美国纳米技术的发展历史及现状

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欢迎访问e展厅 展厅 11 纳米材料/工业陶瓷展厅 空心微珠, 金刚石微粉, 纳米金, 纳米铂金, 纳米铜, ... 发展历史 与信息技术、生物技术一样，美国制定纳米技术的国家计划要晚于日本，但似乎取得了比后者更明显的成效。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年间，以美国国家科学基金会为首的十余家政府机构联合出资并委托LOYOLA学院的“世界技术评估中心”，在美国国内以及法、德、比利时、荷兰、瑞典、瑞士、英国、俄罗斯、日本和中国台湾等地进行了为期三年的纳米技术发展情况调查研究；根据这一调查研究结果，美国总统科学顾问委员会认为：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2月，白宫正式发布了“国家纳米技术计划”(National Nanotechnology Initiative，NNI)，提出了美国政府发展纳米科技的战略目标和具体战略部署，标志着美国进入全面推进纳米科技发展的新阶段。该报告指出：纳米技术将对二十一世纪早期的经济和社会产生深刻的影响，这种影响也许可以与信息技术或细胞、基因和分子生物所带来的影响相媲美。同时报告认为，NNI是一项跨部门的系统工程，可确保美国在这一新兴领域拥有主导地位，而这将是美国能在21世纪上半叶保持世界经济和国家安全领导地位的实质所在。 根据NNI，美国联邦政府将长期扶持纳米研究工作，以期在材料与制造业、纳米电子学、医药保健、环境、能源、化学、生物技术、农业、信息技术和国家与国土安全等领域取得突破。联邦政府还将在纳米技术的基础研究方面投入巨资，以期解决基础研究和应用开发脱节的问题。根据现任总统布什2003年12月签署的《21世纪纳米技术研究开发法案》，自2005财年开始的4年内，联邦政府将投入约37亿美元用于支持纳米技术研发工作。 研究现状 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。 在纳米基础研究方面，近期出现的重要成果有，发现碳纳米管理想的吸收与发散光波特性，可望使量子密码技术以及单分子传感器变成现实；利用自行组装的DNA分子作为建筑材料，建造了支撑蛋白质的纳米级脚手架和金属线，直径只有数十亿分之一米，这是在纳米级合成方面取得的重要成就，可能由此开发可编程的分子级传感器或电路。在世界上首次得到具有压电效应的半导体纳米带结构———实现纳米尺度上机电耦合的关键材料，可用来设计研制各种纳米传感器、执行器，以及共振耦合器，甚至纳米压电马达，在微／纳米机电系统有重要应用价值。 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。 而正在美国从事纳米技术研究的华人青年科学家崔屹博士2003年9月17日接受新华社记者采访时表示，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10年内出现大的突破。而且根据2003年美国科学年会的报告，美国纳米技术的研究热点正由半导体芯片领域转向医学领域，纳米医学技术已经被列入美国的优先科研计划。 在半导体芯片领域，如何让芯片体积更小、速度更快是科学界一直研究的课题。目前用于芯片制造的光刻技术已经接近于发展极限，要想把更多的晶体管集成到一块芯片上已经越来越难。目前，美国纳米技术专家们试图把纳米级的半导体材料做成晶体管，从而可以让一块芯片上容纳更多的晶体管。这种芯片的运算速度可望比传统的硅芯片提高上千倍。这一研究方向在2001年取得基础性研究突破后，目前在应用研究中越来越热。据专家估计，这一技术可望在10年后达到实用化。 在癌症研究领域，利用纳米技术制成的传感器可望使各种癌症的早期诊断成为现实。目前，美国科学家已经在实验室环境下实现了对前列腺癌、直肠癌等多种癌症的早期诊断。纳米传感器灵敏度很高，在进行血液检测时，当传感器中预置的某种癌细胞抗体遇到相应的抗原时，传感器中的电流会发生变化，通过这种电流变化可以判断血液中癌细胞的种类和浓度。科学家们估计，今后可能会有多种纳米传感器集成在一起被置入人体，以用来早期检测各种疾病。 此外，纳米技术在光学材料和生物分子追踪两个领域的应用也是研究热门。在光学材料研究领域，科学家们试图改变某些半导体材料的分子结构，用来生产特定的光学器件。比如，一些科学家试图让某种半导体材料内部具有纳米级的线状结构，这种材料用于显示器制造领域可以大大提高显示器的清晰度和颜色逼真度。而在生物分子追踪领域，科学家把某种纳米颗粒“粘”在生物分子上，然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的行踪。这对研究艾滋病病毒等在人体内的活动过程十分有益。 在纳米技术应用领域，近期也出现了不少重要成果，特别是在电子元器件、微机械系统方面收获更多。在电子元器件方面，研制出以碳纳米管为导电通路的场效晶体管及逻辑电路，为计算机电路纳米化提供了一线曙光。制造出电子流动性比现有半导体材料高25％、比硅晶体管高70％的碳纳米管晶体管，向让纳米管成为新一代功能更强大尺寸更小的电子产品迈出重要一步。开发出由单分子碳纳米管构成的世界最小发光元件，直径1.4纳米，可发出波长1.5μm的光，是分子元件研究领域的重大进展，将推动碳纳米管在纳米级电子工程学和光元件领域的应用研究，有可能在电子和光电子领域开辟新的应用前景。它实现了芯片产业“光电合一”的梦想，表明纳米管能与目前的硅电路结合，有可能促使纳米管在不久的将来在商业芯片上获得应用。 在微机械系统方面，出现可控纳米马达、纳米电动机、纳米激光器、纳米弹簧等成果。开发出的可控纳米马达由一种自旋蛋白质片断制成，宽度仅为11纳米，可在未来用于驱动诸如药物递送系统等纳米机械。用多层碳纳米管制做的世界最小电动机的直径约为500纳米，比头发丝还细300倍，能在电压驱动下转动，对温度和化学条件要求宽松，甚至在真空中也能运转，有很大应用潜力，可广泛用于光学开关等领域，为发动机运转带来全新含义。 此外，纳米在能源领域的应用也成为新的关注点，纳米储氢技术已成为重点项目，注重寻找可能用于储氢的纳米材料纤维，有关实验室已将储氢纤维做到平均直径在35纳米的水平。 与此同时，美国的纳米应用研究还出现不少热点。医学领域的热点为纳米医药机器人、纳米定向药物载体、纳米在基因工程蛋白质合成中的应用等具有潜力的应用方向；微电子及信息技术领域应用方面的开发热点包括导电聚合物在信息技术领域的应用、纳米电子元器件FET二极管、用于感应器的电子序列、纳米传感器等。在化学工业上，应用的开发热点是利用纳米材料提高催化剂的效能问题，包括用于燃料电池的催化剂等。 国际地位比较 总体来说，美国在纳米技术和应用研究领域中享有资金和人才的巨大优势，一直走在世界前列，但距离纳米技术实用化仍有一段路要走。与美国相比，其他国家则主要处于纳米技术的基础研究阶段。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (2/4/2009)