纳米技术是什么

安颖问答2020-11-15 01:31:01阅读(...)

纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在1至100纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术,研究结构尺寸在 1 至 100 纳米范围内材料的性质和应用。

纳米技术 nanotechnology

纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是动态科学(动态力学)和现代科学(混沌物理、智能量子、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如:纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

理论含义

纳米技术(nanotechnology),也称毫微技术,是研究结构尺寸在 1 纳米至 100 纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981 年扫描隧道显微镜发明后,诞生了一门以 1 到 100 纳米长度为研究分子世界,它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此,纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。

从迄今为止的研究来看,关于纳米技术分为三种概念:

第一种,是 1986 年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念,可以使组合分子的机器实用化,从而可以任意组合所有种类的分子,可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的”加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术,也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去,从理论上讲终将会达到限度,这是因为,如果把电路的线幅逐渐变小,将使构成电路的绝缘膜变得极薄,这样将破坏绝缘效果。此外,还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题,研究人员正在研究新型的纳米技术。

第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来,生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA 分子计算机、细胞生物计算机的开发,成为纳米生物技术的重要内容。

利用纳米技术将氙原子排成 IBM

主要内容

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。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。其中,纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础,而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。

纳米纤维

纳米技术包含下列四个主要方面:

1、纳米材料:当物质到纳米尺度以后,大约是在 0.1—100 纳米这个范围空间,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。 这种既具不同于原来组成的原子、分子,也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料,即为纳米材料。

如果仅仅是尺度达到纳米,而没有特殊性能的材料,也不能叫纳米材料。

过去,人们只注意原子、分子或者宇宙空间,常常忽略这个中间领域,而这个领域实际上大量存在于自然界,只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家,他们在 20 世纪 70 年代用蒸发法制备超微离子,并通过研究它的性能发现:一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后,它就失去原来的性质,表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此,像铁钴合金,把它做成大约 20—30 纳米大小,磁畴就变成单磁畴,它的磁性要比原来高 1000 倍。80 年代中期,人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

为什么磁畴变成单磁畴,磁性要比原来提高 1000 倍呢?这是因为,磁畴中的单个原子排列的并不是很规则,而单原子中间是一个原子核,外则是电子绕其旋转的电子,这是形成磁性的原因。但是,变成单磁畴后,单个原子排列的很规则,对外显示了强大磁性。

这一特性,主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候,用于制造磁悬浮,可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。

2、纳米动力学:主要是微机械和微电机,或总称为微型电动机械系统(MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统,特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小,刻蚀的深度往往要求数十至数百微米,而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机,用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度,但有很大的潜在科学价值和经济价值。

理论上讲:可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。

3、纳米生物学和纳米药物学:如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定 dna 的粒子,在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验,磷脂和脂肪酸双层平面生物膜,dna 的精细结构等。有了纳米技术,还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物,即使是微米粒子的细粉,也大约有半数不溶于水;但如粒子为纳米尺度(即超微粒子),则可溶于水。

纳米生物学发展到一定技术时,可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞,并可以吸收癌细胞的生物医药,注入人体内,可以用于定向杀癌细胞。(上面是老钱加注)

4、纳米电子学:包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征,以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷,更小,是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。 纳米技术是建设者的最后疆界,它的影响将是巨大的。

历史沿革

纳米技术的灵感,来自于已故物理学家理查德·费曼 1959 年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始,人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术,都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道,为什么我们不可以从另外一个角度出发,从单个的分子甚至原子开始进行组装,以达到我们的要求?他说:“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。”

70 年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想,1974 年,科学家谷口纪男(Norio Taniguchi)最早使用纳米技术一词描述精密机械加工;

1981 年,科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用;

1990 年,

理查德·费曼

1990 年 7 月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生;

1991 年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的 10 倍,成为纳米技术研究的热点,诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等;

1993 年,继 1989 年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990 年美国国际商用机器公司在镍表面用 35 个氙原子排出“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字,标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地;

1997 年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在 2017 年后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,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于一个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录;

到 1999 年,纳米技术逐步走向市场,全年基于纳米产品的营业额达到 500 亿美元;

2001 年,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新 5 年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从 1997 年的 1.16 亿美元增加到 2001 年的 4.97 亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973 计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。

应用领域

英特尔 cpu

1、纳米是一种几何尺寸的度量单位,1 纳米=百万分之一毫米。

2、纳米技术带动了技术革命。

3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管,“饿死”癌细胞。

4、如果在卫星上用纳米集成器件,卫星将更小,更容易发射。

5、纳米技术是多科学综合,有些目标需要长时间的努力才会实现。

6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流,它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。

7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况,可让医生对症下药。

测量技术

纳米级测量技术包括:纳米级精度的尺寸和位移的测量,纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。

一是光干涉测量技术,它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率,其测量方法有:双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X 射线干涉测量法、F 一 P 标准工具测量法等,可用于长度和位移的精确测量,也可用于表面显微形貌的测量。

二是扫描探针显微测量技术(STM),其基本原理是基于量子力学的隧道效应,它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触),借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。

用这原理的测量方法有:扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。

加工技术

纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。

由于原子间的距离为 0.1 一 0.3nm,纳米加工的实质就是要切断原子间的结合,实现原子或分子的去除,切断原子间结合所需要的能量,必然要求超过该物质的原子间结合能,即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。

截至 2008 年纳米加工有了很大的突破,如电子束光刻(UGA 技术)加工超大规模集成电路时,可实现 0.1μm 线宽的加工:离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除:扫描隧道显微技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。

粒子制备

纳米粒子的制备方法很多,可分为物理方法和化学方法。

应用纳米技术制成的服装

纳米技术应用——计算机磁盘

真空冷授法:用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体,然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控,但技术设备要求高。

物理粉碎法:透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产晶纯度低,顺粒分布不均匀。

机械球磨法:采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。

气相沉积法:利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。

沉淀法:把沉淀剂加人到盐溶液中反应后,将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备载化物。

应用纳米技术制成的服装

溶胶凝胶法:金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物和 11 一 VI 族化合物的制备。

徽乳液法:两:互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液,在徽泡中经成核,聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好,11 一 VI 族半导体纳米粒子多用此法制备。

水热合成法——高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高,分散性好,粒度易控制。

材料合成

自 1991 年 Gleiter 等人率先制得纳米材料以来,经过 10 年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多,按其材质分有:金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料,被称为“21 世纪新材料”,具有许多特异性能。

例如用纳米级金属微粉烧结成的材料,强度和硬度大大高于原来的金属,纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为 1064℃,但 10nm 的金粉熔点降低到 940℃,snm 的金粉熔点降低到 830℃,因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。

加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。

疾病诊断

当前常规的成像技术只能检测到癌症在组织上造成的可见的变化,而这个时候已经有数千的癌细胞生成并且可能会转移。而且,即使是已经可以看到肿瘤了,由于肿瘤本身的类别(恶性还是良性)和特征,要确定有效的治疗方法也还必须通过活组织检查。如果对癌性细胞或者癌变前细胞以某种方式进行标记,使用传统设备即可检测出来则更有利于癌症的诊断。

要实现这一目标有两个必要条件:某技术能够特定识别癌性细胞且能够让被识别的癌性细胞可见。纳米技术能够满足这两点。例如,在金属氧化物表面涂覆可特异识别癌性细胞表面超表达的受体的抗体。

由于金属氧化物在核磁共振成像(MRI)或计算机断层扫描(CT)下发出高对比度信号,因此一旦进入体内后,这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体选择性地与癌性细胞结合,使检测仪器可以有效地识别出癌性细胞。同样地,金纳米粒也可以用于增强在内窥镜技术中的光散射。纳米技术能够将识别癌症类别及不同发展阶段的分子标记可视化,让医生能够通过传统的成像技术看到原本检测不到的细胞和分子。

在人类与癌症的斗争中,有一半的胜利是得益于早期的检测。纳米技术使得癌症的诊断更早更准确,并可用于治疗监测。纳米技术也可以增强甚至完全变革对组织和体液中生物标志物的筛查。癌症与癌症之间,以及癌细胞与正常细胞之间由于各种分子在表达和分布上的差异而各不相同。随着治疗技术的进步,对癌症的多个生物标志物进行同时检测是确定治疗方案时所必须的。

纳米颗粒——例如能够根据它们本身大小发出不同颜色光的量子点——可以实现同时检测多种标记物的目的。包被有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点可与各种癌症生物标记物抗体结合,方便肿瘤学家通过所看到的光谱区分癌细胞与健康细胞。

组装技术

由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限,组装技术将成为纳米科技的重要手段,受到人们很大的重视。

纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法,把原子、分子或者分子聚集体进行组装,形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术,扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用,形成有序的二维或三维分子体系。现在,分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是 LB 膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向,这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器件,以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行 lgG 归生物大分子的组装过程中,首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。

除以上几种组装外,在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工,使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展,将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。

中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势。现代同美、日、德等国位于国际第一梯队的前列。虽然现代中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地,纳米技术的开发应用也已经兴起,并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产,还有许多的工作要做,只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。

生物技术

纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部,细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。

DNA 研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。

脑功能的研究

工作目标是弄清人类的记忆、思维,语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。

仿生学的研究

这是纳米生物学的热门研究内容。现在取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。

世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转

纳米陶瓷

日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含 4096 个传感元。可望进一步用于机器人。

有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元,单元尺寸仅 Inm,可组装成超小型计算机,仅有数微米大小,就能达到现代常用计算机的同等性能。

在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中,很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂,组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理,人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。

衍生产品

机器人

纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型,设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”,也称分子机器人;而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。

2005 年,不少国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出:纳米机器人潜在用途十分广泛,其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。

每一种新科技的出现,似乎都包涵着无限可能。用不了多久,个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在 1990 年发表的《论机器人》一文中就预言:到 21 世纪中叶,纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。

雨衣伞

纳米雨衣伞是雨伞与雨衣的结合体,纳米雨伞收伞有三折伞和直杆伞的收伞形态(简单说,收伞时有长短两种选择)。纳米雨衣可由纳米雨伞转变而成,纳米雨衣又不同于一般的雨衣,因为纳米雨衣可以保证从头到脚绝对不湿。因为纳米材料,所以这雨伞可以一甩即干,雨伞转变为雨衣后,这雨衣也只需穿着时轻轻一跳也即可全干。

防水材料

2014 年 8 月 4 日,澳大利亚运用新发明的布料,制成一款具有开创性的 T 恤衫,不管人们怎样尝试着浸湿它,此 T 恤都能保持良好的防水性能。

这件叫做“骑士”(The Cavalier)的白色 T 恤是百分之百棉质的。虽然表面看起来平淡无奇,但是其布料运用“疏水”纳米技术应用编织而成,使得这件 T 恤能够有效防止大部分液体和污渍的浸入。这种 T 恤可以用机器清洗,其防水功能最多可承受 80 次清洗。它的布料有天然自净功能,任何附着在上的污渍都能用水擦洗或冲干净。

和其他含有化学物质的防水应用不同,T 恤仿照的是荷叶的自然疏水特点。此布料的发明对于餐馆和咖啡厅来说可能具有革命性的影响。此外,这种布料还可以运用在医疗行业或医院等地。

潜在危害

和生物技术一样,纳米科技也有很多环境和安全问题(比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统,还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等)。

社会危害

纳米颗粒的危害

纳米材料(包含有纳米颗粒的材料)本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性,特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害,我们才面临一个真的危害。

要讨论纳米材料对健康和环境的影响,我们必须区分两类纳米结构:

纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份(电子,光学传感器等),又称为固定纳米粒子

“自由”纳米粒子,不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。

这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素,化合物,或是复杂的混合物,比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。

现代,公认的观点是,虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料,自由纳米粒子是最紧迫关心的。

因为,纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了,它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。

更加复杂的是,当我们讨论纳米粒子的时候,我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化,而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂,因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且,纳米粒子具有聚合的趋势,而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。

健康问题

纳米颗粒进入人体有四种途径:吸入,吞咽,从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入(或由植入体释放)。一旦进入人体,它们具有高度的可移动性。在一些个例中,它们甚至能穿越血脑屏障。

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上,纳米颗粒的行为取决于它们的大小,形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞(吞咽并消灭外来物质的细胞)的“过载”,从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢,而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积,暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。

环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。

社会风险

纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面,也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。(例如,在 MIT 士兵纳米技术研究所研究的装备士兵的植入体或其他手段,同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。

在结构层面,纳米技术的批评家们指出纳米技术打开了一个由产权和公司控制的新世界。他们指出,就象生物技术的操控基因的能力伴随着生命的专利化一样,纳米技术操控分子的技术带来的是物质的专利化。过去的几年里,获得纳米尺度的专利像一股淘金热。2003 年,超过 800 纳米相关的专利权获得批准,这个数字每年都在增长。大公司已经垄断了纳米尺度发明与发现的广泛的专利。例如,NEC 和 IBM 这两家大公司持有碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础专利。碳纳米管具有广泛的运用,并被看好对从电子和计算机、到强化材料、到药物释放和诊断的许多工业领域都有关键的作用。碳纳米管很可能成为取代传统原材料的主要工业交易材料。但是,当它们的用途扩张时,任何想要制造或出售碳纳米管的人,不管应用是什么,都要先向 NEC 或者 IBM 购买许可证。

发展趋势

高级纳米技术,有时被称为分子制造,用于描述分子尺度上的纳米工程系统(纳米机器)。无数例子证明,亿万年的进化能够产生复杂的、随机优化的生物机器。在纳米领域中,我们希望使用仿生学的方法找到制造纳米机器的捷径。然而,K Eric Drexler 和其他研究者提出:高级纳米技术虽然最初会使用仿生学辅助手段,最终可能会建立在机械工程的原理上。

美国

美国国家科学委员会(National Science Board)于西元 2003 年底批准“国家纳米科技基础结构网络计划”(National Science Board Approves Award for a National Nanotechnology Infrastructure Network,简称 NNIN),将由美国 13 所大学共同建构支持全国纳米科技与教育的网络体系。该计划为期 5 年,于公元 2004 年一月开始执行,将提供整体性的全国性使用技能以支持纳米尺度科学工程与技术的研究与教育工作。预估 5 年间至少投资 700 亿美元的研究经费。计划目的不仅在提供美国研究人员顶尖的实验仪器与设备,并能训练出一批专精于最先进纳米科技的研究人员。

1.美国发展最新纳米细胞制造技术

纳米技术可制造出粒子小于人类血管大小的物体,美国国家标准与科技协会(NIST)指出已研究出一种生产一致的,且能够自行组合的纳米细胞(Nanocells)的方法,以应用在封装压缩药物的治疗工作上。这种技术当前可被运用在药物的包装技术上,可以更精确地确保药物的用量,未来将运用在癌症化学治疗的相关技术上作更进一步的研究。

纳米计划是公元 2005 年联邦跨部会研发预算的主轴,达 9.8 亿美元。

2.DNA检测芯片的进展

公元 2004 年一月,美国 HP 正式对外发表其用来快速进行 DNA 检测的纳米级芯片。2004 年在 DNA 检测上采以光学原理为基础的“基因微芯片法”(DNA microarrays)繁复的检测步骤,HP 团队改由将此繁复步骤交由电路芯片处理;制作上,DNA 检测芯片的传感元件是一条利用电子束蚀刻法(electron-beam lithography)与反应性离子蚀刻法(reactive-ion etching)所制成粗细约 50 纳米的纳米线。然就商业上考量,成果却过于高昂,因此研究团队正发展利用较便宜的光学蚀刻法(optical lithography)以制成 DNA 检测芯片元件的技术。

3.地下水污染改善之研究

地下水污染是现代被广泛讨论的一项重大议题,现代,美国发表了一种纳米微粒(nanoparticles)技术,在此微粒中心为铁芯(iron)而其外则由多层聚合物加以包覆,其中,内层是由防水性极佳的复合甲基丙烯酸甲脂(poly methl methacrylate;PMMA)包覆,而外层则由亲水的 sulphonated polystyrene 进行包覆。由于亲水性外层使纳米微粒溶于水,内层防水层则能吸引污染源三氯乙烯(trichloroethylene)。纳米微粒中的铁芯使得三氯乙烯产生分裂,进而使得此项污染源逐渐分裂成无毒的物质。

4.启动癌症纳米科技计划

为广泛将纳米科技、癌症研究与分子生物医学相互结合,美国国家癌症中心(NCI)提出了癌症纳米科技计划(Cancer Nanotechnology Plan),并将透过院外计划、院内计划与纳米科技标准实验室等三方面进行跨领域工作。计划设定了六个挑战:

预防与控制癌症:发展能投递抗癌药物及多重抗癌疫苗的纳米级设备。

早期发现与蛋白质学:发展植入式早期侦测癌症生物标记的设备,并发展能收集大量生物标记进行大量分析的平台性装置。

影像诊断:发展可提高分辨率到可辨识单独癌细胞的影像装置,以及将一个肿瘤内部不同组织来源的细胞加以区分的纳米装置。

多功能治疗设备:开发兼具诊断与治疗的纳米装置。

癌症照护与生活品质提升:开发改善慢性癌症所引发的疼痛、沮丧、恶心等症状,并提供理想性投药装置。

跨领域训练:训练熟悉癌症生物学与纳米科技的新一代研究人员。

欧盟

1.欧盟的国际纳米科学研究政策

欧洲为全球最早开始进行纳米科学研究的区域,但由于当时并没有欧盟加以居中协调与规划,因此在研究初期因为缺乏资金援助、相关管理上的支援,同时因为面临专利取得的问题,导致研究人员遭遇许多阻碍,公元 2004 年五月,欧盟议会(European Commission;EC)对欧洲地区与国际社会发表一系列有关于纳米科技的专案计划,以宣示欧洲对于提高纳米科技竞争力的决心。

欧盟将其计划分为五个主要区域:研究与发展(R&D)、基础建设(infrastructure)、教育与训练(education and training)、创新(innovation)以及社会层面(societal dimension)。

根据预估,如欧盟计划能顺 http://baike.baidu.com/edit/%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E6%8A%80%E6%9C%AF/144920 利推展,在西元 2010 年前将可望为欧洲创造上百亿欧元的经济营收。欧盟议会也强调提高社会大众对于纳米科技的认知,也同样属于整体纳米发展计划的一部分。另外,公众健康、安全、环保问题及消费者保护也同样被包含在此项议题之中。现在,纳米科学及纳米科技仍属于新兴的 R&D 领域,其所必须解决与进行研究的对象都存在于原子与分子的阶层中。纳米科学在未来几年内的应用是众所瞩目,且必将对所有的科技产生重大影响。在未来,纳米科技的研发工作也将对人体保健、食物、环保研究、资讯科学、安全、新兴材料科学及能源储存等领域产生重大的改变。 西元 2004~2006 年欧盟所进行的第六期架构计划(FP6)中,纳米科技与新兴材料研发的经费约为欧元 13 亿,而欧盟议会也有意提高经费并延长研究时程(由公元 2007~2013 年)。同时为凝聚与加强所有欧盟会员国在纳米科学方面的研究,因此在规划上欧盟议会也有意召集民间与其他单位的专家凝聚共识,以强化整体欧盟在此方面研究领域的力量。

2.创新接继中心

在公元 1995 年由欧盟委员会成立“创新接继中心”(Innovation Relay Centers, IRCs)。这个的组织和美国国家科技移转中心具相同功能。区域性的创新接继中心总数近 70 个,支援至少位于 30 个国家的相关科技移转中心。创新接继中心的目的,是将有问题的公司和能提出解决方法的公司结合在一起。欧洲多数的纳米科技公司都可受到创新接济中心或区域创新和科技移转策略计划的援助。

欧洲纳米科技计划接受金援的方式和美国大致相同,有些是属于国家型计划。欧洲有多个跨国研发机构,以泛欧工业研发网络为例,其专门提供无条件研发补助,目的将研发成果发展为产品。透过泛欧工业研发网络提供的资金补助的国家包括奥地利、挪威和英国。其他在比利时、德国、斯洛伐尼亚、冰岛和以色列还包括贷款和免偿型补助。多数情况下,补助金额不超过计划完成的所需总金额的七成,剩余部分多仰赖地方政府和其他有意愿者赞助。

日本

1.日本理研的纳米科学研究现况

日本理化学研究所(RIKEN,简称理研)系一跨学门的研究组织,该所各部门分布在日本的 7 个区域。RIKEN 的主要基地-和光园区,设置发现研究中心(DRI)、新领域研究系统(FRS)及头脑科学中心(BSI)等 3 研究中心。RIKEN 进行的研究可区分为三类:DRI 主要进行小型但具备长程观点的培育研究计划;FRS 同样执行小型计划,但以由上而下的方式,进行较具动态的中程及中等规模的计划;至于研究中心则是进行以目标为导向的中至长程的大型计划。RIKEN 在西元 2003 会计年度下半年(西元 2003 年十月至 2004 年三月)的研究预算共 4.748 亿美元,全年预算超过 9 亿美元。

公元 1986 年起 RIKEN 开始从事纳米科学之研究,但正式的纳米科学计划则是自西元 2002 年开始,初期选定有 18 项的纳米科学计划,并陆续分别在各研究中心进行。

2.日本提高纳米科技预算与产业合作(JAPAN BOOSTS NANOTECHNOLOGY BUDGET AND INDUSTRIAL COOPERATION)

日本科学与科技政策顾问委员会(Council for Science and Technology Policy)消息指出,日本在西元 2004 年会计年度(由 4 月 1 日起)中,纳米科技预算成长 3.1 个百分比,达到 8.8 亿美元。同时,两个主要负责日本纳米科技研发计划的政府部会,其预算也都有成长。负责推销即将完成的研发工作的日本经济产业省(Ministry of Economy Trade and Industry, METI),预算由西元 2003 年的 0.97 亿美元提升到公元 2004 年的 1.1 亿美元。纳米科技与相关原料研究被指定为四个最高优先项目之一,其他领域包括资讯与通讯、生命科学与环境研究。

日本的预算是经由日本大藏省(Finance Ministry)批准,再由日本国会(Japanese Diet)制定为法律。日本文部科学省(Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology, MEXT)的纳米科技研发经费,则由 2.3 亿美元成长到 2.4 亿元,将着重在基础原料研究与新药物研究计划上。

韩国

1.韩国的纳米科技策略

韩国政府已深切体认到纳米科技为本世纪科技发展的战略制高点,整合纳米技术与资讯、生物、材料、能源、环境、军事、航太领域之高新科技,并将创造出跨学门研究发新境界。韩国政府也理解到此新兴科技也将是创造新产业与高科技产品的驱动力,纳米科学与技术的突破性进展更将为人类能力、社会产出、国家生产力、经济成长与生命品质带来巨幅的改善。

韩国已宣示在公元 2001 至 2010 年十年间投入韩币 2,391 兆元(约 20 亿美元)于纳米科技的研发,政府投入在纳米科技的经费,公元 2002 年与 2000 年比较,成长约 400%。纳米国家计划的主要目标之一为在某些竞争性领域取得世界第一并发展产业成长的利基市场,韩国同时明确的把发展重点聚焦于诸如兆元级积体电子元件等核心关键技术。

“2002 年执行纳米技术发展计划”与“纳米结构材料技术发展”、“纳米微机电与制造技术发展”等两项新领域研究计划同步开始实施,再加上纳米科技领域研究计划在未来 6~9 年内每年将投入 2 千万美元,在众多政府研究机构林立的 Daejoen 科学城。韩国高等科技研究院(KAIST)于 2001 年设立纳米制造中心,在未来 6~9 年内投入 1.65 亿美元,政府调整“2003 年纳米科技发展行动计划”,包括:纳米科技发展促进法案,其目的二:一为建构坚固的纳米科技核心研究基础,二为激励成熟纳米科技的产业化,韩国政府也将配置 3.8 亿美元(全国纳米科技经费的 19%)于国家纳米产业化计划,其中包括产业研发基金与创投基金。

根据公元 2002 年韩国专利局报道,纳米科技专利应用数目无论在国内或国外都呈现大幅成长,新兴纳米科技也在过去数年间呈现可观地成长,另外根据韩国商工能源部(MOCIE)的统计,西元 2002 年纳米科技新创公司也如雨后春笋纷纷抢搭纳米科技列车。

2.韩国预测国际市场对纳米纺织品的需求将快速增加

韩国产业资源部预测,今后 9 年国际市场对纳米纺织品的需求将会出现迅速增长的趋势,交易额可望达到近 400 亿美元。韩国产业资源部委托韩国纤维产业联合会从西元 2004 年八月份开始的三个月内,对国际市场对纳米纺织品的需求和贸易趋势进行研究分析。

韩国产业资源部分析认为,国际市场对纳米纺织品的需求金额以 150 亿美元为基准,今后每年将递增 10.7%,到公元 2007 年和 2012 年,国际市场对纳米纺织品的需求金额将分别达到 240 亿美元和 397 亿元。到西元 2012 年,国际市场对用于制药、电子和生命科学的超高效能过滤纳米纺织品的需求金额将达到 96 亿美元,对用于防生化武器和体育娱乐的纳米纺织品的需求金额将达到 26 亿美元,对用于储存能源的纳米纺织品的需求金额将达到 205 亿美元。

韩国对纳米纺织品的需求金额为 19 亿美元,占国际市场需求总额的 12.1%。到西元 2012 年,韩国对纳米纺织品的需求金额将达到 72 亿美元,占当时国际市场需求总额的 18.1%。

3.韩国在纳米科技的发展几乎完全集中在微电子产业

透过由韩国科技部(Ministry of Science and Technology)赞助的兆位水平纳米设备发展计划(Tera-Level Nanodevices Initiatives),韩国的大学和产业都专注于发展下一世代微电子设备,包括具有兆位元(terabit)容量的内存设备和具有兆赫兹(terahertz)资料处理速度的元件。

韩国最大企业财团之一的三星设有一个先进科技研究所(Advanced Institute of Technology),从事微电子科技的研究和商业化发展。

中国台湾地区

台湾自公元 1996 年以来,国科会、经济部、教育部等部会已支持许多个别计划从事有关于纳米科技的研发,较九十年代的如教育部的卓越计划、国科会纳米材料尖端研究计划、经济部技术处纳米技术环境建构及其产业应用评估计划等等。为了有效地运用资源,并整合产官学研的智慧与力量,以提升国际竞争力;自西元 2000 年起,国科会即开始规划推动纳米科技计划。

公元 2000 年 12 月中国台湾地区行政部门“科技顾问会议”与西元 2001 年一月第六次“全国科学技术会议”(全国科技会议)之结论,均指出纳米科技为台湾未来产业发展重点领域方向,国科会遂于西元 2002 年十一月廿一日成立工作小组办公室,负责国家型计划之规划,“纳米国家型科技计划工作小组”之成员由国科会、台湾行政部门科技顾问组、中研院、中国台湾地区教育部、工研院、经济部、台湾行政部门“原子能委员会”及台湾行政部门环境保护署等单位共二十五位代表组成。

国科会并于公元 2002 年一月十五日召开第一五五次委员会议,讨论“纳米国家型科技计划”构想;于西元 2002 年六月第一五七次委员会议中通过纳米国家型科技计划审议,自西元 2003 年一月正式开始推动,并决定自西元 2003 年至西元 2008 年间,投入经费新台币 231.9 亿元于纳米科技发展;并于同年九月一日正式成立纳米国家型计划办公室,执行整体计划之领导、策划与管考。

中国

1.“中国实验室国家认可委员会”是负责实验室和检查机构认可及相关工作的认可机构,为规范纳米产品市场、推动制定相关纳米材料及产品的标准,“国家纳米科学中心”和“中国实验室国家认可委员会”会商多次,联合成立“纳米技术专门委员会”,挂靠在“国家纳米科学中心”。

2. 中国政府透过中国科学院主导众多纳米科技研发计划,多数强调半导体制造技术和发展以纳米科技为基础的电子元件,另一是利用纳米材料保存考古文物。

已成功发展出的产品包括新式冷气机,其特点为利用创新的纳米材质。另估计约有两百家企业积极从事纳米科技产品的商业化。

加拿大

滑铁卢大学是全世界第一所设立以纳米科技工程为主科的大学。在 2005 年开始收生并在 2010 年开设纳米科技工程硕士班。在 2012 年,将会有一座量子纳米中心。

多伦多大学也拥有以纳米科技工程为副科的科学工程的大学。

圭尔夫大学则已设立了纳米科学.。

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