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3.起源：某一刻必然从无到有*

左图为用36个氙原子排出“IBM”三个字母。右图为用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。 这些工作都是人类迈向纳米小世界的重要脚印。（图片获取自互联网 msn版由于排版不同只显示一张图片）

 

        追忆辉煌总会让我们觉得热血沸腾，今天就让我们一起来回顾纳米科技的起源。

寻找纳米的起源，我们可以将目光投射到1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。更早的纳米历史可以追溯到很早，中国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。但这些并不是真正意义上有目的的制备和使用纳米技术。

如果说，仅仅一种材料的制备成功，并不能确立一个学科的话，在1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。随后纳米技术开始走进全球科学家的视野。

1990年，美国国际商用机器公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面用36个氙原子排出“IBM”三个字母。从这种能操纵单个原子的纳米技术中, 回忆起Richard Feyneman的话，我们看到了设计和制造分子大小“from bottom to top”的器件的希望。这个原子级别的“IBM”给人们带来了很大希望，但从简单绘图到绘制二维的，具有功能的平板电路，甚至到三维结构的构建。虽然距离构建完全功能化的分子（或是原子）机械还有很长的路要走，而且人们似乎也不太清楚该怎么走，但这都不影响排列原子级“IBM”给人们带来的重大意义。一年之后，目前最为著名的纳米材料就诞生了。

1991年1月，日本筑波NEC实验室的饭岛澄男(S. Iijima)首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。虽然在著名的《自然》（nature）杂志发表了，这种后来的明星材料并没有立刻成为全球的热点，很多人仍然认为仅仅只是石墨的另一种同素异构体，是足球烯(C₆₀，碳六十)，这一诺贝尔奖级别的发现之后，众多变形和扩展中的一种，C₆₀门类下的一个小小的延续。直到2000年10月，美国宾州大学（U. Penn）研究人员在另外一本著名的杂志《科学》（Science）上发表文章称，纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢100倍的强度。直到这个时候，纳米碳管终于验证的那句著名的中国谚语“是金子总会发光的。”很快纳米碳管成为了明星，人们发现碳管不仅具有良好的导电性能, 还是目前最好的导热材料。碳纳米管，既然是“管”，就有当容器的价值，当中的空腔不仅可以充当微型试管还可以，作为模具或模板。

除了在性能和运用上的大发现，纳米碳管的制备也是一直在突飞猛进，毕竟作为一个新材料，制备方法一直都是人们关注的重点。在1991多壁管发现之后，1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune等人报道了观察到单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes)。1996年，因发现C₆₀获得诺贝尔奖的斯莫利(Smalley)和他的研究组合成了成行排列的单壁碳纳米管束。奥运精神是更快，更高，更强；纳米碳管的制备科研也有自己追求的价值：除了追求更长，更大面积还有更细和更薄。2000年香港科技大学的汤子康博士宣布发现了世界上最细的纯碳纳米碳管¾0.4nm碳管，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。

1999年，世界上最小的“秤”被发明。德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤。

到这一年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到500亿美元。

2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家用DNA的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。纳米学开始从材料向器械和器件迈出重要的一步。

2009年，基于纳米技术的，可以覆盖3.8微米区域的隐形材料在美国加州大学伯克利分校被发明。

关于起源就写到这里，而纳米科学还在日新月异的发展，每天在创造新的历史。

 

下集预告：石墨，钻石和纳米碳管

 

*简史部分参考晋大纳米科技（厦门）有限公司“纳米科学技术发展简史” http://jdnano.com/nami-kexue-jishu-fazhanshi/

2.方法论：由上而下和由下而上

 

左图为一个分子机械部件的幻想图。纳米技术的一个前进方向就是制作出分子机械。右图是英国伯明翰著名的微缩雕塑家Willar Wigan制作的针眼大小的自由女神像。这是一种典型的由上而下的制作思路。（图片获取自互联网 msn版由于排版只能提供一张图片）

 

作为一个尺度，纳米并不只是局限于提供人们关于材料的假想。将会被更多人所理解的纳米世界，是一个彻底的，宏大的，成为完整系统的小世界。

实际上,这样一个小世界我们并不陌生。从某种意义上讲，我们还应该相当熟悉这样一个小世界，因为她早已经存在于我们的生活之中，不可分割。从植物的光合作用到人体的消化吸收，由蛋白质构成的纳米，微米工场正是维持世界新陈代谢的最基本元素，这就是早已存在于我们周围的纳米世界。

但是我们似乎并没有切身体会到这样的小世界的存在，回顾科技史，人类一路走来积累了大量的对于宏观世界的认识，掌握了相当多的改造这个世界的方法。 这种认识常常让我们思维受限的，妄图以宏观世界的模型来构造一个小世界。那些被想象成人型的纳米机器人，可以在人体中运动，和癌细胞战斗，手持利刃，最终杀死癌细胞。这个场面，就如同古罗马的一场战争。

的确，我们很熟悉宏观世界，在宏观世界里，这些由齿轮，杠杆构成的系统很好的改变了我们的生活，从巨型油轮到MEMS，人类对于宏观材料的研究已经开始发挥到极至。

但很可惜，就像放大原理在飞行中不适用一样，模型飞机可以飞得很好，并不意味着按照尺寸等比例放大的载人机就可以起飞。同样，我们的潜水艇按尺寸缩小之后，并不见的就可以像在海洋里遨游一样，在血管里前进。虽然我们对于在大海里航行信心十足，但这样的纳米潜艇很可能在血管里尽管开足了马力，但由于巨大的表面比（BET）效应，我们无法左右自己的命运和前进方向。悲惨的只能随着红细胞的大流，被冲向身体的个个角落。把我们的已经能够制造的东西缩小了，看来并不是纳米化的正确途径。

寻找构造一个纳米世界真正可能的设计，应该掉转我们目光向自然界存在的纳米系统学习。自然界的纳米运动系统可以认为是长期自然选择的结果。进化得来的结构，对于我们的研究和设计而言都有着不可替代的重要意义。比如说，细菌。

通常的细菌尺寸在0.5到5微米之间。很有可能，我们所能设计的能够运行的各种小运动系统也将会集中在这个尺度区间。一根或是多根从尾部或是侧边长出长长的鞭毛螺旋行动旋转推动着细菌的前进。再小尺度，我们的目光就会集中在病毒身上。虽然病毒比细菌小，但从某种意义上来说，它并不是我们特别理想的参考目标。它并没有自主运动的能力，必须依附媒体。不过即使是这样的结构，也是自然长期选择的结果，同样值得我们研究和学习。

我们在这里只讨论到纳米尺寸，但并不是终极尺寸，虽然这对于习惯了宏观世界的人来说，10^-9已经是相当小的一个单位，但在其身后还有皮，飞。换句话说，纳米还不够小。科学家，至少是化学家能够操纵的材料，只到了纳米级别，正正意义上的原子组装技术，或者说以单个原子为材料的时代还远远没有到来，更何况在更小尺寸，将发生很多很多“奇怪”是事情。比如存在于某个特定位置原子在被观察的时候，被来自观察者所采用于观察的光子撞飞了，从而无法确定其位置的量子世界，将会带来材料的一个全新的世界。

诺贝尔奖获得者Richard Feyneman于 1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中提出“由下而上的方法”(bottom up)：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，将极大得扩充我们获得物性的范围。”

他是这么说的，但目前的技术却是很难达到的，特别是在一个小世界里。其实由上而下方法我们一直都在用，特别是在制作一些“大”的东西上，我们比较有经验。无论是中国的长城还是埃及的金字塔这些宏伟并流传千古的建筑就是由小而大的，由下而上最直接的例子。幼儿园的小朋友从三岁就开始搭积木，这种制作思路是我们最熟悉的，但在小世界是却不一样。何为小？大小是相对的，相对一艘美国海军航母来说，邻居家的奔驰轿车就是小，相对于我的那颗种了半年的吊兰，他的轿车就是大了。只是我们都约定俗成了以自己和我们日常生活为参照系，所以我们能够不约而同的认为纳米是个小世界。Bottom up对于纳米世界来说是很难，因为我们本来就处在上部（up），却要由下而上（bottom to up）。化学中评价物质的化学性质是与分子来划分的，从这个意义上来讲，单纯的原子角度是没有化学性质的。就像手表里的齿轮，发条分隔开了就没有了功能。这不是一个简单堆积的过程，要达到量变引起质变需要我们更多的工作。而且要一个原子一个原子的制造物品，这就需要原子级别的工具。至少要能很好的夹住原子，并实现原子级别操作的工具，工具本身的尺寸就是原子大小。而且还需要对原子间作用力更为精确的了解和控制。

相比之下，我们的“微”技术都是从上而下的。就像玉石工匠雕琢玉石，是由大块的玉料开始，剔除不要的成分，慢慢雕刻，细细打磨就留下了各种精巧的亭船楼阁。这样的技术从古就有，著名的《核桃舟记》就是一个很好的范例。随着电子工业的发展，技术的精度和工艺都在不断提高。Intel公司已经能够制作45nm线宽的CUP，但从方法论上来说却也是从古就有的思路了。

但基于前面的讨论，简单的小型化本身并不完全代表纳米技术的全部方向，更不是整个纳米世界的未来，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”(top down)尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”( bottom up)的方法来构建纳米器件。目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术：比如日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧。另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。这个方面的例子有美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1-2nm的单层的场效应晶体管。但这方面的工作现在还仅限于实验室研究阶段。

 

下集预告：起点：一次逆流而上的历史之旅。

定义：“大米，小米和纳米”

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体验从米到微米再到纳米的尺度变化：米尺度下的人体，图为一个成年男子在午睡；微米尺度下的细胞，图为一个人体淋巴细胞；纳米尺度下的分子，图为碳氢化合物，画面中心可见一个碳原子连接着三个氢原子。（图片获取自互联网）

 

在上次高中同学毕业10周年聚会上，从各地，各行各业相聚在一起的同窗好友终于坐在一起。大家由于所处的行业不同，地域不同，又忙于工作，平时难得相见。现在终于借助这次机会见到了，回忆起学生时代的点点滴滴，那学无忧虑的校园时光给过我们多少乐趣。当然，也会互相询问一些境况，比如说所处的行业，到底是干什么的。

当听到我说是搞纳米的，坐在我旁边的大明开玩笑的问我：“这个纳米是属于大米还是玉米？”不等我回答，坐在我另外一边，根本没有注意我们在讨论什么的王琦就插嘴说：“玉米?你也是李宇春的歌迷？”而还不等我解释，她就跟大明滔滔不绝的聊起李宇春来了。我不禁暗自苦笑。

纳米或许是个时髦的字眼，从某种程度上来看，似乎成了高科技，新型的代名词。听说过纳米领带，纳米冰箱，纳米洗衣机，似乎商家实际更想表达的是最新针织技术领带，精细涂层处理过冰箱和添加了银纳米粒子的新型洗衣机。纳米作为一种尺度是广泛存在于我们的生活周围的，比如人体中的细胞膜（注意不是细胞）就是在纳米尺度上。而这些领带和电器中一些涂层，纤维尺寸都很可能是纳米级别的，但这些并没有，也不能给他们的性能带来真正意义上的巨大突破。就像汽车里也有碳，氢，氧这些元素，但我们不能简单说汽车是一种碳水化合物一样。

什么是纳米呢？我也开始思考这个问题。纳米的定义其实很简单，就是一种度量单位，属于千米，米，毫米，微米这个系列之中。一个简单的度量衡并没有多少特别之处，特别的是纳米材料：一个小世界给我们带来了完全不同的风光。

    关于纳米材料，普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。

而纳米科技则有这个更为广泛深厚的内涵。尺寸在1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律，相互作用以及在应用中实现特有功能的技术问题。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，是随着人类技术进步从微米层次深入至纳米层次的一次跃进。纳米技术未来的目标是按照人们的需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。目前纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等，这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。相对而言，纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。

纳米材料的奇异性是由于其构成基本单元的尺寸及其特殊的界面、表面结构所决定的。同样来自结构决定性质这样一个传统的材料学基本思路，只是在这样的情况下表面占据了绝大多数的份额。表面，准确的说是表面结构，以真正决策者的身份来影响性质。而比起体相，表面有着不完善的化学键，更活泼的原子和离子，面对更为复杂的外部环境。

而另外一个重要因素是量子效应。其中的原因就要从原子结构开始说起，根据卢瑟福，波尔等人发现的原子结构，那些存在于原子之中，围绕原子核选择的电子是按照不同的能级的分布的，就如同月亮围着地球转动，有各自不变的轨道。这些拥有独立轨道的电子给我们的世界带来了物理化学性能。

在大尺寸的体材料中，因为原子有序的整齐排列以及原子之间的距离接近，位于外层的一些电子会相互作用，原本在各自轨道上运行的电子，会运行到别人的外层轨道上，就像吃过晚饭后，到邻居家串门一样。好比串门的人多了，门外的小路上就车水马龙了，这样的电子多了就形成了能带。在固体物理中能带是非常重要的。导体，半导体和绝缘体的定义就是根据能带之间的关系来定义的。但当物体的尺寸进入纳米级之后，没有足够多的电子来形成能带，这些没有完成的能带就显现成分离的能带。能带的分离只是性能变异的第一步，当物体进入小尺寸的尺度中，物理行为就需要遵守更为严谨的量子力学。原先在牛顿力学规范下的各种表现，在纳米尺度下都会表现出不同，这才是纳米材料性能突变的真正成因。（最简单的固体物理，量子力学会在后面的章节专门介绍。）

 

下集预告：纳米学的方法论：从上而下，还是从下而上？这是一个问题。

1．定义：“大米，小米和纳米”

碳纳米管发出的电荷

在上次高中同学毕业10周年聚会上，从各地，各行各业相聚在一起的同窗好友终于坐在一起。大家由于所处的行业不同，地域不同，又忙于工作，平时难得相见。现在终于借助这次机会见到了，回忆起学生时代的点点滴滴，那学无忧虑的校园时光给过我们多少乐趣。当然，也会互相询问一些境况，比如说所处的行业，到底是干什么的。

当听到我说是搞纳米的，坐在我旁边的大明开玩笑的问我：“这个纳米是属于大米还是玉米？”不等我回答，坐在我另外一边，根本没有注意我们在讨论什么的王琦就插嘴说：“玉米?你也是李宇春的歌迷？”而还不等我解释，她就跟大明滔滔不绝的聊起李宇春来了。我不禁暗自苦笑。

纳米或许是个时髦的字眼，从某种程度上来看，似乎成了高科技，新型的代名词。听说过纳米领带，纳米冰箱，纳米洗衣机，似乎商家实际更想表达的是最新针织技术领带，精细涂层处理过冰箱和新型洗衣机。纳米作为一种尺度是广泛存在于我们的生活周围的，比如人体中的细胞膜（注意不是细胞）就是在纳米尺度上。而这些领带和电器中一些涂层，纤维尺寸都很可能是纳米级别的，但这些并没有，也不能给他们的性能带来真正意义上的巨大突破。就像汽车里也有碳，氢，氧这些元素，但我们不能简单说汽车是一种碳水化合物一样。

什么是纳米呢？我也开始思考这个问题。纳米的定义很简单，就是一种度量单位，属于千米，米，毫米，微米这个系列之中。一个简单的度量衡并没有多少特别之处，特别是纳米材料。一个小世界给我们带来了完全不同的风光。

    关于纳米材料，普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm，且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。

而纳米科技则有这个更为广泛深厚的内涵。尺寸在1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律，相互作用以及在应用中实现特有功能的技术问题。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，是随着人类技术进步从微米层次深入至纳米层次的一次跃进。纳米技术未来的目标是按照人们的需要，操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。目前纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等，这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。

纳米材料的奇异性是由于其构成基本单元的尺寸及其特殊的界面、表面结构所决定的。同样来自结构决定性质这样一个传统的材料学基本思路，只是在这样的情况下表面占据了绝大多数的份额。表面，准确的说是表面结构，以真正决策者的身份来影响性质。而比起体相，表面有着不完善的化学键，更活泼的原子和离子，面对更为复杂的外部环境。

而另外一个重要因素是量子效应。其中的原因就要从原子结构开始说起，根据卢瑟福等人发现的原子结构，那些存在于原子之中，围绕原子核选择的电子是按照不同的能级的分布的，就如同月亮围着地球转动，有各自不变的轨道。这些拥有独立轨道的电子给我们的世界带来了物理化学性能。

在大尺寸的体材料中，因为原子之间的距离接近，位于外层的一些电子会相互作用，原本在各自独立轨道上运行的，分离的一个个电子会运行到别人的轨道上，这样的电子多了就形成了能带。在固体物理中能带是非常重要的。导体，半导体和绝缘体的定义就是根据能带之间的关系来定义的。但当物体的尺寸进入纳米级之后，没有足够多的电子来形成能带，这些没有完成的能带就显现成分离的能带。

 

童鞋们，火辣辣的五月就要到来了。为了一个在这个炎热的夏天里吃不到冰镇西瓜，或是酸梅汤的童鞋们送去一丝丝凉意，我决定开始一个科普连载节目。具体集数不知。为了秉承美剧一周一集的优良传统，我决定每周连载一集，单数周出新内容，双数周是对上周内容的点评。欢迎大家拍砖，捧场，续写，扩写，转载。

介于填补校内网上个人页面的内容缺乏，将同时在校内网和facebook上转载。

先来标题

《纳米50年：美丽小世界》