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我国纳米科技成果一览


    近年来,我国科学家在纳米科技领域屡创佳绩,世界权威科学刊物或者相关国际会议上,中国人频频在纳米领域“露脸”,让世界为之瞩目。 

  1993年,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地,并居于国际科技前沿。 

  1998年,清华大学范守善小组成功地制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓半导体一维纳米棒,使我国在国际上首次把氮化镓制备成一维纳米晶体。 

  1998年,美国《科学》杂志上刊登了我国科学家的论文。我国科学家用非水热合成法,制备出金刚石纳米粉,被国际刊物誉为“稻草变黄金——从四氯化碳制成金刚石。” 

  近年,中国科学院物理研究所解思深研究员率领的科研小组,不仅合成了世界上最长的“超级纤维”碳纳米管,创造了一项“3毫米的世界之最”,而且合成出世界上最细的碳纳米管。 

  1999年上半年,北京大学纳米技术研究取得重大突破,电子学系教授薛增泉领导的研究组在世界上首次将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面,并组装出世界上最细且性能良好的扫描隧道显微镜用探针。 

  1999年,中科院金属研究所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料,使我国新型储氢材料研究一举跃上世界先进水平。这种新材料能储存和凝聚大量的氢气,并可能做成燃料电池驱动汽车。 

  不久前,中科院金属研究所卢柯博士率领的小组,在世界上首次直接发现纳米金属的“奇异”性能——超塑延展性,纳米铜在室温下竟可延伸50多倍而“不折不挠”,被誉为“本领域的一次突破,它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。(新华网)


我国纳米材料研究再获新突破


    发丝状的纳米铜,室温下冷轧竟从1厘米左右延伸到近1米,厚度也从1毫米变成20微米……不久前,中科院金属研究所的一个科研小组,在世界上首次直接观察到纳米金属材料具备的“奇异”性能——室温下的超塑延展性,从而标志着我国纳米材料研究再获新突破。 

  这一发现得到同行的普遍好评,论文也发表在世界权威刊物《科学》上。纳米材料“鼻祖”、德国科学家格莱特(H·Gleiter)教授认为,这项工作是“本领域的一次突破,它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的。” 

  传统金属材料在加工过程中易出现裂纹甚至发生断裂。如何使金属具有超塑性——可承受很大的塑性变形而不断裂,成为各国科学家面临的一道难题。十年前,格莱特教授曾预测:如果将构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级,材料在室温下应具备很好的塑性变形能力。 

  多年来,尽管预测得到了计算机模拟结果的肯定,但各国科学家的实验结果却令人失望。孔隙大、密度小、被污染等因素使绝大多数纳米金属在冷轧中易出现裂纹,塑性很差。 

  材料不过关,自然是巧妇难为无米之炊。35岁的卢柯研究员领导的小组首先利用新的制备工艺,合成出大量高密度、高纯度的纳米铜,其晶粒尺寸仅有30纳米,是常规铜的几十万分之一。进一步的冷轧实验中,他们兴奋地观察到了这种奇异现象:纳米铜在室温下可变形达50多倍而没有出现裂纹。 

  专家指出,“奇异”性能的发现,缩短了纳米材料和实际应用的距离,意味着和普通金属力学性能完全不同的纳米金属,在精细加工、电子器件和微型机械的制造上具有重要价值,材料加工领域的一场革新有望到来。 

  纳米材料是当前最活跃的科学前沿之一,各国科学家都将其作为主攻目标进行研究。过去十年里,卢柯领导的研究小组在纳米材料领域取得了一系列创造性的成果和发现,被国际权威人士誉为世界有成就的6个研究组之一,卢柯也成为国际纳米材料委员会唯一的中国籍委员。专家认为,能够连续取得世界领先成果,意味着扎根国内,科学家是可以跻身国际前沿的。




纳米生物药品横空出世



    当人们还在庆幸“纳米概念”的发明之时,当世界各国还在描绘着纳米技术在今后若干年能改变人类生活的宏伟蓝图之际,由我国科学家自行发明、研制的纳米生物医药产品已横空出世,并将大规模进入平民百姓家庭。

    在9月16日深圳召开的国内首届纳米生物医药学术研讨会上,深圳安信纳米科技控股有限公司宣布利用纳米技术研制生产出“广谱速效纳米抗菌颗粒”,并以此为原料成功开发出纳米医药类产品。其中创伤贴、溃疡贴、烧烫伤敷料等3种纳米医用产品进入规模化生产阶段,本月起将陆续投放市场。

   “安信”总裁陈振明接受采访时称,实现这项目的突破花了近7年的时间。他们把在国内购得的两项纳米发明专利在实验室里进行转化,历尽数万次修改,终于在今年研发出粒径为25nm的“广谱速效纳米抗菌颗粒”。经临床应用和中国科学院、中国医学科学院等多家权威机构检测,证实是目前国际上最安全的抗菌、杀菌剂。它无毒、无味、无刺激、无过敏反应,遇水杀菌力更强,是世界上唯一不产生耐药性的纯天然抗感染医药产品。与会专家一致认为,这种纳米抗菌材料的诞生,开创了纳米技术在生物医药领域应用的先河,安信由此成为世界上首家将纳米速效抗菌材料运用于生物医药工程领域的企业。

    值得自豪的是,这是中国人自己发明的唯一纯天然的抗感染原料药,某些性能远远优于现有的抗感染药。它将广泛应用于人体皮肤和粘膜组织的抗菌。治疗妇女阴道炎、阴道止痒、除臭,还可治疗结膜炎、鼻炎、粉刺、口腔溃疡以及烧烫伤、创伤、感染化脓、褥疮、皮肤病等由细菌和真菌引起的疾病。特别是研制开发成功的溃疡贴,较好地解决了目前难以解决的糖尿病人创伤溃疡难以愈合的医学难题,实现了真正不含抗生素的长效广谱抗菌功效。它的成功研制和投产,标志着人类在同细菌和真菌的斗争中,抗感染药物领域进行了一场革命。

   “广谱速效纳米抗菌颗粒”作为安全的抗感染药物不仅能应用于医药领域,而且还将广泛应用于人类的日常生活,渗入饮用水净化、环境保护、纺织服饰、水果保鲜、食品卫生、日常消毒、美容护肤等领域。试想一下,穿着的内衣能治病,足着袜子能医脚疾,医院的床单能消除交叉感染,旅途的浴缸能放心沐浴,家里的物品不长霉,抹上化妆品能消疮,刷牙能治牙痛病等等。这都是纳米抗菌产品即将为我们创造的美好前景。 




我国“有机纳米功能材料”研究获重大成果



  我国科研人员10月上旬在“有机纳米功能材料”研究方面取得重大成果,成功地获得了长度为20纳米以内的电活性有机分子和直径平均为16—50纳米的纤维及孔径为1-2纳米的刚性环状分子。这些成果是由吉林大学化学系张万金教授和王策教授以及他们的同事和学生一同取得的。 

  作为2000年诺贝尔化学奖获得者麦克德尔米德的学生及朋友,张万金、王策夫妇1997年留美回国后一直与麦克德尔米德以及美籍华裔科学家危岩教授合作从事纳米材料的研究,研究方向主要集中在有机纳米功能材料上。这是一个还没有引起人们重视但又极其重要的领域,其材料是由纳米尺寸的分子而构成,它们具有电、光及吸波功能等特性,可以用作功能型防腐防污涂料、纳米量子点的基材、旋光性分子识别、材料的增强等方面。今年8月,王策教授应美国化学会的邀请,在华盛顿召开的美国化学年会上作了“纳米尺度聚苯胺的电活性及防腐特性”的特邀报告,引起了美国和德国若干大公司的极大兴趣,要求尽快合作。目前,吉林大学在有机纳米功能材料方面的研究已经位居世界领先水平。美籍华裔科学家危岩盛赞吉林大学“在有机纳米功能材料方面的研究取得了非常新颖和重要的结果”。今年诺贝尔化学奖获得者吉林大学名誉教授麦克德尔米德,在给张万金教授的信中称是张的学生“将我们领入了真正的纳米纤维世界”。



纳米材料:于细微处见神奇


    材料是一切事物的物质基础。从科学技术发展的历史看,一种崭新技术的实现,往往需要崭新材料的支持。如果没有1970年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维,也不会有现代的光通信;如果不制成高纯度大直径的硅单晶,就不会有高度发展的集成电路,也不会有今天如此先进的计算机和电子设备。
 
    从结构上分,现有固体材料可分为晶态和非晶态两大类。玻璃等属于非晶态材料。而金属则是晶态材料,它们由许多晶粒组成,在晶粒内部,原子按严格规则成点阵排列,就像列成方阵的整齐队伍一样,而在晶粒间界面处的原子则排列无序。
在各种材料中,金属材料是人类进入工业社会以后,用得最早也最多的材料。作为结构材料,金属材料主要包括铁合金、铝合金、钛合金,它们的品种层出不穷,性能也远非昔日可比。

    材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展,以前组成材料的颗粒,其尺寸都在微米(百万分之一米)量级,而现在出现了向纳米(十亿分之一米)尺度发展的材料。由于颗粒极度细化,晶界所占体积百分数增加,使得材料的某些性能发生截然不同的变化。例如,以前给人极脆印象的陶瓷,纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件;尽管各种块状金属有不同颜色,但当其细化到纳米级的颗粒时,所有金属都呈现出黑色;纳米材料的另一特点是熔点极低,金的熔点通常是1000多摄氏度,而晶粒尺度为3纳米的金微粒,其熔点仅为普通金的一半。

    专家指出,对纳米材料的认识才刚刚开始,目前还知之甚少。从个别实验中所看到的种种奇异性能,说明这是一个非常诱人的领域,对纳米材料的开发,将会为人类提供前所未有的有用材料。


中国科学院组建“纳米航母” 

        中国最大的纳米技术研究和发展中心-----中科院纳米科技中心已宣布成立,这是中科院为增强中国纳米科研的实力和国际竞争力,促进纳米科技成果产业化而采取的重要步骤。

    据介绍,该中心是中科院纳米科学技术研究基地,主要研究纳米材料、纳米物理、纳米探测和纳米器件和技术。它是由中科院物理、化学、材料科学、微电子、生命科学等领域从事纳米科技研究的精英组成的综合性队伍,是国内实力最强和规模最大的纳米研究和发展中心。中心设立的网站为www.casnano.net.cn。



我国“纳米电子学基础研究”取得重要进展


    以微电子器件为基础的计算机和自动化电器进入社会的各个领域,成为发达国家的主要经济支柱之一。微电子器件发展的小型化趋势引导人们关注纳米科技;这是由于当电子功能元件尺寸小到纳米量级时,器件的运行机理、加工技术和材料与微电子器件有很大的不同,有着丰富的理论研究内容;同时纳米电子器件的诱人应用前景,被发达国家和国际大公司所重视。多年来,国家自然科学基金委一直重视并多渠道优先支持纳米科技,特别是纳米电子学的研究。在国家自然科学基金连续资助下,北京大学等单位的研究人员在有关纳米电子器件的材料、结构和机理研究等方面做出可喜成果。1997年9月北京大学利用综合学科优势,抓住科学发展机遇,成立“北京大学纳米科学与技术中心”。该中心设立纳米电子学、纳米化学、纳米生物学等五个研究室,著名科学家师昌绪院士任学术委员会主任,吴全德院士任中心主任。该中心目前承担以信息科学部为主立项的国家自然科学基金委跨科学部重大项目“纳米电子学基础研究”等多项基金项目的研究任务。
 
    目前研究纳米电子器件有两条途径:一是微电子器件尺寸逐渐小下去的方法,称为自上而下路线;二是利用有机/无机分子组装功能器件,称为自下而上路线。该中心的研究侧重于后者。考虑到计算机主要结构分为动态随机处理器和永久存储器,该中心的基础研究包含两个方面:一是单电子现象和单电子功能器件结构;二是超高密度数字存储。近两年在国家自然科学基金的资助下取得重要进展。
 
    单电子现象是纳米电子器件的基本特征。探索如何改进电子器件结构、抑制环境电磁参量、组装设计新型结构等成为室温下检测单电子现象的重要基本问题。纳米化学研究室刘忠范教授课题组进行了创新性研究,首次以双功能分子自组装膜为基础,用疏基为主的双官能团分子,成功地在金(Au)膜表面组装金纳米粒子;对硫化镉(CdS)纳米粒子的耦联层由双疏基分子已二硫醇在金表面形成自组装膜,成功地构造了“单分子隧道结/纳米岛”结构。不仅将Au、CdS纳米粒子组装在站立于基底的线状分子上,而且还可组装到扫描探针显微镜的针尖上。在此技术基础上,对所用分子材料、纳米粒子尺寸与单电子现象进行了系统研究;用多种结构重复测量了室温单电子现象。在进一步组装二维阵列结构中,系统地研究了室温库仑阻塞台阶效应。该项研究达到国际领先水平,为系统地检测、表征纳米材料和器件特性,建立了有特色的纳米加工技术、局域光电测量表征技术,开创针尖化学理论和实验研究的新方向,研究成果引起国内外同行的关注。
 
    在室温测量单电子特性方面,纳米电子学研究室薛增泉教授课题组取得重要进展。为了实现室温测量单电子特性,尽量减小环境参量的影响,一种可能的方法是将所研究的结构与基底取竖直状态。北大顾镇南教授课题组在多年碳富勒烯研究的基础上,进一步研究了碳纳米管的制备、结构和特性,掌握了有效制造和提纯单壁碳纳米管技术,目前纯度达到90%。与纳米电子学研究室薛增泉教授课题组合作,把单壁碳纳米管分离、将切割制得的短单壁碳纳米管组装到晶态金薄膜表面,实现了单壁碳纳米管分离地站立在金膜表面。用扫描隧道显微镜观测了直径为1.4nm,高约12nm碳纳米管站立在金膜表面的二维像、三维像并测量了纳米管尺寸分布和电流分布。
 
    组装分离的单壁碳纳米管技术,对开展碳纳米管的结构和特性的基础研究、应用开发有重大意义,他们做了如下工作:(1)制造扫描探针显微镜的针尖。首次将单壁碳纳米管组装到扫描隧道显微镜针尖上,得到了金薄膜晶粒大景深像和高定向石墨原子分辨像。(2)研究碳纳米管的电学特性。纳米导线具有显著的非线性和量子效应,通常输运的是有限个电子,这些都是研制纳米电子器件的基础。组装在STM针尖上的单壁碳纳米管,可以在与基底垂直方向上进行测量,显著地减小了环境的影响,提高测量温度。将组装在金膜上的单壁碳纳米管室温下测得了具有量子特性的I-V曲线。(3)场电子显微镜(FEM)样品。用场电子显微镜研究了单壁碳纳米管的电子发射,显示了令人惊奇的纳米管开口端碳原子的排布结构,这是首次观测到的具有原子分辨能力的场电子发射像。在组装单壁碳纳米管的基础上,可以开展高亮度相干电子源,高效场发射电子源,极高分辨率的显示器件等有新应用前景的器件研究。在此基础上还可研制光电器件、存储器件以及构成未来纳米集成电路的各种新型器件。从最基本的单壁碳纳米管切入,开展纳米电子学研究可能是纳米科技发展的重要途径。
 
    当存储信号的斑点为10纳米时,其存储密度为1012bits/cm2,称其为超高密度,比目前市场上的商品高4个量级。纳米电子器件的材料将是有限个原子构成的人造材料。为进行新型功能材料的研究,北京大学与中科院北京真空物理实验室的研究人员设计加工了装配有飞行时间质谱仪离子团束沉积系统。有机高分子功能材料多是陈慧英教授指导下的课题组设计、合成的;制膜和数据写读是由纳米电子学研究室和真空物理实验室课题组完成的;通过交叉学科的多年卓有成效的合作研究,有关超高密度信息存储薄膜的研究工作,得到了国内外同行专家的好评。在制备C60-TCNQ复合薄膜时,发现薄膜形成的初期结构像“海马”,荷电粒子的存在是海马分形的重要因素,并在此基础上提出了荷电粒子作用模型。此成果1995年被美国材料研究学会(MRS)学报编辑评选为重要进展。后来与美国橡树岭国家实验室合作研究计算模拟,于1998年美国春季物理年会上做了邀请报告。关于超高密度信息存储,信号写入点达到了1.3纳米,是当时国际上的最好水平,此成果被我国两院院士评为1997年我国十大科技进展之一。1998年的研究又有新进展,稳定的写入斑点小于1纳米:1998年12月该项研究应邀在新加坡召开的表面和界面分析的国际学术会议上做邀请报告;关于新型超高密度存储研究又在1999年9月召开的亚澳真空与表面分析国际学术会议作“有机薄膜超高密度数据存储”报告。关于超高密度信息存储薄膜的研究较早被国际同行关注,1996年应美国东北大学化学工程中心主任D.L.Wise邀请,与国际上该领域最优秀的学者一道撰写各自最新研究成果,出版专著。陈慧英、高鸿钧和薛增泉执笔写三章,内容是“新型光学非线性和电学功能聚合物”,“用离子团束制备新型有机电子器件”,“超高密度数据存储的有机复合薄膜”。 

    在纳米电子学研究的两个基本方面:室温单电子器件和超高密度信息薄膜研究都达到国际领先水平。 研究纳米电子器件,用它组建未来的计算机和自动器,成为未来科技和经济的重要基础,具有不可估量的科学意义。在这个领域中的研究,大家都处在同一起跑线上,抓住机遇,努力奋斗,有希望做出处于国际先进水平的研究工作。