纳米技术

定义

纳米技术指在纳米尺度上操纵、控制并利用物质，制造具有特定功能的结构、器件和系统的技术，其核心是利用纳米尺度才会显现的、与尺寸相关的性质。^[1] 国际标准化组织第229技术委员会把纳米尺度界定为大致 1 纳米至 100 纳米的尺寸区间，并把纳米技术表述为在这一尺度上应用科学知识控制与利用物质。^[1] 纳米是长度单位，1 纳米等于 10⁻⁹ 米，大致相当于数个原子排列起来的长度。^[2]

纳米科学与纳米技术常被合称纳米科技。纳米科学侧重系统地认识纳米尺度上出现的现象与规律，纳米技术则侧重把这些认识转化为可用的材料、器件与工艺；二者都以纳米尺度为共同前提。^[1]

原理

纳米尺度上物质性质发生变化的根源首先来自表面原子的比例大幅上升。球形颗粒的表面积与直径平方成正比、体积与直径立方成正比，因此比表面积与直径成反比，颗粒越小时表面原子所占比例越高，表面原子配位不足、能量较高，化学活性明显增强。^[2]

其次是量子尺寸效应。块体材料的能带可近似看作连续，尺寸缩小到纳米级后，金属与半导体中的电子能级趋于离散，能隙随颗粒尺寸减小而增大，材料的光吸收、发光与导电行为随之改变。^[2] 此外，当颗粒尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导相干长度等特征长度相当时，熔点、磁性、催化性等也会偏离块体数值，这一现象通常称为小尺寸效应。^[2]

在制备路径上，纳米结构的获得分为自上而下与自下而上两类。前者通过切割、蚀刻、研磨等把块体材料细化，后者以原子、分子为基本单元，借助化学合成与自组装构筑较大结构。^[3] 对单个原子的观察和搬移则依赖扫描探针技术，扫描隧道显微镜利用针尖与样品间的隧穿电流反映表面形貌，并可在低温下操纵原子。^[4]

发展历程

1959 年 12 月 29 日，物理学家理查德·费曼在加州理工学院的美国物理学会年会上发表题为《在底部还有很大空间》的演讲，提出从单个分子乃至原子出发逐级构造物体的设想，这一演讲被普遍视为纳米技术概念的源头。^[3] 1974 年，日本学者谷口纪男在讨论半导体加工工艺时首次使用「纳米技术」一词，用以描述以纳米量级进行的材料加工。^[5]

1981 年前后，格尔德·宾宁与海因里希·罗雷尔利用隧道效应研制出扫描隧道显微镜，使原子尺度的观察与操纵成为可能，被视为纳米研究的重要起点。^[4] 1990 年，IBM 阿尔马登研究中心的科研人员用扫描隧道显微镜移动 35 个氙原子，在镍表面拼出「IBM」字样，字母总长不足 3 纳米；同年，第 1 届国际纳米科学技术大会在美国巴尔的摩召开，纳米科技作为独立学科领域正式确立。^[4]

2000 年以后，多个国家相继推出纳米科技专项计划，研究从基础探索转向材料制备与器件开发；进入 21 世纪，纳米材料已可实现较大规模生产，并用于工业、农业、医药与日用消费品等领域。^[2]

应用

在材料领域，纳米颗粒被添加到陶瓷与高分子基体中改善韧性、力学与导电性能；纳米二氧化钛加入防晒产品可增强对紫外线的吸收，部分纳米材料被用作处理汽车尾气的催化剂。^[2]

在电子与信息领域，纳米电子器件、分子开关和量子点结构被视为延续器件微缩的技术方向，碳纳米管、石墨烯等材料因电学与比表面积特性而受到关注。^[4] 在生物医药领域，纳米颗粒可作为药物载体与成像探针，实现靶向递送与病灶标记；基于纳米材料的生物传感器用于信号检测与遗传分析。^[2]

在能源与环境方向，纳米涂层可减少太阳能电池表面的光反射，碳纳米管与石墨烯因比表面积大而被研究用于储氢，纳米过滤材料被用于污染物分离。^[2] 结构表征方面，扫描探针显微技术、电子显微镜与 X 射线衍射等手段支撑了纳米尺度的形貌、成分与物性测量。^[4]

局限

纳米技术的实际推进受制于尺度上的测量与操控难度。原子级结构的制备要求极高的精度与稳定性，从实验室演示到稳定量产之间仍存在工艺与成本上的差距，纳米器件的集成度与可靠性也因此受限。^[3]

安全性评价是另一项约束。颗粒变小后比表面积增大，与周围环境发生物理化学作用的能力增强，同一化学成分的纳米材料可能表现出与块体材料不同的生物效应，例如块体铜的毒性较低，而纳米铜对生物体器官的损伤明显增强，因此纳米材料在广泛应用前需要完成毒理学评估。^[2]

概念界定上同样存在不一致。不同机构对纳米尺度上限、纳米材料的判定比例给出过不同标准，1 纳米至 100 纳米之外的亚微米尺度有时也被纳入讨论，这使得跨文献比较与监管口径的统一存在困难。^[6]

参见

• 纳米材料 —— 至少在一个维度上处于纳米尺度的材料，是纳米技术的主要对象。

• 扫描隧道显微镜 —— 利用隧穿电流观测并操纵表面原子的仪器，被视为纳米技术的标志性工具。

• 石墨烯 —— 单原子层碳材料，具有突出的电学与力学性质。

• 量子尺寸效应 —— 纳米颗粒能级离散化引起性质变化的核心物理机制之一。

• 纳米医学 —— 纳米技术与医学结合形成的应用方向。