從35億年前的天然納米物質到納米制造時代
如今,納米制造的時代己經到來,納米科學的曙光已經初現。
隨著人們對納米技術研究的深入,納米技術的應用不斷拓展,納米技術已成為當今最受追捧的學科之一。在Science和Nature雜志的年度科技評比中,有關納米技術的研究成果總在前列。許多國家紛紛制定計劃,將開發納米技術定為國家戰略,在開發納米技術上的經費逐年遞增。
??然而,納米技術的發展經歷了一個漫長的過程,從天然存在的納米物質(如活細胞、細菌、煙塵等)到人工操控原子、分子制造納米材料,這是一個從不自覺到自覺、從設想到理論上的突破再到制造應用的過程。
自然界中存在的納米物質
細胞
35億年前,首批出現的活細胞即是天然存在的納米物質。細胞是自我復制的分子納米機器的集合體,它的內部容納了蛋白質、DNA、RNA 分子等眾多的納米生物機器。這些納米級的細胞“器官”各司其職。建造蛋白質、進行光合作用使生物能迅速地生長,使地球的原始表面布滿了微生物、植物等種種有機物質,它把地球大氣大部分CO?轉化為O?,徹底地改變了地球的表面和大氣。可見,在自然界的演變過程中,這些納米機器集合體起著舉足輕重的作用。
天然無機納米顆粒
除有機體內部存在各種復雜的納米物質外,自然界中還存在著天然的無機納米顆粒。在古代中國,人們用收集蠟燭燃燒的煙塵來制造精墨,這種煙塵就是納米級尺寸的碳黑;在古代銅鏡表面有一層薄薄的防銹層,經過檢驗發現這種防銹層是由納米氧化錫構成的薄膜。這些天然無機納米物質為人們進行納米技術研究提供了天然素材。
納米技術的早期發展
早期理論發展
公元前400年,Democritus和Leucippus提出了原子論(atom),原子論為納米技術的發展提供了理論基礎,即通過一些技術手段由下而上構造新物質成為可能。科學家對納米技術的理論研究始于19世紀60年代,Thomas Graham使用明膠溶解擴散后制備了膠體,膠體粒子的直徑為1~100nm。后來科學家對膠體進行了大量的研究,并建立了膠體化學理論。1905年,Albert Einstein由糖在水中擴散的實驗數據計算出一個糖分子的直徑約為1nm,人類第一次對納米尺度有了一個感性認識。直到1935年,Max Knoll和N.Ruska研制出了電子顯微鏡,實現亞納米級的成像,為人們探索微觀世界提供了觀察工具。
早期技術醞釀
第二次世界大戰期間,日本名古屋大學的田良二教授為日軍導彈探測器研制一種紅外輻射吸收劑,在惰性氣體的保護下,利用真空蒸發法制備了純鋅黑,鋅黑的平均粒度小于10nm。然而還沒有應用于實際,戰爭就結束了。后來,德國科學家也通過類似的方法制備了納米金屬粒子,當時還沒有納米材料這個概念,就把這種材料稱為超微粒子(ultra-fine particles),這可能是人類有目的地制造納米材料的真正開始。
納米技術起源
費曼預言
1959年12月,諾貝爾獎獲得者Richard Feynman在美國物理學會在加利福尼亞理工學院舉行的一次會議上發表了題為《在底部還有很大空間》 (There's plenty of room at the bottom)的演講。他以“由下而上的方法” (bottom up)出發,提出從單個分子甚至原子開始進行組裝,以達到設計要求。他說道,“至少依我看來,物理學的規律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。”并預言,“當我們對細微尺寸的物體加以控制的話,將極大地擴充我們獲得物性的范圍。”盡管真正屬于“納米”范疇的技術在幾十年后才出現,但在這篇講稿中,費曼預見到了納米科技的未來,對納米技術起了界定作用,為納米范疇的研究提供了最早的理論基礎。事實上,以后許多科學家在納米尺度上獲得的研究成果在極大程度上是受了這篇講話的啟發。
納米技術的誕生
納米技術誕生于20世紀70年代初。1968年,Alfred Y。Cho和John。 Archur及其同事利用分子束外延生長技術,在表面上沉積出單層原子;1969年Esaki和Tsu提出了超晶格(super lattices)理論,它由兩種以上不同材料的薄片周期性地交替生長所構成。1971年,張立綱等利用超晶格理論和分子束外延生長技術,制備了能隙大小不同的半導體多層膜,并實現了量子阱和超晶格,觀察到了極其豐富的物理效應。其中量子阱中的量子限制效應得到了廣泛而深入的研究,并在此基礎上研制出了許多新型的高性能光電子和微電子器件。1974年,谷口紀男(Norio Taniguchi)發明了“納米技術”這個詞,用以表示公差小于1μm 的機械加工,這使得納米技術真正成為一種獨立技術展現在歷史舞臺。但是,當時納米尺度上物理學的完整圖景還遠不明朗。
納米技術的重大突破
納米革命的象征——STM
1981年,Gerd Binnig和Heirich Rohrer根據量子力學中的隧道效應研制出世界上第一臺掃描隧道顯微鏡(STM),它通過探測固體表面原子和電子的隧道電流來觀察固體表面的形貌和操縱。STM 的發明是顯微領域的一場革命,它是“納米革命的象征”。在STM 的基礎上,人們研制出了一系列的掃描探針顯微鏡,如原子力顯微鏡(AFM)、磁力顯微鏡和激光顯微鏡。STM 的出現使人類第一次可以實時地觀測在物質表面單個原子的排列狀態和與表面電子行為有關的物化性質,Gerd Binnig和Heirich Rohrer因此獲得1986年的諾貝爾物理學獎。
發明掃描隧道顯微鏡（STM）的科學家Gerd Binnig（左）與 Heinrich Rohrer。圖片來源：IBM
人類對單個原子的首次操縱
1989年,IBM 公司Almaden 研究中心的Donald M。 Eigler研究小組在STM 的輔助下,將吸附在金屬Ni (110)表面上的35個Xe原子移動,并組成了IBM 三個字母,這是人類第一次實現單原子操縱,成為1990年世界十大科技新聞之一。科學家們從這種操縱單個原子的納米技術中,看到了設計和制造分子大小的器件的希望。
納米技術飛速發展
1990年7月,第一屆納米科學技術學術會議在美國巴爾的摩召開,這次會議正式把納米材料科學作為材料科學的一個新的分支。以此為起點,在整個90年代納米技術獲得了飛速發展。
1991年,日本學者Sumio Iijima電子顯微鏡首次發現了多壁碳納米管,標志著碳納米管的問世。兩年后Iijima和IBM 公司Donald Bethune制成了單壁碳納米管。
1995年,研究者利用原子層外延(ALE)技術制成了在80K溫度下工作的量子點激光器,今天量子點激光器大量應用于光纖通信、光盤存取、顯示器等。
1990年,L。T。Canham 發現了多孔硅發光現象,這為在硅片上實現光電集成開辟了一個新的前景,解決了器件之間電互聯造成的時間滯后弊端,大大提升集成電路性能和計算機速度。
1997年,明尼蘇達大學電子工程系納米結構實驗室采用納米平板印刷術成功地研制了納米結構的磁盤,磁盤尺寸為100nm×100nm,它是由直徑為100nm、長度為40nm 的鈷棒按周期為40nm 排列成的量子棒陣列,其存儲密度達到41011比特/英寸。
納米技術全面發展
進入21世紀,納米技術的發展和應用百花齊放,世界各國紛紛將發展納米技術定為國家戰略。
2000年,時任美國總統的克林頓宣布啟動國家納米技術計劃(National Nanotechnology Initiative,NNI),使納米技術的研究經費獲得大幅度增加,知名度大為提高,并因此掀起了全球研究納米技術的高潮。
日本文部科學省在2002年度預算里將撥款301億日元(約合2。34億美元),實施“納米技術綜合支援計劃”。
在歐洲,由國家計劃、歐洲合作網絡和各大公司共同提供納米技術研究和投資所需資金。同時歐盟的研究計劃最為龐大,研究機構設置也最多,覆蓋的領域比較廣泛。
從20世紀80年代中期開始,中國政府就高度重視納米科技的發展。
在1991年11月召開的納米科技發展戰略學術研討會上,一致認為納米科技是正在興起的戰略性科技領域。將納米材料的制備科學與性能研究列為國家“八五”重點項目,在“十五”計劃綱要中,明確提出將發展納米科技作為科技進步的一項重要任務。據不完全統計,有一半的省市將納米材料列入當地“十五”期間的發展規劃。
2001年初,國家還成立納米科技指導協調委員會,負責組織協調全國納米科技研究開發力量,制定有關規劃。2001年7月,國務院批準了“國家納米科技發展綱要”。
2006年,國家制定了《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》,圍繞我國經濟與社會發展重大戰略需求和世界納米科學技術的重大前沿基礎科學問題,以深化基礎研究和促進產業化為主線,促進我國納米科學技術產業化的進程。
??目前,工程納米材料已經廣泛應用到醫藥工業、染料、涂料、食品、化妝品、環境污染治理等傳統或新興產業中。根據美國國家納米技術計劃的預測,到2020年,納米技術所帶動的經濟產值可達3萬億美元;全球納米相關產業從業人員將達600萬人。
本文摘編自唐仕川、常兵主編《工程納米材料職業健康與安全》一書。
納米材料因其特殊的物理、化學、力學性能被人們越來越多地應用到了生產生活的各個角落。隨著納米材料的普及，在日常的工作和生活中，人們已經不知不覺地接觸到了這種新型的材料。但是，納米材料對人體潛在的健康風險并不為人所知，且不為人所關注。《工程納米材料職業健康與安全》從納米材料的定義與特性出發，探討了納米材料獨特的物理化學性質和結構特征；以納米材料應用為主線，縱覽了目前世界范圍內納米產業現狀及健康安全的研究進展；逐一針對納米材料的暴露評價方法和步驟，工程納米材料的潛在健康影響（從體外實驗、動物實驗、人群流行病學調查和生態學研究四個角度），納米材料風險評估與風險管理，以及納米材料暴露控制的工程方法展開論述。從而從整體上構建了以納米材料健康風險為核心的概念、理論、方法體系。是國內第一部針對新型納米材料健康風險的理論著作。
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