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《纳米人》>第02期>博文共赏

为什么纳米
作者:时东陆     发表时间:2013-10-22
 

1。 尺寸之谜

科学发展到21世纪,出现了崭新的研究课题:纳米科学。纳米科学的产生,并不是偶然的。事实上,科学家在很早以前就发现了纳米现象。只不过那个时候没有形成一种巨大的科研浪潮。为什么需要研究纳米?它到底有何独特的意义?

我们知道,自然界物质之所以有不同的性质完全是由于它们的原子结构而造成的。比如,碳可以有多种结构:密排六方结构,纳米管结构,金刚石结构,和碳60结构。同样是碳原子,如果它们排列不同,会使其性质发生巨大的变化。具有密排六方结构的石墨,硬度大大地低于金刚石。碳纳米管由于其独特的原子结构而具有许多优秀的性能;比如高导电,高导热,高强度。这种结构上的区别十分类似宏观的建筑结构。在宏观建筑中,砖,柱,梁等是基本建筑元素,它们之间的组合对主体建筑的坚固性起到决定性的作用。而在固体内部,原子,分子,化学键,等等则构成物体微观结构的基本元素,与其宏观性质有着紧密的内在联系。

美国物理学家,加州理工学院教授,诺贝尔奖获得者,费蔓博士早在1959年美国物理年会上就谈到他关于“微小尺寸科学” 的概念 (见附录)。在他那个时代,“纳米科学” 的学科名称还未形成。所以,在费蔓的讲演中,他一直用传统的微观尺寸:“埃米” (注:1纳米 = 10 埃米) 。他在半个世纪前就提出十分深刻的问题:“如果我们能够任意排列组合原子的结构,那么我们会得到什么样的物体性质呢?”

在“埃米” 的尺度上,费蔓教授提出种种设想,比如导线直径在10-100埃米 (今天发现的碳纳米管的尺寸) ;线路板尺寸在几千埃米大小的计算机,埃米数量级的生物系统,超微型的电子显微镜,以及最小尺寸上能够储存的信息量,等等。费蔓的提示为后来的“纳米科学” 提供了想象的空间和科学的基础。

但是,为什么我们没有在更小的尺度提出所谓的“埃米科学,” 却一定要在纳米的尺度进行“纳米科学” 研究呢?纳米与埃米同样是长度单位,相互仅仅差十分之一,为什么偏偏要选择纳米呢?难道“纳米” 的确有其神奇之处吗?

2。物质的本征性质可以改变吗?

我们知道许多自然界物质所具有的性质是属于本征的(Intrinsic behavior), 。比如,纯元素的熔点,晶胞常数,晶体结构,超导温度,等等。但是自然界许多物质还具备所谓的非本征性质 (Extrinsic behavior) 。当把两种纯元素制备成合金之后,它的许多性质便可以随着成分的不同而发生变化,比如,熔点,强度,导电率,导热率,密度,等等。随着科技的发展,人类已经能够按照工业应用的要求,制造出形形色色的固体材料。这些材料可以在极大的范围内优化物理和机械性质,以满足应用的要求。因此,材料的非本征性质是可以通过科学方法改变的。

但是,我们是否可以任意的改变自然界物质的本征性质吗?比如,我们是否可以按照费蔓教授的想象,按照我们的要求改换物质的原子结构吗?比如,银具有面心立方结构,而且具有良好的延展性和导电性。那么,我们可否把银的原子重新排列组合,而得到另外一种原子结构,比如密排六方结构?或者换句话说,我们可否视原子为物质的基本结构元素,而人为的进行任意的组合。而重新排列之后,银的物理与机械性能将会发生怎样的变化呢?这正是费蔓教授向我们提出的基本命题。

3。埃米与纳米:自然与人工的区别

按照以上的讨论,我们发现自然界有两类物质世界,一种是纯自然的,比如基本元素的结构;另一种是人工的,比如合金。除此之外,还有许多自然界的物质和体系是“自然” 的,比如DNA双螺旋状结构,动物和生物的基因。在宗教界,这种自然产生的体系被认为是上帝创造的。或者,它们是一种超自然的“智慧” 设计 的。但是无论如何,到目前为止,人类还没有完全掌握自然创造力的奥妙,尽管科学界早已虎视眈眈的急于对这个命题发出挑战了。比如生物克隆,基因工程,纳米技术,人类总是急不可耐的试图代替上帝创造世界。

但是,世界上的事情毕竟有明确的分工,一种归属自然,一种来自人类。虽然人类从来都希望挑战自然,但是自然的神奇与诡秘却常常使人类在天然的分界线上寸步难行。事实上,纳米与埃米的边界,就是这种人工与自然的分水岭。费蔓博士在半个世纪之前就高瞻远瞩的看到这个微观的分界,并提出了深刻而精彩的设想。

在传统上,科学界一般习惯用埃米来描述物质的原子结构,比如晶胞。晶胞的大小,一般就是埃米级的。比如银的晶胞常数为:4.090 Å(埃米) 。可以这样来想象银的原子结构。想象一个立方体,它的每一个角落上的点都有一个银原子。在立方体的6个面的中间也有一个银原子。晶胞常数就是立方体的高度。银的面心立方晶体结构是大自然的产物,人类目前无法改变。

所以在微观显微学中,我们习惯用埃米来描述晶体的最小单位:晶胞。在某种意义上,用埃米描述的体系大多为那些“自然” 的系统,或者是“非人工” 的系统。不仅晶体结构用埃米来描述,原子内部的结构,比如电子,中子,质子也用埃米表征。虽然我们现在还不能“人工地” 任意排列组合银原子的结构,但是把数个银的晶胞排列组合起来已经是非常可能的了。

如果把数十个埃米级的晶胞组合起来,我们就进入了“纳米” 的世界。但是,这绝不仅仅是一个在长度尺寸上的进步,这可以说是向一个新的科学时代的迈进!为什么这么说呢?因为虽然我们还无法人为的设计和改造埃米级晶胞内部的原子结构,但是我们已经完全可以像建筑设计师那样重新排列组合数个,数十个晶胞了。这种把数十个晶胞人为地排列组合起来的研究工作即可以称为“纳米科学。”这种所谓的“纳米科学”在尺寸的数量级上已经达到了费蔓先生的设想。因为,他所提出的尺寸范围就是10-100埃米。这正是目前纳米材料的尺寸数量级(1-10纳米) 。比如单臂碳纳米管的直径为1.5纳米。

纳米科学

正是由于人类可以按照自己的意愿在纳米的数量级设计并且制备材料,所以我们把这种研究工作叫做“纳米科学。” 如果我们真的能够在晶胞的内部重新排列原子了,也许另一个学科:“埃米科学” 就会产生。不是吗?当我们进入原子核内部的时候,一种叫做原子物理的学科应运而生。

必须指出的是,材料科学自从建立高分辨透射电子显微镜之后就已经观察到埃米级的晶体结构了,例如点缺陷,位错,小角晶界等等。如果把这些微结构考虑成为纳米级的现象也未尝不可。同时,许多薄膜方面的工作也早已经是纳米数量级的了。但是纳米科学与传统中仅仅在埃米范围内单方向的结构观察有很大的区别。也与二维薄膜制备技术有本质的不同。在埃米范围内的结构观察仅仅局限于材料某种特性的研究,比如缺陷与机械性质的关系。这种缺陷的形成虽然可以通过人为的技术手段,比如对成分和制备条件的控制,但是这种控制是宏观的。而纳米科学是在纳米的尺寸空间对物质的一种主观人为的设计和调控。

因此,纳米科学不单单是一个尺寸的概念和学科。纳米科学更侧重于在几个到几百纳米的范围内对物质的多维设计,结构建造,表面功能,纳米性能,计算模拟,理论模型,纳米器件,医学应用,等等。和费蔓想象的一样,现在的科学家企图在纳米世界重新创造当代工业的全部:纳米汽车,纳米电动机,纳米发电机,纳米泵,纳米传感器,纳米计算机,等等。

但是,人类真的可以突破纳米的极限而调控原子吗?

 

附件:费蔓教授1959年在美国物理年会上的报告。

There's Plenty of Room at the Bottom

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