刘兴亮 | 极简纳米技术史

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纳米是一个神乎其神的词，凡在书籍、文章、广告中出现，其周围内容迅速被提升到读者想象力在微观概念上的极限。

总之，纳米很极致，代表前沿，非常酷。虽然多数时候我们不知道它在表示什么，却有一股莫名的服膺和认同。

纳米，符号 nm，又称奈米，为微米的千分之一倍，是一个长度单位，指1米的十亿分之一。可谓微乎其微，属肉眼不可见、不可胜穷的单位。

一纳米与一米的相对大小，就相当于一粒大理石与地球的相对大小。

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一般人不敢拿纳米玩。

但中国人很多不一般。尤其是广告公司的文创人员，对纳米情有独钟。纳米虽小，作用很大，正符合尺有所短、寸有所长的道理：

关于护肤化妆品，有「纳米级渗透技术」、「纳米保湿粒子」。

牙膏成分富含「纳米钙」、「纳米牙釉质修复因子」。

净水器采用「纳米过滤膜」、「纳米活化水」技术。

日常家电更是广泛与纳米发生关联，「纳米蒸汽熨斗」、「纳米加湿器」，不一而足。

就连给墙刷粉也出现了「纳米墙漆」，铺个地板得用「纳米抗污地板」。

这些到底有没有科学依据、消费者无从考证的纳米技术堂而皇之、铺天盖地地出现在视听传媒中。其实它不在乎你信不信，即便是滥用科学概念，胡乱包装，只要抓住受众眼球即告成功。

中国人并不喜欢追究自己不了解的事物的真相，凡是流行起来的概念，大家一致认同其有效性。风乍起，趋之若鹜，我辈蜂拥而上。

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那么纳米技术是什么呢？

它是对至少一维尺寸在1至100纳米之间的物质进行操控的技术。在这个通常被称为纳米尺度的尺度上，表面积和量子力学效应在描述物质特性方面变得非常重要。纳米技术的这一定义涵盖了所有处理这些特殊性质的研究和技术。

说白了就是，人类在这么微小的尺寸上针对客体材料能干什么的技术。

甲可以制作一个50纳米直径的圆盘，乙只能制作一个两分钱钢镚，那前者就具备纳米技术，后者不具备。

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纳米技术为什么很难呢？

人类在古代就可以制造巴别塔、金字塔、长城这样的巨型建筑，想要做大是能够实现的，无非需要时间和功夫；但想要做小却很难。一个普通人可以制作一个直径5厘米的圆球，但很难制作直径一毫米的。以此类推。

纳米材质，不论是由上至下制成：将块材缩至纳米尺度，主要方法是从块材开始通过切割、蚀刻、研磨等办法得到尽可能小的形状（比如超精度加工，难度在于得到的微小结构必须精确）；或由下至上制成：由一颗颗原子或分子来组成较大的结构，主要办法有化学合成，自组装和定点组装。

关键是难度在于宏观上要达到高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。物体内电子的能量量子化也开始对材质的性质有影响，称为量子尺度效应，描述物质内电子在尺度剧减后的物理性质。这一效应不是因为尺度由巨观变成微观而产生的，但它确实在纳米尺度时占了很重要的地位。

就是说你可以搞出那么小的东西来，但是很难让它稳定存在。随时会破灭。

正因此，纳米科技的神奇之处就在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象，可以在许多领域里有重要的应用，也可以制造许多有趣的材质。

现在很多材料的微观尺度都是以纳米为单位，尤其是半导体的尺度标准在2000年代以后大多是以纳米表示。

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纳米技术的发展是一个跨越物理、化学、材料、电子学和生命科学等多个学科的过程，其历史过程也曲折玩转，非常值得我们简单梳理。

萌芽

1．早在16世纪，瑞士医生、炼金术士、世俗神学家和德国文艺复兴时期的哲学家帕拉塞尔苏斯（Paracelsus）进行了广泛的科学研究，发现了化学元素锌、氢，此人狂热地热衷于医学实验，制备出含有金纳米颗粒的药物，用于治疗精神疾病，这被后来人认为也是一种早期对纳米级物质的经验性应用。

2．18世纪：阿拉伯人制作的大马士革军刀举世闻名，很久以后被德国科学家发现刀内不但含有极小的碳化铁纤维，并且还含有纳米碳管。这些微小、但是非常坚韧的纤维不但使得大马士革军刀呈现出美观的波纹图案，并且使它们锋利无比。虽然当时没有纳米技术的概念，但这可以看作是纳米材料应用的早期无意识实践。

早期

1．1917年，美国化学家、物理学家和冶金工程师欧文·朗缪尔（Irving Langmuir）首次提出并证实单分子薄膜的可行性，并与凯瑟琳·布洛杰特（Katharine Blodgett）发明了制备单层分子薄膜的技术，首次实现了脂肪酸单分子层从水面向固体基底上的转移。朗缪尔因此在1932年获得诺贝尔化学奖。

2．1931年，德国物理学家恩斯特·鲁斯卡（Ernst Ruska）和马克斯·克诺尔（Max Knoll）发明了第一台电子显微镜，使得人类能够观察到微观世界的细节，为后来的纳米研究提供了重要的工具。鲁斯卡因此在1986年获得诺贝尔物理学奖。

3．1959年，非常重要的一年！美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）在题为《底部还有足够的空间》（"Theres Plenty of Room at the Bottom"）的演讲中，首次提出了在原子和分子尺度上操纵物质的可能性，他说：「我们为何不能按原子来设计物质？」他设想通过操控单个原子来制造材料和设备。这被认为是纳米技术概念的开端。他预言人类最终能够「随心所欲摆弄原子」。

发展探索期

1．1974年，日本科学家、东京理科大学的教授谷口纪男首次使用了「纳米技术」（nanotechnology）一词，描述精密机械加工，标志着这个术语的正式出现。1999 年 5 月，欧洲精密工程与纳米技术学会在不来梅向谷口教授颁发了首届终身成就奖。

2．1981年，德国物理学家格尔德·宾尼希（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明了扫描隧道显微镜，使得人类第一次能够实时观测到单个原子在物质表面的排列状态，并为后来的原子操纵奠定了基础。他们因此在1986年获得诺贝尔物理学奖。

3．1985年，英国化学家哈罗德·克罗托（Harold Kroto）、罗伯特·柯尔（Robert Curl）和理查德·斯莫利（Richard Smalley）发现了碳的第三种同素异形体——富勒烯，即「巴基球」，开启了对纳米碳材料的研究热潮。他们因此在1996年获得诺贝尔化学奖。

成型期

1．1989年，发生了一件大事！美国IBM公司的唐·艾格勒（Don Eigler）利用扫描隧道显微镜，将35个氙原子排列成「IBM」三个字母，这是人类历史上首次在原子尺度上精确操纵原子，标志着纳米技术的序幕正式拉开。

2．1990年，发生了一件更大的事！第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

3．1991年，日本科学家饭岛澄男（Sumio Iijima）发现了碳纳米管，这种具有优异力学、电学和热学性能的纳米材料，极大地推动了纳米材料的研究和应用。此人获奖无数，只差诺贝尔奖。

现阶段

1．2000年左右，随着纳米科学研究的突破和潜在应用价值的显现，各国政府开始将纳米技术提升到国家战略层面。美国设立了「国家纳米技术行动计划」，日本成立了「纳米材料研究所」，欧盟成立「纳米电子技术联盟」，中国成立了国家纳米科学中心。

2．同一时期，纳米材料的制备方法日益成熟，多种纳米结构物质如量子点、纳米线、纳米颗粒等被合成，并开始在涂料、防晒霜、药物、显示器、水净化、高效能源转化等领域实现规模化应用。截至 2008 年，新兴纳米技术项目估计，已有超过800 种经制造商认定的纳米技术产品公开上市，每周还在增加。

3．集成电路制造进入亚10纳米技术节点，推动了芯片性能的持续提升，同时纳米光刻、原子尺度加工等技术也为新型器件（如纳米光学、生物传感、量子器件）的开发提供了可能。

4．纳米技术与生物技术、信息技术、认知科学等多个前沿学科的交叉融合，形成了「会聚技术」范式，预示着更深远的技术变革。

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可以说，纳米技术的发展史，就是一系列科学家的诺贝尔奖获奖史。

纳米技术或许能够创造出具有广泛应用前景的新材料和新设备，例如纳米医学、纳米电子技术、农业领域生物材料、能源生产和消费品。然而，正如任何事物都带有正反两方面的作用和影响，纳米技术也引发了一系列问题，包括人们对纳米材料的毒性和环境影响的担忧，以及它们对全球经济的潜在影响，甚至各种末日景象。

英国皇家学会的一份报告指出，纳米颗粒或纳米管在处置、销毁和回收过程中存在释放的风险，并建议「属于延伸生产者责任制度（如报废法规）的产品制造商应发布程序，概述如何管理这些材料，以最大限度地减少可能对人类和环境的暴露」。