在广博的自然界、生物界中早已充满了纳米科学的内涵。高比表面易于产生对于阳光光合作用的高活性，已在生机勃勃的植物群体中存在几亿年。在坚硬的齿的外表面排列着纳米尺寸的微晶，也早已在人类和动物的牙齿中存在。考古学家观察到了几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损，这些表面均是由纳米级的晶粒组成。

    在自然界里，纳米科技及分子机器实际上早已存在。动、植物按最微基准来定义，就是这些“纳米机器”的组合体。这些纳米机器中最为人熟知的就是蛋白质、核糖核酸（RNA）以及辅助细胞再生修复和辅助制造蛋白质的酶。

纳米(nanometer),是一个长度单位，简写为nm

    1nm=10^-3μm=10^-6mm=10^-9m。在原子物理中还常使用埃作单位（Å），1Å=10^-10所以1nm=10Å。氢原子的直径为1Å，所以lnm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知纳米是一个极小的尺寸，但它又代表人们认识上的一个新的层次，从微米进入到纳米。

    纳米科技指的是什么呢？纳米科学技术是80年代末诞生并正在蓬勃发展的一种高新科技。它的内容是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新时代——纳米科技时代。许多专家预测，纳米科技必将成为21世纪的主导新技术之一。

    纳米机器可能做出器官再生、环境复原等许多惊人之举。近几年来，人们在制造分子机器方面已取得许多突破性的进展。能攻击病菌的抗生素，就是一个杰出的例子。人类一旦制造出了新型纳米机器，就可以使它像脱氧核糖核酸（DNA）以及它的伴生酶那样，根据所储存的指令或控制输入来完成各种通常方法不能完成的任务。

    纳米技术会将人类带入一个奇迹层出不穷的时代。科学家认为，如果能在原子尺寸基准上控制纳米机器的结构造型，那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。

    首先，纳米技术能够改变材料制造业的现状，制造出纯度很高的材料。第二，纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素，如果使用其他方法来回收，这些微量元素会散失到环境中去；纳米机器还能清除废水中的有毒化学物质。第三，纳米技术可以制造超级嗅觉器，用来检测毒品、炸药、工厂泄露物质等等。第四，纳米机器每秒能完成数十亿次操作，目前，需几天或几个月来完成的事情，有可能在几分乃至几秒钟内完成。第五，使用纳米机器，可以使传统的装配工艺变成一次成型工艺。它可以做修理工作，其工作范围从消除发动机零件的腐蚀损坏与细小裂纹到医治患者的病变、修复损坏的器官、进入人体肢体再生、人体整容等。第六，纳米逻辑器件具有先进水平，亿倍于目前微处理器和随机存取存储器芯片的容量。纳米机器不仅可以控制单个电子，而且可以控制单个光子，实现通信瞬时化。

    纳米科技的诞生是以扫描隧道电子显微镜和原子力显微镜的发明为先导的。1981年美国IBM公司在瑞士的苏黎世实验室的教授G.Binning和H.Rohrer博士发明了扫描隧道电子显微镜,(Scanning Tunneling MicroscopyP),简称为STM。这是目前为止进行表面分析的最精密的仪器，可以直接观察到原子。它的横向分辨率达0.1nm,纵向分辨率达0.01nm。两位博士因发明了STM而于1986年获得诺贝尔物理奖。

    由于STM及原子力显微镜的发明，不仅可以直接观察原子、分子，而且能够利用STM直接操纵和安排原子和分子，这就实现了人们由来已久的两个幻想，一是直接看到原子，二是按人们的意愿去安排原子、分子、这在人类科学史上是一个巨大的进步。

    下面简单介绍一下STM原理及应用中取得的成果。STM是利用量子力学中的隧道效应对样品表面进行分析观察的。隧道效应是量子力学中的微观粒子所具有的特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度时，由于电子具有波动性而具有穿过势垒的几率，量子力学称为隧道效应（Tunneling Effect)。STM就是利用此效应而工作的测量仪器，它通过针尖（探针）与样品表面保持恒定距离而移动（扫描）时，通过测量隧道效应电流而对表面形貌进行观察。

    STM的详细工作原理在此不深入探讨，只是将用STM观察原子、分子和直接操纵、安排原子的结果予以介绍。首先是美国加州的IBM研究室，利用STM，于低温下Ni表面上将35个氙（Xe)原子排布成最小的IBM商标，此后日本的研究室实现了室温下进行单原子操纵，以原子空穴的形式写下了“peace＇91”的字样。利用STM按照需要排布单个原子的能力显然可以构成高密度的数据储存器件，其密度比目前的磁盘要高十亿倍。这势必引起信息技术新一轮革命，当然目前尚存在写读速度问题。

    1991年IBM的专家O.Eigler进一步利用STM能快速重复地在Ni表面同一位置上“拾”起或“放”下一个氙原子的功能，原则上创造了一个单原子的双级开关装置。这可能导致原子级的计算机开关器件的诞生。

    纳米科技中纳米加工具有更广泛的含义，例如纳米刻蚀术也是在纳米尺度上制备产品的方法之一。目前微电子技术中最细的刻线为几分之一微米级的刻蚀。现在我国已能用STM刻出10nm的细线。这种技术具有非常重要的实用价值。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出超高密度记录技术，记录密度为目前磁盘的3000倍，NEC计划在21世纪初实现实用化、产业化。到那时，在一张邮票大小的衬底上可记下400万页报纸刊登的内容。二是可与分子束外延技术结合，制造出三维纳米量子器件，这将对微电子、激光技术、光电技术产生革命性影响。

    纳米科技中纳米的加工具有更广泛的含义，例如纳米刻蚀术（Nanolithography)也是在纳米尺度上制备产品的方法之一。目前微电子技术中最细的刻线为几分之一微米，即几百纳米，而利用STM中针尖与表面相互作用原理可以进行纳米级的刻蚀。现在我国已能用STM刻出10nm的细线。，这种技术具有非常重要的实用价值。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出超高密度记录技术，记录密度为目前磁盘的300倍，NEC计划在21世纪初实现实用化、产业化。到那时，在一张邮票大小的衬底上可记下400万页报纸刊登的内容。二是可与分子束外延技术结合，制造出三维纳米量子器件，这将对微电子、激光技术产生革命性的影响。

     纳米科技是一门多学科交叉的、基础研究和应用开发紧密联系的高新技术，如纳米生物学、纳米学、纳米化学、纳米材料学和纳米机械学等新学科。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的思维方式，即生产过程越来越细，以致于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造具有特定功能的产品。

     纳米科学与技术的另一个分支是纳米生物学，它是在纳米尺度上认识生物大分子的结构和功能的关系，并在此基础按人的意志去合成、制造具有特定功能的生物大分子，使生命科学研究更上一层楼。这些都属于纳米科技的范畴。

  纳米科技中纳米的加工具有更广泛的含义，例如纳米刻蚀术（Nanolithography)也是在纳米尺度上制备产品的方法之一。目前微电子技术中最细的刻线为几分之一微米，即几百纳米，而利用STM中针尖与表面相互作用原理可以进行纳米级的刻蚀。现在我国已能用STM刻出10nm的细线。，这种技术具有非常重要的实用价值。一是可制备高密度的存储器。日本NEC公司研制出超高密度记录技术，记录密度为目前磁盘的3000倍，NEC计划在21世纪初实现实用化、产业化。到那时，在一张邮票大小的衬底上可记下400万页报纸刊登的内容。二是可与分子束外延技术结合，制造出三维纳米量子器件，这将对微电子、激光技术产生革命性的影响。

     纳米科技方面取得的初步成果，已引起各发达国家的极大重视，美国最早成立了纳米科技研究中心，开展了预研究。许多大学和研究室、公司参与研究，STM等纳米技术产品已初步实现产业化，并已将纳米加工列为国家关键技术。日本制定了庞大的国家计划开展纳米技术的研究，创办“原子工厂”，将利用原子、分子直接制造产品这个战略付诸行动。

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