納米科技

**納米科技**係一門應用科學，目的係研究物質響納米尺寸（1 至 100 奈米之間）嘅設計方法、組成、特性同埋相關應用。

納米科技，如果用尺度嚟定義嘅話，就包括咗好多科學領域，好似表面科學、有機化學、分子生物學、半導體物理學、能量儲存噉。 工程學、 微細加工、 同埋分子工程學等等。 相關嘅研究同埋應用範圍好廣，由傳統器件物理學嘅延伸，去到分子自組裝都有， 由開發新材料（尺寸係納米級），去到喺原子尺度上直接控制物質都包埋。

納米科技有可能創造出具有多樣應用嘅新材料同埋新裝置，例如喺納米醫學、納米電子學、農業領域、 生物材料、能源生產，同埋消費產品等方面。不過，納米科技都引起咗一啲問題，包括對納米材料嘅毒性同埋環境影響嘅憂慮， 以及佢哋對全球經濟嘅潛在影響，仲有各種末日情景。呢啲憂慮引發咗倡議團體同埋政府之間嘅辯論，討論係咪需要對納米科技嘅監管進行特別規管。

## 起源

納米科技嘅概念萌芽，最早喺 1959 年由物理學家理察·費曼喺佢嘅演講《底層仲有好多空間》入面討論，佢喺演講入面描述咗通過直接操縱原子嚟進行合成嘅可能性。

「納米科技」呢個詞語，最早係由谷口紀男喺 1974 年用嘅，不過當時並唔係好普及。受到費曼概念嘅啟發，基·艾力·德雷克斯勒喺佢 1986 年出版嘅書《創造嘅引擎：納米科技時代嘅來臨》入面用咗「納米科技」呢個詞語，呢本書取得咗大眾嘅歡迎，並且幫助將納米科技推向公眾領域。 喺本書入面，佢提出咗納米級「組裝器」嘅諗法，組裝器能夠複製自己，仲可以原子級嘅控制嚟構建其他任意複雜度嘅物品。同樣喺 1986 年，德雷克斯勒共同創立咗遠見研究所，嚟提高公眾對納米科技概念同埋影響嘅認識同埋理解。

納米科技喺 1980 年代作為一個領域嘅興起，係通過德雷克斯勒嘅理論同埋公眾工作嘅融合而發生嘅，佢發展同埋普及咗一個概念框架，而實驗性嘅進展就吸引咗更多人關注呢個領域嘅前景。喺 1980 年代，兩項突破幫助引發咗納米科技嘅發展。首先，掃描隧道顯微鏡喺 1981 年嘅發明，令到可以睇到單個原子同埋化學鍵，並且喺 1989 年成功噉用嚟操縱單個原子。顯微鏡嘅開發者格爾德·賓寧同埋海因里希·羅雷爾，喺IBM 蘇黎世研究實驗室獲得咗 1986 年嘅諾貝爾物理學獎。 賓寧、奎特同埋格伯喺嗰年都發明咗類似嘅原子力顯微鏡。

第二，富勒烯（巴克球）喺 1985 年由哈羅德·克羅托、理察·斯莫利，同埋羅伯特·柯爾發現，佢哋一齊贏咗 1996 年嘅諾貝爾化學獎。 C60 最初並冇被描述做納米科技；呢個詞語係用喺後續關於相關碳納米管（有時叫做石墨烯管或者巴克管）嘅研究入面，呢啲研究暗示咗納米級電子產品同埋裝置嘅潛在應用。碳納米管嘅發現歸功於飯島澄男喺 NEC 嘅工作，喺 1991 年， 飯島澄男憑住呢個發現贏咗 2008 年首屆卡夫里納米科學獎。

喺 2000 年代初期，呢個領域引起咗更多科學、政治，同埋商業上嘅關注，導致咗爭議同埋進展。關於納米科技嘅定義同埋潛在影響出現咗爭議，皇家學會關於納米科技嘅報告就係一個例子。 對於分子納米科技倡導者所設想嘅應用嘅可行性，都提出咗質疑，呢啲質疑喺 2001 年同埋 2003 年德雷克斯勒同埋斯莫利之間嘅公開辯論中達到咗頂峰。

與此同時，基於納米尺度技術進步嘅商業產品開始湧現。呢啲產品只限於納米材料嘅批量應用，並冇牽涉到對物質嘅原子控制。一啲例子包括使用銀納米粒子作為抗菌劑嘅 銀納米平台、基於納米粒子嘅防曬霜、使用二氧化矽納米粒子嚟強化碳纖維，同埋用於防污紡織品嘅碳納米管等等。

各國政府採取行動，推廣同埋資助納米科技嘅研究，例如美國嘅國家納米科技計劃，佢正式確定咗納米科技嘅基於尺寸嘅定義，並且設立咗研究經費，而喺歐洲就通過歐洲嘅研究同技術開發框架計劃嚟做到呢一點。

到咗 2000 年代中期，科學界嘅關注開始蓬勃發展。納米科技路線圖，重點係原子級精確嘅物質操縱，並且討論咗現有同埋預計嘅能力、目標，同埋應用。

## 基本概念
納米科技係喺分子尺度上功能系統嘅科學同埋工程。喺佢原本嘅意義上，納米科技係指從底向上構建物品嘅預計能力，製造完整、高性能嘅產品。

一納米（nm）係十億分之一米，或者 10−9 米。相比之下，典型嘅碳-碳鍵長，或者喺分子入面呢啲原子之間嘅間距，範圍係 ，而 DNA 嘅直徑大約係 2 nm。另一方面，最細嘅細胞生命形式，支原體屬嘅細菌，長度大約係 200 nm。按照慣例，納米科技嘅尺度範圍係 ，跟從美國國家納米科技計劃使用嘅定義。下限由原子嘅大小決定（氫原子係最細嘅原子，佢哋嘅動力學直徑大約係 0.25 nm）。上限或多或少係任意嘅，但大約喺某個尺寸以下，喺較大結構入面睇唔到嘅現象開始變得明顯，並且可以加以利用。 呢啲現象令納米科技同埋僅僅係等效宏觀裝置嘅微型化版本嘅裝置區分開嚟；呢啲裝置嘅尺度更大，屬於微技術嘅範疇。

為咗用另一個角度嚟理解呢個尺度，一納米相對於一米嘅比例，就好似一粒彈珠相對於地球嘅大小一樣。

納米科技入面用咗兩種主要方法。喺「自下而上」嘅方法入面，材料同埋裝置係由分子組件構建嘅，呢啲組件通過分子識別嘅原理進行化學自組裝。 喺「自上而下」嘅方法入面，納米物體係由更大嘅實體構建嘅，冇原子級嘅控制。

納米電子學、納米力學、納米光子學，同埋納米離子學等物理學領域已經發展咗出嚟，為納米科技提供科學基礎。

### 由大變細：從材料學角度睇

有啲現象會喺系統嘅尺寸變到咁細嗰陣時先至變得明顯。呢啲現象包括統計力學嘅效應，仲有量子力學嘅效應，好似係，「量子尺寸效應」噉，喺呢個效應入面，啲固體嘅電子特性會跟住啲粒子嘅尺寸縮細而改變埋。呢啲效應喺宏觀或者微觀嘅尺寸度唔啱用嘅。不過，去到納米尺度嗰陣，啲量子效應就會變得好緊要喇。另外，啲物理（機械、電氣、光學等等）特性都會同宏觀系統比較起上嚟唔同晒。好似表面積同體積嘅比例增加咗就係一個例子，噉樣會搞到啲材料嘅機械、熱，同埋催化特性都唔同埋。擴散同埋反應都可能唔同咗樣。一啲離子傳輸得好快嘅系統就叫做納米離子學。納米系統嘅機械特性喺研究方面都幾多人關注。

### 由簡變繁：從分子學角度睇

而家啲化學合成技術犀利咗好多，幾乎乜嘢結構嘅細分子都整到出嚟。呢啲方法會用嚟整好多唔同嘅有用化學品，好似藥劑或者商業聚合物噉。咁叻嘅技術就引發咗一個問題，就係可唔可以將呢種控制擴展到再大少少嘅層次，搵啲方法將單分子組裝埋一齊，變成超分子組裝體，超分子組裝體係由好多分子組成嘅，而且排到好整齊好有規律㗎。

呢啲方法就係用分子自組裝同埋/或者超分子化學嘅概念，靠自下而上嘅方法，自動噉將啲分子排到變成有用嘅構象。「分子識別」嘅概念好重要㗎：啲分子可以設計到某啲特定嘅構型或者排列方式會比較受歡迎，因為非共價分子間力嘅關係。華生-克里克鹼基配對規則就係咁樣嚟嘅，好似酶咁，佢哋會針對特定嘅底物，又好似蛋白質點樣摺埋噉，都係咁嘅道理。所以話，啲組件可以設計到佢哋係互補嘅，會互相吸引，咁樣佢哋就可以組成一個更複雜，更加有用嘅整體喇。

呢啲自下而上嘅方法應該可以平行噉生產啲裝置，而且應該平過自上而下嘅方法好多，不過，如果想要組裝嘅嘢嘅尺寸同埋複雜程度提高咗，就可能會搞唔掂。好多有用嘅結構都需要啲複雜，而且喺熱力學上又唔係咁容易出現嘅原子排列。不過，喺生物學入面，基於分子識別嘅自組裝例子都唔少㗎，最出名嘅就係華生-克里克鹼基配對同埋酶-底物相互作用。

### 分子納米科技：長遠嘅睇法

分子納米科技，有時又會叫做分子製造，主要係講啲工程納米系統（納米尺度機器），佢哋喺分子尺度上面運行。分子納米科技特別關乎分子組裝器，分子組裝器即係話可以用機械合成嘅原理，逐粒原子噉砌出你想要嘅結構或者裝置嘅機器。喺生產性納米系統嘅範疇入面，製造同平時用嚟整納米材料（好似碳納米管同埋納米粒子）嘅傳統技術係冇乜關係嘅。

當初德雷克斯勒自己諗到同埋普及咗「納米科技」呢個詞嗰陣，佢就諗住啲製造技術會係建基於分子機器系統嘅。佢嘅諗法係，傳統機器組件喺生物學上面嘅類似例子，證明咗分子機器係有可能整到出嚟嘅：生物學入面大把複雜、隨機優化嘅生物機器例子啦。

德雷克斯勒同埋其他研究人員 就提出，先進嘅納米科技最終可以基於機械工程原理，即係話，製造技術可以建基於呢啲組件嘅機械功能（好似齒輪、軸承、馬達，同埋結構部件），噉樣就可以做到可編程、定位組裝，砌到原子級規格咁精準。 德雷克斯勒佢本書《Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation》就分析咗啲示範設計嘅物理同埋工程性能。 

總括嚟講，喺原子尺度上面組裝啲裝置，就要將啲原子放到去其他尺寸同埋黏性差唔多嘅原子上面。卡洛·蒙特馬尼奧佢嘅睇法係，將來啲納米系統會係矽技術同埋生物分子機器嘅混合體。 理察·斯莫利就拗話機械合成係唔可能嘅，因為喺機械式操縱單個分子方面有啲難度。

咁就引發咗喺 2003 年美國化學學會嘅刊物《Chemical & Engineering News》上面嘅一啲信件交流。 雖然生物學就好清楚噉示範咗分子機器係有可能嘅，但係非生物嘅分子機器就仲喺起步階段。亞歷克斯·澤特爾同埋佢喺勞倫斯伯克利實驗室同埋加州大學柏克萊分校嘅團隊 就整咗起碼三件分子裝置，佢哋啲郁動係通過改變電壓嚟控制嘅：一個納米管納米馬達、一個分子致動器、 同埋一個納米機電弛豫振盪器。

何同李喺康奈爾大學喺 1999 年嗰陣，用掃描隧道顯微鏡，將一粒一氧化碳分子（CO）搬到去一粒鐵原子（Fe）度，嗰粒鐵原子係坐喺一塊平坦嘅銀晶體上面嘅，然後佢哋施加電壓，將 CO 同 Fe 化學噉黐埋一齊。

## 疏仕