然而,在纳米的世界里这个愿望是能够实现的。在美国耶鲁大学从事研究的中国学者,发表了关于此方面的文章,首次证实了在纳米的世界里,光通过它的微弱力量,可以驱动“机器”,这种机器就是由半导体做成的纳米机械。
那么,到底是什么导致光能可以推动物体的移动呢?这项研究结合了两个最前沿的科学,也就是纳米光子学和纳米力学。虽然在宏观尺度上,光的力量是非常微弱的,没有人能够感觉到它的存在。
但是从纳米的尺度上来看,光具有相当可观的力量,它足以用来驱动一些半导体机械装置。例如,像集成电路上的三极管一样大小的半导体机械装置。在这之前光的力就已经被物理学家和生物学家应用于一种叫做“光镊”的技术中,用来操控原子和微小的颗粒。但是那些并没有引起人们的重视,直到目前把光集成在一块小小的芯片上,使它的强度增加数百万倍,用来操控纳米半导体器件,它所具有的潜力才被人们发现。
后来,又有一些科学家,利用最先进的半导体制造技术,在硅芯片上铺设出一条条光线路,又被称之为“光导”。这种“光导”有什么作用呢?原来,当激光器发出的光被接入到铺有“光导”的芯片后,光就可以像电流在导线里传输一样,沿着铺好的光导线路“流”动。科学家从理论预测,在这样的结构中,光会对引导它的导线产生作用力。为了证实这个预测是否准确,他们把一小段只有10微米长的光导悬空,让它可以像吉他弦那样产生振动。如果光确实能够产生力并作用在它上面,那么当光的强度被调制到和光导的振动频率一致时,它们就产生共振的现象。并且,这样的共振还会在透射的光中产生同样频率的峰。后来,他们又通过大量实验证明,这个作用力的大小和理论预期的高度一致。因为光的速度比电流要快得多,所以这种光产生的力预期可以以几十吉赫兹(吉赫兹的英文缩写为GHz,是表示频率的一种单位)的速度驱动纳米机械。
这一项研究成果可能会引领出新一代半导体芯片技术,也就是说能够用光来取代电。如果在将来的科学领域里能够使用这种新技术的话,那么,科学家和工程师们就能够以光学和量子为基本原理,来进行更高速与高效地计算和通信了。这也将是科学上的一次重大突破!
第五节翘首展望——未来的纳米世界
我们通过对纳米的了解,知道它是一个充满希望的产业。它能给我们带来的益处是取之不尽的。虽然目前已经有一些纳米技术在为我们的生活服务,但还有很多潜力有待于我们进一步开发。那么,未来的纳米世界是什么样子的呢?
1.未来纳米产业的发展
未来的纳米产业是一个充满发展潜力的产业,很多领域都要与它联系到一起。它的发展将给我们带来比微米时代还要大的影响,让我们在未来的世界中能够更轻松地生活。关于它未来的发展到底会是什么样?
我们也只能根据它的现状来进行推测。在本小节中我们将从以下几个方面对它来进行展望:
(1)信息产业中的纳米技术
信息产业是世界领域中的重要产业,在纳米技术兴起之后,它在信息产业中应用比较广泛,主要表现在3个方面。
首先是网络通信、宽频带的网络通信、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。我们所接触的信息产品,不管是通信、集成还是显示器件,它们都是原器件。目前,美国已经着手研制了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件等,并且这种器件所生产的信息产品,已经成功进入市场。其次是光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件。
我国在这方面还很落后,不过,要想把这些原器件转为商品进入市场还需要10年左右的时间。所以,如果我国要想完成这一目标就要超前15年到20年对这些方面进行研究。再次是网络通信的关键纳米器件,如网络通信中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。虽然目前市场上也有此类产品,但是我国的技术水平还没有其他国家的优越。最后是压敏电阻、非线性电阻等,可添加氧化锌纳米材料改进。
(2)环境产业中的纳米技术
虽然纳米技术能够应用到环保领域中,但是这一技术的应用还不是很成熟。据了解,纳米技术对空气中20纳米以及水中200纳米污染物的降解具有很好的作用,其他任何物质和技术都无法替代。因此,有一些环保专家就宣称,要想净化环境,就必须采用纳米技术。目前,已经成功制备了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备,可使空气中的大于百万分之十的有害气体降低到百万分之零点一(气体体积浓度的单位),并且该设备已进入实用化生产阶段。另外,利用多孔小球组合光催化纳米材料,能够用于污水中有机物的降解,对苯酚等其他传统技术难以降解的有机污染物,也有很好的效果。
自从这种特殊的材料被发现以来,很多公司都采用光催化等来进行水污染的处理,用于提高水的质量。汽车尾气处理是一项很令人头痛的事情,但是,如果采用了纳米技术来治理的话就变得简单多了。
目前所研制出的稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理有很明显的改造效果。此外,专家正在用纳米技术来研制治理淡水湖内藻类引起的污染,该研究还正处于实验阶段,不过相信不久的将来一定能够梦想成真。
(3)能源环保的纳米技术
纳米技术也能用于节约能源,这为我们合理利用传统能源和开发新能源提供了很大的可能性。
合理利用传统能源是指减少现有能源不必要的浪费。现在我们使用的节能方法主要是利用一些特殊的制剂来使燃料充分燃烧,例如净化剂、助燃剂能使煤充分燃烧,并且在燃烧当中自循环,减少硫的排放量。但是,当纳米出现以后,我们能够利用纳米来改进汽油、柴油的使用情况,它就像是一种添加剂一样,能使汽油、柴油充分燃烧,并且还有净化的作用。随着社会的发展,人员的不断增多和能耗的不断减少,开发新能源成了每个国家都十分关心的事情。那么,纳米技术能在这方面起到多大的作用呢?它是否能把非可燃气体变成可燃气体,例如将太阳能转化成电能,热能转化为电能,化学能转化为电能等,关于这个问题,目前很多国家都在研究。
(4)纳米生物医药
纳米生物医药是一个新型的朝阳产业。自从我国进入WTO以后,纳米生物医药是其中一个最有潜力的产业。那么,究竟什么是生物纳米医药呢?它是指从动植物中提取必要的物质,然后在纳米尺度组合,最大限度发挥药效。目前,国际医药行业正在尝试性地用纳米尺度来发展制药业。
(5)纳米新材料
纳米技术不断发展,新的纳米材料不断出现。纳米新材料是不是就是纳米技术的最终产物呢?虽然纳米材料不是纳米技术的最终产物,但是它在纳米产业中有很重要的作用。
据有关部门预测,当人类社会发展到21世纪30年代的时候,汽车上使用的钢铁和金属材料40%的要被质量轻、强度高的新型材料所代替,这样不仅能节省汽油,减少空气污染,而且还能给汽车行业带来更大的经济效益。另外,利用新材料还能给其他领域带来更加方便实用的效果。
(6)纳米技术对传统产业改造
很多新型的纳米材料,都是利用纳米技术在原有的基础上改造而成的。这一现象也说明,纳米技术包含对传统产业的改造。当传统产业结合纳米技术之后,很多领域都出现了新产品。这不仅为社会带来更大的方便,也为自己的行业创造了更多的经济效益。首先是家电、轻工、电子行业,一些家电生产商利用此机会对传统产业进行改造,研制出纳米冰箱,具有可折叠的磁性冰箱门封,并且不会发霉,所用的是抗菌涂料,里面的果盘都采用纳米材料制成。由此也可以说明,发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展。其次是纺织业,人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势,如果要想保持它们在行业中不变的地位就要采用新技术,利用新材料。也就是说要全方位应用纳米技术、纳米材料。
应用纳米技术和纳米材料所生产出的保暖被子,具有防静电、阻燃等特殊功能。有人认为,如果把纳米的导电材料组装到里面,可以在11万伏的高压下,把人体屏蔽,使人体不受伤害。再次是电力工业,利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶,可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能,其综合性能也很好。最后是建材工业。在建材工业中一般要用到油漆和涂料,包括各种陶瓷的釉料、油墨等,如果把纳米技术加入其中,便可以使产品性能大大升级。
2.纳米在我国的发展状况
改革开放以来,我国实行可持续发展战略,不仅使我国经济飞速发展,国内生产总值也大大提高。
科技的发展带动了我国经济的发展,对前沿科技的研究探索也是我们国家极为重视的。神奇的纳米技术在我国发展怎么样呢?
由于国情的不同,我国纳米技术的总体思路与美国、日本和欧洲不同,它有自己的特点,我国是以纳米技术为契机,来解决当前国民经济发展和支撑产业中亟待解决的问题。纳米技术的应用,首先是对传统产业的改革,根据实际情况来调整产品的结构,把新的高科技注入其中,实现传统产业的升级,促进GDP的增长。另外,纳米技术也被应用在环境、能源、医药和国防领域,并且在这些领域中发挥了很好的作用。在信息、宇航、生物技术和新材料方面,我国的纳米技术水平与发达国家还有一定的差距,但是只要我们切合实际,努力探索,我们也能很好地实现纳米技术在这些领域的运用。
目前,我国很重视纳米技术的发展,要求在重点领域中发展纳米材料和技术,并形成一定规模的纳米产业,实现特种纳米材料产业化。例如,纳米碳管、高效含能纳米材料、纳米稀土材料、高亮度纳米荧光材料和重要的金属纳米材料等。纳米材料是信息产业中的关键,如网络通信(光通信和微波通信)中的纳米技术;高清晰度、高分辨数字显示技术中的纳米技术等;合理利用能源和开发能源中的关键纳米材料和技术;优化资源环境中的关键纳米材料和技术;生物、医药产业中的纳米材料和技术等。
总之,我国纳米材料和技术的发展要结合我国的国情,做好纳米技术和现有高科技以及传统技术相结合的工作,要实事求是、开拓创新,使纳米材料和技术能够更好地为建设祖国服务。相信在未来的世界里,我国的纳米技术的发展会越来越好,祖国也会越来越强大。