纳米技术革命发轫
纳米机器人
一.前言
如果说人类智慧有一个区域的话，那么，科学向更小的或是更大的长度单位不断扩展，就标志着人类视野的不断开阔。
在工业革命以前，大部分人类生产、科研不需要用到毫米，“毛估估”的做法说明了我们对这个世界认知的粗浅。
以蒸汽机等机械发明为主要标志的第一次工业革命，将人类认知推向毫米层次。
而第二次工业革命席卷全世界之后，人类从机械时代进入微电子时代，当时最小长度计量单位——毫米——不再能满足人们的需要。于是，毫米的千分之一——微米诞生了。但是，很快，随着科学技术的发展，微米的局限越来越明显，当材料即将突破微米的物理极限，例如，电脑芯片虽然已越做越小，但即将达到材料的物理极限，只有进入另一个层次才能有更大的突破。纳米的概念出现了。
纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。
纳米技术，是研究结构尺寸在0.1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，诞生了一门以尺寸在纳米级的物质为研究对象的技术，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。
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。
纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。
纳米技术
二.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谷口纪男，他在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时发现：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。
日本科学家谷口纪男
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，外侧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。
80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
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,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，但达到纳米数量级是有可能的，潜在的科学价值和经济价值十分巨大。
3、纳米生物学和纳米药物学：该领域会涉及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；但细化为纳米尺度的超微粒子，则可溶于水。
纳米生物学发展到一定程度时，可以用纳米材料制成具有识别能力生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，用于定向击杀癌细胞。
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。当前电子技术的发展趋势要求器件和系统更小、更快、更冷。更快，是指响应速度要快；更冷是指单个器件的功耗要小。但更小并非没有限度。纳米技术将为“更小”提供技术手段，未来的影响将是巨大的。
三.历史沿革
纳米技术的灵感，来自于已故的美国物理学家理查德•费曼。
1959年，理查德.费曼做了一场题为《在底部还有很大空间》的演讲，当时任教于加州理工大学的费曼教授向同事们质问道，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。”
理查德•费曼
这被视为纳米最早的灵感来源，可惜的是，在当时并没有引起人们足够的注意。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，东京理科大学的谷口纪男第一次提出纳米的概念。不过，有了概念，人们却一直没有办法观测到原子、分子的世界。
要从分子、原子出发，制造物品，第一步得看见原子和分子，这一关键性的突破，由德国人开始。
1981年，德国科学家发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，人类从此可以直观地观察到单个原子了，从而揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极的促进作用。
扫描隧道显微镜
看得见原子，接下来，人们需要突破的就是如何操纵原子。在1990年, IBM公司院士唐纳德•马克•艾格勒（Donald•Mark•Eigler）博士利用了他的扫描隧道显微镜做了一件“不可思议”的事，他使用了35个氙原子排布了“IBM”三个字母。虽然，这三个英文字母只占了几个平方纳米的面积，但却是人类第一次实现了操纵单个原子，纳米科技的序幕拉开了。
唐纳德•马克•艾格勒（Donald•Mark•Eigler）
使用扫描电子显微镜操控镍表面上的单个氙原子，写出字母“IBM”
不久，科学家不仅能够操纵单个原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造超薄特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德• 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想。
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；
碳纳米管
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬动原子团“写”下斯坦福大学英文之后，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实现了用单电子移动单电子，这种技术有望在日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，德国科学家再次研制出了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；
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，把纳米技术列入未来5年科技计划的研发重点；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”，进行大力发展，并对相关产业进行大力扶持。
四.应用领域
当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。
概括一下，纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米等于百万分之一毫米。纳米技术将带动一场新的技术革命；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；利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞；如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。
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。不过，纳米技术是多科学的综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。
1、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，其主要发展方向有两个。
一是光干涉测量技术，基本思路是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率。其具体的测量方法有：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-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，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。基于这原理的具体测量方法有：扫描隧道显微镜、原子力显微镜等。
2、加工技术
顾名思义，所谓纳米级加工，是指达到纳米级精度的加工技术。
由于原子间的距离为0.1-0.3纳米，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。显然，用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工相当困难。
截至2008年，纳米加工有了重大突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时，可实现0.1微米线宽的加工；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移除、搬迁、增添和原子重组。
3、纳米颗粒
纳米颗粒是纳米材料基元。用物理、化学及生物学的方法制备出只包含几百个或几千个原子、分子的“颗粒”。这些“颗粒”的尺寸只有几个纳米。
★脾气爆燥、易燃易爆的纳米金属颗粒
金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。实验上发现如果将金属铜或铝作成纳米颗粒，遇到空气就会激烈燃烧，发生爆炸。可用纳米颗粒的粉体作成功固体火箭的燃料、催化剂
★材料世界中的大力士--纳米金属块体
金属纳米颗粒粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富于弹性。
★奇妙的碳纳米管
碳纳米管
最近，科学家正在致力于一种新型纳米材料--碳纳米管的研究，这是一种非常奇特的材料，它是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状"纤维"，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100倍。用这样轻而柔软、又非常结实的材料做防弹背心是最好不过的了。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。 纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。
★善变颜色的纳米氧化物材料
氧化物纳米颗粒最大的本领是在电场作用下或在光的照射下迅速改变颜色。作成士兵防护激光枪的眼镜和广告板，在电、光的作用下，会变得更加绚丽多彩。
★刚柔并济的纳米陶瓷
纳米陶瓷
纳米陶瓷粉制成的陶瓷有一定的塑性，高硬度和耐高温，使发动机工作在更高的温度下，汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。
★爱清洁的纳米材料
把透明疏油、疏水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。将这种纳米颗粒放到织物纤维中，做成的衣服不沾尘，省去不少洗衣的麻烦。
纳米衣服
★法力无边的半导体纳米材料
半导体纳米材料的最大用处是可以发出各种颜色的光，可以做成超小型的激光光原。它还可以吸收太阳光中的光能；把它们直接变成电能。
★运送药物的“导弹”把药物制成纳米颗粒或者把药物放入磁性纳米颗粒的内部。
这些颗粒可以自由地在血管和人体组织内运动，如果在人体外部加以导向，使药物集中到患病的组织中，那么药物治疗的效果会大大地提高。
4、材料合成
自1991年，赫伯特•格雷特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，按其材质可分为：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。
纳米金属
纳米材料是超微粒材料，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。
纳米陶瓷刀
例如金的熔点为1064℃，但10纳米的金粉熔点降低到940℃，5纳米的金粉熔点降低到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。
5、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。
纳米机器人
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。
6、组装技术
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。
纳米组装技术是通过机械、物理、化学或生物方法，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高密度定取向，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。在进行免疫球蛋白G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技术突破。
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，使加工技术进入一个更加微细的深度。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。虽然现代中国已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入才能换取高额的利润回报。
7、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DNA形貌观察、特性研究和基因改造等三个方面已经取得了不少进展。
DNA纳米技术
★.脑功能研究
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。
★.仿生学研究
这是纳米生物学的热门研究，现在取得了不少成果，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，它能像螺旋桨那样驱动鞭毛旋转。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等部件组成。它的直径只有30纳米，转速可以高达15转每分，可在1微秒内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现代人们正在探索设计一种能用电位差驱动的人工鞭毛马达驱动器。
鞭毛马达
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。该芯片以砷化镓半导体作为片基。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1纳米，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微型机电系统制造中，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。
8、衍生产品
★.机器人
纳米机器人是基于分子水平的生物学原理，设计制造的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》月刊曾指出：纳米机器人的潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。
纳米机器人
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两种收伞形态；简单说，收伞时有长短两种选择。纳米雨衣由纳米雨伞转变而成，又不同于一般雨衣，因为纳米雨衣可以保证从头到脚绝对不湿。因为纳米材料，这把雨伞可以一甩即干。雨伞转变为雨衣后，这雨衣也只需穿着时轻轻一跳即可全干。
纳米雨伞
★. 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，任何附着在上面的污渍都能用水擦洗或冲干净。
“骑士”(The Cavalier)的白色T恤是百分之百棉质的
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，纳米科技也有很多潜在的环境和安全问题，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。
,
