纳米技术

纳米技术（Nanotechnology）是一门应用科学，其目的在于研究于纳米规模时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。奈米科技是许多如生物、物理、化学等科学领域在技术上的次级分类，美国将其定义为「1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸」。纳米科技的世界为原子、分子、高分子、量子点集合，并且被表面效应所掌控，如范德瓦耳斯力、氢键、电荷、离子键、共价键、疏水性、亲水性和量子穿隧效应等，而惯性和湍流等巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子，当表面积对体积的比例剧烈地增大时，开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。
微小性的持续探究使得新的工具诞生，如原子力显微镜和扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序，这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。纳米材质，不论是由上至下制成（将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）。或由下至上制成(由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成，自组装和定点组装（positional assembly）。难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。
纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，因此可以有许多重要的是应用，也可以制造许多有趣的材质。
历史.
1959年12月29日物理学家理查德·费曼在加州理工学院出席美国物理学会年会，作出著名的演讲《》，提出一些纳米技术的概念，虽然在当时仍未有「纳米技术」这个名词。他以“由下而上的方法”（bottom up）出发，提出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。”这被视为是纳米技术概念的灵感来源。
1962年，日本东京大学的久保亮五教授提出了量子限制理论，用来解释金属纳米粒子的能阶不连续，这是很重要的里程碑，使得人们对纳米粒子的电子结构、型态和性质有了进一步的了解。
而纳米科技一词的定义是日本东京理科大学的谷口纪男教授在1974年提出。
1981年，扫描隧道显微镜的发明被广泛视为纳米元年。
1980年代，IBM的安贝旭等人做出多晶体的金环，金环直径小于400纳米，线宽在数十纳米左右。当外加磁场时，金环产生震荡电阻，这种现象称作磁阻效应，而这种效应明显和环的小尺寸有关，主要是金环内的电子受到金环纳米尺寸的干扰，而在环内两侧震荡。一般块状金是电的良导体，电阻值很小，不受磁场的影响。但上述纳米金环的结果显示，当金粒子小到纳米尺度时，其物理性质与大尺寸时不同，这个现象可以用来制作新的纳米电子元件。
1984年德国葛莱特等人利用惰性气体蒸发凝结法，制得铁、铜、铅及二氧化钛的纳米粒子。其中，二氧化钛的纳米颗粒具有良好的延展性，可以改善陶瓷材料的脆性。
1982年瑞士IBM公司的科学家格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔，开发出扫描隧道显微镜，它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，依此来观测物体表面的形貌。四年后，也就是1986年，这两位科学家和发明穿透式电子显微镜的恩斯特·鲁斯卡共享诺贝尔物理奖。
到了1985年，理查德·斯莫利、罗伯特·柯尔和哈罗德·克罗托在石墨上利用激光，让它蒸发而成碳黑，纯化后得到的碳簇置于质谱仪中分析，发现两种不明物质，质量分别是碳的60倍与70倍，因此这两种不明物质被称作C60与C70。
C60的形状像一颗足球，有20个六边形及12个五边形的面，共32面的封闭球体。事实上，科学家在太空收集宇宙尘埃时，早就发现C60、C70等物质。所以上述三位科学家是最早在地球上制造C60及C70的人，他们也共同获得了1996年的诺贝尔奖。
1985年，史丹福大学的奎特教授以及IBM的格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔共同发明了原子力显微镜。它也是利用一根探针来扫描物体的表面，当探针靠近待测物体时，探针与物体之间产生作用力，这作用力可以是吸引力或排斥力，并可借此分析物体表面的形貌。最重要的是，这种仪器可观察的物体不仅是半导体或金属，也可以是绝缘体。现在很多生物样品的观察，已经大量使用这种设备。
1988年，拜必序的研究团队开发出铁铬（Fe/Cr）纳米多层膜，在低温下改变磁场，电阻会随著产生急遽的改变。相对来说，一般磁性金属（或合金）的电阻是不容易随磁场的改变而变化的。到目前为止，已经发现铁铜（Fe/Cu）、铁银（Fe/Ag）、铁铝（Fe/Al）、铁金（Fe/Au）、钴铜（Co/Cu）、钴银（Co/Ag）、钴金（Co/Au）等纳米多层膜都具有这种效应。
1990年，美国IBM公司的艾格勒利用这种仪器，把35个氙原子（xenon，化学符号是Xe）排成IBM三个字母。这是人类历史上首次操纵原子，用原子或分子制造机器，也不再是梦想。
1991年，克雷需莫和霍夫曼发展出一次可以做出数公克重C60的方法。现在，科学家也尝试利用C60的性质制成各种药物。
1996年霍伊儿也合成出二氧化钛（TiO2）纳米管。二氧化钛本身是一个极佳的光触媒材料，广泛应用在医疗保健，例如消灭细菌或是杀死病毒。开发出纳米管状的二氧化钛，应用范围也会更多样化。目前，科学家已尝试把二氧化钛纳米粒子或纳米管应用在光敏化有机太阳电池上，做为光电转换材料，现在已经可以达到实用水准。
2001年在日本筑波举行的「纳米碳管发现十周年」研讨会中，韩国三星公司展示用纳米碳管做成的场发射全彩色电视萤幕。这个电视的萤幕是由多层壁纳米碳管的前端，产生场发射电子做为电子源，而应用在平面显示器上。至于医疗用小型X光产生装置的电子源，也可以应用纳米碳管。
纳米科技已被视为新一波产业革命的源头技术，欧美日本等国家的政府部门，近年来均编列大幅预算，推动国家级纳米基础科学、工程技术之研发；学术界及产业界亦相继投注大量人力资金于这场纳米科技的全球竞赛中，希冀于专利与产品开发上抢得先机。
美国，在1993年成立第一个纳米技术研究机构，2000年七月，美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书（The National Nanotechnology Initiative：The Initiative and Its Implementation Plan）。
2000～2001年，各国相继针对该国产业现况，纷纷提出纳米科技发展计划。日本成立「纳米材料研究所」（Tsukuba）、欧盟成立「纳米电子技术联盟」（IMEC）、德国成立六个纳米技术卓越群、中国（北京）成立纳米国家科研中心，台湾工业技术研究院亦于2002年一月，成立纳米科技研发中心。
全球有30余国规划及投入纳米领域研发，投入范围包括物理、生技及电子等前瞻领域研究，及纳米新材料的制造与特性开发。产业界也透过新建立的纳米材料特性及关键技术，开发新产品及改善产品性能，来提升竞争力。
目前为止，纳米科技尚处于一个国际间相互既交流又有点竞争的萌芽阶段。
关于“纳米科技”一词运用的争议.
广义上，纳米技术包括多用来制造尺寸在100纳米以下的结构的技术。包括那些用来制作纳米线的；包括那些用在半导体制造工业上的技术，如深紫外线光刻、电子束光刻、聚焦粒子束光刻、纳米印刷光刻、原子层沉积和化学气相法；更进一步还包括分子自组装技术。但是这些技术早就出现在纳米时代之前，而不是专为了纳米技术而设计，也不是纳米技术研究的结果。
现在以“纳米”冠名的那些技术，对最有野心的和革命性的分子制造却毫无关系，或者说是远远不能达到要求。这样，“纳米”可能被科学家们和企业家们滥用而形成“纳米泡沫”，而对那些更有野心和远见的工作毫无益处。
美国国家科学基金资助了研究者David Berube对纳米领域进行整体上的研究，后者的研究成果出版成为了专著《纳米骗局：纳米技术喧嚣背后的真相》。这个由NNI主席Mihail Roco摄写序言的著作得出的结论是：许多被当作“纳米技术”出售的产品，其实只是就材料科学的新瓶装旧酒，直接导致一个仅仅是售卖的纳米管，纳米线或类似产品的纳米技术工业，最后的结果是少数售卖大量低端产品的供应商。
特性描述.
随着尺寸的减小，一系列的物理现象显现出来。这其中包括统计力学效应和量子力学效应。并且，同宏观系统相比，许多物理性质会改变。一个典型的例子是材料的表面体积比。纳米技术可以视作在传统学科上对这些性质详尽描述的发展。进一步讲，传统的学科可以被重新理解为纳米技术的具体应用。这种想法和概念上的互动对这个领域的发展起到了推动作用。广义上讲，纳米技术是科学和技术在理解和制造新材料新器械方向上的推演和应用。这些新材料和技术大体上就是物理性质在微尺度上的应用。
和这些系统的定性研究相关的领域是物理、化学和生物，以及机械工程和电子工程。但是，由于纳米科技的多学科和学科交叉的特性，物理化学、材料科学和生物医学工程的学科也被视作纳米技术重要和不可缺少的组成部分。纳米工程师们住眼观新材料的设计，合成，定性描述和应用。例如在分子结构上的聚合物制造，在表面科学基础上的计算机芯片分布设计，都是纳米科技在当代的应用例子。在纳米科技中，胶状悬浮也有很重要的地位。
材料在纳米尺度下会突然显现出与它们在宏观情况下很不相同的特性，这样可以使一些独特的应用成为可能。例如，不透明的物质变为透明（铜）；惰性材料变成催化剂（铂）；稳定的材料变得易燃（铝）；在室温下的固体变成液体（金）；绝缘体变成导体（硅）。物质在纳米尺度的独特量子和表面现象造就了纳米科技的许多分支。
工具与技术.
当代电子和中子的发现让人类知道还有比我们能想像到的最小的东西还要小的物质时，对纳米世界的好奇心已经萌发。当然，1980年代，可以研究纳米结构的早期工具的发展才真的使纳米科学和纳米技术成为可能。
原子力显微镜和扫描隧道显微镜的这两种早期的扫描探针促成了纳米时代的到来。同时，基于STM的许多其它类型的扫描探针显微镜，使得观测纳米结构成为可能。
探针的探头可以用来操纵纳米结构（这种工艺叫做位置组装）。但是这种过程太慢了，从而到导致了各种纳米光刻技术的发展，例如蘸笔纳米光刻术，电子束曝光和纳米压印术。
光刻是自上而下的制作技术，用来把大块物体缩小到纳米尺寸。相对的，自下而上的技术直接用原子或分子搭建更大的结构。这些技术包括化学合成，自组装和位置组装。
相关应用.
综上所述，纳米科技实际上涵盖了一切在纳米范围的物理、化学的技术和工艺，说它包罗万象也不算过分。不过现在坊间多在炒作概念，很多都局限于实验室的理论阶段，比较现实的是机械方面的润滑剂，化工方面的催化剂，还有医学方面的定点超效药剂。
应用技术.
一、纳米晶体（nanocrystalline materials）
二、纳米粉体
三、纳米孔隙材料（ materials）
四、与纳米线（nanofibers & nanowires）
五、纳米碳管
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）。
纳米技术的潜在危害可以广义的划分为下面几个方面：
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：
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。
目前，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三种途径：吸入、吞咽及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.
未来纳米技术趋势.
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，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。（另见机械合成。）
在2005年8月，50名来自不同领域的国际专家被纳米技术责任中心（Center for Responsible Nanotechnology）组织起来研究分子纳米技术的社会内涵[http://www.crnano.org/CTF.htm] 。
为了决定分子纳米科技的发展道路，和正在领导制定一个基础广泛的发展规划项目[http://physorg.com/news4656.html] 。预计2007年早些时候完成。
设计和制造和自然细胞甚至器官相仿的人工组织是具有潜在可能的。
美国.
美国国家科学委员会（National Science Board）于2003年底批准「国家奈米科技基础结构网路计划」（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奈米科技与教育的网路体系。该计划为期5年，于2014年一月开始执行，将提供整体性的全国性使用技能以支持奈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奈米科技的研究人员。
1. 美国发展最新奈米细胞制造技术
2. DNA检测晶片的进展
3. 地下水污染改善之研究
4. 启动癌症奈米科技计划
欧盟.
1. 欧盟的国际奈米科学研究政策
2. 创新接继中心
日本.
1. 日本理研的奈米科学研究现况
2. 日本提高奈米科技预算与产业合作（JAPAN BOOSTS NANOTECHNOLOGY BUDGET AND INDUSTRIAL COOPERATION）
南韩.
1. 韩国的奈米科技策略
2. 韩国预测国际市场对奈米纺织品的需求将快速增加
3. 南韩在奈米科技的发展几乎完全集中在微电子产业