纳米材料和技术的现状和发展.pdf
化学与社会 尹汉维 1纳米材料和技术的现状和发展 北京大学生命科学学院 尹汉维 关键词：纳米，隧道显微镜，纳米材料 背景：纳米，是衡量物质在微观世界中长度的度量单位。正如同物质在接近于光速的环境下会表现出很强的相对论效应一样，物质的尺寸在接近于纳米数量级时，其物理化学性质也会出现很大的变化。现代的纳米技术正是利用了在纳米数量级时物质表现出的特异性，而发展出的相应的科学研究方法。在化学，生物，物理等多学科的研究中，纳米技术已经被用于非常广泛的领域。因为，纳米尺度是原子、分子、蛋白质等重要的生命基本物质所存在的尺度。换句话说，对纳米尺度下物质的观察和对纳米尺度下物质的操控对各个科学学科的研究具有重要的意义。如果我们能够准确的得到分子原子运动的规律，蛋白质构象的变化规律，我们就能准确地把握很多基本的化学和生命现象，并得到合理的解释。一、纳米技术研究的工具和手段 1 SPM 系列 扫描隧道显微镜是一种在纳米尺度下的先进的科研仪器。它可以使研究者在纳米的层次观察物质的形态，结构，运动和变化，如果我们能够在纳米尺度上对物质进行操纵，那么我们就能将理论化为实践，将纳米的研究转化为技术，为人类造福。从这一点上来说，扫描隧道显微镜是具有相当大的理论研究和科学技术价值的。这也就是其发明者 Gerd Bining 和Heinrich Rohrer 获得诺贝尔奖的原因。值得注意的是，这一研究成果的发明时间（1982）和获奖时间（1986）仅仅间隔了 4 年，比许多他领域的研究成果获奖都要迅速，这也从另一个侧面说明了这一发明的重要性。扫描隧道显微镜的原型仪器为 Scanning tunneling microscope(STM)和 Atomic force microscope(AFM)，扩展型仪器包括 MFM、EFM、SNOM、C-AFM、SKM、SKN，它们统称为 SPM。扫描隧道显微镜的制作原理是遵循电子的量子隧道效应。STM 的分辨能力很强，水平分辨率小于 0.1 纳米，垂直分辨率小于 0.001 纳米。一般来讲，物体在固态下原子之间的距离在零点一到零点几个纳米之间。在扫描隧道显微镜下，导电物质表面结构的原子、分子状态清晰可见。图 1-1 显示的是硅表面重构的原子照片，照片上，硅原子在高温重构时组成了美丽的图案。化学与社会 尹汉维 2 图 1-1 根据量子力学理论的计算和科学实验的证明，当具有电位势差的两个导体之间的距离小到一定程度时，电子将存在一定的几率穿透两导体之间的势垒从一端向另一端跃迁。这种电子跃迁的现象在量子力学中被称为隧道效应，而跃迁形成的电流叫做隧道电流。之所以称为隧道，是指好象在导体之间的势垒中开了个电流隧道一样。隧道电流有一种特殊的性质，既对两导体之间的距离非常敏感，如果把距离减少 0.1 纳米，隧道电流就会增大一个数量级。当我们在探针和样品之间加上电压，并移动探针逼近样品并在反馈电路的控制下使二者之间的距离保持在小于 1 纳米的范围时，根据前面描述的隧道效应现象，探针和样品之间产生了隧道电流。隧道电流对距离非常敏感，当移动探针在水平方向有规律的运动时，探针下面有原子的地方隧道电流就强，而无原子的地方电流就相对弱一些。把隧道电流的这个变化记录下来，再输入到计算机进行处理和显示，就可以得到样品表面原子级分辨率的图象。因此，简而言之，它的基本工作原理是利用探针与样品在近距离（小于 0.1纳米）时，由于二者存在电位差而产生隧道电流，隧道电流对距离非常敏感；当控制压电陶瓷使探针在样品表面扫描时，由于样品表面高低不平而使针尖与样品之间的距离发生变化，而距离的变化引起了隧道电流的变化；控制和记录隧道电流的变化，并把信号送入计算机进行处理，就可以得到样品表面高分辨率的形貌图像。具体工作原理如图 1-2 所示。图 1-2 应该说，扫描隧道显微镜的应用是相当广泛的。到目前为止，其主要的应用方面包括对表观物理学的研究，对纳米材料和器件的研究，在材料科学和生命科学技术中的应用，在微电子技术和探测技术方面的应用，在电化学方面的应用等等。虽然，扫描隧道显微镜的工作原理是以物理现象为基础的。但是，其触角已经伸到了自然科学领域的方方面面。化学与社会 尹汉维 3其带来的科研价值和经济价值也是不可估量的。2 基本纳米材料的研究 如果说 SPM 系列主要是用来进行对纳米世界观测的话，那么基本纳米材料的研究就是真正开始把纳米技术付诸实践了。从狭义上讲，纳米材料已经不算是纳米技术研究的手段。但是，由于现代几乎所有纳米技术在科学和生产上的应用都以基本纳米材料为基础，因此它的研究就如同无机/有机化学之于化学的地位一样，已经成为了纳米技术研究的基本方法之一。当今主要的基本纳米材料的研究包括一维尺度的纳米点，二维尺度的纳米线和三维尺度上的纳米碳管等等。正式通过利用这些基本纳米材料作为工具，可以开发出当今世界上丰富多彩的纳米材料世界。碳纳米管可以看作是石墨原子层卷曲形成的圆筒状结构。碳纳米管中的碳原子和石墨的杂化方式相同，它们的碳管直径在 1 纳米左右，与 DNA 双螺旋结构中一条 DNA 链的粗细相当。碳纳米管的导电能力相当强，可以和铜媲美，超出任何聚合物好几个数量级。另外，碳纳米管所能承受的电流强度为性能最佳金属的百倍以上。此外，这种碳纳米管非常耐用，它可以轻易弯曲，不与一般的化学物质发生反应，长年累月的使用也不会受损变质。碳纳米管的材料有三种类型：金属性，准金属性，半导体性。应该说，金属性的材料是结构最为完整的，弯曲而不易形成缺陷。这些结果可以通过扫描探针显微镜的结果直接得到。纳米管的制造过程是这样的：首先利用电弧或激光的热量，把煤还原成碳原子，形成所谓的碳云；然后借助催化手段来处理碳云，制造出各种各样的碳分子。这种相对来说比较简单的加工方法得到的烟灰，含有各种形式的碳分子，包括俗称“巴基球”的球状碳分子和其他各种碳笼分子，当然也少不了碳纳米管。下一步则要把纳米管从这堆碳分子中提炼出来，分离技术的重点在于，提取形状细长的单壁纳米管。这种方法被称为电弧放电法。除此之外，制备纳米碳管的方法还有化学气相沉积法（CVD 法）和模板制备法。CVD 法是利用一些金属作为催化剂，各种碳氢化合物作为反应气源，来制备纳米碳管的。另外，我们还可以利用纳米技术中的其他应用，如纳米刻蚀，纳米压印等技术，来改造纳米碳管的表面，甚至可以考虑利用氧化的方法来打开纳米碳管，使其可以注入一定量的物质，在内部流动。我们还可以利用电弧放电生长机理和催化生长机理使纳米碳管得以生长，伸长。纳米碳管的应用前景是非常广泛的。虽然硅元素为核心的半导体仪器仍然统治着电子市场，但是由于纳米技术的介入，似乎碳元素可以为我们提供一些成本低廉，功能多样的柔性电子产品。碳纳米管具备多种多样的基本电子功能，它可以模仿金属的导电性，也可以模拟半导体的导电性，这样它可以在多功能的电子器件中独立发挥作用。由于它的制备工艺和流程都相对简单，因此我们可以考虑将它运用于现代技术的多个方面：如化学传感器，佩带式电子装置，太阳能电池，射频传感器等等。另外，在实际应用领域，我们可以利用纳米碳管独特的性质，做成发光二极管和晶体管，从而提高使用产品的效率，提高经济价值。化学与社会 尹汉维 4在现在的科学研究实验中，我们甚至可以利用碳纳米管随机形成网络，以此形成良好的导电性和极强的容错能力，在大多数的电子应用中都是占有优势的。我们知道，单根碳纳米管有时是存在缺陷的，那么如果把多根纳米管组合放置，这些缺陷可能会相互抵消。这就是纳米网最为基本的构想。导电碳纳米管的随机组合形成的网状结构为电子提供了分流的途径，加快了电子的传输速度。研究人员发现，由于碳纳米网有多条路径和接头，因此每条路径之间都能够保持着良好的导电性，同样，由于这一原因，纳米网对故障有着相当高的承受能力，即容错性能良好。导电纳米网就是“渗透原理”的一个具体实例。渗透原理可以结实各种物体、材料或电流穿过一种随机介质的机制。在随机状态下，可能在流动过程中。纳米网还可以形成高度透明的结构，在需光的电子电路场合占有很大的优势。由于纳米尺度非常狭窄，有足够的空间可以允许光畅通无阻的通过。对于纳米线来说，透光率甚至达到 100%。当然，碳纳米管如果想彻底取代传统材料，还有一些较为实际的问题需要解决，主要问题包括提高功能和降低成本。首先，由于表面活性剂的影响，纳米管在液体中往往成束聚集在一起，这对于纳米管的分离，提取都带来了相当的麻烦。因此，我们需要添加一种化学添加剂才能使它们分开。如果不能分开，就会妨碍电子的流动。因此，我们需要做大量的实验来摸索出常温下制造出这类纳米管网络薄膜的简单方法。我们从不怀疑，上述的那些可行性研究很快就可以变成一系列使用的原型装置，并最终转化为成熟的产品。新兴的碳纳米管，甚至碳纳米网，现在都处在一个起步的阶段。通过不断的科学研究，纳米碳管的性能正在获得稳步的改进。研究人员在纳米管中加入某些特殊分子，则可以精确地操控它们的电气特性。可以预见，这类纳米碳管，最终将会进入由硅主导的数码电子技术领域，引发一场新的技术革命。而整个的纳米碳管领域，也将成为纳米基本材料研究当中的一个热点。二、纳米材料的应用 在目前的研究上，微纳米技术的应用主要可以概括为以下两个方面：（1）微纳米技术在单层组装表面上的应用 众所周知，细胞等生物体单位的表面都是有机质的表面。在现在的科学研究中，研究者常通过利用纳米压印，纳米刻蚀等基本技术来操纵细胞表面，使其可以长出符合研究者需要的表面附属物或是使其形成研究者需要的图形，从而有助于研究细胞表面活性，细胞表面通透性等微观原理。同时，微纳米技术在细胞表面的研究也可以拓展到其他方面，如对细胞膜流动性的研究，对细胞膜极化的研究，细胞膜在神经传导中电信号的释放，细胞膜在细胞分裂时形态的构成，细胞在组织中运动的趋向性，细胞在组织中常见和病变形态的转变等等。这些与细胞生物学相关的热点问题都可以通过微纳米技术来解决，也有科学家正在从事这方面的工作。（2）微纳米技术在微流体管道上的应用 在物理学中，流体力学是一门非常有用的科学。它的很多思维方式和对物理现象的处理化学与社会 尹汉维 5方法都可以运用于物理学的其他许多领域，如电流，量子力学等等。流体在微观尺度下的处理方法，与宏观尺度下经典的流体力学方程也有一定的出入。而微纳米技术正是运用了流体在微观尺度，尤其是纳米尺度下的一些特异性的物理现象来解决生物体内的问题。微纳米技术，通过利用液体在微观尺度下，流动过程中特异性的粘质阻力，以及液体由于纳米尺度下引发的在管道表面溶解性的改变，从而解释和研究一系列生命科学现象的。如在微血管中营养物质的交换，淋巴管在人体中单方向的流动性，胚胎细胞中干细胞温度的差异，某些通过化学递质而完成神经传导机制，以及激素调节在人体中的表现等等。总结：纳米科学通过几十年的发展，已经成为了一门相当成熟的科学。它包括了基本的研究方法，基本的研究对象，以及通过研究可以得到的实验成果等等。科学研究人员在纳米世界中已经可以完成从理论到实践的整个过程。作为当今科学世界中极为活跃的一个领域，纳米科学或许能够引领我们走向一个崭新的科学纪元。本文作者试图将当今纳米科学技术的全景展示在这篇论文当中。但是由于专业知识和篇幅的局限性，未能把纳米科学技术的每一个方面表达的非常完整，只能选择重点叙述。本文作者对此深以为憾，敬请老师见谅！参考文献：1 Binnig and Rohrer,Review of Modern Physics 71,S324(1999)2 Binnig,Rohrer,Gerber and Weibel,Phys,Rev,Lett.(1982)3 D.Drakova Rep.Prog.Phys.64(2001)205 4 Xue et al.,PRL 75,3177(1995)5 Franz J.Giessibl,Science,2000,289,422 6 B.Wang et al.,Phys.Rev.B 2004 7 Y.Hasegawa,J.F.Jia et al.,in Advances in Scanning Probe Microscopy,Springer Press(2000)8 S.Lijima,Nature,1991 9 J.Hone,(Upenn.),Science,9/200 10 Science Vol 2826 November 1998 1105 11 Appl.Phys.Lett.,Vol.75,1786,1999 12 Fan.Dai,et 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