纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发展现状（可编辑） .doc

纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发展现状 纳米材料的发展历程以及各国纳米技术的发展现状 纳米技术概念的提出 40年前诺贝尔物理奖得主量子物理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲被公认为是纳米技术思想的来源 纳米结构材料首次合成 1984年德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末然后在真空室中原位加压成纳米固体并提出了纳米材料界面结构模型制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd Fe Cu等块状材料随后发现TiO2纳米陶瓷在室温下出现良好韧性使人们看到了改善陶瓷脆性的希望 1994年中国科学院化学所和中国科学院北京真空物理室利用STM在单晶硅表面上通过提走硅原子的方法获得了线宽2 nm硅原子的毛泽东在石墨表面刻出线宽10 nm的中国字符汉字的大小只有几个纳米 白春礼院士 1988年4月12日 中国第一台计算机 控制的STM研制成功 纳米科技的发展大致可以划分为3个阶段 第一阶段 1990年以前 主要是在实验室探索 用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体合成块体 包括薄膜 研究评估表征的方法 第二阶段 1994年前 人们关注的热点是根据奇特物理化学和力学性能设计纳米复合材料 纳米微粒与纳米微粒复合 0-0复合 纳米微粒与常规块体复合 0-3复合 复合纳米薄膜 0-2复合 第三阶段 从1994年到现在 纳米组装研究 它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝管为基本单元在一维二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究 二 纳米科技的应用 光电材料 环境和能源 生物医学 航天和航空 军事 纳米碳管 碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料它能够大量地吸附氢气成为许多个纳米钢瓶 研究表明约23的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来 据预测到2010年就可以生产出氢气汽车只需携带15升左右的储氢纳米碳管即可行驶500km 集成电路 一块用来制作大规模集成电路的芯片上面有许多的沟槽这张片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向 激光唱片 肉眼看激光唱片 Compact Disk CD 表面十分光滑从微观上看光盘上面有凹凸不平的凹痕和突起 纳米存储器 上图Millipede - 第一个应用于数据存储的纳米技术 下图Millipede存储芯片的实验室原型 英特尔将碳纳米管技术用于未来芯片设计 芯片厂商英特尔正指望用碳纳米管取代半导体芯片内部的铜连线这种转变总有一天会消除芯片厂商面临的一些大问题 芯片连线已经成为半导体厂商面临的一个头疼的问题根据摩尔定律芯片厂商每两年就要缩小一次半导体芯片内部的元件然而缩小连线会增加电阻降低芯片的性能 芯片厂商在90年代从把连线从铝线转变为铜线从而绕过了这个问题遗憾的是随着芯片尺寸的缩小这个电阻问题将成为英特尔等芯片厂商遇到的大问题碳纳米管导电性比金属要好有可能成为替代金属连线的解决方案 2008年2月1日 亚利桑那州立大学David K Ferry提出利用纳米线连接电路建立三维堆砌芯片的构想将大大提高计算机的运行速度 利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应 giant magnetoresistance 和很大的隧道磁电阻 tunneling magnetoresistance 现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍 1997年明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列由于纳米磁性单元是彼此分离的因而称为量子磁盘它利用磁纳米线阵列的存储特性存贮密度可达400Gb×in-2 1汽车尾气 2拯救水资源 特种半导体纳米材料使海水淡化 纳米TiO2可以用来降解有机磷降解毛纺染整废水降解石油 利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3TiO2ZnO等做成涂料由于具有较高的导电特性因而能起到静电屏蔽作用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中则可以有效地遮蔽紫外线一般认为其体系中只需含纳米二氧化钛051即可充分屏蔽紫外线 目前日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世 3走进你家里 纳米TiO2在光照条件下会产生具有非常强的氧化能力的空穴从而将附在表面上的有机物细菌及其它灰尘分解掉直至生成CO2和H2O 杀菌除味由于纳米ZnO具有大的比表面积可以很快地吸收并分解臭气同时还能有效地杀菌对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95以上 二个月不用洗信不信由你 纳米泵人造红细胞 它比体内血液中的红细胞要多携带200多倍的氧气 纳米药包 诺贝尔奖得主斯莫利的预言 美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片 在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊放到病人血液和组织内一遇上癌细胞的DNA时DNA链就与癌细胞的DNA结合这时药物开关受触发而开放药物便释放出来杀灭癌细胞 纳米技术与基因疗法的结合 瑞典科学家制作的微型医用机器人可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠 用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位 成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离 用金的纳米粒子进行定位病变治疗以减少副作用 科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人在血液中循环对身体各部位进行检测诊断并实施特殊治疗疏通脑血管中的血栓清除心脏动脉脂肪沉积物甚至可以用其吞噬病毒杀死癌细胞 小型摄像机 用于检测消化系统疾病 纳米机器人 纳米机器人的研制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 第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体 可注入人体血管内进行健康检查和疾病治疗还可进行人体器官的修复工作作整容手术从基因中除去有害的把正常的安装在基因中使机体正常运行 第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置 第三代纳米机器人是包含纳米计算机可以进行人机对话的装置一旦问世将彻底改变人类的劳动和生活方式 纳米清洁工 科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人清洁工专门负责清扫血管壁上的胆固醇凝血等沉积物以预防脑血栓等心血管病同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人 军事方面的应用 吸波纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力所以可以做隐形飞机的重要涂料 防弹衣 因纳米碳管既轻又强度极高是钢的10100倍用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样既可折来叠去又能抵御强大的子弹的冲击力 第一届纳米科学技术会议 1990年7月在美国巴尔德摩召开了国际第一届纳米科学技术会议正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支它介于宏观物质和微观原子分子的中间领域 Nanostructured Materials Nanobiology Nanotechnology 1992年9月在墨西哥CauCan城召开了第一届纳米结构材料会议张志焜和崔作林参加 80年代以来各国已投入大量人力物力开展纳米超微粒的研究如美国日本 1 美国的纳米科技 美国联邦政府在推动纳米科技发展中的重要作用 我们的某些目标可能需要花费20年或者更长时间才能达到这也正是联邦政府在其中处于重要角色的原因所在 -美国前总统克林顿 美国联邦政府目前正努力在纳米科技长期和高风险投资中发挥作用将政府对纳米科技的投资重点放在刺激合作和支持基础科学方面帮助建立未来十年所需的纳米技术基础设施和研究支持培养为未来纳米产业发展所需的人才储备鼓励跨学科的网络与合作确保信息的传播鼓励新兴公司开发纳米技术 纳米科技研发投入策略联邦政府国会高官目前纳米技术研发的投入应以联邦政府为主并且在相当长的一个时期内联邦政府需要保持其投入的稳定性 1999-2003年美国联邦纳米技术研究与开发经费分部门明细表单位百万美元 资料来源 Small Wonders Endless Frontiers A Review of the National Nanotechnology Initiative 近五年美国纳米科技发展目标和主要任务 1长期基础性的纳米科学和工程研究这一发展主题旨在长期扶持从事基础性创新性研究的单个研究人员和小型组织并促进大学产业界联邦实验室和各机构间的合作伙伴关系 2重大挑战这一发展主题瞄准了纳米科技的应用开发美国确定了总计十二项重大的挑战这些挑战将奠定美国纳米科技发展的基础诸如纳米级微电子产品的低成本制造方法更有效的能源储存装置运用于保健和生化恐怖威胁的生物传感器等 3优秀的中心和网络这一发展主题是促进研究的网络化和共用学术界用户设施优秀中心和网络的建立被认为是实施NNI计划的关键它们将有力促进纳米科技在不同学科间的融合 4研究基础设施这一发展主题的目标是建立一套能使新发明和新发现被产业界快速商业化的灵活实用的基础设施投资重点主要在于度量衡检测仪器建模和仿真以及用户设施等方面将建立拥有新的测试设备的研究中心并保证各研究机构都可以利用这些测试设备 5道德法律社会影响及劳动力教育和培训这一发展主题主要在于培养纳米技术所需的新一代跨学科技术人才同时对纳米技术在法律道德社会经济和劳动力准备等方面对社会所产生的影响加以研究 美国联邦政府在纳米科技五个重要战略布局中的经费投入单位百万美元 美国纳米科技研究与开发重点 纳米科技的一个最显著的特点是它的跨学科特性它涉及到化学物理生物学分子生物学工程和材料科学等众多学科不过在今年6月份发布的Small Wonders Endless Frontiers A Review of the National Nanotechnology Initiative报告中特别指出纳米研发的重点领域是考虑到纳米科学发展的需要而不仅仅严格局限于纳米范围因为很明显微技术对于纳米科学的发展是非常重要的 在基础研究方面目前美国正在进行的研究重点领域包括1纳米生物系统2纳米结构与量子控制3纳米元器件与系统结构4纳米过程与环境5多现象模型与模拟 在应用研究和产品开发方面目前美国正在进行的研究重点领域包括1纳米结构材料的设计2纳米电子光电子与磁性材料3用于保健治疗和诊断的纳米技术和装置4纳米过程与环境改良5高效能源转化与储存6微型航天飞机与太空探测7用于监测传染性疾病和生物威胁的生物传感器装置8纳米技术与经济安全的交通9纳米技术与国家安全 美国纳米技术应用研究的四大热点 美国纳米技术的应用研究目前正在半导体芯片癌症诊断光学新材料和生物分子追踪等四大热点领域快速发展其中在芯片和癌症诊断领域的应用可望在年内出现划时代的突破 2日本纳米科技发展现状及趋势 21 日本纳米科技发展回顾 22 日本政府在推动纳米科技发展中的重要作用 23 日本企业界在纳米科技方面的作为 24 日本未来纳米科技的发展动向 21 日本纳米科技发展回顾 22 日本政府在推动纳米科技 发展中的重要作用 1 制定计划 1 由于日本纳米技术研究起步早目前在许多方面处于世界领先的地位 2 日本政府在新的科技基本计划中把纳米技术作为今后5年科技发展的战略重点之一 3 2001年实施了材料纳米技术7年计划 4 实施纳米技术综合支援计划该计划旨在最大限度地发挥各科研机构的潜在能力主要内容是搜集和提供信息促进交流组织联合攻关建设特殊研究设施等措施向有关科研机构提供各种支援活动推动纳米技术研发 2 成立组织 2002年建立了国家级纳米技术研究所并建立了10个纳米技术研究中心 3 投入巨资 2001年度日本政府纳米投资领域分布 单位10亿日元 23 日本企业界在纳米科技方面的作为 日本企业界是发展纳米技术的主力军80家大企业中有大约40设置了专门机构已经或者即将着手发展纳米科技 1集中科研力量加强纳米技术开发 日立集团设立了纳米技术管理推进中心 由日立制作所日立化成日立金属日立电线日立超LSI系统组成集中各家技术优势共同攻克各产业领域相关的纳米技术难关东丽公司投资50亿日元建立专门的纳米技术研究所 2建立专门从事纳米技术研究或专门生产纳米材料的分厂分公司 三菱集团建立了专门批量生产巴基球的分厂 富士通公司设立了纳米技术研究中心 3企业开始和大学科研院所广泛合作研究开发纳米技术 日本昭和电工公司产业技术综合研究所富士通公司德国慕尼黑工科大学等4家科研机构松下电器产业武田药品工业京都大学大阪大学三菱化学公司也与京都大学等 24 日本未来纳米科技的发展动向 日本政府负责制定科技政策的综合科学技术会议在2001年召开的推进重点领域战略专家调查会上确定了未来日本纳米技术发展的重点方向 1 确定的纳米技术重点领域应用纳米技术制成的信息通信元件具有环境适应性的高增值材料和微量影响环境因素的管理技术对体内病灶进行诊断和治疗的微小系统仿生材料观察各种生物现象及应用生物机制的纳米生物技术纳米级的测量评估及加工等基础技术具有新的物理性能的材料 2引进竞争机制促进不同学科的相互融合和人员交流加速科研成果产业化的进程加强政府大学和企业之间的联合攻关培养和确保人才 3我国的纳米科技发展现状 天安门广场飘扬的纳米国旗com 31 国内纳米科技发展进展com 2010年纳米科技发展的三大目标 中国科学技术部com召开国家纳米科技工作会议并具体提出2010年中国纳米科技发展的三大目标 1 纳米科学前沿领域要以纳米电子学纳米尺度的加工及组装技术纳米生物和医学纳米材料学等前沿理论和方法为重点建立完善国际先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验室系统加强纳米科技信息网络和科研开发网络建设构筑国家纳米科技创新体系 2 纳米技术开发及其应用方面要在纳米材料的制备纳米器件制造工艺及装备微型计算机和信息系统环境和能源医疗与卫生生物和农业航天和航空以及国防建设领域攻克一批重大关键技术取得一批对未来产业有重大影响的知识产权为纳米科技成果的应用与产业化奠定技术基础 3 形成纳米科技骨干队伍方面吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发培养和引进懂科技懂经营懂管理的复合型人才为纳米科技的产业化提供力量 com 发展现状 政府重视 我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告 列入十五规划 列入863973计划 科研投入 我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势但因基数太小根本不能和美日欧盟等技术大国相比 主要研发力量 我国纳米技术研发力量表面相对集中实际上仍很分散难以形成规模优势研发力量主要集中在高等院校和科研院所企业介入纳米技术的研发领域占5力量薄弱且层次不高80的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料高分子和化学合成材料等方面但在较低层次的纳米材料领域就集中了一半以上的研发力量在纳米核心技术纳米电子纳米机械纳米生物医药纳米检测等重要领域力量薄弱 科研成果 尽管我国对纳米技术研究投入严重不足但在过去10年中我国科学家还是取得了非凡的成绩在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇其中多篇发表在自然和科学等世界顶级学术杂志上 技术人才 国内有50多所高等学校科研院所名纳米科研人员 产业化状况 据调查全国共有纳米企业323家其中以纳米注册的企业共57家但大多数企业尚处初创期技术尚不成熟处在微利或亏损的状态 com 存在问题 空有计划 虚有组织 虽然有关部门制定了我国纳米技术发展的十年规划并成立了国家纳米技术指导小组但因种种原因使我国纳米技术发展几乎空有计划虚有组织发挥不了应有的强大作用 科研投入严重不足迄今为止尚无有关纳米技术的国家预算规划出台 项目重复投资 由于我国传统的科研体制和社会分工的不合理造成在科研经费严重不足的情况下有相当一部分科研项目属于重复投资例如纳米隐身涂料需求的领 域专业性很强但全国就有40多家科研单位在搞根本原因在于 传统科研体制的条块分割 后计划经济的弊端信息不对称 尚未形成跨学科跨领域的联合研发体制 传统的科研体制和教育体制决定了科研工作往往表现为各自为战单打独斗不能形成科研领域的强强联合而纳米技术的跨学科跨领域等特点恰恰要 求建立联合研发体制这严重制约了纳米技术的进一步发展 没有纳米技术权威检测机构 造成市场上狂炒纳米热的主要原因就是国家没有建立一个权威的纳米技术及材料的检测机构不能对纳米技术及其产品进行检测鉴别客观真实 地评价纳米技术对新产品新材料所带来的性能等方面根本性的提升和改变 缺乏专业人才 尽管我国有4500多人的纳米技术研究队伍但以传统分门别类的教育体制培养的专业人才不适合也远远不适应纳米技术发展需要 据初步测算为推动我国纳米技术的发展近期就至少需要1万名复合型的纳米科研人员而目前我国从事纳米技术研究的科研人员大都是从其它领域转到或延伸到纳米领域的在知识结构和知识面上存在着一定缺陷人才缺口非常明显但每年还有大量的人才流失 原创性成果少 文章数量多高档次少专利少 已经转化的技术中还有很多是不成熟的这不仅造成了企业的损失而且也给纳米技术的发展造成了严重的影响 4 别的国家的纳米科技 41 英国 1 成立组织 为促进大学产业界和国家纳米技术发展英国政府早在1997年就建立了英国纳米技术研究院主要负责 组织国内各研发机构共同从事纳米技术研发 提供教育及培训 为企业提供可供产业化的纳米技术 组织英国与其他国家的在纳米技术领域的联合攻关最近英国与韩国共同签署了在纳米技术方面的合作协议该协议涉及八个方面组织了英国和韩国的多家大学和科研机构共同完成 2 制定计划 英国1998年创立纳米技术联系计划LINK 3 投入巨资 除了LINK计划每年的资助外政府投入逐年增加亿美元 42 德国 1 德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测他们认为到2010年 并预测市场的突破口在信息通讯环境和医药等领域 2 制定计划 德国纳米技术的开发研究和产业化发展一直得到德国政府的大力资助1991年2000年实施BMBF计划从事微纳系统的研发 3 成立组织 43 欧盟 1 制定了计划 1999年以来欧盟国家都大大加强了对纳米技术领域的争夺制定了一系列跨世纪的新计划 微电子先进研究计划支持纳米集成电路的研究 纳米技术信息设备计划开发纳米级设备的信息处理系统器件及生产技术和工具 2 投入了巨资 2002年开始的五年计划中欧盟为了追赶美国和日本加大了对纳米技术的经费投入达到1155亿美元 欧盟共同为纳米技术研究提供资金并呈逐年增长的势头从总体来看欧盟委员会对纳米技术的投入占欧洲公共资助的15欧盟国家主要依靠欧盟委员会的财政支持 近年来在韩国新加坡中国台湾等国家和地区政府也对纳米技术迅速加大了投资力度 国际纳米科技发展态势和特点 2002-2006 一各国竞相出台纳米科技发展战略和计划 一 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年就率先制定了国家级的纳米技术计划其宗旨是开展纳米尺度的科学工程和技术开发工作 2003年11月通过了21世纪纳米技术研究开发法案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 三 发展中大国奋力赶超 中国政府在2001年7月就发布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 南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略在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 二世界各国纳米科技发展各有千秋 一 在纳米科技论文方面日德中三国不相上下 20002002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10 000篇几乎占全部论文产出的30日 本 1276 德国 1128 中国 1064 和法国 789 列在其后它们各自的论文总数都超过了3000篇 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三年累计论文总数都超过了1000篇 二 申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头 美国专利商标局20002002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 日本 368项 和德国 118项 601646和528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 三 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510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未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110两三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 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 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 Thank you 麻雀卫星 蚊子导弹 苍蝇飞机蚂蚁士兵美欲五年装备纳米武器 麻雀卫星美国于1995年提出了纳米卫星的概念这种卫星比麻雀略大重量不足10千克各种部件全部用纳米材料制造采用最先进的微机电一体化集成技术整合具有可重组性和再生性成本低质量好可靠性强一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视即使少数卫星失灵整个卫星网络的工作也不会受影响 蚊子导弹由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多可以大大提高武器控制系统的信息传输存储和处理能力可以制造出全新原理的智能化微型导航系统使制导武器的隐蔽性机动性和生存能力发生质的变化利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹可以起到神奇的战斗效能纳米导弹直接受电波遥控可以神不知鬼不觉地潜入目标内部其威力足以炸毁敌方火炮坦克飞机指挥部和弹药库 苍蝇飞机这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器可携带各种探测设备具有信息处理导航和通信能力其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近监视敌方情况这些纳米飞机可以悬停飞行敌方雷达根本发现不了它们据说它还适应全天候作战可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地直接引导导弹攻击目标 蚂蚁士兵 这是一种通过声波控制的微型机器人这些机器人比蚂蚁还要小但具有惊人的破坏力它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中长期潜伏下来一旦启用这些纳米士兵就会各显神通有的专门破坏敌方电子设备使其短路毁坏有的充当爆破手 五角大楼的一次电脑模拟的纳米武器作战演习战争发生在2010年美国与敌方的飞机坦克大炮在战场上频繁调动就在双方剑拔弩张之时天空中出现了许多苍蝇黄蜂等小昆虫地面上也拥出数以万计的蚂蚁这些小动物有的在战场上空盘旋有的则直接进入敌方的指挥机关雷达站弹药库等 突然间随着一声巨响敌方弹药库率先发生爆炸紧接着敌方指挥通信系统也莫名其妙地炸开了花在前线待命的飞机坦克和航母因接不到指令失去弹药和能源补给全都成了废铁 随着纳米技术的发展人类也许能够研制出各种难以有效防御的先进武器尖端的纳米技术有可能成为本世纪人类面临的最大威胁之一 三各国纳米技术发展现状 美国发展纳米科技的历史回顾 1991年美国正式将纳米技术列入 国家22项关键技术 和2005年的战略技术 1997年美国国防部将纳米技术提高到战略研究领域的高度 1996-1998年 纳米技术发展情况调查研究 2000年2月 国家纳米技术计划 NNI 微米科技 纳米科技占中 心地位发挥 革命的作用 美国总统科学顾问委员会由此认为纳米技术是自二战以来美国将要经历的第一场不具备绝对领先优势的具有重要经济意义的科技革命如果美国要在21世纪继续保持其经济上的领导地位和保证其国家安全则需要在未来的10至20年中显著地稳定地增加对纳米科技研究开发的投入 2000年8月美国国家科学技术委员会专门成立了 纳米科学工程与技术分会NSET 7099 6049 464 270 255 总计 2 2 交通部 25 15 2 农业部 5 5 5 环保署 14 14 1 司法部 43 41 40 32 21 国家健康研究所 44 38 33 8 16 商务部 51 46 22 5 5 国家航空航天局 139 91 88 58 58 能源部 201 180 123 70 70 国防部 221 199 150 97 85 国家科学基金会 2003年预算值 2002年估计值 2001年 2000年 1999年 部 门 710 35 120 119 204 232 2003 604 30 97 96 180 201 2002 464 17 76 78 149 144 2001 270 15 50 47 71 87 2000 总计 道德法律和社会影响及劳动力 研究基础设施 优秀的中心和网络 重大挑战 基础研究 年份 资料来源National Nanotechnology InitiativeThe Initiative and Its Implementation Plan 和Small Wonders Endless Frontiers A Review of the National Nanotechnology Initiative两个报告中相关数据汇总 1981年日本科学技术厅现改为文部科学省就推出了 先进技术的探索研究计划 Exploratory Research for Advanced Technology ERATO 每年启动4个ERATO基础研究项目每个项目实施5年研究内容绝大部分是纳米技术的前沿课题如纳米电子学纳米材料学纳米分子学纳米加工和纳米结构等研究领域的课题 1991年开始日本通产省 com经济产业省 先后实施了数个有关纳米技术的大型10年研究计划 原子技术研究计划1991-2001185亿美元 量子功能器件研究计划1991-20014千万美元 原子分子极限操纵研究计划 1992-2002250亿日元 1992年国家先进跨学科研究所NAIR和 日本及美国的20余家大型企业 联合成立原子技术联合研究中心 JRCAT 2001年实施了材料纳米技术7年计划 2002年建立国家级纳米技术研究所10个纳米技术研究中心 资料来源日本科学技术政策委员会CSTP 京工红旗厂 中商纳米公司 成本增加20 31 国内纳米科技发展进展 32 存在问题 国家纳米技术产业化基地于2000年12月6日正式批准成立坐落在天津经济技术开发区占地2平方公里 我国与世界各技术大国在纳米技术上的差距不仅仅在技术本身更重要的是机制和体制上以及政府部门的支持力度上 因此政府有必要支持建立一个强大的跨学科的开放的流动的市场化的综合的研发平台推动研发工作在联合中竞争在竞争中联合并以此作为研究机构与企业之间的纽带 38 035 031 2001年 2000年 1999年 272 纳米材料的评价技术 442 纳米加工技术 5457 纳米粉体纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料 6375 世界纳米结构器件 市场容量亿美元 领域 德国在全国范围内建立了六大纳米研究中心形成全国纳米科技研究协作网建立这些中心的目的是使德国的纳米技术迅速处于国际领先水平同时使德国纳米技术尽快被工业界所利用这些研究中心的成立一方面可以向社会开放另一方面除了协调研究与开发以外研究中心本身还承担着各种纳米研究项目同时中心也培养纳米技术方面人才创造一个具有浓郁产业化开发氛围的环境此外还向企业界提供咨询服务 4 投入巨资 5 加快行动 尽管如此德国认为自己的科技成果转化能力与美日存在着差距为此德国将重心放在了产学研联合攻关发展具有市场潜力的纳米技术加速推进纳米技术产业化发展 6 领先的技术 由于联合了大学和工业界的力量德国已在纳米分析和测量技术方面占有十分重要的地位在超薄膜的基础研究领域处于世界领先水平在解决纳米材料的分散方面居于领先地位 德国纳米技术研发投入亿美元 尽管如此美日欧等技术大国都明显感受到了来自对方的竞争压力都力争在纳米技术所涉及到的科技领域尽可能的独领风骚日本和西欧1997年在这个领域的支出就超过了美国而日本德国欧盟都在具体的纳米技术领域创造了各自优势可以说美日德欧盟在纳米技术的研究方面已经形成了争锋的局面 特别值得注意的是近年来在韩国新加坡中国台湾等国家和地区政府也对纳米技术迅速加大了投资力度 1 该数字为联邦政府对国家级研究所和大学等专业单位的投入受限于预算制度美国没有长期预算计划 Reporter Qiang Zhang Time 2010-06-21 Tutor Su Chen 材料化学工程国家重点实验室 State Key Laboratory of Materials-Oriented Chemical Engineering Nanjing University of Technology 纳米科技的基本思想是在分子水平上通过操纵原子来控制物质的结构 一纳米材料的研究和发展历程 A 1990年美国加州的IBMcomer等人利用STM在4K和超真空环境中在Ni的表面上将35个氙原子排布成最小的IBM商标这张放大了的照片登在时代周刊上被称为当年最了不起的公司广告轰动全球从此开创了一个崭新的纳米世界 每个字母高5nmXe原子间最短距离约为1nm这种原子搬迁的方法就是使显微镜探针针尖对准选中的Xe原子使针尖接近 Xe原子使原子间作用力达到让Xe原子跟随针尖移动到指定位置而不脱离Ni的表面用这种方法可以排列密集的Xe原子链 在扫描隧道显微镜下科学家将48个铁原子排列在铜表面上形成一个圆形围栏 1991年元旦前夕日本日立电子公司向公众展示了一个原子大小的新年祝词peace91和平91每个字母的高度均小于15纳米它是把硫原子一个一个地从二硫化钼晶体上轰击出来写成的美国商业机器公司的IBM是在-263下拼出的而日立公司的祝词则是在室温下完成的该成就表明纳米技术从此步入了实用阶段 1993年后我国科学家先后操纵原子写出中国原子绘出中国轮廓图 小结 FROM com 光电材料 CPU SRAM 静态随即存储器 预计碳纳米管是理想的导体它的导电性很可能远远超过铜是最佳超微导线和超微开关的首选新材料纳米管最终可以用于纳米级的电子线路 碳纳米管场发射显示器 1999年韩国2000年日本制成显示器样管 含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝肾脾肺和大脑中从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果 汽车尾气的处理加入纳米级的复合稀土氧化物后对尾气的净化特别明显尾气中的CONOx几乎完全转化 在化工领域中的应用 纳米服装 血液形态图 在生物医学领域的应用 果蝇遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性右侧为雄性 Molecular-scale machines could one day have medical applications such as removing cancerous cells Nature 451 770-771 14 February 2008 纳米机器人在清理血管中的有害堆积物纳米机器人小到可在人的血管中自由地游动对于脑血栓动脉硬化等病灶可以很容易地予以清理而不用进行危险的开颅开胸手术