纳米技术的历史和未来

纳米技术的历史

人类的梦想和想象往往会催生新的科学技术。 21世纪的前沿纳米技术就是在这样的梦想中诞生的。 纳米技术被定义为对 1 到 100 nm 尺寸的物质的理解和控制，其中独特的现象可以实现新的应用。1 尽管人类接触纳米粒子的情况在整个人类历史中都有发生，但在工业革命期间它急剧增加。 纳米粒子的研究并不新鲜。 “纳米”的概念最早由 1925 年诺贝尔化学奖获得者理查德·齐格蒙迪提出。 他明确地创造了纳米一词来表征颗粒大小，并且他是第一个使用显微镜测量颗粒大小的人，例如金胶体。

现代纳米技术是 1965 年诺贝尔物理学奖获得者理查德·费曼 的智慧结晶。 在 1959 年加州理工学院的美国物理学会会议上，他发表了题为“底部有很多空间”的演讲，其中他介绍了在原子水平上操纵物质的概念。 这个新颖的想法展示了新的思维方式，费曼的假设后来被证明是正确的。 正是由于这些原因，他被认为是现代纳米技术之父。

在费曼的演讲将近 15 年后，日本科学家谷口纪夫率先使用“纳米技术”来描述发生在纳米量级的半导体工艺。 他主张纳米技术包括一个原子或一个分子对材料的加工、分离、固结和变形。 纳米技术的黄金时代始于 1980 年代，当时 Kroto、Smalley 和 Curl 发现了富勒烯，麻省理工学院 的 Eric Drexler 使用了 Feynman 的“底部有很多空间”和谷口在 1986 年提出的纳米技术术语 书名为“创造的引擎：即将到来的纳米技术时代”。 德雷克斯勒提出了纳米级“组装器”的想法，它能够构建自身和其他任意复杂项目的副本。 德雷克斯勒对纳米技术的愿景通常被称为“分子纳米技术”。 当另一位日本科学家饭岛 2 开发出碳纳米管时，纳米技术科学得到了进一步发展。

我国微电子加工技术现阶段也实现了质的飞跃。我国学者研制出阻变存储器（RRAM）/相变存储器（PCRAM）/纳米晶的存储单元器件，有效提升了我国在存储器领域的核心竞争力。继45nm之后，22nm尺度的集成电路芯片已开始生产，促进了我国半导体产业的发展。

此外，我国学者还发明了荧光聚合物纳米膜传感技术，研制出荧光聚合物纳米膜痕量爆炸物探测器，可检测三硝基甲苯（TNT）、三亚甲基三硝胺（RDX）、奥克托今（HMX）、硝铵和黑火药等多种常见重要炸药，检测下限达到0.1ppt（1ppt=10-15g/mL），分析时间为6.5s，误报率小于1%，已获市场准入并实现了产业化。产品曾在北京奥运会和上海世博会等场所使用。

21 世纪初，人们对纳米科学和纳米技术的新兴领域越来越感兴趣。

在美国，费曼的地位和他在原子水平上操纵物质的概念在塑造国家科学优先事项方面发挥了重要作用。 2000 年 1 月 21 日，比尔·克林顿总统在加州理工学院的一次演讲中主张为这项新兴技术的研究提供资金。三年后，乔治·W·布什总统签署了《21 世纪纳米技术研究与发展法案》，使其成为法律。 该立法将纳米技术研究列为国家优先事项，并创建了国家技术倡议 。如今，NNI 在一个框架内进行管理，其最高层是总统内阁级国家科学技术委员会 3 及其 技术委员会。

我国纳米科学技术得到了较快速的发展，在前沿基础研究、应用技术与成果转化等方面均取得重要进展，跻身世界纳米科技大国，部分研究跃居国际领先水平。

纳米技术的未来

在大约半个世纪的时间框架内，纳米技术已成为显着工业应用和指数增长的基础。 例如，在制药行业，纳米技术对诊断生物传感器、药物输送系统和成像探针等医疗设备产生了深远的影响。 4 在食品和化妆品行业，纳米材料的使用显着增加，以改善生产 、包装、保质期和生物利用度。 氧化锌量子点纳米粒子显示出对食源性细菌的抗菌活性，5 纳米粒子现在被用作检测食品质量和安全性的食品传感器。

今天，纳米技术每天都在影响着人类的生活。 潜在的好处是多种多样的。 然而，由于人类广泛接触纳米粒子，因此对潜在的健康和环境风险存在重大担忧。 这些担忧导致了其他科学学科的出现，包括纳米毒理学和纳米医学。 纳米毒理学是研究纳米粒子对健康的潜在不利影响。8 纳米医学包括组织工程、生物材料、生物传感器和生物成像等子领域，旨在研究纳米材料在医学和医疗器械中的益处 9、10 和风险 11。 医用纳米材料的一些潜在好处包括改善药物输送、医疗器械的抗菌涂层、减少炎症、更好的手术组织愈合和循环癌细胞的检测。 然而，由于缺乏可靠的毒性数据，影响人类健康的可能性仍然是一个主要问题。