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纳米技术

美国国家航空航天局电脑模拟的分子齿轮

纳米技术英语:Nanotechnology)是一门应用科学,其目的在于研究于纳米规模时,物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。纳米科技是许多如生物物理化学等科学领域在技术上的次级分类,美国国家纳米科技启动计划英语National Nanotechnology Initiative将其定义为“1至100纳米尺寸尤其是现存科技在纳米规模时的延伸”。纳米科技的世界为原子分子高分子量子点集合,并且被表面效应所掌控,如范德瓦耳斯力氢键电荷离子键共价键疏水性亲水性量子穿隧效应等,而惯性湍流巨观效应则小得可以被忽略掉。举个例子,当表面积对体积的比例剧烈地增大时,开起了如催化学等以表面为主的科学新的可能性。

微小性的持续探究使得新的工具诞生,如原子力显微镜扫描隧道显微镜等。结合如电子束微影之类的精确程序,这些设备将使我们可以精密地运作并生成纳米结构。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(positional assembly)。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。

纳米科技的神奇之处在于物质在纳米尺度下所拥有的量子和表面现象,因此可以有许多重要的是应用,也可以制造许多有趣的材质。

历史

主条目:纳米科技历史英语History of nanotechnology

1959年12月29日物理学家理查德·费曼加州理工学院出席美国物理学会年会,作出著名的演讲《在底部还有很大空间英语There's Plenty of Room at the Bottom》,提出一些纳米技术的概念,虽然在当时仍未有“纳米技术”这个名词。他以“由下而上的方法”(bottom up)出发,提出从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求。他说道,“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大得扩充我们获得物性的范围。”这被视为是纳米技术概念的灵感来源。

1962年,日本东京大学的久保亮五教授提出了量子限制理论,用来解释金属纳米粒子的能阶不连续,这是很重要的里程碑,使得人们对纳米粒子的电子结构、型态和性质有了进一步的了解。

而纳米科技一词的定义是日本东京理科大学的谷口纪男教授在1974年提出[1][2][3]

1981年,扫描隧道显微镜的发明被广泛视为纳米元年。

1980年代,IBM的安贝旭等人做出多晶体的金环,金环直径小于400纳米,线宽在数十纳米左右。当外加磁场时,金环产生震荡电阻,这种现象称作磁阻效应,而这种效应明显和环的小尺寸有关,主要是金环内的电子受到金环纳米尺寸的干扰,而在环内两侧震荡。一般块状金是电的良导体,电阻值很小,不受磁场的影响。但上述纳米金环的结果显示,当金粒子小到纳米尺度时,其物理性质与大尺寸时不同,这个现象可以用来制作新的纳米电子元件。

1984年德国葛莱特等人利用惰性气体蒸发凝结法,制得铁、铜、铅及二氧化钛的纳米粒子。其中,二氧化钛的纳米颗粒具有良好的延展性,可以改善陶瓷材料的脆性。

1982年瑞士IBM公司的科学家格尔德·宾宁海因里希·罗雷尔,开发出扫描隧道显微镜,它主要是利用一根非常细的钨金属探针,针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流,同时,物体表面的高低会影响穿隧电流的大小,依此来观测物体表面的形貌。四年后,也就是1986年,这两位科学家和发明穿透式电子显微镜的恩斯特·鲁斯卡共享诺贝尔物理奖。

C60的结构图。C60也被称作布基球,是富勒烯家族中最简单的结构,富勒烯家族的成员是纳米科技的主要研究项目。

到了1985年,理查德·斯莫利罗伯特·柯尔哈罗德·克罗托在石墨上利用激光,让它蒸发而成碳黑,纯化后得到的碳簇置于质谱仪中分析,发现两种不明物质,质量分别是碳的60倍与70倍,因此这两种不明物质被称作C60与C70。 C60的形状像一颗足球,有20个六边形及12个五边形的面,共32面的封闭球体。事实上,科学家在太空收集宇宙尘埃时,早就发现C60、C70等物质。所以上述三位科学家是最早在地球上制造C60及C70的人,他们也共同获得了1996年的诺贝尔奖。

1985年,斯坦福大学的奎特教授以及IBM的格尔德·宾宁及海因里希·罗雷尔共同发明了原子力显微镜。它也是利用一根探针来扫描物体的表面,当探针靠近待测物体时,探针与物体之间产生作用力,这作用力可以是吸引力或排斥力,并可借此分析物体表面的形貌。最重要的是,这种仪器可观察的物体不仅是半导体或金属,也可以是绝缘体。现在很多生物样品的观察,已经大量使用这种设备。

1988年,拜必序的研究团队开发出铁铬(Fe/Cr)纳米多层膜,在低温下改变磁场,电阻会随着产生急遽的改变。相对来说,一般磁性金属(或合金)的电阻是不容易随磁场的改变而变化的。到目前为止,已经发现铁铜(Fe/Cu)、铁银(Fe/Ag)、铁铝(Fe/Al)、铁金(Fe/Au)、钴铜(Co/Cu)、钴银(Co/Ag)、钴金(Co/Au)等纳米多层膜都具有这种效应。

1990年,美国IBM公司的艾格勒利用这种仪器,把35个氙原子(xenon,化学符号是Xe)排成IBM三个字母。这是人类历史上首次操纵原子,用原子或分子制造机器,也不再是梦想。

1991年,克雷需莫和霍夫曼发展出一次可以做出数公克重C60的方法。现在,科学家也尝试利用C60的性质制成各种药物。

1996年霍伊儿也合成出二氧化钛(TiO2)纳米管。二氧化钛本身是一个极佳的光触媒材料,广泛应用在医疗保健,例如消灭细菌或是杀死病毒。开发出纳米管状的二氧化钛,应用范围也会更多样化。目前,科学家已尝试把二氧化钛纳米粒子或纳米管应用在光敏化有机太阳电池上,做为光电转换材料,现在已经可以达到实用水准。

2001年在日本筑波举行的“碳纳米管发现十周年”研讨会中,韩国三星公司展示用碳纳米管做成的场发射全彩色电视萤幕。这个电视的萤幕是由多层壁碳纳米管的前端,产生场发射电子做为电子源,而应用在平面显示器上。至于医疗用小型X光产生装置的电子源,也可以应用碳纳米管。

纳米科技已被视为新一波产业革命的源头技术,欧美日本等国家的政府部门,近年来均编列大幅预算,推动国家级纳米基础科学、工程技术之研发;学术界及产业界亦相继投注大量人力资金于这场纳米科技的全球竞赛中,希冀于专利与产品开发上抢得先机。

美国,在1993年成立第一个纳米技术研究机构[来源请求],2000年七月,美国政府向国会提出国家型纳米科技推动与落实计划书(The National Nanotechnology Initiative:The Initiative and Its Implementation Plan)。

2000~2001年,各国相继针对该国产业现况,纷纷提出纳米科技发展计划。日本成立“纳米材料研究所”(Tsukuba)、欧盟成立“纳米电子技术联盟”(IMEC)、德国成立六个纳米技术卓越群、中国(北京)成立纳米国家科研中心,台湾工业技术研究院亦于2002年一月,成立纳米科技研发中心。

全球有30余国规划及投入纳米领域研发,投入范围包括物理、生技及电子等前瞻领域研究,及纳米新材料的制造与特性开发[来源请求]。产业界也透过新建立的纳米材料特性及关键技术,开发新产品及改善产品性能,来提升竞争力。

目前为止,纳米科技尚处于一个国际间相互既交流又有点竞争的萌芽阶段。

关于“纳米科技”一词运用的争议

广义上,纳米技术包括多用来制造尺寸在100纳米以下的结构的技术。包括那些用来制作纳米线的;包括那些用在半导体制造工业上的技术,如深紫外线光刻电子束光刻、聚焦粒子束光刻、纳米印刷光刻、原子层沉积和化学气相法;更进一步还包括分子自组装技术。但是这些技术早就出现在纳米时代之前,而不是专为了纳米技术而设计,也不是纳米技术研究的结果。

现在以“纳米”冠名的那些技术,对最有野心的和革命性的分子制造却毫无关系,或者说是远远不能达到要求。这样,“纳米”可能被科学家们和企业家们滥用而形成“纳米泡沫”,而对那些更有野心和远见的工作毫无益处。

美国国家科学基金资助了研究者David Berube对纳米领域进行整体上的研究,后者的研究成果出版成为了专著《纳米骗局:纳米技术喧嚣背后的真相》[4]。这个由NNI主席Mihail Roco摄写序言的著作得出的结论是:许多被当作“纳米技术”出售的产品,其实只是就材料科学的新瓶装旧酒,直接导致一个仅仅是售卖的纳米管,纳米线或类似产品的纳米技术工业,最后的结果是少数售卖大量低端产品的供应商。

特性描述

随着尺寸的减小,一系列的物理现象显现出来。这其中包括统计力学效应和量子力学效应。并且,同宏观系统相比,许多物理性质会改变。一个典型的例子是材料的表面体积比。纳米技术可以视作在传统学科上对这些性质详尽描述的发展。进一步讲,传统的学科可以被重新理解为纳米技术的具体应用。这种想法和概念上的互动对这个领域的发展起到了推动作用。广义上讲,纳米技术是科学和技术在理解和制造新材料新器械方向上的推演和应用。这些新材料和技术大体上就是物理性质在微尺度上的应用。

和这些系统的定性研究相关的领域是物理化学生物,以及机械工程电子工程。但是,由于纳米科技的多学科和学科交叉的特性,物理化学材料科学生物医学工程的学科也被视作纳米技术重要和不可缺少的组成部分。纳米工程师们住眼观新材料的设计,合成,定性描述和应用。例如在分子结构上的聚合物制造,在表面科学基础上的计算机芯片分布设计,都是纳米科技在当代的应用例子。在纳米科技中,胶状悬浮也有很重要的地位。

材料在纳米尺度下会突然显现出与它们在宏观情况下很不相同的特性,这样可以使一些独特的应用成为可能。例如,不透明的物质变为透明(铜);惰性材料变成催化剂(铂);稳定的材料变得易燃(铝);在室温下的固体变成液体(金);绝缘体变成导体(硅)。物质在纳米尺度的独特量子和表面现象造就了纳米科技的许多分支。

工具与技术

当代电子和中子的发现让人类知道还有比我们能想像到的最小的东西还要小的物质时,对纳米世界的好奇心已经萌发。当然,1980年代,可以研究纳米结构的早期工具的发展才真的使纳米科学和纳米技术成为可能。

原子力显微镜扫描隧道显微镜的这两种早期的扫描探针促成了纳米时代的到来。同时,基于STM的许多其它类型的扫描探针显微镜,使得观测纳米结构成为可能。

探针的探头可以用来操纵纳米结构(这种工艺叫做位置组装)。但是这种过程太慢了,从而到导致了各种纳米光刻技术的发展,例如蘸笔纳米光刻术,电子束曝光和纳米压印术。

光刻是自上而下的制作技术,用来把大块物体缩小到纳米尺寸。相对的,自下而上的技术直接用原子或分子搭建更大的结构。这些技术包括化学合成自组装和位置组装。

相关应用

综上所述,纳米科技实际上涵盖了一切在纳米范围的物理、化学的技术和工艺,说它包罗万象也不算过分。不过现在坊间多在炒作概念,很多都局限于实验室的理论阶段,比较现实的是机械方面的润滑剂,化工方面的催化剂,还有医学方面的定点超效药剂。

应用技术

一、纳米晶体(nanocrystalline materials)

当物质的微结构微小化时,表面原子与内部材料原子的个数比例显著上升,界面之原子行为对物质性质便有决定性影响。例如纳米金属结晶颗粒,展现出较佳之强度、硬度、磁特性、表面催化性等;而具纳米结晶之陶瓷材料相较于一般陶瓷材料,则具较高之延展性、较不易脆裂之特性。
纳米结晶金属由于其强度之增加,相当大之应用机会在于汽车业、航太业、建筑业等之结构材料,例如Toyota汽车已使用新型纳米结晶钢材于其汽车产品上[来源请求];这方面之应用,纳米复合材料是另一竞争者,但于某些用途上,如汽车引擎,纳米结晶金属材料仍保有其优越性。
纳米结晶材料薄膜可提高表面之硬度、降低磨擦、提高耐热性、耐化学腐蚀性等,可应用于汽车、航空业等之机械系统。在生物医学方面,纳米结晶银有抗菌作用,而纳米结晶钛则可应用于人工关节。

二、纳米粉体

纳米粉体是纳米材料中种类最繁多且应用最广泛之一类。最常见的陶瓷纳米粉体(ceramic nanoparticles)可再分为二类:
(一)金属氧化物如TiO2, ZnO等
(二)硅酸盐类,通常为纳米尺度之黏土薄片。
纳米粉体的制程,包括固相机械研磨法、液相沉淀法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法等,不同之方法各有其优缺点及适用范围。此外,纳米粉体之表面覆膜与修饰,亦常是对粉体后段应用必要的处理步骤。如高浓度CO净化触媒-Au/TiO2,即将~10nm的金均匀分布在TiO2载体上,以发挥其净化功能,其中TiO2载体为溶胶-凝胶法制得之纳米孔隙材料,以具备纳米尺寸空间容纳金纳米颗粒。
  • 复合材料:纳米粉体最大之应用之一,在于纳米高分子复合材料之开发。由于无机分散相表面积与高分子间之作用力,使复合材料之刚性大幅提升,透气性、热膨胀性下降,耐化学腐蚀,及保有透明性等之优点,可广泛应用于一般民生工业,如家电器材、汽车零组件、输送导管等耐磨结构材料上;在包装材料上之应用,如保鲜膜、饮料瓶,则可利用其耐热性、高阻气性及透明等优点。Caly/Nylon之复合材料,由于分散均匀,只要添加3~4%,即可将Nylon之熔点从70℃提升至150℃,且加工性非常良好[来源请求]
  • 涂布:纳米粉体涂布具增强表面硬度、抗磨、透明等特性,已应用于建材太阳眼镜镜片上,Kodak正发展以纳米粉体涂布制造防刮之x-ray底片。此外,亦有利用纳米粉体涂布光学、耐腐蚀、绝热特性之应用开发。磁性纳米粉体涂布则可应用于资料储存方面[来源请求]
  • 医学药物:经表面修饰之纳米粉体可应用于药物输送、纳米银微粒具有抗菌功效、氧化锌则具杀霉作用。TiO2与ZnO对UV吸收有相当好之功效,可应用于防晒油等美容产品[来源请求]
  • 其他:纳米粉体之高表面积,可利用工业上之催化反应;用于燃料电池上,可增加其反应速率,提高效能。此外,纳米颜料的开发、使用金属纳米粉体印制电子电路、及磁性纳米粉体于半导体与医学核磁共振影像上之使用,均为纳米粉体之应用机会[来源请求]

三、纳米孔隙材料nanoporous英语nanoporous materials)

此类材料指孔隙尺寸小于100纳米之多孔隙材料,包括自然界中早已存在之生物膜与沸石,其高表面积(通常高达~102m2/g),使之具高催化及吸附效应。纳米孔隙材料可由溶胶-凝胶法、微影蚀刻、离子束等方法制得;纳米孔隙薄膜经镀膜处理,可得纳米细管结构。
纳米孔隙材料可用开发改良催化剂,应用于石化工业等。利用孔隙结构,在薄膜过滤系统纯化/分离、药物输送植入装置、及基因定序、医学检测等,纳米孔隙材料均有相当大之应用潜能。气溶胶为质轻之良好绝热材料;纳米孔隙薄膜可作为半导体业中之低介电材料;纳米多孔硅特殊的发光性质,可作为固态激光之材料;纳米多孔碳则具高电容特性,可应用于如手提电脑移动电话,乃至电动车等电池之开发。

四、纳米纤维英语nanofiber纳米线(nanofibers & nanowires)

纳米技术最重要的应用之一就是用于制造尺度接近10nm的场效应管。此图显示纳米线场效应管的开通过程。
Nanostructures provide this surface with superhydrophobicity, which lets water droplets roll down the inclined plane.
纳米纤维在此指相对较短之纤维,包括碳纤丝(carbon fibrils)、人造高分子纤维、及氧化铝纤维等;静电纺丝是制造人造高分子纳米纤维之方法,可结合纳米微粒或纳米管等材料于纤维中。工研院化学工业研究所正开发之电纺纳米纤维,其尺度约为人发的1/100。
纳米缆线则倾向为无机材质,包括金属、半导体(如硅、锗)、及一些有机高分子,主要应用于电子工程。其制造主要有三个方式:
(一)微影蚀刻或拓印。
(二)化学成长。
(三)自组装成长。
纳米缆线之电子传递行为并不遵循古典电学,例如其电阻为一定值并不随长度改变;应用于建构复杂之电路系统时,须挑战之困难点在于缆线间之连结性。
纳米纤维可用于复合材料与表面涂布,达补强作用。Hyperion Catalysis International正开发利用纳米碳纤丝,制造导电塑胶及薄膜,可应用在汽车之静电涂料或电器设备之静电消除;与传统导电塑胶材料比较,达同样导电效果所须添加之碳纤丝量较低,且材料表面亦较平滑[来源请求]
电纺纳米纤维具强度提升与高表面积等特性,适合作为纳米粉体于催化应用上之反应床。纳米纤维可制成抗化学品、防水透气、防污等特殊性能布料,在纺织服装业上有广大的市场;Nano-Tex公司已有开发之商业化产品问世。纳米纤维可用为过滤材料及医学组织工程之支架材料;在药物输送之媒介、感测器、纳米电机等领域,亦具应用潜力;此外,利用其高表面积,可用以开发可挠式光伏特膜片,并进一步制成可穿戴之太阳能电池
纳米缆线于化学与生物感测器上之应用,可预期近期商业化产品之出现;其他纳米缆线的应用,包括于气体分离与微分析、便携式电源供应器之催化剂、陶瓷微机电系统、辐射线侦测器、发光二极管、激光、可调式微波装置等。由于缆线间连结性之挑战,目前纳米缆线于纳米电子工程之应用,仍处实验室研发阶段,商业化为长期化之目标。

五、碳纳米管

碳纳米管(carbon nanotube,CNT)是1991年由日本NEC公司饭岛澄男在以穿透式电子显微镜观察碳的团簇(cluster)时意外发现,为石墨平面卷曲而成之管状材料,有单层(single-walled)与多重层(565++6)两种结构。碳纳米管的制程方式包括电弧放电、激光蒸发/剥离、化学气相沉积法、气相成长、电解及火焰生成法等[来源请求]。碳纳米管具许多特殊性质,如高张力强度(tensile strength ~100Gpa)、优良之热导性、及室温超导性,其导电性则随不同的卷曲方式而变,可为纳米导线或是纳米半导体;研究并显示碳纳米管可吸附氢气,惟其机制与吸附效能目前仍无定论。
碳纳米管由于其许多特殊的性质,为目前最热门的材料之一,其应用可略分为几类:
  • 结构材料:由于碳纳米管之优异强度,高强度-重量比(strength-to-weight ratio)之新型复合材料之开发,可应用于汽车、航太、建筑业等,在此方面的关键点为成本考量与均匀品质碳纳米管之量产技术。碳纳米管可用以制造导电塑胶及高效率辐射屏蔽复材,在纺织工业方面,亦具应用潜力。此外,若可克服技术及成本问题,制成碳纳米管电缆,可兼具碳纳米管于结构强度与导电性之优点,将为能源运输之一大突破。
  • 电子工程:碳纳米管在量子效应下展现之电学性质,制成电子工程中之逻辑元件与内存,预期可巨幅提升电脑之速度与资料储存密度,目前最大的碍障在于成本价格太高及碳纳米管连结技术上之困难。Nantero公司已宣称将于3-5年内推出基于碳纳米管之1 terabyte NRAM(non-volatile RAM)[来源请求]。此外,碳纳米管之高导热性,可以应用在纳米电路中高热量之散布。
  • 显示器:碳纳米管具有低的导通电场、高发射电流密度以及高稳定性,极适用于场发射器。目前场发射显示器技术最广受注目之开发为平面显示器,已有不少企业,如日本NEC、韩国三星公司[来源请求]。此外,碳纳米管阵列之场发射可应用于电子束微影蚀刻技术,可突破此技术于平行量产上之瓶颈。
  • 燃料电池:碳纳米管具吸附氢气碳氢化合物之功能,可以应用在航太与汽车工业上燃料电池的氢气储存槽。
  • 其他:碳纳米管具弹性且细长的优点,可作为原子力显微镜或扫描隧道显微镜之探针,大幅提高分辨率。碳米碳管的其他潜在应用,包括太阳能电池效能之提升、感测器[5]之开发,及吸收式电磁遮蔽应用。

应用产品

潜在危害

生物技术一样,纳米科技也有很多环境和安全问题(比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统,还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等)。

纳米技术的潜在危害可以广义的划分为下面几个方面:

  • 纳米颗粒和纳米材料对健康和环境的潜在危害
  • 分子制造(或高级纳米技术)的危害
  • 社会危害

纳米颗粒的危害

纳米材料(包含有纳米颗粒的材料)本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性,特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害,我们才面临一个真的危害。

要讨论纳米材料对健康和环境的影响,我们必须区分两类纳米结构:

  • 纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份(电子,光学传感器等),又称为固定纳米粒子
  • “自由”纳米粒子,不管在生产的某些步骤中存在还是直接使用单独的纳米粒子。

这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素,化合物,或是复杂的混合物,比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。

目前,公认的观点是,虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料,自由纳米粒子是最紧迫关心的。

因为,纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了,它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。

更加复杂的是,当我们讨论纳米粒子的时候,我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化,而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂,因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且,纳米粒子具有聚合的趋势,而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。

健康问题

纳米颗粒进入人体有三种途径:吸入、吞咽及从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入(或由植入体释放)。一旦进入人体,它们具有高度的可移动性。在一些个例中,它们甚至能穿越血脑屏障

纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上,纳米颗粒的行为取决于它们的大小,形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞(吞咽并消灭外来物质的细胞)的“过载”,从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢,而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积,暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。

环境问题

主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。

社会风险

纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面,也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。(例如,在MIT士兵纳米技术研究所[6]研究的装备士兵的植入体或其他手段,同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。)

在结构层面,纳米技术的批评家们指出纳米技术打开了一个由产权和公司控制的新世界。他们指出,就象生物技术的操控基因的能力伴随着生命的专利化一样,纳米技术操控分子的技术带来的是物质的专利化。过去的几年里,获得纳米尺度的专利像一股淘金热。2003年,超过800纳米相关的专利权获得批准,这个数字每年都在增长。大公司已经垄断了纳米尺度发明与发现的广泛的专利。例如,NECIBM这两家大公司持有碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础专利。碳纳米管具有广泛的运用,并被看好对从电子和计算机、到强化材料、到药物释放和诊断的许多工业领域都有关键的作用。碳纳米管很可能成为取代传统原材料的主要工业交易材料。但是,当它们的用途扩张时,任何想要制造或出售碳纳米管的人,不管应用是什么,都要先向NEC或者IBM购买许可证。

发展趋势

未来纳米技术趋势

高级纳米技术,有时被称为分子制造,用于描述分子尺度上的纳米工程系统(纳米机器)。无数例子证明,亿万年的进化能够产生复杂的、随机优化的生物机器。在纳米领域中,我们希望使用仿生学的方法找到制造纳米机器的捷径。然而,K Eric Drexler英语K Eric Drexler其他研究者提出:高级纳米技术虽然最初会使用仿生学辅助手段,最终可能会建立在机械工程的原理上。(另见机械合成。)

在2005年8月,50名来自不同领域的国际专家被纳米技术责任中心(Center for Responsible Nanotechnology)组织起来研究分子纳米技术的社会内涵[1]

为了决定分子纳米科技的发展道路,Battelle Memorial Institute英语BattelleForesight Institute英语Foresight Institute正在领导制定一个基础广泛的发展规划项目[2] 。预计2007年早些时候完成。

设计和制造和自然细胞甚至器官相仿的人工组织是具有潜在可能的。

美国

美国国家科学委员会(National Science Board)于2003年底批准“国家纳米科技基础结构网络计划”(National Science Board Approves Award for a National Nanotechnology Infrastructure Network,简称NNIN),将由美国13所大学共同建构支持全国纳米科技与教育的网络体系。该计划为期5年,于2014年一月开始执行,将提供整体性的全国性使用技能以支持纳米尺度科学工程与技术的研究与教育工作。预估5年间至少投资700亿美元的研究经费。计划目的不仅在提供美国研究人员顶尖的实验仪器与设备,并能训练出一批专精于最先进纳米科技的研究人员。

1. 美国发展最新纳米细胞制造技术

纳米技术可制造出粒子小于人类血管大小的物体,美国国家标准与科技协会(NIST)指出已研究出一种生产一致的,且能够自行组合的纳米细胞(Nanocells)的方法,以应用在封装压缩药物的治疗工作上,目前该技术已提出专利申请[来源请求]。这种技术当前可被运用在药物的包装技术上,可以更精确地确保药物的用量,未来将运用在癌症化学治疗的相关技术上作更进一步的研究。
纳米计划是2005年联邦跨部会研发预算的主轴,达9.8亿美元比去年增加2.2%。(美国2005会计年度的科技研发预算分析,参照 https://web.archive.org/web/20070824094800/http://www.aaas.org/spp/rd/

2. DNA检测芯片的进展

2004年1月,美国HP正式对外发表其用来快速进行DNA检测的纳米级芯片。取代目前在DNA检测上采以光学原理为基础的“基因微芯片法”(DNA microarrays)繁复的检测步骤,HP团队改由将此繁复步骤交由电路芯片处理;制作上,DNA检测芯片的感测元件是一条利用电子束蚀刻法(electron-beam lithography)与反应性离子蚀刻法(reactive-ion etching)所制成粗细约50纳米的纳米线。然就商业上考量,成本却过于高昂,因此研究团队正发展利用较便宜的光学蚀刻法(optical lithography)以制成DNA检测芯片元件的技术。

3. 地下水污染改善之研究

地下水污染是近年被广泛讨论的一项重大议题,目前能准确找出与清除地下水污染的技术并不成熟。2004年4月,美国发表了一种纳米微粒(nanoparticles)技术,在此微粒中心为铁芯(iron)而其外则由多层聚合物加以包覆,其中,内层是由防水性极佳的复合甲基丙烯酸甲脂(poly methl methacrylate;PMMA)包覆,而外层则由亲水的sulphonated polystyrene进行包覆。由于亲水性外层使纳米微粒溶于水,内层防水层则能吸引污染源三氯乙烯(trichloroethylene)。纳米微粒中的铁芯使得三氯乙烯产生分裂,进而使得此项污染源逐渐分裂成无毒的物质。

4. 启动癌症纳米科技计划

为广泛将纳米科技、癌症研究与分子生物医学相互结合,美国国家癌症中心(NCI)提出了癌症纳米科技计划(Cancer Nanotechnology Plan),并将透过院外计划、院内计划与纳米科技标准实验室等三方面进行跨领域工作。计划设定了六个挑战:[来源请求]
  1. 预防与控制癌症:发展能投递抗癌药物及多重抗癌疫苗的纳米级设备。
  2. 早期发现与蛋白质学:发展植入式早期侦测癌症生物标记的设备,并发展能收集大量生物标记进行大量分析的平台性装置。
  3. 影像诊断:发展可提高分辨率到可辨识单独癌细胞的影像装置,以及将一个肿瘤内部不同组织来源的细胞加以区分的纳米装置。
  4. 多功能治疗设备:开发兼具诊断与治疗的纳米装置。
  5. 癌症照护与生活品质提升:开发改善慢性癌症所引发的疼痛、沮丧、恶心等症状,并提供理想性投药装置。
  6. 跨领域训练:训练熟悉癌症生物学与纳米科技的新一代研究人员。

欧盟

1. 欧盟的国际纳米科学研究政策

欧洲是全球最早开始进行纳米科学研究的区域,但由于当时并没有欧盟加以居中协调与规划,因此在研究初期因为缺乏资金援助、相关管理上的支援,同时因为面临专利取得的问题,导致研究人员遭遇许多阻碍,2004年2月,欧盟议会对欧洲地区与国际社会发表一系列有关于纳米科技的专案计划,以宣示欧洲对于提高纳米科技竞争力的决心。
欧盟将其计划分为五个主要区域:研究与发展(R&D)、基础建设(infrastructure)、教育与训练(education and training)、创新(innovation)以及社会层面(societal dimension)。
根据预估,如欧盟计划能顺利推展,在2010年前将可望为欧洲创造上百亿欧元的经济营收。欧盟议会也强调提高社会大众对于纳米科技的认知,也同样属于整体纳米发展计划的一部分。另外,公众健康、安全、环保问题及消费者保护也同样被包含在此项议题之中。目前,纳米科学及纳米科技仍属于新兴的R&D领域,其所必须解决与进行研究的对象都存在于原子与分子的阶层中。纳米科学在未来几年内的应用是众所瞩目,且必将对所有的科技产生重大影响。在未来,纳米科技的研发工作也将对人体保健、食物、环保研究、资讯科学、安全、新兴材料科学及能源储存等领域产生重大的改变。
2004~2006年欧盟所进行的第六期架构计划(FP6)中,纳米科技与新兴材料研发的经费约为欧元13亿,而欧盟议会也有意提高经费并延长研究时程(由2007~2013年)。同时为凝聚与加强所有欧盟会员国在纳米科学方面的研究,因此在规划上欧盟议会也有意召集民间与其他单位的专家凝聚共识,以强化整体欧盟在此方面研究领域的力量。

2. 创新接继中心

在1995年由欧盟委员会成立“创新接继中心”(Innovation Relay Centers, IRCs)。这个的组织和美国国家科技移转中心具相同功能。区域性的创新接继中心总数近70个,支援至少位于30个国家的相关科技移转中心。创新接继中心的目的,是将有问题的公司和能提出解决方法的公司结合在一起。欧洲多数的纳米科技公司都可受到创新接济中心或区域创新和科技移转策略计划的援助。
欧洲纳米科技计划接受金援的方式和美国大致相同,有些是属于国家型计划。欧洲有多个跨国研发机构,以泛欧工业研发网络为例,其专门提供无条件研发补助,目的将研发成果发展为产品。透过泛欧工业研发网络提供的资金补助的国家包括奥地利挪威英国。其他在比利时德国斯洛伐尼亚冰岛以色列还包括贷款和免偿型补助。多数情况下,补助金额不超过计划完成的所需总金额的七成,剩余部分多仰赖地方政府和其他有意愿者赞助。

日本

1. 日本理研的纳米科学研究现况

日本理化学研究所系一跨学门的研究组织,该所各部门分布在日本的7个区域。RIKEN的主要基地-和光园区,设置发现研究中心(DRI)、新领域研究系统(FRS)及头脑科学中心(BSI)等3研究中心。RIKEN进行的研究可区分为三类:DRI主要进行小型但具备长程观点的培育研究计划;FRS同样执行小型计划,但以由上而下的方式,进行较具动态的中程及中等规模的计划;至于研究中心则是进行以目标为导向的中至长程的大型计划。RIKEN在2003会计年度下半年(2003年十月至2004年三月)的研究预算共4.748亿美元,全年预算超过9亿美元。
1986年起RIKEN开始从事纳米科学之研究,但正式的纳米科学计划则是自2002年开始,初期选定有18项的纳米科学计划,并陆续分别在各研究中心进行。

2. 日本提高纳米科技预算与产业合作(JAPAN BOOSTS NANOTECHNOLOGY BUDGET AND INDUSTRIAL COOPERATION)

日本科学与科技政策顾问委员会(Council for Science and Technology Policy)消息指出,日本在2004年会计年度(由4月1日起)中,纳米科技预算成长3.1个百分比,达到8.8亿美元。同时,两个主要负责日本纳米科技研发计划的政府部会,其预算也都有成长。负责推销即将完成的研发工作的日本经济产业省(Ministry of Economy Trade and Industry, METI),预算由2003年的0.97亿美元提升到2004年的1.1亿美元。纳米科技与相关原料研究被指定为四个最高优先项目之一,其他领域包括资讯与通讯、生命科学与环境研究。
日本的预算是经由日本大藏省批准,再由日本国会制定为法律。文部科学省的纳米科技研发经费,则由2.3亿美元成长到2.4亿元,将着重在基础原料研究与新药物研究计划上。

韩国

1. 韩国的纳米科技策略

韩国政府已深切体认到纳米科技为本世纪科技发展的战略制高点,整合纳米技术与资讯、生物、材料、能源、环境、军事、航太领域之高新科技,并将创造出跨学门研究发新境界。韩国政府也理解到此新兴科技也将是创造新产业与高科技产品的驱动力,纳米科学与技术的突破性进展更将为人类能力、社会产出、国家生产力、经济成长与生命品质带来巨幅的改善。
韩国已宣示在2001至2010年十年间投入韩币2,391兆元(约20亿美元)于纳米科技的研发,政府投入在纳米科技的经费,2002年与2000年比较,成长约400%。纳米国家计划的主要目标之一为在某些竞争性领域取得世界第一并发展产业成长的利基市场,韩国同时明确的把发展重点聚焦于诸如兆元级积体电子元件等核心关键技术。
“2002年执行纳米技术发展计划”与“纳米结构材料技术发展”、“纳米微机电与制造技术发展”等两项新领域研究计划同步开始实施,再加上纳米科技领域研究计划在未来6~9年内每年将投入2千万美元,在众多政府研究机构林立的Daejoen科学城,韩国高等科技研究院(KAIST)于去年设立纳米制造中心,在未来6~9年内投入1.65亿美元,政府最近调整“2003年纳米科技发展行动计划”,包括:纳米科技发展促进法案,其目的有二:一为建构坚固的纳米科技核心研究基础,二为激励成熟纳米科技的产业化,韩国政府也将配置3.8亿美元(全国纳米科技经费的19%)于国家纳米产业化计划,其中包括产业研发基金与创投基金。
根据2002年韩国专利局报导,纳米科技专利应用数目无论在国内或国外都呈现大幅成长,新兴纳米科技也在过去数年间呈现可观地成长,另外根据韩国商工能源部(MOCIE)的统计,2002年纳米科技新创公司也如雨后春笋纷纷抢搭纳米科技列车。

2. 韩国预测国际市场对纳米纺织品的需求将快速增加

韩国产业资源部预测,今后9年国际市场对纳米纺织品的需求将会出现迅速增长的趋势,交易额可望达到近400亿美元。韩国产业资源部委托韩国纤维产业联合会从2004年八月份开始的三个月内,对国际市场对纳米纺织品的需求和贸易趋势进行研究分析。
韩国产业资源部分析认为,国际市场对纳米纺织品的需求金额以150亿美元为基准,今后每年将递增10.7%,到2007年和2012年,国际市场对纳米纺织品的需求金额将分别达到240亿美元和397亿元。到2012年,国际市场对用于制药、电子和生命科学的超高效能过滤纳米纺织品的需求金额将达到96亿美元,对用于防生化武器和体育娱乐的纳米纺织品的需求金额将达到26亿美元,对用于储存能源的纳米纺织品的需求金额将达到205亿美元。
目前韩国对纳米纺织品的需求金额为19亿美元,占国际市场需求总额的12.1%。到2012年,韩国对纳米纺织品的需求金额将达到72亿美元,占当时国际市场需求总额的18.1%。韩国产业资源部说,目前韩国全部依赖进口的高性能过滤纳米纺织品以及用于新一代聚合电池和医疗用纳米纤维材料。

3. 韩国在纳米科技的发展几乎完全集中在微电子产业

透过由韩国科技部(Ministry of Science and Technology)赞助的兆位水准纳米设备发展计划(Tera-Level Nanodevices Initiatives),韩国的大学和产业都专注于发展下一世代微电子设备,包括具有兆位元(terabit)容量的内存设备和具有兆赫兹资料处理速度的元件。
韩国最大企业财团之一的三星设有一个先进科技研究所(Advanced Institute of Technology),从事微电子科技的研究和商业化发展。

中国

  1. 中国实验室国家认可委员会是大陆负责实验室和检查机构认可及相关工作的认可机构,为规范纳米产品市场、推动制定相关纳米材料及产品的标准,“国家纳米科学中心”和“中国实验室国家认可委员会”会商多次,联合成立“纳米技术专门委员会”,挂靠在“国家纳米科学中心”。
  2. 中国大陆政府透过中国科学院主导众多纳米科技研发计划,多数强调半导体制造技术和发展以纳米科技为基础的电子元件,另一是利用纳米材料保存考古文物。已成功发展出的产品包括近期推出的新式冷气机,其特点为利用创新的纳米材质。另估计约有两百家企业积极从事纳米科技产品的商业化。

加拿大

  • 滑铁卢大学是全世界第一所设立以纳米科技工程为主科的大学。在2005年开始收生并在2010年开设纳米科技工程硕士班。在2012年,将会有一座量子纳米中心。
  • 多伦多大学也拥有以纳米科技工程为副科的科学工程的大学。
  • 贵湖大学则以设立了纳米科学。

参看

参考资料

  • 书名:纳米商机,作者:葛林·费雪班(Glenn Fishbine)著/刘世平译,年份:2003年3月,发行:台湾培生教育出版(股)公司
  • 书名:全球纳米技术专利趋势分析:国家、机构与技术领域(p.1、11、13、58),作/译者:罗于陵博士、郑凯安博士编译,年份:民国九十二年十月,发行单位:国科会科资中心

注释

  1. ^ "On the Basic Concept of 'Nano-Technology'," Proc. Intl. Conf. Prod. Eng
  2. ^ よくわかる!技术解说 - ナノテクノロジー概说:(4)ナノテクノロジーの歩み 互联网档案馆存档,存档日期2007-04-23.
  3. ^ 伊藤 洋,2003年,《“ナノテクノロジー”発祥の地=山梨大学 互联网档案馆存档,存档日期2007-09-28.》
  4. ^ Nano-Hype: The Truth Behind the Nanotechnology Buzz, [ISBN 1-59102-351-3], 2005, David M. Berube
  5. ^ Nanoparticle aerosol monitor. [2010-05-07]. (原始内容存档于2010-05-10).
  6. ^ Institute For Soldier Nanotechnologies

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