在20世紀的最后十年，一門嶄新的學科——納米科學技術以其新穎性、獨特的思路和首批研究成果的問世，在科學技術界和軍界引起巨大反響，受到廣泛關注。美國 IBM公司首席科學家Amotrong說：“正如70年代微電子技術引發(fā)了信息革命一樣，納米科學技術將成為下一世紀信息時代的核心。”

從幻想到現(xiàn)實
    50年代末著名的物理學諾貝爾獎獲得者 R．Feynman曾指出，科學技術發(fā)展的途徑有兩條，一條是“自上而下”的過程。另一條是“自下而上”的過程。近幾十年來，科學技術一直沿著“自下而上”的微型化過程發(fā)展。納米科學技術專家們相信“自下而上”的途徑，即從原子、分子開始組裝具有特定功能的成品，例如在一定物理化學條件下，通過自組織效應，生長具有納米結構特征的半導體薄膜；形成超強度材料；制備量子點結構器件等，都是“自下而上”方法的實例。

原子世界奇觀
    掃描隧道顯微鏡(STM)是 IBM公司蘇黎世研究所的 G．Binnig和 H．Rohrer于1981年發(fā)明的，他們因此共同獲得1986年諾貝爾物理學獎 OlSTM是一種基于量子隧道效應的新型高分辨率顯微鏡，它能以原子級空間分辨率來觀測物質表面原子或分子的幾何分布和態(tài)密度分布，確定物體局域光、電、磁、熱和機械特性。借助 STM人們可以在真空、大氣或液體中對樣品進行原子級分辨的無損觀測。

    STM可以實時測量物體表面的實空間三維圖像。測量分辨率對平行和垂直于表面方向分別為0．1nm和0。01nm。這將會實現(xiàn)人類長期追求的直接觀察原子真面目的愿望。STM還具有廣泛的適用性，如刻劃納米級微細線條、移動原于等實際操作。因此STM已成為納米科學技術的主要工具。

    STM還可在自然條件下對生物大分子進行原子級直接觀察，因而在生命科學研究中具有極大的潛力。IBM公司的科學家在1989年利用 STM移動疝原子，最后把一個個原子排列成 IBM商標。后來，他們又進一步把一排鐵原子拼成漢字“原子”。

納米物理學：開發(fā)物質潛在信息
    50年代，R．Feynamn曾說：“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子，那將會產(chǎn)生怎樣的奇跡?”人們突破傳統(tǒng)觀念的限制、深入到物質的內部按人們的意志直接操縱單個原子，組裝具有特定功能的產(chǎn)品，這必將深刻影響全人類的生產(chǎn)活動、生活方式和人類自身。

    納米物理學將深入揭示物質在納米空間的物理過程和物性表征。它以納米固體為研究對象，對若干重要物理問題進行研究，如結構的奇異性、鮮為人知的光學性質、特殊的導電機理、莊子尺度效應。小尺寸界面效應、量子隧道效應和庫倉阻塞效應等。這些問題的明朗化將對開發(fā)物質潛在信息和結構潛力，以及電子技術產(chǎn)生重大的影響?？傊扔兄匾睦碚撘饬x，又有重要的應用前景。

納米電子學：控制單個電子。

    美國 IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已經(jīng)研制成功單電子晶體管。傳統(tǒng)的晶體管是控制成群電子的運動狀態(tài)，形成開關、振蕩和放大等功能的。單電子晶體管只是控制一個電子的運動狀態(tài)。開發(fā)單電子晶體管，只要控制單個電子的行為即可完成特定功能，可使功耗降低到原來的1／1000，從根本上解決日益嚴重的集成電路功耗問題。

    對電子在真空中和在固體中的行為進行控制，已產(chǎn)生舉世矚目的輝煌成果。但是，作為電子器件，迄今為止只利用了電子波粒二象性的粒子性；其次，各種傳統(tǒng)電子元器件都是通過控制電子數(shù)量來實現(xiàn)信號處理的，而量子器件不單純通過控制電子數(shù)目的多少，主要是通過控制電子波動的相位來實現(xiàn)某種功能的。因此，量子器件具有更高的響應速度和更低的功耗。

    現(xiàn)有的 Si和 GaAs器件無論怎樣改進，其響應速度最高只能達到10秒，功耗最低只能降至1μW。然而量子器件交響應速度和功耗方面可以比這個數(shù)據(jù)優(yōu)化1000—10000倍。由于器件尺度為納米級，集成度大幅度提高，同時還具有器件結構簡單、可靠性高、成本低等諸多優(yōu)點，因此，納米電子學的發(fā)展，可能會在電子學領域中引起新的電子技術革命，從而把電子工業(yè)技術推向一個更高的發(fā)展階段。

納米材料科學：奇異性探索
    實驗表明，納米材料具有許多鮮為人知的奇異性。納米銅的自擴散系數(shù)比晶格擴散系數(shù)增大10倍，膨脹系數(shù)比普通銅成倍增大。納米硅的光吸收系數(shù)比普通單晶硅增大幾十倍。在通常情況下陶瓷是脆性材料，因而限制了其應用范圍，納米Tio2陶瓷卻變成韌性材料，在室溫下可以彎曲，塑性形變高達100％。納米金屬顆粒以晶格形式淀積在硅表面，可以形成高效電子元件或高密度信息存貯材料。超細顆粒鐵表面覆蓋一層5nm到20nm厚的聚合物，可以固定大量蛋白質或酶，在控制生物反應和酶工程中將起重要作用。北京理工大學納米技術實驗室研制的納米ZnO薄膜具有很好的 C軸取向，有良好的壓電效應；該實驗室利用等離子體增強化學氣相淀積技術，成功地生長出納米硅薄膜，具有良好的壓阻效應。據(jù)英刊報道，已經(jīng)制備成功一種尺寸只有4nm的復雜分子，具有“開”和“關”的特性，可以由激光驅動，開關時間很快，這將為激光計算機的研制提供技術基礎。

    常規(guī)材料中的基本顆粒的直徑小到幾微米大到幾毫米，包含幾十億個原子。而納米相材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑3nm的原子團包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條30m長的帆船跟整個地球的比例。由于它們微小的結構顆粒對光、機械應力和電的反應完全不同于微米或毫米級的結構顆粒，納米相材料從宏觀上顯示出許多奇妙的特性，例如納米相銅強度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的。

    只要控制結構顆粒的大小，就能制造出強度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米相材料。這也許具有最大的商業(yè)價值?？茖W家在了解這些無與倫比的材料及其有用的特性方面已經(jīng)取得了很大的進展，已經(jīng)用納米相材料做出了各種產(chǎn)品——從陶瓷到電子產(chǎn)品。它們肯定還會在無數(shù)其他領域找到更為廣泛的應用。

納米生物學：納米機器人
    納米生物學的近期設想，是在納米尺度上應用生物學原理，發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，研制可編程的分子精細結構及其與功能的聯(lián)系；(2)在納米尺度上獲得生命信息，例如利用掃描隧道顯微鏡獲取細胞膜和細胞器表面的結構信息，利用納米傳感器獲得各種生化反應的化學信息和電化學信息；(3)納米機器人的研制。

    納米機器人是納米生物學中最具誘惑力的內容。第一代納米機器人是生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的有機結合體，如酶和納米齒輪的結合體。這種納米機器人可注入人體血管內，可以進行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪淀積物，吞噬病毒，殺死癌細胞。第二代納米機器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置。第三代納米機器人將包含有納米計算機。這是一種可以進行人機對話的裝置。這種納米機器人一旦研制成功，有可能在1秒鐘內完成數(shù)10億次操作。人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。

可能引導新的工業(yè)革命
    納米技術的科學家們堅信，“小”是未來科學技術發(fā)展的趨勢。日本已用極微小的部件組裝成一輛只有米粒大小、能夠運轉的汽車；工程師們制成了直徑只有 lnm到2nm的靜電發(fā)動機；體積只有常規(guī)機器萬分之一、能夠運轉的車床以及直徑僅5.5nm的“尺蠖”，有朝一日它也許會鉆進核工廠的管道系統(tǒng)檢查管道是否有裂縫。德國工程師制成了一架只有黃蜂大小和能夠升空的直升機、肉眼幾乎看不見的發(fā)動機以及供化學行業(yè)使用的火柴盒大小的器。

    更加引人注目的是，科學家已經(jīng)開始在硅片上造出微機電系統(tǒng)。這些裝置把電路和在運轉著的機器合裝在一個硅片上，這些裝置最終將像目前的硅芯片一樣普遍。幾種基本的微機電系統(tǒng)已經(jīng)在美國、日本和德國使用，包括在上百萬輛汽車里安裝的一種細如發(fā)絲的傳感——致動器，當它“感覺”到撞擊時，就會立即打開保險氣袋，防止撞傷。

    只有削尖了的鉛筆尖大小、每分鐘轉速高達10萬轉的 1伏特發(fā)動機最終將推動電子顯示器、手表、攝錄機和激光掃描器的發(fā)展。

    納米科學技術可能引發(fā)一場新的工業(yè)革命，這是值得關注的問題。

奇妙的應用暢想
    納米材料具有獨特的性質，因此可能存在奇妙的應用前景?？茖W家和工程技術人員提出了異想天開的可能應用。

    太空升降機 巴基球是由60個碳原子聚集在一起形成的足球狀結構，具有若干特殊的性質。在巴基球的基礎上，又研制成功碳納米管。碳納米管的強度比鋼高100倍，而重量只有鋼的 1／6。單個碳納米管的直徑只有1．4nm，50000個碳納米管并排在一起相當于一根頭發(fā)絲的直徑。據(jù)專家說，它們可能成為未來理想的超級纖維。對纖維強度起決定作用的參數(shù)是長度與直徑的比值。材料工程師希望得到長度與直徑之比至少是20：1。而即使在目前，納米管的長度也是其直徑的幾千倍，所以具有高強度是不奇怪的。

    碳納米管的最異想天開的用途，是用于太空升降機。一根碳納米管纜繩從地球同步軌道上垂到地球表面，與鋼或其他任何物質不同的關鍵是它能支持住自身的重量。這就提供了一種把人或物品提升到外層空間的可能方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。

    電子遂道 眾所周知，光導纖維是光子的隧道，光在隧道中可以迅速通過。碳納米管可以充當電子快速通過的隧道。由6原子環(huán)組成的碳納米管能把一個由60個原子組成的巴基球正好裝在中間。把一個金屬原子嵌入巴基球中，并且在納米管中裝滿一串這種巴基球，這樣，碳納米管就成為一根直徑只有一個原子大小的金屬導線。

    分析，碳納米管可能成為最佳超微導線。一根納米管的直徑只有計算機芯片上最細電路直徑的 1／100。預計它將成為理想導體，導電性能大大超過銅。納米管最終可以用于納米級電子線路。

    納米隱身術 近年來關于納米材料具有高的電磁波吸收系數(shù)的報道，引起軍界研究人員的極大興趣，提出以納米材料作為新一代隱身材料的設想和探索。
    納米材料由于其結構特征尺寸進入納米領域，物質的表面、界面效應、量子效應將十分顯著地表現(xiàn)出來，對吸彼性能產(chǎn)生重要影響。納米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂層。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料的納米級超微粒，在細化過程中，使組成粒子的原于數(shù)大大減少，活性大大增加。在微波場的輻射下，使原子、電子運動加劇，促使磁化，使電磁能轉化為熱能。納米超微粒的磁損耗大，對電磁波兼具吸收和透過之功能。其吸波性能和透波性能取決于超微粒的尺度。納米材料具有十分巨大的界面面積，這對提高雷達波的損耗是十分有利的。

    為了獲得兼具寬頻帶、多功能、質量小和厚度薄等性質，正在研究的納米復合隱身材料，可以期望出現(xiàn)對厘米波、毫米波、紅外、可見光等很寬波段的復合隱身材料，甚至可望研制成與結構材料復合、與抗核加固技術兼容的隱身材料。
    納米電子抬與納米探頭 碳納米管眾多可能用途中，以下幾種令人耳目一新：作為其他分子之間的“分子導線”；用作能“感覺”物體表面單個原子結構的納米探頭(由于納米管非常小，小到不會打擾運動中的細胞，可以用作生物系統(tǒng)的電子探頭)；用作納米級電子槍來點亮新一代平面顯示屏上的發(fā)光體。
    納米衛(wèi)星與微型飛船 在小衛(wèi)星系列中，可以分為小型衛(wèi)星、微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星。它們的重量分別在10kg到500kg，0．1kg到10kg和0．Ikg以下。以硅為襯底的專用集成微型儀器，可以應用于制導、導航、控制、姿態(tài)控制、推進、能源和通信等航天器系統(tǒng)。

    美國科學家提出在非常小的航天器上建造性能優(yōu)越的計算機。最終設計出能夠飛到其他星球上去從事生產(chǎn)的微型飛船?？梢园l(fā)射幾百萬個這樣的飛船進行大規(guī)模生產(chǎn)。

原于精密度計算機 美國國家航空航天局的
    科學家指出，21世紀初，將必須制造具有原子精密度的計算機。并提出了分子探針的設計，這種探針可以區(qū)分緊密排列在金剛石表面的 F原子和 H原子。如果把 F原子的值定為 1，把 H原子的值定為0；同時設計一個能非常快速閱讀它們的探針，這樣就有可能得到一個原子型的二進制碼，作為新一代計算機的基礎。