美國納米技術(shù)發(fā)展的歷史與現(xiàn)狀

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發(fā)表于 2006-7-15 00:04:45 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

根據(jù)NNI，美國聯(lián)邦政府將長期扶持納米研究工作，以期在材料與制造業(yè)、納米電子學(xué)、醫(yī)藥保健、環(huán)境、能源、化學(xué)、生物技術(shù)、農(nóng)業(yè)、信息技術(shù)和國家與國土安全等領(lǐng)域取得突破。聯(lián)邦政府還將在納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面投入巨資，以期解決基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)脫節(jié)的問題。根據(jù)現(xiàn)任總統(tǒng)布什2003年12月簽署的《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，自2005財年開始的4年內(nèi)，聯(lián)邦政府將投入約37億美元用于支持納米技術(shù)研發(fā)工作。

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與信息技術(shù)、生物技術(shù)一樣，美國制定納米技術(shù)的國家計劃要晚于日本，但似乎取得了比后者更明顯的成效。1991年，美國正式將納米技術(shù)列入“國家22項關(guān)鍵技術(shù)”和“2005年的戰(zhàn)略技術(shù)”；1997年，美國國防部將納米技術(shù)提高到戰(zhàn)略研究領(lǐng)域的高度；1996-1998年間，以美國國家科學(xué)基金會為首的十余家政府機(jī)構(gòu)聯(lián)合出資并委托LOYOLA學(xué)院的“世界技術(shù)評估中心”，在美國國內(nèi)以及法、德、比利時、荷蘭、瑞典、瑞士、英國、俄羅斯、日本和中國臺灣等地進(jìn)行了為期三年的納米技術(shù)發(fā)展情況調(diào)查研究；根據(jù)這一調(diào)查研究結(jié)果，美國總統(tǒng)科學(xué)顧問委員會認(rèn)為：納米技術(shù)是自二戰(zhàn)以來美國將要經(jīng)歷的第一場不具備絕對領(lǐng)先優(yōu)勢的具有重要經(jīng)濟(jì)意義的科技革命，如果美國要在21世紀(jì)繼續(xù)保持其經(jīng)濟(jì)上的領(lǐng)導(dǎo)地位和保證其國家安全，則需要在未來的10至20年中顯著地、穩(wěn)定地增加對納米科技研究開發(fā)的投入。 2000年2月，白宮正式發(fā)布了“國家納米技術(shù)計劃”(National Nanotechnology Initiative，NNI)，提出了美國政府發(fā)展納米科技的戰(zhàn)略目標(biāo)和具體戰(zhàn)略部署，標(biāo)志著美國進(jìn)入全面推進(jìn)納米科技發(fā)展的新階段。該報告指出：納米技術(shù)將對二十一世紀(jì)早期的經(jīng)濟(jì)和社會產(chǎn)生深刻的影響，這種影響也許可以與信息技術(shù)或細(xì)胞、基因和分子生物所帶來的影響相媲美。同時報告認(rèn)為，NNI是一項跨部門的系統(tǒng)工程，可確保美國在這一新興領(lǐng)域擁有主導(dǎo)地位，而這將是美國能在21世紀(jì)上半葉保持世界經(jīng)濟(jì)和國家安全領(lǐng)導(dǎo)地位的實質(zhì)所在。

在基礎(chǔ)研究方面，目前美國正在進(jìn)行的研究重點領(lǐng)域包括：（1）納米生物系統(tǒng)；（2）納米結(jié)構(gòu)與量子控制；（3）納米元器件與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（4）納米過程與環(huán)境；（5）多現(xiàn)象模型與模擬。

在納米基礎(chǔ)研究方面近期出現(xiàn)的重要成果有，發(fā)現(xiàn)碳納米管理想的吸收與發(fā)散光波特性，可望使量子密碼技術(shù)以及單分子傳感器變成現(xiàn)實；利用自行組裝的DNA分子作為建筑材料，建造了支撐蛋白質(zhì)的納米級腳手架和金屬線，直徑只有數(shù)十億分之一米，這是在納米級合成方面取得的重要成就，可能由此開發(fā)可編程的分子級傳感器或電路。在世界上首次得到具有壓電效應(yīng)的半導(dǎo)體納米帶結(jié)構(gòu)———實現(xiàn)納米尺度上機(jī)電耦合的關(guān)鍵材料，可用來設(shè)計研制各種納米傳感器、執(zhí)行器，以及共振耦合器，甚至納米壓電馬達(dá)，在微／納米機(jī)電系統(tǒng)有重要應(yīng)用價值。

在應(yīng)用研究和產(chǎn)品開發(fā)方面，目前美國正在進(jìn)行的研究重點領(lǐng)域包括：（1）納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計；（2）納米電子、光電子與磁性材料；
（3）用于保健、治療和診斷的納米技術(shù)和裝置；（4）納米過程與環(huán)境改良；（5）高效能源轉(zhuǎn)化與儲存；（6）微型航天飛機(jī)與太空探測；（7）用于監(jiān)測傳染性疾病和生物威脅的生物傳感器裝置；（8）納米技術(shù)與經(jīng)濟(jì)、安全的交通；（9）納米技術(shù)與國家安全。

而正在美國從事納米技術(shù)研究的華人青年科學(xué)家崔屹博士2003年9月１７日接受新華社記者采訪時表示，美國納米技術(shù)的應(yīng)用研究目前正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等四大熱點領(lǐng)域快速發(fā)展，其中在芯片和癌癥診斷領(lǐng)域的應(yīng)用可望在１０年內(nèi)出現(xiàn)大的突破。而且根據(jù)2003年美國科學(xué)年會的報告，美國納米技術(shù)的研究熱點正由半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域轉(zhuǎn)向醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，納米醫(yī)學(xué)技術(shù)已經(jīng)被列入美國的優(yōu)先科研計劃。

在半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域，如何讓芯片體積更小、速度更快是科學(xué)界一直研究的課題。目前用于芯片制造的光刻技術(shù)已經(jīng)接近于發(fā)展極限，要想把更多的晶體管集成到一塊芯片上已經(jīng)越來越難。目前，美國納米技術(shù)專家們試圖把納米級的半導(dǎo)體材料做成晶體管，從而可以讓一塊芯片上容納更多的晶體管。這種芯片的運算速度可望比傳統(tǒng)的硅芯片提高上千倍。這一研究方向在２００１年取得基礎(chǔ)性研究突破后，目前在應(yīng)用研究中越來越熱。據(jù)專家估計，這一技術(shù)可望在１０年后達(dá)到實用化。

在癌癥研究領(lǐng)域，利用納米技術(shù)制成的傳感器可望使各種癌癥的早期診斷成為現(xiàn)實。目前，美國科學(xué)家已經(jīng)在實驗室環(huán)境下實現(xiàn)了對
前列腺癌、直腸癌等多種癌癥的早期診斷。納米傳感器靈敏度很高，在進(jìn)行血液檢測時，當(dāng)傳感器中預(yù)置的某種癌細(xì)胞抗體遇到相應(yīng)的抗原時，傳感器中的電流會發(fā)生變化，通過這種電流變化可以判斷血液中癌細(xì)胞的種類和濃度。科學(xué)家們估計，今后可能會有多種納米傳感器集成在一起被置入人體，以用來早期檢測各種疾病。此外，納米技術(shù)在光學(xué)材料和生物分子追蹤兩個領(lǐng)域的應(yīng)用也是研究熱門。在光學(xué)材料研究領(lǐng)域，科學(xué)家們試圖改變某些半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)，用來生產(chǎn)特定的光學(xué)器件。比如，一些科學(xué)家試圖讓某種半導(dǎo)體材料內(nèi)部具有納米級的線狀結(jié)構(gòu)，這種材料用于顯示器制造領(lǐng)域可以大大提高顯示器的清晰度和顏色逼真度。而在生物分子追蹤領(lǐng)域，科學(xué)家把某種納米顆粒“粘”在生物分子上，然后利用納米顆粒的發(fā)光特性研究生物分子的行蹤。這對研究艾滋病病毒等在人體內(nèi)的活動過程十分有益。

在納米技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域近期也出現(xiàn)了不少重要成果，特別是在電子元器件、微機(jī)械系統(tǒng)方面收獲更多。在電子元器件方面，研制出以碳納米管為導(dǎo)電通路的場效晶體管及邏輯電路，為計算機(jī)電路納米化提供了一線曙光。制造出電子流動性比現(xiàn)有半導(dǎo)體材料高25％、比硅晶體管高70％的碳納米管晶體管，向讓納米管成為新一代功能更強(qiáng)大尺寸更小的電子產(chǎn)品邁出重要一步。開發(fā)出由單分子碳納米管構(gòu)成的世界最小發(fā)光元件，直徑1.4納米，可發(fā)出波長1.5μm的光，是分子元件研究領(lǐng)域的重大進(jìn)展，將推動碳納米管在納米級電子工程學(xué)和光元件領(lǐng)域的應(yīng)用研究，有可能在電子和光電子領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用前景。它實現(xiàn)了芯片產(chǎn)業(yè)“光電合一”的夢想，表明納米管能與目前的硅電路結(jié)合，有可能促使納米管在不久的將來在商業(yè)芯片上獲得應(yīng)用。

在微機(jī)械系統(tǒng)方面，出現(xiàn)可控納米馬達(dá)、納米電動機(jī)、納米激光器、納米彈簧等成果。開發(fā)出的可控納米馬達(dá)由一種自旋蛋白質(zhì)片斷制成，寬度僅為11納米，可在未來用于驅(qū)動諸如藥物遞送系統(tǒng)等納米機(jī)械。用多層碳納米管制做的世界最小電動機(jī)的直徑約為500納米，比頭發(fā)絲還細(xì)300倍，能在電壓驅(qū)動下轉(zhuǎn)動，對溫度和化學(xué)條件要求寬松，甚至在真空中也能運轉(zhuǎn)，有很大應(yīng)用潛力，可廣泛用于光學(xué)開關(guān)等領(lǐng)域，為發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)帶來全新含義。

此外，納米在能源領(lǐng)域的應(yīng)用也成為新的關(guān)注點，納米儲氫技術(shù)已成為重點項目，注重尋找可能用于儲氫的納米材料纖維，有關(guān)實驗室已將儲氫纖維做到平均直徑在35納米的水平。

與此同時，美國的納米應(yīng)用研究還出現(xiàn)不少熱點。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熱點為納米醫(yī)藥機(jī)器人、納米定向藥物載體、納米在基因工程蛋白質(zhì)合成中的應(yīng)用等具有潛力的應(yīng)用方向；微電子及信息技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用方面的開發(fā)熱點包括導(dǎo)電聚合物在信息技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用、納米電子元器件FET二極管、用于感應(yīng)器的電子序列、納米傳感器等。在化學(xué)工業(yè)上，應(yīng)用的開發(fā)熱點是利用納米材料提高催化劑的效能問題，包括用于燃料電池的催化劑等。

國際地位比較
總體來說，美國在納米技術(shù)和應(yīng)用研究領(lǐng)域中享有資金和人才的巨大優(yōu)勢，一直走在世界前列，但距離納米技術(shù)實用化仍有一段路要走。與美國相比，其他國家則主要處于納米技術(shù)的基礎(chǔ)研究階段。