光电子技术入门(纳米技术的背景).ppt

第一章 纳米科技基础 1.1 科学革命 1.2 纳米科技分类和纳米机器 1.3 元素周期表 1.4 原子结构 1.5 分子和物质的相态 1.6 能量 1.7 分子和原子尺寸 1.8 表面和三维空间 1.9 “自上而下”和“自下而上” 1.1科技革命 几百万年以前，人类发展到石器时代，这时我们的祖先开始利用石头作为工具，石头也就成为人类最早的工具。工匠可以利用这些岩石制造出不同用途的工具来，这些工具的使用促进了社会的进步。石器的使用可能是人类改造世界和掌握自身命运的第一步，并推动了如表1.1所示的其他方面的发展。 火是一种有价值的工具。大约在五六千年以前，有人将一块含铜矿石放入篝火中，铜被熔化提炼出来。不久像青铜这种由两种金属熔融而成的合金被发现了。利用铁矿石提炼出金属铁，从铁进一步中提炼得到钢。现在人们通过新的冶金学方法，可以制备出自然界中没有的新物质。随着食物的不断丰富，越来越多的人能够离开土地，开始从事商贸活动。 18世纪之前，所有的生产活动都依赖人力和畜力或者自然界的能源（比如水力和风力）。蒸汽机的发明很可能与铜的发现一样意义重大，因为蒸汽机使用了完全不同的能源。有了蒸汽机，就随之出现了火车和铁路，接着石油、汽车、喷气式飞机和宇宙飞船等也相继问世。 是什么导致了蒸汽机的发明呢？是要得到更好的马车？还是对蒸汽作为一种能源感兴趣？投资者也许对制造更好的马车更感兴趣，但是利用蒸气这种能源才是发明蒸汽机的真正动力。 大规模生产与计算机是两种不同的发现和发明。电的使用使快速的大规模产品生产成为可能。建立在微晶体管基础上的计算机，代替人脑进行计算和信息处理，加快了速度，提高了精度。 DNA是脱氧核糖核酸的缩写，它是称为基因的生物体遗传信息的载体。RNA，也就是核糖核酸，将这些信息以不同方式在细胞内传输。在第六章将详细讲述DNA和RNA。基因工程能够表达和修饰DNA中的基因特性，这是一项正在发生的重大革命。人类第一次能够把握自己和动植物的进化过程而不是完全依靠自然的繁殖过程。因此可以用一种不同的方法来延长寿命。基因工程使得人类不仅仅是通过减少意外事故或预防疾病的方法，而是借助基因工程通过改变物种的方法从根本上延长其寿命。 什么是纳米技术？为什么它能带来巨大财富？为什么它会比以前所有其它的科学进程更重要呢？纳米技术是一种按照人们的意志在原子水平上廉价地操纵物质结构的制造技术，它是低成本和无污染的制造技术，能生产出纳米机器和纳米器件。因此纳米技术与第一件石器工具的发现同等重要。除了制造自然界已有的东西以外，我们还可以依照我们意愿通过纳米技术创造事物。冶金技术将自然界的矿物作为原料，而纳米技术则是将原子作为加工的对象。 虽然在我们的先辈们创造财富过程中，过时的科学知识并没有起到重要作用。但是汽车、和电灯、晶体管和电子管以及药物等让福特、盖茨、诺贝尔等获得了巨额财富。遗传工程和基因治疗的发展，也会使得许多人一夜暴富。将来人们将依靠什么致富？答案就是纳米技术。 纳米技术时代已经开始了吗？回答是肯定的。1959年12月，在美国物理学年会上，著名的物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman首先提出纳米技术的概念。Feynman指出：“我认为，物理学原理并不排斥通过操纵单个原子来制造物质。这样做并不违反任何定理，而且原则上是可以实现的”。 如果说Feynman是哲学家，那么Drexler则是一位预言家。在《创造的动力—纳米时代的来临》一书中，Drexler用即兴和交叉的思考方法，对Feynman提出的纳米技术概念进行了拓展，该书值得一读。 1990年Drexler指出：“纳米技术的基本思想是在分子水平上，通过操纵原子来控制物质的结构。它使我们可以利用单个原子组建分子系统，制备不同类型的纳米器件。” Binning和Rohrer印证了Drexler的想法。1981年，IBM公司苏黎世研究实验室的Binning和Rohrer发明了扫描隧道显微镜，使得人类首次在大气及常温下观察到了原子，这为纳米技术的发展奠定了基础。尔后不久，科学家们便可以通过移动原子来构筑纳米结构。在纳米技术提出的早期阶段，纳米技术仅仅停留在实验室阶段，并没有在实际生产中获得应用。随着人们对纳米技术的重要性的认识的深入，建立在纳米尺度上的“纳米技术”这一术语被广泛地接受了。“nano”一词最早来自于希腊语，其含义为“侏儒”，但是在科学术语中“nano”是指10-9，即1nm就是10-9m，大概相当于10个氢原子肩并肩排列在一起的长度。所谓技术，是指按照科学规律来构造有用的物质。因此，“纳米技术”就是指在10-9米的尺度上构造物质。那么，纳米技术和普通化学合成之间的差别何在呢？ 纳米技术特别注重通过观察原子和分子，在纳米尺度上操纵分子和原子，因此它