纳米技术知识篇_王月霞主编.pdf

书书书科普知识百科全书纳 米 技 术 知 识 篇王月霞主编远方出版社书书书图书在版编目(CIP)数据科普知识百科全书/王月霞.远方出版社，2006.1.科.王.自然科学 青少年读物.Z112.1中国版本图书馆 CIP 数据核字(2006)第 101667 号书名科普知识百科全书责任编辑王月霞出版发行远方出版社出版发行(呼市乌兰察布东路 666 号)经销新华书店总店北京发行所印刷北京一鑫印务责任有限公司规格850 毫米 1 168 毫米1/32印张476字数4500 千字版次2006 年 1 月第 1 版印次2006 年 1 月第 1 次印刷印数13，000 册书号ISBN 7 80723 010 X/I15定价1904.00 元(全 68 册)书书书前言人类社会已经进入一个崭新的新世纪，科学技术正以人类意想不到的发展速度深刻地影响并改变着人类社会的生产、生活和未来。科普知识百科全书结合当前最新的知识理论，根据青少年的成长和发展特点，向青少年即全面又具有重点的介绍了宇宙、太空、地理、数、理、化、交通、能源、微生物、人体、动物、植物等多方面、多领域、多学科、大角度、大范围的基础知识。内容较为丰富，全书涉及近 100 个领域，几乎涵盖了近 1000个知识主题，展示了近 10000 多个知识点，字数为800 多万字，书中内容专业性强，同时又易于理解和掌握，每个知识点阐述的方法本着从自然到科学、原理、论述到社会发展的包罗万象，非常适合青少年阅读需求。该书是丰富青少年阅历，培养青少年的想象力、创造力，加强他们的探索兴趣和对未来的向往憧憬，热爱科学的难得教材，是青少年生活、工作必备的大型工具书。本书在内容安排上，注意难易结合，强调内容的差异特点，照顾广大读者的理解力，真正使读者能够开卷有益，在语言上简明易懂，又富有生动的文学色彩，在特殊学科的内容中附有大量图片来帮助理解，具有增加知识，增长文采的特点，可以说该书在当今众多书刊中是不可多得的好书。该书编撰得到了各部门专家、学者的高度重视。从该书的框架结构到内容选择;从知识主题的阐述到分门别类的归集;从编写中的问题争议到书稿最后的审议，专家、学者都提供了很宝贵的修改意见，使本书具有很高的权威性、知识性和普及性。本书采用分级管理、分工负责的办法编写，在编写的过程中得到了国家图书馆、中国科学院图书馆、中国社会科学院图书馆、北京师范大学图书馆的大力支持和帮助，在此一并表示真诚的谢意!在本书编写过程中，我们参考了相关领域的最新研究成果，谨向他们表示衷心的感谢!由于编写时间仓促，加之水平有限，尽管我们尽了最大努力，书中仍难免有不妥之处，敬请广大读者批评指正。本书编委会2006 年 1 月纳米技术知识科普知识百科全书目录神奇的纳米人类科技领域的革命(1)什么是纳米(9)生活中的纳米应用(11)量子力学与纳米(15)微小的纳米世界(18)显微镜与纳米(21)纳米的特性(28)纳米的另一种属性(32)新的材料战争(34)纳 米 机 器分子马达(41)能搬动原子的机器(46)纳米老鼠“提修斯”(56)纳米机器人的自我复制(60)纳米火车(63)绝对虚拟现实(66)1纳米技术知识科普知识百科全书纳 米 医 学纳米医学的奥秘(68)纳米生物导弹(75)纳米小神医(78)纳 米 电 脑“过时”了的摩尔定律(84)制造纳米芯片(87)纳米超级电脑(93)纳米与人机连接(102)能够思维的“计算机”(105)纳米与军事隐身飞机与纳米(108)特殊防身服(111)奇异的麻雀卫星(114)机器小鸟和昆虫(118)完美“007”(124)纳米生物材料高分子纳米生物材料(126)纳米生物陶瓷材料(132)2纳米技术知识科普知识百科全书纳米生物复合材料(137)纳 米 趣 事“神奇小子”(138)纳米微粒(140)纳米碳管(142)纳米的未来革命性的技术(144)纳米造就新空间(148)纳米时代的新生活(152)3书书书纳米技术知识科普知识百科全书神奇的纳米人类科技领域的革命纳米技术如今成了科学研究领域的热门，成为世界许多国家科学家竞相研究的领域。神奇的纳米技术真可以说是引发了人类科技领域的一场革命，那么是什么点燃了这场革命的导火索呢?这里还不得不提到明星分子 巴基球。瑞典皇家科学院把 1996 年诺贝尔化学奖授予美国赖斯大学教授罗伯特柯尔和理查德斯莫利以及英国萨塞克斯大学教授哈罗德克罗托，以表彰他们在 1985 年发现的碳的球状结构。皇家科学院的新闻公报说，三位学者在 1985 年一次太空碳分子实验中偶然发现了碳元素的新结构 富勒式结陶，由 60 个以上的碳原子组成空心笼状，其中由 60 个碳原子组成的分子，即碳 60，形状酷似足球，人们给它取了一个名字叫巴基球，用来表示。巴基球的直径只有 0.7 纳米，算得上是真正的纳米颗粒。科学家们多年梦寐以求，希望制造一种有洞的分子来容纳或者传递不同的原子、离子，巴基球正好圆了这一梦想。目前，科学家们正尝试打开“球门”，把原子、离子掺杂其中，使之成为能制取若干新型物质的分子容器。三位诺贝尔奖获得者的这一发现开创了化学研究的新领域，对宇宙化学、超导材料、材料化学、材料物理，甚至医学的研究有重大意义。目前1纳米技术知识科普知识百科全书新发表的化学论文中很大一部分都涉及这一课题。但纳米技术的真正倡导者是一位并不很出名的工程师埃里克德雷克斯勒。德雷克斯勒在 20 世纪 70 年代中期还是麻省理工学院的一名大学生，他在科技图书馆里读到遗传工程的内容时产生了灵感。那时的生物学家们还在研究如何控制构成DNA 链的分子。德雷克斯勒想，为什么不能用原子建造无机机器呢?直到后来他才知道，费曼几乎在 20 年前就已经提出了类似的看法。这种想法让德雷克斯勒着迷，他想:为什么不建造有自行复制能力的机器呢?一台机器会变成两台，两台变成四台，然后再变成八台这样无穷地变下去，给那些能把简单的原料加工成特定制品的机器加上这个功能，会给饥饿的人生产无穷数量的食物，或者为无家可归的人建造无数的房屋，它们还可以在人的血管里游弋并修复细胞，从而可以防止疾病和衰老。人类有朝一日可以消遣放松一下，而纳米机器人则可以像科幻小说作家描写的那样，承担世界上所有的工作。然而当时多数主流科学家对此的反应是:一派胡言!但巴基球的诞生使研究人员开始着手做这件事。詹姆斯金泽夫斯基是 IBM 公司设在瑞士的苏黎世研究实验室的物理学家。他和同事一起摆弄的一台隧道扫描显微镜有极其纤细的探头，能像盲人阅读盲文那样透过物质表面记录原子的存在。他们不但用 35 个氙原子拼出了 IBM 三个英文字母，而且他和他的几个同事还想用一台隧道扫描显微镜(STM)和一些巴基球制作一个能计算的机器。1996 年 11 月他们推出了世界上第一台分子算盘。该算盘很简单，只是 10个巴基球沿铜质表面上的一条细微的沟排成一列。为了计算，金泽夫斯基用隧道扫描显微镜的探头把巴基球拖来拖去，细沟实际上是铜表面启然出现的微小台阶，它们使金泽夫斯基可在2纳米技术知识科普知识百科全书室温下演算。理论上金泽夫斯基的算盘储存信息的容量是常规电子计算机存储器的 10 亿倍。尽管在应用上它还很烦琐，但它显示了科学家在处理十分微小的物体方面已经非常熟练。这个工作可能是迈向制造出分子般大小的机器的第一步，移动单个分子或原子的技术是开发下一代电子元件的关键。说到巴基球，一定要谈到它的兄弟巴基管。巴基管是碳分子材料，与巴基球有着不同的形状、相似的性质，其大小处于纳米级水平上，所以又称为纳米管。它们的强度比钢高 100倍，但重量只有钢的 1/6。它们非常微小，5 万个并排起来才有人的一根头发丝那么宽。巴基球和纳米管都是在碳气化成单个的原子后，在真空或惰性气体中凝聚而自然形成的，这些碳原子凝聚结合时会组合成各种几何图形。巴基球是五边形和六边形的混合组合，不同的混合产生不同的形状。然而，典型的纳米管完全是由六边形组成的，每一圈由十个六边形组成，当然也有其他的结构。巴基球和巴基管具有多种性质，科研人员一直在研究它们在激光、超导领域以及医药领域的应用前景，并取得了不少成果旷法国和美国科学家发现，利用单层碳片做成的单层纳米碳管具有规则的结构和可预见的活动规律，这种极其细微的管子可用于许多领域，包括从未来的电子装置到超强材料。人类发现一种新物质，就要研究它的性质和功能，人们发现巴基球具有很多意想不到的神奇性质。先是日本冈崎国立共同研究机构分子科学研究所于 1993年合成了含有 C60分子的新超导体。这种新超导体由钠、氮的化合物和 C60组成。据合成这种新超导体的冈崎国立共同研究机构主任井口洋夫等人介绍，他们先将氮化钠和 C60粉末按一3纳米技术知识科普知识百科全书定比例混合，然后将其置于真空中，再在 370的温度下烧结约 20 分钟，便合成了新的超导体。为防止这种混合物在大气中会与水蒸气发生反应，所以将其置于真空中。井口洋夫说，含 C60的新超导体在零下 258表现出很好的超导性能。美国纽约州立大学布法罗分校由华裔科学家组成的一个研究小组发现，巴基球在掺入氯化碘杂质后，可在绝对温度 60度，即零下 213 时产生超导现象。在该校物理系教授高亦涵、博士后研究助理宋立维以及机械航空工程系教授钟端玲、研究生符立德的这一发现之前，超导巴基球的临界温度约为零下 243。掺入氯化碘的巴基球还具有对于未来实际应用十分有利的空气稳定性。研究小组称，新发现的超导巴基球在置于空气中 40 天之后，依然可以探测到超导特性，而这是以前发现的超导巴基球并不具备的性质。法国和俄罗斯科学家利用巴基球研制成一种新的材料，其硬度至少和金刚石相当，并能在金刚石表面刮擦起痕。据英国新科学家杂志报道，法国巴黎全国科学研究中心的物理化学家亨里斯兹瓦赫同莫斯科高压物理学研究所的科学家，在高压条件下使由 60 个碳原子构成的碳球晶体化而制成了这种超强聚合物材料。斯兹瓦赫说，他们原来是打算利用 CQ 制造金刚石，没想到结果获得的是另一种更坚硬的物质。他们利用的是俄方高压物理研究所的机器，机器的中心是两个锥形金刚石，他们把 C60材料置于其中一个金刚石的表面上，然后施以大约 20 个千兆帕斯卡的高压(大约相当于 20000 个大气压)。在这同时，旋转这两个锥形金刚石，以产生一种压力。法国科学家介绍说，当碳球材料在 12 个千兆帕斯卡压力作用下时就开始向新材料转变，但是施加更大的压力之后这个转变过程才全部完成。4纳米技术知识科普知识百科全书人们还对巴基球在药物方面的应用作了研究。日本京都大学、东京大学等相继发现球形碳原子“C60”能抑制癌细胞增殖、促进细胞分化，有望成为治疗癌症的新药。京都大学生物医疗工程研究中心发现，将球形碳原子注入白鼠的癌细胞后，在光的照射下就能产生破坏癌细胞的活性酶，可有效地抑制癌细胞的增殖。东京大学和日本厚生省国立卫生研究所也分别在试管实验中发现，球形碳原子的化合物同其他抗癌药物同时使用，能够提高医疗效果、促进细胞分化。美国科学家则发现，C60具有保护脑细胞的作用，可望用它制造治疗中风等疾病的药物。美国华盛顿大学医学院的一个科研小组把它进行了改造，使其能溶于水，再将它的水溶液注入老鼠体内，结果发现该水溶液能吸收可引起机体功能退化的自由基，并能够防止脑细胞因缺少氧和葡萄糖而解体。研究人员解释说，C60是一种中空的大型无机分子，因而能吸引机体内的一些有害分子。除了对巴基球本身进行研究之外，人们还对许多其他类似巴基球的分子进行了研究。日本国立材料和化学研究所同日产公司合作，通过计算机模拟，得出了有可能用 60 个氮原子合成类似巴基球结构的 N60分子的结论。计算机模拟的结果显示，N60分子与 C60分子会有相似的结构，但稳定性较差。具体合成过程中，或许需要对氮气进行冷冻或加压，然后运用高强度激光照射，由此产生的分子团可能会具有强烈的挥发性，在受热情况下瞬间恢复气体状态，并释放出大量的能量。参与研究的科学家设想，利用这些性质，N60分子可能会成为具有商业化应用潜力的炸药或火箭燃料。计算机模拟也表明，N60分子如果用作火箭燃料，产生的动力会比目前