逍遥学能 2016-07-13 10:20
生物科学技术、信息科学技术和纳米科学技术将是下一世纪内科学技术发展的主流。究竟纳米科学研究什么内容，它会给人类社会带来什么好处呢？本刊将带您去邀游神奇的纳米世界。
纳米科学是研究在千万分之一米（10-7）到10亿分之一米（10-9）内，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工被称为纳米技术。在本世纪内，人们花了很大的力气把大千世界内各种物质的运动都还原到原子、分子的运动和性质这一层面上。用原子、分子去勾画出大千世界中的各种物质形态也取得了巨大的成功。例如，从分子结构和运动的观点来研究生物，形成了分子生物学；在原子光谱研究的基础上发明了激光；以固体电子论为基石构建了大规模集成电路；以光在固体中传播为启迪发明了光纤通讯。可以说，由原子、分子（尺寸约10-10米）为出发点，认识和改造宏观世界取得了巨大的成就。现在人们可以合成各种药物、制造出各种转基因的食品。克隆羊的出现是最为突出的代表作。同时，以大规集成电路为基础发展起来的电脑、网络更是大大地推动了科学技术的发展，甚至改变了人们的生活方式，网上购物使得女士们足不出户就可遍游一些著名的百货公司。但是，在人们企图将现代的科学技术再推进一步时，却遇到了极大的障碍，这主要是因为人们在认识上存有盲区，或者说人类知识的大厦上存在一个裂缝。在这一裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界，而在另一边是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是一般人所想像的那样直接而简单的联结，而是存在一个过渡区──纳米世界。也就是说，几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。有时这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”以相别于正常的原子、分子。这种“超分子”往往具有人们意想不到的性质。但是，当这些“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，原有奇特的性质又会失去，真像是一些长不大的孩子。另外，人们还发现在这一崭新的世界里，电子、原子运动的规律完全不同。譬如说当我们把大规模集成电路中元件的数目继续增加，设想把元件中电极做到几个纳米粗细，几十个纳米长，就可以把芯片的运行速度和内存都提高几万倍。但是，实际上这一方面很难用现在流行的技术来实现；另一方面即使做成了这样的器件，电于在这样小的元件中运动的规律也不一样了，所有的芯片需要按照新的原理来设计。对这种由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组台它们，成为当今纳米科学技术的主要问题之一。
操纵原子：左图显示用扫描隧道显微镜的针尖在铜表面上搬运和操纵48个原子使它们排成圆形。圆形上原子的某些电子向外传播逐渐减小同时向圆内传播的电子相互干涉形成干涉波。右图为用扫描隧道显微镜的针尖将铁原子一个个地操纵按照实验者的意愿排列成汉字。汉字的大小只有几个纳米。