纳米科学论文例1

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。

—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1）大的戳子尺寸

2）高图形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）压印温度和压力的优化

5）长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。

IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1．在一块模版上刻写图形

2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

纳米科学论文例2

不幸很快就降临在这些工人的身上:七名女工相继发病,其中两名女工去世。

在2009年9月号的《欧洲呼吸杂志》(European Respiratory Journal)上,首都医科大学附属朝阳医院(下称朝阳医院)医生宋玉果及其同事发表研究论文称,上述女工“所患的可能是‘一种与纳米材料有关的疾病’”。

这大概是全球首宗关于纳米颗粒可能致命的临床毒理病例报告。论文的发表,在国际学术界引发了一场小型“地震”。无论那些与纳米技术有关的学术会议,还是科学新闻网站和科学家博客,中国女工之死和纳米安全都是激烈争论的话题。

喷涂车间悲剧

从研究论文披露的情况看,七位女工的年龄在18岁至47岁之间,平均不到30岁,在车间工作的时间从5个月至13个月不等。患病之前,她们的身体健康状况良好。

2007年1月至2008年4月期间,这几位女工被送到朝阳医院职业病与中毒科救治。这个科室专业水准较高,其医生经常被派往中国各个地方,协助处理血铅超标、重金属污染等职业安全事件。

女工们的症状比较类似。所有病人的肺部都受到严重损害,并且有胸腔积液,脸上、手上和胳膊也都出现了严重的瘙痒皮疹。其中,有四位女工体内的器官组织还面临缺血缺氧的危险。

无论对于患者,还是对于医生,治疗过程都令人煎熬。胸腔积液反复出现,常用的治疗方法均告失效。

最终,一名19岁的病人在接受外科手术16天之后去世;另外一名29岁的病人在症状出现后的第21个月,死于呼吸衰竭。

负责诊断和治疗这些女工的,是朝阳医院职业病与中毒科副主任医师宋玉果。根据医院网站的介绍,他多年来从事尘肺、有毒化学物中毒的诊治和临床研究。

宋玉果及其同事开始追究女工们患病的原因,并将嫌疑对象锁定为那个印刷厂车间的工作环境。

该车间所使用的原料是一种象牙白色的聚合物材料――聚丙烯酸酯混合物。聚丙烯酸酯作为一种黏合剂,广泛运用于建筑、印刷和装修材料中,被认为毒性很低。不过,为了让材料更加结实和耐磨,制造商有时会加入硅、锌氧化物、二氧化钛等金属纳米颗粒。

1纳米等于1米的十亿分之一,大致相当于人头发丝直径的数万分之一。通常,粒径在100纳米以下的材料,均被称为纳米材料。

七名女工和一名男工被分为两组,每天工作8个至12个小时。工人们每天要将大约6000克聚丙烯酸酯混合物,用勺子涂到机器的底盘上;这些混合物随即被高压喷射装置喷涂在聚苯乙烯材质的有机玻璃板上;然后,有机玻璃板在75摄氏度至100摄氏度的温度下被加热烘干。

车间只有一扇门,没有窗户。喷射装置附带有一个燃气排气口,对喷涂过程中产生的烟雾起到一定的排除作用。

女工们发病以后,来自中国疾病预防控制中心、北京疾病预防控制中心、当地疾病预防控制中心的流行病学专家,以及朝阳医院的医生,对这家印刷厂的工作环境进行了调查。

在喷射装置燃气排气口的吸气口中,专家们找到了累积的尘埃粒子。女工们发病前五个月,燃气排气口发生了故障。由于室外温度很低,车间的门也经常被关闭。专家们推断,在这期间,车间内的空气流动非常缓慢甚至处于静止。

这些工人都是工厂附近的农民,没有任何职业安全卫生知识。她们所得到的惟一用来保护自己的工具,就是棉纱口罩。而且,她们工作时只是偶尔戴戴。

据工人们反映,在喷涂过程中,经常会有一些原料喷溅到他们的脸上和胳膊上。惟一的一名男性工人在工作三个多月后离开,并没有显示出任何症状。在其他车间工作的工人,其中包括女工们的亲属,也没有出现类似症状。

研究论文没有透露这家印刷厂的名称及其所在地区。在朝阳医院的办公室,宋玉果也谢绝了《财经》记者的采访。

女工之死谜团

在女工们的肺部和胸液中,均发现了直径约30纳米的颗粒。而这般尺寸和形态的颗粒,同样存在于她们接触的喷涂材料之中。

此外,女工们出现了罕见的非特异性间质性肺炎,以及奇特的肺部增生组织――异物肉芽肿等症状。这些症状与纳米材料毒理的动物实验结果相似。

宋玉果及其同事因此认为,很可能是纳米颗粒导致这些女工发病甚至死亡。

但不少专家对这一结论持有保留态度。

9月1日至3日,在北京举行的中国国际纳米科技会议上,多位专家提及宋玉果及其同事的论文。

美国纳米健康联盟(Alliance for NanoHealth)主席、得克萨斯大学医学中心教授毛罗法・拉利(Mauro Ferrari)告诉《财经》记者,这篇论文非常重要,但他不认同作者关于纳米颗粒导致工人患病和死亡的分析。

法拉利说,要确定纳米颗粒与疾病之间的关系,首先应该分析纳米颗粒的组分,确认这些颗粒来自工作环境;即便病人肺部的纳米颗粒来自工作环境,在没有对照试验的情况下,也很难证明这些纳米颗粒一定是女工患病的罪魁祸首。

他还强调,这家印刷厂的工作环境恶劣而封闭,有毒化学品和气体充斥其中,工人们又没有好的保护措施。这些因素对于工人患病和死亡究竟有怎样的作用,都值得推敲。

对于论文中的一个推论――纳米颗粒进入工人身体的途径是吸入和皮肤接触,中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮表示,这并不总是正确的。他强调,通过吸入方式进人体内是可能的,但是纳米颗粒穿过皮肤直接进入生物体内的证据还很少。

美国麻省大学洛厄尔分校健康与环境学院助理教授迪米特尔・贝罗(Dhimiter Bello)因故取消了行程,未能到北京参加此次学术会议。但他通过电邮对《财经》记者说,在工人肺部和工作环境中都发现纳米颗粒,只能说明纳米颗粒有可能是一个致病因素。实际上,从论文提供的信息来看,并不能排除其他的可能致病因素。例如,喷涂过程中用到的聚合物材料在高温下的降解产物,也可能是主要或者惟一造成女工患病的原因。

在贝罗看来,这场悲剧或许不应归咎于纳米颗粒,而应怪罪车间内原始的、不人道的工作条件,“这是一次警醒,无论(悲剧)是否与纳米颗粒相关,工作场所的暴露条件都应当被控制在安全范围内。在这方面,中国还有很长的路要走。”

美国加州大学洛杉矶分校纳米毒理研究中心主任安德烈・内奥教授(Andre Nel)也说,在这起事件中,工人们没有得到应有的生产安全保障,政府部门应该负起监督的责任,以保证生产过程中不会产生对人体和环境有害的物质。

实际上,论文本身也承认了研究存在局限:由于缺乏环境监测数据,无法弄清印刷厂车间纳米颗粒的浓度;纳米颗粒的组成也不清楚。

此外,令宋玉果及其同事疑惑的是,究竟是特定的纳米颗粒,还是所有纳米颗粒都有可能致病?如果的确是纳米颗粒导致那些女工患病,对其他在工作中也会接触纳米颗粒的工人来说,又意味着什么?

如今,关于女工之死的研究论文已经成为了纳米技术研究者们的一个热点话题。据《财经》记者了解,欧洲和美国还有科学家打算组成一个专家小组,到中国开展调研,并希望取到样品回去研究。

诱人前景与安全隐患

不管纳米颗粒是否被确认为几位女工悲惨命运的元凶,纳米技术的安全性问题都因此再度引发各界关注。

纳米技术正在走进人们的生活。从一桶涂料、一瓶防晒霜到一件衣服,都有可能用到纳米技术。

纳米材料颗粒小、表面积巨大,会显示出很多独特的物理化学性质,从而在电子、光学、磁学、能源化工、生物医学、环境保护等领域有巨大的应用前景。例如,很多纳米材料都可用作涂料,替代那些强毒性的化学物质;用碳纳米管等纳米材料改良电池,可以推动电动汽车的发展,使电力更持久等。

纽约一家名为“卢克斯研究”的市场分析公司称,2007年销售的纳米技术相关产品,价值约1470亿美元。到2015年,这一数字可能突破3万亿美元。

纳米技术在展现出诱人前景的同时,其安全性问题也进入了人们的视野。

随着纳米材料的大规模应用,研究人员和工人容易暴露在纳米颗粒浓度较大的实验室或生产车间之中。此外,普通公众也可能暴露在纳米颗粒之下:涂料、化妆品等产品中用到的纳米材料,可能在产品损坏或分解时释放。

这些纳米颗粒物可能经过呼吸道吸入、胃肠道摄入、药物注射等方式进入人体,并经过淋巴和血液循环,转运到全身各个器官。

根据多项流行病学研究,空气中的细颗粒物,尤其是纳米级别的颗粒物,浓度的大量增加会导致死亡率的增加。伦敦大雾曾经导致居民大量死亡,就是一个被经常引用的案例。

那么,人造的纳米材料进入人体后,是否会导致特殊的生物效应,并对人体健康构成危害呢?从理论上说,纳米物质由于尺寸小,与常规物质相比更容易透过人体的各道屏障;由于表面积大,也可能有更多毒害人体的方式。

朝阳医院的宋玉果在8月31日《健康报》发表文章说,相关的动物实验研究发现,许多纳米物质具有明显的毒性,其中研究较多的为碳纳米管、纳米二氧化钛等。一些纳米物质还被认为可致动物肺脏、肝脏、肾脏和血液系统等损伤。

对于与纳米物质相关的疾病,宋玉果称之为“纳米相关物质疾病”。当然,他也表示,公众不必为纳米物质相关疾病感到恐慌,不是所有纳米颗粒物都有毒性。

动物毒理性实验的结果,也不能简单地推到人的身上。但由于科学界对纳米安全性的研究刚刚开始,几乎没有任何相关人体毒理性资料――这也是宋玉果及其同事的论文引起国际科学界高度关注的一个原因。

中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮告诉《财经》记者,目前开展过安全性研究的纳米材料只有十几种,还非常有限。但他相信,随着研究队伍的壮大和研究投入的加大,将来必定可以从大量的数据积累中寻找到一些规律。

在国际上,纳米安全性研究的热潮大约始于2003年。《科学》和《自然》等著名学术杂志纷纷发表文章,探讨纳米材料与纳米技术的安全问题:纳米颗粒对人体健康、自然环境和社会安全等是否有潜在的负面影响。

这之后,各国明显增加了纳米安全性方面的研究。美国的国家纳米技术计划(NNI)将总预算的11%投入纳米健康与环境研究。欧盟每年支持三个左右与此相关的项目,每个项目的经费规模在300万至500万欧元之间,而欧盟各个国家还有自己国内支持的纳米安全性项目。

中国在极力推进纳米技术研究和产业化的同时,也开展了纳米安全性的研究。其中,中国科学院在2001年就开始筹建纳米生物效应与安全性实验室。科技部在2006年启动了为期五年的国家重点基础研究发展计划(即“973”计划)项目“人造纳米材料的生物安全性研究及解决方案探索”,经费2500万元,首席科学家由赵宇亮担任。

不过,赵宇亮告诉《财经》记者,与美国和欧盟相比,中国在纳米安全性研究上的投入只是“一个零头”。

政治决策与公共参与

中国科学家在纳米安全性方面的研究工作,得到了国际同行的认可。其中,在每年召开的与纳米毒理学相关的国际会议上,几乎都会邀请中国科学家作大会报告。赵宇亮还与其他科学家共同主编了第一本纳米毒理学英文专著。美国纳米健康联盟主席法拉利称,中国科学家是纳米毒理学研究领域的领导者之一。

不过,令赵宇亮感到尴尬的是,美国国家纳米技术协调办公室的官员曾经问他,包括美国、欧盟、英国、日本等很多国家的相关管理部门,都发表了对于纳米技术安全性的调研报告、方针和策略,为什么中国没有?对此,赵宇亮不知如何回答是好。

在美国和欧盟,纳米技术及其安全性已经成为政治家们关心的话题之一。它们的环保部门、国家科学与技术委员会,以及其他政府研究机构,会通过白皮书等文件形式,发表政府层面对于纳米安全性问题的见解。

其中,2001年,美国在国家科学技术委员会之下建立了国家纳米技术协调办公室,负责协调政府层面之间的纳米研究计划。而纳米研究项目的成果,会通过这个办公室反馈给其他政府机构,帮助科学研究去影响政府决策。

2009年3月,美国食品药品监督管理局(FDA)还了一份有关纳米技术的合作倡议。该局将与纳米健康联盟旗下的八个研究机构合作,以加快建立保障纳米医疗产品安全可靠的有效体系。法拉利告诉《财经》记者,在实验室研究结果与安全性评估的关联,以及纳米技术相关药物的审批等方面,美国食品药品监督管理局都做了很多工作。

相比之下,纳米安全性在中国似乎局限于科学研究的阶段,政府部门仍然保持沉默。

对于纳米技术的研究和产业化,各国都在积极支持。其原因正如美国《环境健康展望》杂志所称,科学界普遍认为,纳米材料和纳米技术对于社会是十分有益的,能够提供更好的药物、更强更轻的产品、对环境更友好的能源和环境技术。

与此同时,为了获得公众对于纳米技术发展的支持,各国也需要在纳米安全性方面进行更多的研究,同时鼓励公众参与。在中国纳米国际科技会议的闭幕式上,法拉利也特地呼吁加大公众在纳米安全性研究上的参与程度。

实际上,关于纳米技术发展的“风险预防”原则,在欧洲和美国等地正深入人心――人们希望在纳米技术等新技术的风险出现之前,尽可能地提前进行防范和干预。而公众及早参与到纳米技术研究和政策的讨论,是“风险预防”实践的关键环节之一。

纳米科学论文例3

由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。

（1）发达国家和地区雄心勃勃

为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。

日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。

欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。

（2）新兴工业化经济体瞄准先机

意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。

中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。

（3）发展中大国奋力赶超

综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。

2、纳米科技研发投入一路攀升

纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。

美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。

日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。

在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。

中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。

就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。

另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。

3、世界各国纳米科技发展各有千秋

各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。

（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下

根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。

2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。

在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。

另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头

据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。

专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。

（3）就整体而言纳米科技大国各有所长

美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。

虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。

日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。

在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。

日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。

日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。

欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。

中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

4、纳米技术产业化步伐加快

目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。

美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。

日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。

纳米科学论文例4

    由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。    

   （1）发达国家和地区雄心勃勃    

    为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（nni），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。    

    日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。    

    欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。    

   （2）新兴工业化经济体瞄准先机    

    意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。    

    中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。    

（3）发展中大国奋力赶超    

    综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行指导与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。    

2、纳米科技研发投入一路攀升    

    纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。    

    美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。     

    日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。    

    在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。    

    中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。    

    就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占gdp的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。    

    另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。    

3、世界各国纳米科技发展各有千秋    

    各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。    

   （1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下    

    根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（sci）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。    

    2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。    

    在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。    

    另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。    

    （2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头    

    据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。    

    专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。    

   （3）就整体而言纳米科技大国各有所长    

    美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。    

    虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。    

    日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。    

    在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。    

    日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。    

    日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。    

    欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。    

    中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。    

4、纳米技术产业化步伐加快    

    目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。    

    美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

    美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。ibm、惠普、英特尔等一些it公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。    

    日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。    

纳米科学论文例5

中图分类号：N39 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0001-01

为了更好地开展“纳米科技”兴趣小组，将兴趣小组分成以下几个部分来实施：纳米材料的基本知识及制备方法，染料敏化纳米薄膜太阳电池，纳米科技在光催化、光吸收等方面的应用。

1 纳米材料的基本知识及制备方法

“纳米科技”兴趣小组刚开展时，指导学生查阅文献的方法，为小组成员提指导学生制作太阳电池，首先制作纳米二氧化钛，有很多参数会影响到纳米供相关科技书籍，指导学生掌握相关知识：纳米概念、纳米微粒结构、纳米材料的物理化学性质、纳米材料的制备方法等，启发学生主动学习科学知识，激发学生对纳米科技的兴趣。

针对小组成员是大一新生，理论知识和实验技能相对不足，利用课余时间指导小组成员学习理论知识和常规的实验技能，指导小组成员做一些简单的材料制备实验，熟悉紫外-可见分光光度（UV-Vis）、pH计等分析仪器。给小组成员布置学习任务，按期提交学习心得，督促小组成员尽快掌握基本的理论知识和实验技能。给学生做演示实验，指导实验的关键点。通过言传身教，让学生懂得科学的严谨性，养成多动脑筋、勤观察现象、善于分析的好习惯。指导学生掌握如何设计实验方案，如何记录实验现象，如何进行实验分析和数据处理。组织小组成员进行讨论交流，提高学生独立思考、分析理解能力、动手操作和自主创新的能力；增强学生的综合能力，促进学生素质的全面发展。

在兴趣小组的实施过程中，小组成员通过查阅资料、文献检索、听讲座、看演示实验、动手做实验、讨论交流等方式了解纳米科技，熟悉纳米材料的基础知识，纳米材料的制备方法：共沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法和微乳液法等，能动手制备一些纳米材料，如：纳米二氧化钛、纳米二氧化硅等。

随着小组成员理论知识和实验技能的提高，指导学生掌握实验方案及注意事项，让学生动手做一些实验。指导学生利用实验数据分析实验结果，比较各个工艺路线的优劣，讨论如何设计下一步的实验方案。指导学生记录实验过程，实验现象，以及一些困惑和思考。学生在做科学研究时，兴趣更大，操作更加细致认真。先后做的实验有：纳米二氧化钛的制备，并用紫外-可见分光光度分析纳米二氧化钛的的光化学性质；制备掺杂型纳米二氧化钛材料，纳米二氧化钛和二氧化硅复合材料的制备。纳米TiO2颗粒容易团聚形成较大的聚集体，对纳米TiO2进行表面改性以避免其团聚现象。纳米TiO2颗粒的晶型、颗粒大小对光催化性能起着决定性的作用，分析影响光催化剂晶型、粒径的因素，控制纳米TiO2的晶型和粒径。

2 染料敏化纳米薄膜太阳电池

给学生介绍染料敏化纳米薄膜太阳电池（DSC），DSC具有廉价的原材料和简单的制作工艺以及稳定的性能等优势。DSC采用有机染料来敏化纳米多孔TiO2半导体，由于有机染料分子设计合成的灵活性和纳米半导体技术的迅猛发展，DSC在技术发展和性能提高上有很大的潜力。

TiO2的形态（粒径、颗粒形状、孔隙和比表面积等），还有pH值及反应温度和时间等。在第一阶段已经做过纳米二氧化钛，然后合成染料敏化剂联吡啶钌，染料敏化剂在太阳电池中的作用是极其重要的，它具有很宽的光谱吸收范围和良好的稳定性，能有效地捕获太阳光，并通过染料分子的吸附功能基团与纳米TiO2薄膜表面形成化学键，使染料能够有效地敏化纳米TiO2薄膜电极。将合成的染料溶于乙醇中，配制成染料溶液。第三步配制电解质。第四步，准备好导电玻璃，将二氧化钛薄膜印刷到导电玻璃上，然后浸泡到染料溶液中，在反电极的玻璃上镀上一层铂。最后将两片导电玻璃固定好，注入电解质，密封好就得到太阳电池了。学生亲自动手制作电池，兴趣很大，动手能力也得到很好的锻炼。

3 纳米科技在光催化、光吸收等方面的应用

指导小组成员学习纳米材料在光催化、光吸收、生物、医药、磁性材料及传感器等方面的应用；指导小组成员分析纳米二氧化钛的应用研究，如在水处理、气体净化、抗菌保洁等方面的应用；指导小组成员学习工业废水的常规处理方法，以及催化剂的性质和应用；指导学生将所学知识运用到实践中，将金属离子掺杂纳米二氧化钛光催化剂应用到光催化降解工业废水中。

采用溶胶-凝胶法制备共掺杂锌、银的纳米TiO2光催化剂，提高纳米TiO2的光催化效率。考察掺杂量、催化剂加入量等对光催化性能的影响。在处理制浆造纸工业、农药制造、印染、化工等多种工业排放废水方面显示出良好的应用前景。这种光催化技术对解决环境污染，治理环境有重要的意义，特别是在全球环境恶化，病毒性传染病时有发生的今天，加强光催化降解有机污染物技术更为重要。以甲基橙染料废水的光催化降解为例，分析锌、银共掺杂纳米TiO2光催化剂的降解效率。分析影响甲基橙染料废水的光催化降解的因素：光照强度、反应时间、催化剂用量、pH值、有机废水浓度等。

4 结语

通过“纳米科技”兴趣小组的开展，小组成员对科学研究产生了很大的兴趣，学到了很多有用的科技知识和实验技能，掌握了科研的一些基本方法和技能，能进行文献的检索，实验方案的选择等，能用紫外-可见分光光度（UV-Vis）对纳米光催化剂的光化学性质进行分析，能比较各个工艺路线的优劣，讨论如何设计下一步的实验方案。“纳米科技”兴趣小组的开展大大提高了小组成员对专业课的学习兴趣，为今后走向工作岗位奠定了一定的理论知识和实验操作技能。

通过“纳米科技”兴趣小组的开展，小组成员能制备出纳米二氧化钛、共掺杂锌、银纳米TiO2光催化剂等纳米材料。这种新型光催化剂是造纸、农药、印染、化工等多种企业所需要的，为企业解决工业废水的治理问题。

参考文献

纳米科学论文例6

中图分类号TB383 文献标识码A 文章编号 1674-6708(2010)31-0083-02

1 概述

纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]

1.1 基本概念

纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。

1.2 纳米科技的发展历史

纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。

1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;

2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];

(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。

1.3 纳米固体的基本特征

纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :

1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;

表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系

2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;

3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;

4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。

表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。

2 纳米科学研究的分析手段

具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。

1)扫描隧道显微镜(STM)

扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。

2)高分辩透射电镜(HRTEM)

高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。

3)原子力显微镜(AFM)

以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)

能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。

3 纳米科技理论在地学上的应用

纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。

3.1纳米地球化学

纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。

3.2 纳米矿床学

相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。

3.3 纳米矿物学

目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。

所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:

1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;

2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;

3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;

4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。

目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。

4 结论

纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。

参考文献

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[2]葛庭燧.纳米材料的结构与性能科学,1990(3).

[3]陈敬中.纳米科技的发展与纳米矿物学研究[J].地质科技情报,1994,13(2).

[4]嵇钧生.纳米技术的科技发展及趋势.

[5]刘芝.正在崛起的纳米科技[J].中国青年科技,1994(5).

[6]张立德.跨世纪的新领域:纳米材料科学[J].科学,1993(1).

[7]王大文,白春礼.扫描隧道显微术在纳米科学技术中的应用[J].科技导报,1992(4).

[8]Wickramasinghe HK.扫描探针显微镜,1991(4).

[9]林海安,郑茫,王林,等.扫描探针电子学[J].大自然探索,1993(3).

[10]姜泽春.地学领域里的纳米科学问题[J].矿物岩石地球化学通报,1995(4).

[11]银剑钊.纳米矿床学地学前缘,1994,1.

[12]李辉.西北地质,2001(2).

[13]周明芳.纳米矿物材料的开发现状及存在的主要问题[J].矿产与地质,2002,16(2).

[14]李斗星,平德海,戴吉岩,等.材料界面的特征和表征[J].稀有金属,1994(4).

[15]刘曙光.非金属矿纳米结构特征及应用[J].矿产综合利用,2002(4).

[16]曹建劲,梁致荣,刘可星,等.红层风化壳对地气纳米金微粒吸附的模拟实验研究[J].自然科学进展,2004(14).

纳米科学论文例7

朱教授作为海外留学杰出的归国人才，2003年回国以后，为了适应纳米多学科交叉研究、联合攻关和相应人才培养新需要，他利用自己与澳大利亚和美国材料领域尤其是纳米材料领域科学家有广泛的学术合作关系和学术联系，率先签署了“中国―澳大利亚功能纳米材料联合实验室合作协议”和“昆士兰大学学术合作协议”，创建了我国目前在功能纳米材料前沿领域唯一的中国-澳大利亚功能纳米材料联合实验室，打造了一个由院士、教授、副教授、博士后、博士及硕士生组成的研究团队（包括10余名中国科学院院士和澳大利亚联邦教授院士组成的实验室学术委员会），形成了一个有特色的、多学科交叉的纳米研究国际合作和研究生联合培养（尤其是联合授予博士学位）平台。联合实验室研究方向被集中在当前纳米材料界的热点问题：通过非平衡热力学过程来可控制备、加工、改性、组装纳米结构和器件。以超快过程新效应和纳米尺寸新效应为理论基础，以非平衡热力学过程为工具，将不同材料整合或改性成一个全新的纳米结构或器件，实现其全新功能。

朱教授先后联合澳洲和美国科学家申请合作研究项目10余项，联合培养研究生10余名，邀请澳洲、美国等国知名院士、教授、专家来华访问、讲学、交流、合作20多人次。共计实现了中澳、中美研究人员互访交流合作近100人次，合作申请专利6项，30余篇，相关合作成果被重点推选在2010上海世博会澳大利亚-中国科技周上展示。

联合实验室创建与正式成立引起近100家行业媒体关注与报道，标志着中澳双方合作进入一个新的历史阶段。联合实验室将联合中澳双方实验室技术力量，进一步发挥中澳双方实验室各自的优势和特长，开展纳米科学与技术在生物能源、信息技术、生态环境等领域中前沿战略性的研究与应用，推动和促进物理、化学、材料、生物医学等学科的交叉发展，为发展我国的纳米科学做出贡献。同时在促进亚太地区纳米研究的国际交流与合作上扮演重要角色。

兢兢业业科研方面结硕果

1986年，朱教授在中国科学院固体物理所开始纳米材料研究，是中国为数不多最早开展纳米研究的科学家和国际功能纳米材料领域青年学术带头人之一。亲历了纳米材料科学和技术研究三个发展阶段。在纳米材料设计、制备、改性及纳米结构稳定性方面有二十余年的研究经验。近十五年在澳大利亚国立大学、美国伊利诺大学香槟分校、阿贡国家实验室、杰弗逊国家实验室、Univ of Georgia的纳米科学与工程中心及厦门大学等单位，用多种非平衡方法制备出纳米粒子、纳米膜、纳米孔、多孔硅、纳米球壳有机无机复合结构、纳米线和纳米管及其宏观有序阵列等新型低维纳米结构（多种结构属首次发现），并对各种纳米结构稳定性进行了大量系统的电镜原位和非原位观察。发展了纳米结构亚稳性新理论。工作得到Nature编委重视和许多位国际知名同行专家高度评价。

他认为，纳米结构是一个非平衡的亚稳结构，具有很大不确定性，纳米实验是一个长期的、仍需不断实践的过程，纳米研究不能仅停留在其表面现象或被其表面现象所迷惑，而是要深入系统探究其物理本质。他首次指出现有数学工具和物理概念原理不再适用于非平衡、非线性、非对称有序纳米现象的描述，纳米学科研究本质是对传统学科的不断挑战和突破过程，纳米学科的建立必须是传统学科的一个质飞跃，这个突破飞跃不是依靠个人就能够完成的，需要经过长期甚至几代人学术理论、科研实践的长时间积累。为了能全面系统证明他提出的“纳尺寸（nanosize）”和“纳时间（nanotime）”新概念和建立相应的纳米稳定性新的理论体系，他目前手头已积累大量实验室数据和论文稿件，并没有为了一时的功利和荣誉，而急于发表。

教书育人 桃李满园争天下

回国后，朱教授利用自己双语和国外经历优势, 每学年为厦门大学开设并承担了四门研究生双语课程和一门本科生双语课程。他已先后指导博士后2名、博士生5名（毕业一名）、硕士生10余名（毕业6名）、本科生毕业论文20余名。并在教学方面实现以下改革：1）他提倡培养学生学习兴趣、主动性，强调要授予学生自己得到知识的方法，而不仅是知识的传教；2）他采用中英文相结合的方式讲解，授课形式不仅局限于讲解，而且穿插形式灵活多变的学生自己讲座、提问和讨论；3）他特别注意科研对教学的促进与融合，通过教学研究与自己最新科研成果转换，开发、凝练了内容新颖、方法灵活的开放式创新性本科和研究生实验教学和课程教学方式，自编课件, 把具基础性、研究性、前沿性及学科最新发展成果引入到教学中来。其中, 朱贤方负责的《大学物理实验》课程在2007年获得福建省省级精品课程称号，目前正在积极争取申请国家省级精品课程。

朱教授极推动和参与了厦门大学985工程建设论证申请、凝聚态物理省重点学科建设申请、校院十一五211工程建设论证申请、校纳米学科建设和其他学科建设工作。

另外，他以学术带头人身份申请和组建了厦门大学凝聚态物理国家重点学科、物理系工程硕士、福建省材料重点实验室、材料科学与工程系一级博士和硕士授权点、生物材料系博士和硕士授权点及电子工程系一级博士和硕士授权点、智能型生物医用材料团队及光电子与信息技术创新团队。

纳米科学论文例8

当前，“发展纳米技术及其相关产业”这一口号，已被提升到实现中国梦苏州篇章、苏州实施创新引领战略进而华丽转身的重大战略高度，那么什么是纳米技术及其相关产业，搞清楚这一问题，则无论对于苏州的决策者、研究者还是实践者来讲，都具有重要的建设性意义。

去年，我们在执行一项有关促进苏州市纳米技术及其相关产业发展的重大软科学课题时，首当其冲地遭遇到这一问题。通过文献检索与分析，我们发现，由于纳米技术及其相关产业纷繁复杂，纳米科学技术界尚未对该一问题形成共识；同时，社会科学理论界卷入纳米领域研究较少，可资借鉴的成果太少。然而，这一问题的解决将直接影响到我们研究项目的进一步履行，为此，我们设立了一个研究子课题，本文即是该子课题研究成果，在此抛砖引玉，期望不仅对苏州市，也对国内其他正在促进纳米技术及其相关产业发展的地区起到启迪作用。

一、什么是纳米技术及其相关产业

要搞清楚纳米技术及其相关产业首先要理解纳米与纳米尺度范围，以及纳米尺度范围内物质的质变特性及其意义，本节我们将据此入手，进而界定纳米技术及其相关产业的概念。

1.纳米与纳米尺度范围

纳米（Nanometer，缩写nm）是计量学中的长度单位。1纳米（nm）等于10-3微米（mm），等于 10-6毫米（mm），等于 10-9米。1—100纳米（nm）被纳米学界公认确定为纳米尺度。 通过不同物体相对尺度大小比较（见图1）及纳米尺度范围内常见球形物体大小比较（见图2），可以加深对于纳米及纳米尺度范围概念的理解。

2.纳米尺度范围内物质的质变特性及其意义

科学家发现，当物质小到1 ～100纳米时，由于其量子效应、物质的局域性及巨大的表面及界面效应，物质的很多性能将发生质变，呈现出许多既不同于宏观物体，又不同于单个孤立原子的奇异现象（白春礼，2001）。即在原子、分子及纳米尺度上，物质表现出极其新颖的物理、化学和生物学特性，该特性能被人类学习、掌握、控制和利用，从而使得人类社会现存的一切发生翻天覆地的变化。

3. 国外科学家如何理解与解释纳米技术

看一看国外科学家如何理解与解释纳米技术或许对我们会有很大帮助，以下是国外科学家对于什么是纳米技术的典型解释（转引自彭练矛，2011）：

“The term nanotechnology means different things to different people. It used to cover anything from making microelectromechanical systems （MEMS） to creating designer proteins.”

“Whatever we call it， it should let us

—— Get essentially every atom in the right place.

—— Make almost any structure consistent with the laws of physics and chemistry that we can specify in atomic details.

—— Have manufacturing costs not greatly exceeding the cost of the required raw materials and energy.”

这两段英文的中文翻译如下：纳米技术术语意味着对于不同对象人群的不同事情。它通常涵盖从制造微电子机械系统到创造人造蛋白质的所有事情。然而，不管我们如何称呼，纳米技术的实质应该包括：每一个原子应被安排在合适的位置，任何相应建构应符合原子水平上的物理和化学原理，原材料和能源等相应制造成本应不是太贵。

从以上国外科学家对于什么是纳米技术的典型解释中我们可以发现，纳米技术（nanotechnology）在国外是一个约定俗成的术语，是对纳米领域新生事物科学研究、技术研发和工程应用的统称，纳米技术尚是一个发展中的概念，目前还没有被严格界定。

4. 纳米技术概念

经过上面的铺垫，现在我们可以来探讨界定纳米技术概念。对于什么是纳米技术，麻省理工学院（MIT）的德累克斯勒（Drexler）教授曾作出过一个解释：

“在分子水平上，通过操纵原子来控制物质结构，利用单个原子组建分子系统，据此制备不同类型的纳米器件”（Drexler，1990）。

而在中文语境中，谈到技术往往还牵连到科学与工程，对此，白春礼院士也有一个解释：

“纳米科技是20世纪80年代末、90年代初才发展起来的前沿、交叉性新兴学科领域，是指在纳米尺度上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术”（白春礼，2001）。

白院士所指的纳米科技既包括纳米科学又涵盖纳米技术。实际上，中文语境中的纳米科技常常是纳米科学研究、技术研发和工程应用的统称。指在纳米尺度上研究物质和体系的现象、规律及其相互作用，重新认识自然界，发现新现象和新知识，并通过直接操控原子、分子结构的技术来创造对人类有用的新的物质和产品。

综上所述，可见所谓纳米技术是指涉及到纳米科学研究、材料发展和制备、器件制造以及产品开发生产之所有技术的总和。

5. 纳米技术相关产业概念

知道了什么是纳米技术以后就较易分辨纳米技术相关产业。过去的二、三十年，纳米科学技术的进步，尤其是纳米技术的应用已经和正在对人类社会的经济发展、社会进步和国防安全产生重大影响。然而，这仅仅是开始，纳米科学研究、技术发展和工程应用已经和正在引发一场新的工业革命，证据表明，纳米技术在材料、信息、能源、环境、生命、生物、军事、制造、纺织、染料、涂料、食品等产业领域都具有广泛而重要的应用。而一旦这些产业领域中纳米技术应用产品批量化、商品化和规模化，则自然形成一个个纳米技术相关产业。

二、纳米技术体系范畴

界定了纳米技术及其相关产业概念后，本节与下节我们可以转而讨论纳米技术体系范畴以及纳米技术相关产业体系范畴。

技术来源于科学，是理论知识应用于实践、解决实际问题的方法和手段，因此谈到纳米技术不能不涉及到纳米科学。尽管目前学术界对于纳米科学的内涵和分类尚存在着不同的认识和提法，但对于这一新兴领域多学科交叉特性的认识是一致的。一般而言，纳米科学可以包括纳米材料物理学、纳米材料化学、纳米材料学、纳米测量学、纳米电子学、纳米机械学和纳米生物医学等，由此也产生了按照这一体系分类的纳米技术。

然而，白春礼院士（2001）认为这种与传统学科紧密联系的分类方式无法简单便捷地勾勒出纳米科技的大致轮廓，而且各类别之间又有交叉和重叠。因此，他建议将纳米科学研究分为“纳米材料”、“纳米器件”和“纳米检测和表征”三大领域， “其中纳米材料是纳米科技的基础； 纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志； 纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础”（白春礼，2003）。据此，纳米技术体系又可主要由上述三大范畴来表达。

我们认为上述与传统学科紧密联系的分类及三个大类的简单分类都有各自的道理和应用价值，前一个分类便于整合发展纳米学科知识和实施教育培训，而后一个分类则更多地聚焦到纳米科学技术当前关键发展领域，重点特出、应用性强。若与纳米技术相关产业相联系，则我们更倾向于并将更多地采纳和应用后一个分类。

无独有偶，日本专利局《专利申请技术动向调查报告》中提供了一个与应用实际联系密切的纳米技术分类（见图3，该图由DRM咨询公司补充修改而完成），该分类基本遵循上述三个大类分类范畴，并采用图式标识了各主要应用领域中的发展状况，恰好为三大类纳米技术分类体系作了一个生动的注解，虽然尚未达到完整完善的程度，但已有很大的参考价值。

沿着三大类纳米技术分类思路继续往下走，可以得到图4所示纳米技术分类体系。其中一级状态子目录包括“纳米检测和表征技术”、“纳米材料制备技术”和“纳米器件制造技术”。而每个一级目录又可进一步产生二级目录，如纳米检测和表征技术可分为“扫描探针显微技术”和“原子级和超精密加工技术”；纳米材料制备技术可分为“化学制备技术”、“物理制备技术”和“综合制备技术”；纳米器件制造技术可分为“LIGA制造技术”、“超精密机械加工技术”、“特种加工技术”、“注塑成形加工技术”和“机械组装技术”等。需要说明的是，这一分类只是大体上勾勒了纳米技术发展现状，提供了一个整体认识把握的粗略框架。现实纳米世界中的实际情况则更为纷繁复杂，不仅存在着旁支末叶，也可以进一步细分和再细分。

三、纳米技术相关产业体系范畴

应用上述“纳米材料”、“纳米器件”和“纳米检测和表征”三大范畴的纳米技术分类思想，可以推导出纳米技术相关产业体系范畴，如图5所示：

如图5所示，首先，纳米技术相关产业可以被界定为纳米材料产业、纳米器件产业和纳米检测仪器设备产业，其中纳米材料是纳米技术相关产业得以生存发展的原始基础，没有纳米材料则一切无从谈起；纳米器件系纳米材料进一步加工组合后的产物，是延伸发展各种纳米技术应用产品的基础；而纳米检测仪器和设备则是发展纳米材料、器件及其延伸产品的必不可少的硬件手段，缺乏这些手段，事情就无法进行。

上述三者一方面构成了纳米技术相关产业生存发展的基础，另一方面，正是基于这种基础性和不可替代性，它们各自能够发展成三个供需旺盛的分支产业，并在每个分支产业下面各自生成若干数量不等的子产业。

此外，鉴于纳米材料和纳米器件能够被应用到各个新兴和传统产业领域，创造出各种各样新颖独特、质量上乘、性能优异的新产品，因此，在上述三个分支产业以外，又可辨识出纳米材料应用和纳米器件应用两个分支产业。当然，这两个分支产业下面更能各自生成若干数量不等的子产业。

若从事情发生的先后次序来看， 纳米科学技术研究发展的需要首先造就了纳米检测仪器设备产业和纳米材料产业。结合纳米检测手段和纳米材料的研究创造了纳米器件， 纳米器件（如纳米传感器）的推广应用催生了纳米器件产业。接着，纳米材料和器件在各个领域的广泛应用开发出许多新颖产品和更新换代产品，从而发展出形形的纳米产品产业，并进一步促进纳米材料、器件和检测仪器设备产业的发展。这就是纳米技术相关产业相伴共生、互促共长的内在逻辑。

在现实生活中， 纳米材料产业和纳米检测仪器设备产业已经形成一定规模，发展相对成熟。处于纳米技术高端的纳米器件产业（电子/光电子器件、量子器件、以及微/纳机电系统）目前尚处在发展成长过程中，这是纳米大国共同关注、竞相角逐的领域，也是进一步发展的方向，其中属于MEMS/NEMS范畴的微纳传感器分支产业已经初具规模。同时，纳米材料和器件的应用已经渗透进入许多不同的经济和社会领域，例如，电子和信息、生物与医药、环境保护等，从而增殖衍生出发展状况各异、纷繁复杂的纳米技术产品和产业。

当然，换一个角度，如果忽略纳米技术居中扮演的角色，这一复杂逻辑体系中各个分支仍可分属于自己的母体产业，例如，纳米材料产业可归属于材料产业，纳米检测仪器设备产业可归属于仪器设备产业等等，由此也揭示了纳米技术相关产业所具有的双重产业属性。

四、结 语

以上我们通过运用相关文献资料， 进行抽丝剥茧式的逻辑分析，界定了纳米技术及其相关产业的概念， 进而揭示了纳米技术及其纳米技术相关产业的体系范畴，从而为从社会科学角度研究促进纳米技术及其相关产业发展（譬如制定技术/产业发展路线图）奠定了有关客体对象的认知基础。

当前，纳米技术与信息技术和生物技术一起并列为世界三大高技术前沿热点领域，而纳米技术又在促进信息技术和生物技术发展中扮演了重要角色，正在悄然引发着新一轮工业革命，成为国际高科技及其产业竞争的制高点。期待我们这一抛砖引玉的工作能为苏州/中国抢占这一制高点作出些微贡献。

参考文献

赵康等。《苏州市纳米技术及其相关产业发展战略研究总论》， 古吴轩出版社，2012。

杨辉。《纳米科学技术概论》（未发表PPT课件），2010。

白春礼。纳米科技及其发展前景。《科学通报》，2001/2。

白春礼。全面理解纳米科技内涵，促进纳米科技在我国的健康发展。《微纳电子技术》，2003/1。

彭练矛。《纳米科技和纳米电子学》（未发表PPT课件），2011。

基金项目：苏州市2012年度重大软科学课题，项目编号：SR201201。

作者简介：赵康（1950 –），男，江苏苏州人，博士，教授，博导，主要研究方向为公共管理、咨询学、专业社会学。顾茜茜与陈加丰均为赵的博士研究生，赵迪凡为项目研究助理。

What Is Nanotechnology and Its Related Industries

——Concept Defination and System Identification

ZHAO Kang GU Xixi CHEN Jiafeng ZHAO Difan

纳米科学论文例9

中图分类号：TN405 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）02-0074-01

引言

根据摩尔定律，当价格恒定时，集成电路上的元器件数目，每经过18到24个月便会增加一倍，性能也会提升一倍。但是在未来的几十年内，在继续提高计算器的运算能力和存储能力等方面将面临严峻的挑战，这其中既有技术性的工艺限制，也有原理性的理论限制。主要有：（1）当电子器件的大小尺寸处于微米级别时，电子主要表现为粒子性，而当大小尺寸为纳米级别时，电子主要表现的却是波动性，此时的电子器件将在完全不同的原理下工作；（2）当器件尺寸减小到纳米级别时，该系统产生的热起伏将会限制电子器件的性能，致使其无法正常运行。

纳米电子技术和电子器件的出现及发展有望打破这种困局，同时也为微电子技术的发展提供了新的思路和转机。本文将阐述纳米电子技术和纳米电子器件的分类及指出在纳米电子领域中所面临的和亟待解决的问题。

1 纳米电子技术与纳米电子器件

纳米电子技术是指在纳米尺寸级别内构建纳米和电子器件，进而完成量子计算机和量子通信系统之间的信息计算及传导与处理的相关技术，纳米电子技术发展的核心是纳米电子器件。纳米电子技术正处于高速发展时期，其最终目标是为了利用最前沿的物理理论和工艺手段，打破原有的大小尺寸及技术极限，依照全新的设计理念制造纳米电子器件，构建电子系统，使得该系统的信息存储和处理能力走上新的台阶，实现革命性的突破。

纳米电子器件指使用纳米级别的加工和制造技术（如光刻工艺、外延、细微加工、自组装生长和分子合成技术等），设计并制备而成的具有纳米级别的尺度和某些特定性能的电子器件。当前人们通过纳米电子材料和纳米光刻技术，已设计出多种纳米电子器件，例如电子共振隧穿器件、金属基、单电子晶体管、半导体、单电子静电计存储器及逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、通过硅纳米晶体制造的存储器、聚合体电子器件、纳米硅微晶薄膜器件和纳米级浮栅存储器等

2 纳米电子器件的分类

国内外对纳米电子器件分类有着不同的看法。根据目前纳米电子技术的发展和对未来发展前景的估测，有一种看法将纳米电子器件从广义分成8类：（1）纳米CMOS混合电路，有纳米CMOS电路及半导体共振隧道效应混合电路，单电子纳米开关电路和纳米CMOS电路，还有碳纳米管电路和纳米CMOS电路，人造原子电路和纳米CMOS电路，DNA电路和纳米CMOS电路；（2）纳米存储器，例如隧道型静态随机存储器、单电子存储器、超高容量纳米存储器和单电子量子存储器等；（3）纳米集成电路，有纳米光电电路及纳米电子集成电路；（4）纳米传感器，例如量子级别的隧道传感器；（5）单分子器件，例如单电子开关、分子线、电化学分子电子器件、单原子点接触器件、量子效应分子电子器件等；（6）单电子器件，例如电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子泵、单电子箱、单电子陷阱、单电子泵和单电子结阵列等等；（7）量子效应器件，例如量子点器件、谐振隧道器件和量子干涉器件等等；（8）纳米级别的CMOS器件，例如异质结MOSFET、双极MOSFET、绝缘层上硅MOSFET、和低温MOSFET等等。以上分类中，纳米传感器、存储器、纳米集成电路、纳米级CMOS器件和纳米CMOS混合型电路等均作为一种完全独立的器件类型。但是否应该将这些纳米级别的CMOS器件、传感器或者纳米集成电路纳入纳米器件的范畴，当前还未有定论。

3 纳米结构制备和加工技术

无论是研究纳米电子技术，还是制作纳米电子器件都是非常复杂的。本文仅对纳米电子器件的制备进行简单的探索，提供一些思路和建议。

3.1 光刻技术

电子束光刻、光学光刻与离子束光刻统称为三束光刻技术，机理是通过曝光掩模、刻线等物理化学工艺将设计的器件图形结构传递到介质或单晶表面上，形成功能图形的加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断缩减，电子束光、刻光学光刻与离子束光刻等技术已在纳米CMOS器件、纳米CMOS混合集成电路、纳米集成电路等加工领域去的较好应用效果，并逐渐在纳米电子器件加工方面获得了应用。

3.2 外延技术

原子层外延、分子束外延金属、有机化学汽相淀积与化学束外延技术统称为外延技术，是一种在基体上生长纳米薄膜的纳米制造技术，可用于纳米集成电路上的硅基半导体材料和纳米半导体结构，均用于器件的加工与制备。

3.3 分子自组装合成技术

自组装是依靠分子间非共价键力自发将无序状态结合成稳定的聚集体的过程，可以发生在不同的尺度上。自从80年代有人提出分子器件的概念至今，人们已从当年的LB技术发展到了如今的分子自组装技术，同时从双液态隔膜技术发展到了SBLM技术，现已在加工具有特定功能的分子聚集体、分子组装有序分子薄膜等方面取得了丰硕的成果。目前，国际上已开始研究超分子自组装合成技术。

3.4 SPM技术

自从1982年第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微观纳米世界的认识翻开了新的一页。现今的扫描探针显微镜（SPM）的横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm，不仅可以进行观测高分辨率的三维成像，还可对材料表面结构的不同性质进行研究。因此，这已不仅是一种简单的微观测量和分析的工具，更是一种非常重要的微观操纵与加工工具。

3.5 特种超微细加工技术

还有另外一些特殊的超微细加工技术，可用于制备和加工纳米电子器件：包括纳米碳管构建FET；通过机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；以介孔材料、纳米碳管、DNA分子为模板，电火花加工、制备量子线、电化学加工及超精密复合加工、电解射流加工等技术等。

4 展望

纳米技术目前的发展现状是非常可观的，具有一定的社会意义。其作为一项具有应用性、高性能和巨大潜力的科技成果，在一定程度上对人们的生活起到重要的作用。纳米电子技术是以许多现代自然科学技术为基础的科学，研究涉及混沌物理、量子力学、基础化学、分子生物学等现代科学和计算机技术、核分析技术、扫描隧道显微镜技术和微电子等多种现代技术，并与机械学、生物学、认知科学等学科相互融合，这种融合发展必然会引发各行业各领域的科学技术发展，对于人类而言，不仅可以改善生存环境，提高生活水平，并且还将从根本上造福全人类。

参考文献：

[1] 王敏，简述纳米电子器件与纳米电子技术研究分析，中国科技投资，2013（36）：P221.

纳米科学论文例10

关键词：高分子纳米材；教学改革；颠倒课堂

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）49-0080-03

一、引言

纳米科学与技术是20世纪80年代末期兴起的，经过三十多年的发展，纳米技术已逐步迈出实验室走向市场，其商业化应用在全球范围内迅速展开。全世界都认识到，纳米技术将引起新一轮的产业变革，未来拥有并掌握纳米技术及其应用的国家将更具备核心竞争力。纳米材料科学是涉及到凝聚态物理、胶体化学以及材料的表面和界面等多门学科的交叉科学，而高分子纳米材料同样是涉及高度交叉的综合性学。纳米结构的聚合物材料由于尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应使材料具有独特的性能而在机械、光、电、磁、微处理器件、药物控释、环境保护、纳米反应器及生物化学等方面具有广阔的应用前景[1]，从而掀起了对纳米结构聚合物材料研究的热潮。在纳米科技迅速发展的大背景下，很多高校的材料专业开设了“纳米材料”或“纳米技术”相关课程[2-3]。但据作者所知，江南大学是少数对高分子材料专业开设《高分子纳米材料》课程的高校之一，笔者结合自己的授课经验以及《高分子纳米材料》课程的特点，从其现在面临的题及采用多元化教学手段等方面研究探索该课程的教学改革。

二、课程特点及现有问题

《高分子纳米材料》课程介绍高分子纳米材料的独特性能、制备方法，并将其和学科发展前沿联系起来，主要教学内容侧重如下几个方面：（1）高分子纳米材料的基础知识（包括基本效应、特殊性质）；（2）高分子纳米材料的制备方法；（3）高分子纳米材料的表征方法；（4）特殊功能的纳米材料（如高分子纳米复合材料、高分子纳米涂料、生物医用高分子纳米材料、光/电/磁性高分子纳米材料、超疏水/疏油（双疏）性高分子纳米材料）；（5）高分子纳米材料的应用及生物安全性问题。涉及较多的应用研究型内容、既有理论又有实践，强调理论和实践的结合，且课程的知识点较多，知识的交叉性强。

本课程的开设旨在为具有高分子材料与工程学科背景的学生增加纳米科学及技术的基础知识。通过学习本课程，学生对高分子纳米材料的发展趋势和研究热点有了很深的理解，涉猎了未来高分子纳米材料的重大学科领域。学生的创新思维以及能力得到了不同程度的提升。

作为典型的交叉学科，《高分子纳米材料》课程的教学具有一定的难度。首先，课程内容涉及知识面广，该课程主要解决以下问题：“什么是纳米技术”、“怎么制备高分子纳米材料”、“高分子纳米材料的特殊功能”等，而特殊功能性就包括了光/电/磁性、pH/温度响应性、超双疏性等多部分内容。因此难于在有限的课堂教学时间内全面系统地深入介绍学科内容，容易导致没有节制的填鸭式教学，使学生无法在短时间内消化，影响后续课程的学习。如何准确把握课程的基础理论框架，引导学生开展自主学习，是授课教师在设计课程内容时需要解决的重要问题。其次，课程内容前沿性强，知识更新速度快，研究热点不断变化，新的研究方向与研究成果层出不穷。这就需要授课教师投入更多的时间和精力纵览多个学科的发展，以便能够站在学科的前沿引领学生去认知和创新性思考。再次，内容抽象，尽管纳米材料这门课较新，学生们兴趣较高，但在讲授过程中缺乏实物，无法为学生带来更直观的感觉，从而影响了学生进行独立的思考、个性思维的发展和创新能力的培养。

三、课程教学手段改革

为提高课堂教学质量，提高学生的综合能力，以使学生成为适应社会发展需要的复合型人才，教师必须转变教学理念，激发学生的学习兴趣、主动性、积极性[4]。

（一）课堂多样化教学法

传统教学方式中，老师在课堂上满堂灌，使学生缺乏思考，觉得学习枯燥无味，丧失学习激情。因此，应结合不同的教学内容，授课教师运用“提问式”、“讨论式”等方式方法结合起来讲授，注重与学生的互动。对于理论性较强的内容，多采用图片形式展示，如结合Photo Shop、AutoCAD等绘图软件制作一些多媒体教学课件，根据需要进行拆分和组合讲解，增强学生的直观认识，达到传统教学手段无可达到的演示效果。同时，注重语言的深入浅出，或理论联系实际，如在介绍超双疏高分子纳米材料部分课程时，从自然界中的荷叶效应开始解释，说明荷叶结构与性能关系，从而引入超双疏高分子纳米材料，在快速理解的同时，激发学生的学习热情和投身其研究的兴趣。

视频课件内容丰富、信息量大，教师可以制作或下载相关教学视频，引入更多与课程相关的新知识、新技术和新成果。如介绍生物医用高分子纳米材料在药物缓释领域的应用时，纳米材料怎样进入体内病变部位，怎么靶向、释放药物，达到治疗的效果，如果没有视频，学生很难理解、很难想象；而通过视频将其原理、过程更直观、更形象的展现在学生面前，让学生更容易、更有兴趣地去学习并掌握知识点。

另外，对于相关制备技术与创新应用方面，则要重视启发――探究式的教学，注重理论联系实际以及学生创新思维和能力的培养，比如对于高分子纳米材料的测试表征手段的教学，教师可以结合实验教学，带领学生参观所学习的相关仪器设备，动手操作仪器，这样既可以提高学生的学习兴趣，又可以巩固所学的理论知识，其实践能力也可以得到培养。

（二）颠倒课堂教学法

颠倒课堂教学法坚持“以学生为中心”的教学理念，借助于信息技术在时空上颠倒传统教学中教师的知识传授与学生的知识内化过程，让学生可以在家或课外通过观看教学教案、教学视频中教师的讲解，自主完成对新知识的学习，课堂上教师通过设计一些真实的问题情境，组织学生协作探究解决问题的方法，而学生可以通过与教师、同伴的交流讨论，实现对知识的吸收与深化[5]。颠倒课堂在国外已经取得了较好的效果，而在国内还鲜少尝试。

在《高分子纳米材料》课程中，可以根据需要有选择的对部分教学内容进行颠倒课堂。我们根据前期对学生的调查，学生们一致对生物医用高分子纳米材料非常感兴趣，有很多的问题想了解，如果还是以传统法教学，则无法较好的和他们讨论、回答他们问题，无法满足他们的好奇心。因而，在进行这部分内容教学时，可以采用颠倒课堂的方式。首先在班级的微信群或QQ群里上传教学PPT及相关视频，学生通过学习后，对生物医用高分子纳米材料的发展概况、基本知识、结构设计有了一定的了解；在课堂上，学生先提出问题，分组交流讨论、教师参与讨论；教师最后再补充知识、总结学生问题的基础上，再设计问题让学生深入思考，解决问题。

（三）教学与科学研究复合的教学法

为培养学生应用所学的知识解决实际问题的能力，教师可以将教学与科学研究进行复合。如结合教师们的课题，把最新的科研成果有机地融入课堂教学中，为学生讲解具体的高分子纳米材料制备及性能研究，并让其参与其中，将研究的样品实际展示给学生，调动学生兴趣，突出高分子纳米材料的趣味性、理论性、科学研究性和前瞻性，并加强学生的自主创新意识和科研能力。

另外，邀请国内外高分子纳米材料专家做专题报告和前沿讲座，使学生能够及时了解前沿技术与l展动态；结合教学内容，提出本学科的研究热点问题，与课堂讨论相结合，不仅增强了师生间的互动、活跃了课堂氛围。

（四）借助智能电子产品建立学习平台

21世纪以来，各类高大上的电子产品，如iPad、手机等已成为年轻人须臾不可离的随身之物，这类电子产品极大的分散了学生上课的注意力及降低了学生对学习的兴趣和主动性，因而一直不被教师、家长看好，将之拒于学校与课堂大门之外。然而，随着数字校园向智慧校园的迈进，手机的这种应用及趋势只会越来越频繁，全面禁止大学生在教学过程中接触手机只会适得其反。因此，应顺应学生的心意，改革和完善现行教学方式，在课堂教学、课后练习中有效利用智能电子产品，使其成为辅助教学的良好工具[6]。

在《高分子纳米材料》课程教学中，我们建立了班级QQ群、微信群，通过群平台进行信息、专题讨论、资源共享等，有利于及时消息、正确引导学生、掌握学生动态。教师对根据学生的学习能力、反馈信息，提供个性化的教学要求和实施目标。

微信公众号平台经常相关的知识、发展动向、微课等内容，这是一个可以让学生在课后补充学习的平台。因而，要求学生关注如“纳米人”、“高分子科学前沿”等公众号，认真学习和掌握高分子纳米材料的发展动向。同时，智能手机中的一些APP也对我们课程有很好的帮助，如ACS Mobile、RSC Mobile等，旗下杂志一有新的研究进展及时更新至APP中，让学生更及时了解高分子纳米材料的研究动态与最新成果。

四、结束语

作为本世纪最瞩目的前沿科技研究热点之一，高分子纳米材料也取得了长足发展，很多新的高分子纳米材料产品如高分子纳米涂层、高分子复合材料、药物缓释纳米材料等从实验室走向实际应用，成为保障人类生活和工业发展的重要基础。《高分子纳米材料》课程教学内容的选择要充分考虑到广度和深度的统一、基础和前沿的兼顾、新旧内容的衔接、理论联系实际、巧用电子产品的资源等多个方面。在整个教学过程中，学习者表现较积极，能主动发言并积极参与讨论，各个小组的汇报效果也较好，能够激发学习者的学习兴趣，培养学生创新意识及创新能力。

参考文献：

[1]Vikas Mittal.Advanced Polymer Nanoparticles，Synthesis and Surface Modifications.2011，CRC Press，Taylor & Francis Groups.

[2]刘玉芹，杜高翔，杨静.《纳米材料》课程教学内容与教学方法探讨[J].科技教育创新，2008（3）：210-211.

[3]李本侠，王艳芬，胡路阳.浅论“纳米材料与纳米技术”[J].课程教学研究.2014，40（1）：72-74.