出现使人类第一次可以实时地观测在物质表面单个原子的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质,Gerd Binnig和Heirich Rohrer因此获得1986年的诺贝尔物理学奖。
发明扫描隧道显微镜（STM）的科学家Gerd Binnig（左）与 Heinrich Rohrer。图片来源：IBM
人类对单个原子的首次操纵
1989年,IBM 公司Almaden 研究中心的Donald M。 Eigler研究小组在STM 的辅助下,将吸附在金属Ni (110)表面上的35个Xe原子移动,并组成了IBM 三个字母,这是人类第一次实现单原子操纵,成为1990年世界十大科技新闻之一。科学家们从这种操纵单个原子的纳米技术中,看到了设计和制造分子大小的器件的希望。
纳米技术飞速发展
1990年7月,第一届纳米科学技术学术会议在美国巴尔的摩召开,这次会议正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支。以此为起点,在整个90年代纳米技术获得了飞速发展。
1991年,日本学者Sumio Iijima电子显微镜首次发现了多壁碳纳米管,标志着碳纳米管的问世。两年后Iijima和IBM 公司Donald Bethune制成了单壁碳纳米管。
1995年,研究者利用原子层外延(ALE)技术制成了在80K温度下工作的量子点激光器,今天量子点激光器大量应用于光纤通信、光盘存取、显示器等。
1990年,L。T。Canham 发现了多孔硅发光现象,这为在硅片上实现光电集成开辟了一个新的前景,解决了器件之间电互联造成的时间滞后弊端,大大提升集成电路性能和计算机速度。
1997年,明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘,磁盘尺寸为100nm×100nm,它是由直径为100nm、长度为40nm 的钴棒按周期为40nm 排列成的量子棒阵列,其存储密度达到41011比特/英寸。
纳米技术全面发展
进入21世纪,纳米技术的发展和应用百花齐放,世界各国纷纷将发展纳米技术定为国家战略。
2000年,时任美国总统的克林顿宣布启动国家纳米技术计划(National Nanotechnology Initiative,NNI),使纳米技术的研究经费获得大幅度增加,知名度大为提高,并因此掀起了全球研究纳米技术的高潮。
日本文部科学省在2002年度预算里将拨款301亿日元(约合2。34亿美元),实施“纳米技术综合支援计划”。
在欧洲,由国家计划、欧洲合作网络和各大公司共同提供纳米技术研究和投资所需资金。同时欧盟的研究计划最为庞大,研究机构设置也最多,覆盖的领域比较广泛。
从20世纪80年代中期开始,中国政府就高度重视纳米科技的发展。
在1991年11月召开的纳米科技发展战略学术研讨会上,一致认为纳米科技是正在兴起的战略性科技领域。将纳米材料的制备科学与性能研究列为国家“八五”重点项目,在“十五”计划纲要中,明确提出将发展纳米科技作为科技进步的一项重要任务。据不完全统计,有一半的省市将纳米材料列入当地“十五”期间的发展规划。
2001年初,国家还成立纳米科技指导协调委员会,负责组织协调全国纳米科技研究开发力量,制定有关规划。2001年7月,国务院批准了“国家纳米科技发展纲要”。
2006年,国家制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020年)》,围绕我国经济与社会发展重大战略需求和世界纳米科学技术的重大前沿基础科学问题,以深化基础研究和促进产业化为主线,促进我国纳米科学技术产业化的进程。
✎ 目前,工程纳米材料已经广泛应用到医药工业、染料、涂料、食品、化妆品、环境污染治理等传统或新兴产业中。根据美国国家纳米技术计划的预测,到2020年,纳米技术所带动的经济产值可达3万亿美元;全球纳米相关产业从业人员将达600万人。
本文摘编自唐仕川、常兵主编《工程纳米材料职业健康与安全》一书。
纳米材料因其特殊的物理、化学、力学性能被人们越来越多地应用到了生产生活的各个角落。随着纳米材料的普及，在日常的工作和生活中，人们已经不知不觉地接触到了这种新型的材料。但是，纳米材料对人体潜在的健康风险并不为人所知，且不为人所关注。《工程纳米材料职业健康与安全》从纳米材料的定义与特性出发，探讨了纳米材料独特的物理化学性质和结构特征；以纳米材料应用为主线，纵览了目前世界范围内纳米产业现状及健康安全的研究进展；逐一针对纳米材料的暴露评价方法和步骤，工程纳米材料的潜在健康影响（从体外实验、动物实验、人群流行病学调查和生态学研究四个角度），纳米材料风险评估与风险管理，以及纳米材料暴露控制的工程方法展开论述。从而从整体上构建了以纳米材料健康风险为核心的概念、理论、方法体系。是国内第一部针对新型纳米材料健康风险的理论著作。
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