纳米技术的案例范例(12篇)

纳米技术的案例范文篇1

美国一家全球能源研究机构的研发人员将一微型电池插入衬衫，缝入相关小配件，然后把这样的产品带到发展中国家的边远社区做试验。该项目旨在让当地人利用自己身穿的纺织物获得清洁能源。这一举措不仅使当地社区采纳新技术解决了缺少能源的问题，并且还提升了自产纺织物的价值。

除上述提及之外，另一些研发人员则在培训当地人如何将两片太阳能集热胶片、可充电电池、USB接口和LED灯织入衣服。这种衣服的优势在于，人在行走中就能给移动电话充电，可以做他们日常工作，最重要的是，人回到家里可用衣服收集的太阳能转换的电照明，给社区黑夜带来光明。负责该项目的美国波士顿研发机构的纺织物设计师希拉-肯尼迪女士告诉记者，“你只需要把衣服暴露在阳光下3小时(带电池的纺织物)，它就可以大量收集阳光，将其转变为电力，可用它照明7个小时!”

在多个非政府组织的配合下，这个项目已在多个发展中国家开展起来，其中巴西、肯尼亚、海地、尼加拉瓜、马达加斯加、墨西哥及南非走在前列。在墨西哥山区，游牧民已开始白天穿衣服充电，夜间用衣服点亮房间，还将他们的产品卖到城里去。尼加拉瓜有一个非政府机构，称为帕索帕西菲克组织，帮助为两座村庄提供电力。该机构负责人说，“如今，孩子们能在晚间读书，妇女敢在晚上提着东西出门。他们不再用钱买柴油或电池照明，照样让房间明亮起来。”

此项目一下为许多欠发达国家和地区的生产和生活减少了一半的碳足迹，而他们所穿的发电纺织物更轻便更时尚更舒适。据尼加拉瓜相关机构称，尽管他们还没有开发出这类产品，但为了顺应全球化新能源开发的经济模式，他们已实现了为遥远山村带去新型省电纺织物的理想，而这样的纺织物价格每件仅需16美元。

针对纳米技术给世界带来的变化，巴西社会学家保罗马丁认为，把纺织物整合为吸收太阳能的技术方式已成为全球趋势，目前研发机构只需考虑如何为需求这类技术的人群带去有效成本价格的产品就够了。

用太阳能发电的纺织物(添加)，是一个很好的研发例证。在过去，巴西政府误认为科学技术不具有社会适用性，因此并不看重科技的力量；但今天为顺应当地的需要，巴西政府在该技术领域投入巨资，旨在使巴西的这个领域走在全世界的前列，给全世界树立了一个榜样。

与这些国家不同的是，美国开发出能防弹的发电衣。众所周知，锗属于又脆又硬的疏松物质。实际上，由锗制作而成的“薄纸”材料可塑性很强，随意弯曲而不必担心损坏。特别是锗纳米线有着让人意想不到的结实程度，甚至与凯夫拉有着相似的强度与重量比率。通常可以使锗损坏的冲击力，对于锗纳米线来说根本不会造成影响。但是，单单使用锗纳米线制作防弹衣是不够的。因为凯夫拉之所以能防弹不仅仅是由于其纤维防弹性能好，还由于整体纤维防弹性能很独特。但是锗纳米线与这点相比，凯夫拉还要稍微逊色。所以，美国一些公司早在几年前就开始计划利用新纤维中的半导体组件开发太阳能发电军服。

通常，锗会吸收一些人眼所能见到的光，同时还能吸收不可见的红外线。但是，由于锗带来的光伏效应远没有硅吸收光的能量多，于是美国科学家研发了一种类似于薄纸的纤维――硅纳米线。据了解，硅纳米线可以将更多的太阳光转化为电能，个体硅纳米线还要比锗纳米线强硬35％，而且更耐腐蚀。这样防弹衣内部的锗硅纳米线织物，以及环绕硬塑四周的锗硅纳米线，就会同时将太阳能转化为电能，从而带动防弹衣内部的传感器以及其他一些电力设备，可以起到更好的防弹作用。

纳米技术的案例范文篇2

一种新型的基于纳米技术的生物传感器在高度准确检测沙门氏菌等食源性病原菌方面正显示出巨大的潜力。

美国食品药品管理局已经发行了一本名为《有害病菌名录》（BadBugBook）的手册。该手册提供了关于食源性致病微生物和天然毒素的基本情况，其中包含所有人们想了解的有关沙门氏菌、大肠埃希氏菌、原生寄生生物、蠕虫、病毒、天然毒素和其他有毒物质的信息。当你吃下的汉堡包中含有这些物质时，它们会使你生病难受，甚至会置你于死地。疾病防控中心（CDC）持有的统计资料令人感到恐惧。据估计，在美国食源性病原体每年会造成约7600万人发病，32.5万人住院，5000人死亡。

沙门氏菌、李氏杆菌和弓形虫这三种病原微生物每年会引起1500人死亡。沙门氏菌是造成食源性死亡最常见的原因，每年会引发数百万例食源性疾病。沙门氏菌来源于生的或未煮熟的鸡蛋、半生不熟的畜禽肉、奶制品、海产品、水果和蔬菜――几乎包括我们所有的食物。因此，对食源性致病菌（特别是沙门氏菌）的早期检测是进行微生物学分析、保证食品安全的重要任务。科学家已经开发了多种检测该病原体的方法；然而，检测速度和灵敏度仍然是最大的挑战。一种新型的基于纳米技术的生物传感器在高度准确检测食源性病原菌方面正显示出巨大的潜力。

美国农业部的农业工程师博森・帕克（BosoonPark）表示：“对食源性致病菌的早期检测是预防疾病爆发和保证公共卫生安全的关键。目前的检测技术，例如ISO6579法、荧光抗体技术（FA）、酶联免疫吸附反应（ELISA）、聚合酶链式反应（PCR）等，不但耗时、繁琐，而且灵敏度低。”帕克还是由乔治亚大学和韩国食品研究所的科学家组成的科学团队成员，该团队研究出了一种新型的检测食源性细菌的有效方法。

乔治亚大学物理系副教授赵义平博士表示：“我们基于纳米技术的生物传感器在高灵敏度和高准确性地检测蛋白质、病毒和细菌方面显示了巨大的潜力。这种仿生异质纳米棒检测方法在食品安全行业和生物医学诊断方面具有巨大的潜力。”

该研究小组还包括乔治亚大学传染病系的拉尔夫・特瑞普（RalphA.Tripp）博士。他们通过掠射角沉积技术（GLAD）制备薄膜法构造了异质结构的硅/金纳米棒阵列，并使用抗沙门氏菌抗体和有机染料分子使其功能化。由于硅纳米棒高厚径比大，附着在硅纳米棒上的染料分子在捕获和检测沙门氏菌时能够产生强荧光。

帕克认为，传统的用于检测食源性病原体的微生物技术（如ISO6579法）通常需要5天时间才能获得阳性结果，其过程包括预培养、选择培养和菌落鉴定，这些操作既耗时又费力。传统培养方法的另一个缺点是对低污染水平的样本灵敏度差。

很多研究人员已使用了荧光抗体技术（FA）检测沙门氏菌。虽然荧光抗体技术能够节约时间，但为了观察到可检测的荧光信号，它要求样本中要有足够多的病原体。这常常意味着增菌培养技术要优先于免疫荧光显微镜技术。因此，荧光抗体技术尚未成为检测沙门氏菌的常规方法。

纳米技术在设计可靠检测食源性病原体的传感器方面正发挥越来越大的作用。赵义平教授说：“所有用于生物传感的纳米结构都有两个特点。首先，它们具有某些针对被分析物的识别机制，例如抗体或酶。其次，它们能够从被分析物中产生特定的信号，并且这种信号能够由纳米结构自身产生或者由固定或包含在纳米结构中的信号分子产生。”

傅俊学是赵义平教授研究小组的一名研究生，他指出，单组分纳米结构很难同时固定识别分子和信号分子。而异质纳米结构则为解决这一问题提供了良好的平台。因此，不同功能的分子能够被固定在异质纳米结构的不同组分上，从而增强检测的灵敏度和特异性。在实验中，赵义平教授成功地利用连接在金纳米棒上的抗体捕获了单个沙门氏菌，并被固定在硅纳米棒上的大量染料分子检测。

大体上，如果选择合适的抗体与纳米棒上的底物相连，则本项研究的结果能够被用于检测其他食源性致病菌，如大肠埃希氏菌、葡萄球菌，以及食物毒素。此外，荧光检测染料还能够被其他类型的染料或量子点替代，进行多重检测。

这种新型的纳米生物传感器可以被广泛用于食品工业、食品安全检测机构、政府食品安全监管机构和从事食品安全与生物安全的研究人员。

血型转换器

一种新型机器将使任何血型转换成为通用血型，从而降低致命的输血混淆风险。

2003年，正在美国北弗吉尼亚州一家医院里等待肠道手术的托尼娅・布朗突然决定换到更靠近窗子的床位。这次换床最终要了她的命。手术中，布朗错误地接受了约1000毫升A型阴性血，而她是O型阳性血。调查显示，一名医务人员提取了错误的病人血液。手术数分钟后，31岁的布朗发生了致命的溶血反应，导致血压骤降和肾衰竭。

血液混淆尽管鲜有发生，却仍然是血液医学中最可怕的错误之一。位于休斯顿州得克萨斯大学M.D.安德森癌症中心的血液专家凯瑟琳・萨扎玛（KathleenSazama）博士说：“这是当今最大的威胁。”即使一盎司（约28.35克）的血细胞不匹配，也会引起可能致命的免疫反应，从而造成血液凝块和内出血。

但是现在，马萨诸塞州一家叫做ZymeQuest的生物技术公司的科学家们也许即将消除多数输血错误，从而确保医院获得稳定的血液供应。他们的解决方案是利用一种设备将所有血型的血液转换成O型，即四种主要血型中因能安全输入几乎任何病人而最为需要的血型。ZymeQuest公司的首席执行官道格拉斯・克里鲍恩（DouglasClibourn）说：“按下‘开始’按钮，机器就会完成所需的转换过程。”

这种如洗碗机大小的机器的秘密在于丹麦哥本哈根大学汉里克・克劳森（HenrikClausen）近期发现的两种酶，它们能将红血球表面的糖分子分解。这些被称为抗原的分子散布在细胞膜上，并决定一个人的血型是A、B、AB还是O型。如果你接受了错误的血液，血浆中的抗原就会诱发抗体攻击外来的抗原。

纳米技术的案例范文1篇3

1万年前的巨石文明建造技术

2015年10月，在哈达克斯坦北部的大草原上，发现了由101个野战工事组成的巨大正方形建筑，名叫图尔盖野战工事的古代建造物，是NASA（美国国家航空航天局）从约700千米的上空发现并拍摄下来的。

在其他地方，例如南美玻利维亚的蒂亚瓦纳科遗址的巨石群，还有土耳其哥贝克力巨石阵等闻名世界的遗址，都有着一个共通的特点，拥有与时代不相符的先进技术。

例如：蒂亚瓦纳科遗址的巨石群，最轻的一块石头重量也超过了10吨，在海拔3890米的高地上有着那样巨大的石头就已经很让人感到惊奇了，更何况要把这些石头堆砌成字母“H”的形状就更让人觉得不可思议了，而且这些石头的表面像是被激光割的一样，非常平整。更让人感到震惊的是，石头的内侧有着像阶梯一样往里延伸的精细雕刻。复杂的图形以同心圆状的方式向内部深处延伸雕刻。这些石头显然不是事先雕刻好再被垒起来的，把重达10吨的巨石完美地切成立方体，再刻画好精美的图案，这实在是令人匪夷所思。

由此可以看出，建造蒂亚瓦纳科遗址的科学水准远远超越了当时所在的年代的水准，这令人难以想象的先进技术，可以算得上是高科技了。

虽然石阵的形状看起来不像是人为摆放的，但是在法国的卡尔纳克巨石阵却有3000多块石头有条不紊地排列着。有名的专家沙加・埃里希冯肯・丹尼斯认为：“卡尔纳克巨石群，从建造开始到之后的数千年来，应该都是基于毕达哥拉斯理论而建造的。因为如果是古代民族的话，应该是一个一个排列起来的，这种运用毕达哥拉斯理论的几何学排列，除了外星人以外没有别人了吧。”

还有黎巴嫩的巴勒贝克，那里的朱庇特神庙的地基是用三种类型的石头组成的。各个石台长18米，宽和高是4米，重量在600―1000吨左右。仅仅要把这种大小的石头用人力堆起来就已经是天方夜谭的事情了，更何况开展如此工程的工作量以及所需要的技术之高更是难以想象。还有更让人震惊的是，在底部的基石有被抬起来过的痕迹，而且在这块石头下面还垫了一块新的石头，这样的事，在2000年前靠人力是绝对不可能实现的。

人类再度掌握反重力技术

现在，让我们把目光转向20世纪的美国。在佛罗里达州的霍姆斯特德小镇，有一座奇特又壮观的珊瑚石城堡。这是一位叫爱德华・李特斯奈克的拉脱维亚移民青年自己一个人建造起来的。他原本是想和未婚妻住在一起而建造这座城堡，最终因为失恋而变成了无法实现的梦。

李特斯奈克只在夜晚建造城堡，谁也没有见过他是怎么建造的，常常有人说李特斯奈克是在制作木乃伊。

在对金字塔建造方法的假设里，有记载“反重力技术说”的内容。这个内容的详情是关于外星人探访古埃及时，运用了能推动UFO系统的反重力能量。

反重力技术是磁等离子体动力学学术研究的一部分，新墨西哥州的桑迪亚研究所与佛罗里达州的利弗莫尔国家实验室，开展了对此技术的科学研究。

纳米技术的案例范文篇4

关键词：共性规律先进材料研究方法

人类社会文明发展的历程，是以材料为主要标志的。每一种材料的发现、发明和使用，都会把人类改造自然的能力提高到一个新的水平，把人类文明和社会发展推向一个新的台阶。而自然科学的各种研究方法在材料科学的发展中发挥了很大的作用，掌握材料学科的发展和研究方法对于材料学科研究人员和学生是非常必要的。认识材料科学与工程学科的内在科学规律和发展趋势，对材料的研究开发思路和各种方法有一个科学辩证的概念，能进一步激发学生的学习积极性和创新精神，为今后从事材料的设计和研究工作奠定基础。

一、材料的共性规律

材料主要分金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料，三大材料都具有晶体结构，但是陶瓷和高分子材料的组织结构要比金属的复杂。由于它们的结合键不同，得金属具有较高的强度、刚度、导电、导热性能，无机非金属则具有耐高温、耐腐蚀、具有转变物理性能和脆性，有机高分子具有比强度高、耐磨、耐腐蚀、易老化、刚度小的特点。然而，它们在不同环境介质下有着共同的效应，例如界面效应，在界面处都有分割、不连续、吸热特征；还有材料的动态效应、复合效应、环境效应、纳米效应等。三大材料存在着共同规律，陶瓷的实际晶体中存在着各种缺陷，金属与合金存在同素异构转变、马氏体相变、有序——无序转变，在其他材料中也有这些转变。陶瓷中存在同素异构转变。对于有机固体相变的研究发现，许多由简单分子组成的有机固体也具有复杂的同素异构转变。在外力的作用下都会发生弹、塑性变形和断裂过程，而且它们应用相同力学性能测试技术，具有相似的规律。

二、材料科学发展的重点

材料科学发展的重点是（一）开发新材料，发展高技术产业；（二）纳米材料和纳米技术的开发。先进材料主要包括新能源材料、信息功能材料、生物材料、智能材料、功能复合材料和生态环境材料。

信息功能材料主要用于计算机、通信和控制，其特点是要求高、发展快、种类繁多。例如集成电路所需材料、计算机敏感元件传感器材料、新型半导体材料、存储介质材料和高温超导材料的开发和应用代表了信息功能材料的发展程度。生物材料又称为人造生物类材料，即类生物材料。类生物材料一般包括生物医用材料、仿生材料和生物灵性材料。生物医用材料已经成为人类非常关注的领域，生物仿生陶瓷、生物可降解高分子材料是医用生物材料的重要方向。仿生材料涉及面也很广，以往研究比较多的有珍珠、贝壳、竹子、骨骼、飞鸟等，仿生材料的更长远目标是使生物技术原理用于工业生产，改变高温、高压及耗能高的生产方式。

智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。如形状记忆材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件在航空上的应用已经取得了大量的创新成果。复合材料的内涵比较丰富，从复合的角度来说，未来的研究与发展重点是发展功能、智能复合材料，由于复合材料的设计自由度大，所以更适合发展多功能复合材料。功能复合材料涉及面比较广，包括电功能材料、磁功能材料、光功能材料、声功能材料、热功能材料、进行功能材料和化学功能材料。

生态环境材料定义是具有良好的使用性能和与环境协调性的材料。生态环境材料主要分为环境相容材料（包括纯天然材料、仿生物材料、绿色包装材料和生态建筑材料）、环境降解材料和环境工程材料（包括环境修复材料、环境净化材料和环境替代材料）。目前生态环境材料主要的研究方向有：生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOx、NOx等催化转化技术，废物的再资源化技术，环境污染修复技术、仿生材料、环境保护材料、氟里昂和石棉等有害物质的替代材料和绿色新材料等。

纳米材料及制备技术的开发迫在眉睫，当物质到纳米尺度时，其表面电子结构和晶体结构发生变化，产生了宏观物体不具备的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应。材料显示出奇特的物理、化学性能，利用这一效应可大幅度提高结构材料的强度，改善其脆性。纳米研究的主要领域包括金属、陶瓷、玻璃和聚合物方面的纳米材料，目前对纳米材料的应用研究热点主要集中在纳米管、纳米带、纳米薄膜、纳米复合材料和纳米金属材料等几个方面。纳米材料在使用中亟待解决的问题是纳米材料的设计和控制、制备技术与工艺。纳米材料在应用中有很多优点，但在使用和生产的过程中有可能使接触人员吸入纳米颗粒，造成对肺部的伤害，所以纳米材料在研究和应用过程中要考虑对健康、安全和环境的影响。

三、绿色材料科学技术

绿色材料科学技术从广义上来讲，包括的内容较多，例如积极开发新材料、新能源、材料的回收与再利用、改造传统工艺和生产流程等。发展绿色材料科学技术，很重要的措施是积极开发和采用新工艺、新技术，特别是传统材料产品产业。例如，粉末注射成型是制备各种金属和陶瓷高性能零件的高效、节能、环境友好、低成本、大批量生产的工艺，最近20年来发展十分迅速。

四、材料的基本研究方法

对于材料设计和研究采用的自然科学基本方法主要有归纳法、演绎法、分析法、综合法、类比法、移植法、黑箱法、相关法、数学方法、模型法、原型启发法等。

归纳法是从积累大量数据到概括出一般原理的过程，结果具有一定的可靠性，主要用于科学发现，这种方法的局限性是推理具有或然性。演绎法是由一般原理推论出个别结论的方法，可用于预见科学事实，是提出科学假说的重要方法。分析法与综合法相结合是科学发现和技术创新的重要途径。类比法和移植法可以将某一领域的方法和技术应用到其他学科技术领域中，比如螺旋桨技术用在飞机等领域，拉链技术应用在装饰、医学等多个领域。数学方法能揭示研究对象的本质特征和变化规律，是解决科学技术问题常用的也是最重要的方法，是表述系统的结构域行为的一种科学方法。例如谷神星的发现，是意大利科学家观察，高斯计算，被称为“铅笔尖”发现的新行星。原型启发法与仿生法是对自然现象和自然界的动植物进行观察、探索受到启发来进行科学研究和创造发明，例如美国佛罗里达州立大学工程师RickLind从海鸥身上得到启发，研制出一种能在高层建筑周围寻找出路，同时又可猛扑向林荫大道的远程遥控侦察机。日本新干线子弹头列车速度可达321公里/h，“取经”于猫头鹰羽毛和翠鸟喙的降噪设计，行驶过程出奇地安静。这是由于猫头鹰的羽毛呈锯齿状排列，可悄无声息地穿过夜空；列车的“鼻子”与翠鸟喙类似，这种形状可帮助列车在穿过隧道时不会产生低水平音爆。

研究材料的结构和性能之间的关系常常采用黑箱法、相关法、过程法和环境法。黑箱法是在无法知道研究对象本质机理的情况下采用的，相关法研究材料组织结构与性能之间有对应关系时采用，得到的关系式有一定的物理意义。过程法是研究对象的本质，又称为分析法，相关法和过程法是相辅相成的，环境法通过各种环境因素来研究材料组织性能的演化规律。

材料科学从经验科学走向理性科学，很重要的发展方向是材料研究的模型化与模拟。模型化是将真实情况简单化处理，建立一个反映真实情况本质特征的模型，并进行公式化描述。模拟是对真实事物或者过程的虚拟，模拟方法是把所求解问题转化为大量微观事件的情况下，提供一种数值解法。目前在国内外材料研究及加工领域中开展了很多模型化和模拟方面的研究工作，为进一步的实验工作提供了可靠的依据。

五、本课程开设的重要意义

这门课程除了具有完整的材料科学知识结构，精致的课件也使得学生在学习过程中受到视觉和听觉的冲击。在掌握理论知识同时，大量实例将理论和实践应用结合起来，引导学生如何去认识材料，去研究材料，去设计材料，让学生在学习过程中真切地体会到知识是如何学以致用的，并且激发他们对于这些知识探索的兴趣。对教师而言，在讲授这门课程的过程中，通过对材料设计、制备、研究方法内容的整合，个人的专业知识得到了极大的丰富，为今后研究方向的选题、方案的设计以及研究方法的应用提供了思路和参考。

参考文献：

[1]戴起勋，赵玉涛.材料科学研究方法（第2版）.国防工业出版社，2008

纳米技术的案例范文篇5

关键词：整合；分化；IP；设计；虚拟集成

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2012.9.004

产业在整合，还在分化？

Intel、三星等公司涵盖从设计到制造的十多个流程，非常成功。同时，半导体业也在分化，有设计公司、IP（知识产权）公司、EDA（电子设计自动化）工具提供商、设计服务公司、代工厂、封测企业等，每个领域的竞争都趋于白热化。那么，产业到底趋于整合，还是在分化？

国家科技重大专项（02专项）总体组专家组组长、中科院微电子研究所所长叶甜春教授认为，代工是个产业趋势。代工厂有非常多的中小企业，他们有自己的市场。尽管像Intel、三星这些大公司很成功，但首先它们不太容易被复制；其次，他们也不能代表整个半导体业。

但是围绕着未来更复杂的芯片（例如智能手机芯片）的设计和采用，整合可能是种趋势，因为未来需要的技术力量越来越强。

还有一个趋势，大家谈得比较少，就是未来的商业集成——封装、3D芯片等。当我们不依赖于芯片制造，而是通过封装以后，半导体业将来有可能还要细分。未来的芯片设计不一定是SoC（系统芯片），还可以是SIP（封装系统）。肯定先做系统设计，这个系统设计包括了对于后端的3D集成的设计，再做SIP。

因此，笔者认为，由于IC设计公司受上下游企业的影响越来越大，例如EDA公司、代工厂等，需要结成虚拟IDM（集成器件制造商）关系。

定位于特色模拟工艺的华润上华公司总经理余楚荣称，该公司有三种合作模式：标准代工、定制化和虚拟IDM。为了推出有竞争力的产品，IC设计公司需要提高对制造工艺的熟悉程度，代工厂也需要了解IC设计公司的特殊需要，因此对于有共同发展目标的客户，虚拟IDM是种有效的战略合作方式，在特定应用领域共同开发特定的工艺平台，使客户产品具备特殊竞争力，实现双赢。

需要紧跟进下一代制程？

叶甜春表示，根据摩尔定律，现在20纳米制程已经开始量产，18纳米也在研发中，我国也在跟进研发。国际上，18英寸晶圆正在研制[2]。但是这些会有多大的市场需求量？我们的芯片设计能不能跟得上？能否负担这个成本也很重要。也许下一代节点工艺是国际巨头打造的一种市场策略。因此，未来的产能到底是不是能包括18英寸？也不一定。纵观过去的每一代技术，像90纳米、60纳米可能是挣钱的。下一阶段最挣钱的节点也许是28纳米。那么再往下走，在20纳米的基础上，还有16、14纳米等节点，总会有一个最佳的性价比。但现在还很难讲。

中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长、清华大学微电子与纳电子学系主任魏少军博士称，据测算，22纳米以后，特征尺寸缩小的过程当中仰仗的成本优势大概不会存在。从0.13微米往90纳米演进的时候，大概还从面积上可以获得33.6%的降低好处，从90纳米到65纳米，还有20.6%，65纳米到45纳米有18%，45纳米到32纳米有10.1%，32纳米到22纳米的时候，只有3.3%了。估计从22纳米再往下走，从面积上获得的优势已经不多了，几乎可以忽略不计了。所以我们基本上可以判断，22纳米之后的性能可能还会进一步提升，但成本下降的空间非常有限，甚至反而上升。

因此，现在承认或者公开说在20纳米左右要去建厂的厂商一共四家：Intel、IBM、三星、TSMC。那么代工厂数量的减少，一定对设计公司有影响。当我们看每家代工厂，在每个节点同时能支持的设计的时候，魏教授发现其数量在急剧下降，比如65纳米的时候，一个代工厂大概可以同时支持60～80个设计。40纳米时候，40～50个。28纳米时，20～30个，20纳米的12～16个，因为代工厂没有精力了，太复杂了。

过去几十年当中，摩尔定律一直在快速发展。但是最近几年放慢了脚步，出现了halfnode（半代节点），这一方面说明技术本身难度很高；同时，巨额投资也是原因之一。所以现在有人又归纳出后摩尔定律、后摩尔时代。魏少军倒没这么看，但这个问题引发的深层次影响值得我们关注。魏少军认为，向下一节点的发展速度不以人的意志为转移，尽管我们今天大部分企业可能还不是在先进的节点上，但是很快地，随着整体技术的进步，我们也会不断地迁移到新的节点上。

因此，本土代工业也需要与时俱进。如何提升本土代工厂的竞争力也是一个巨大的挑战。身处代工业，华润上华认为中国的代工厂的主要问题不是数量问题，而是规模和实力不够。只有6和8英寸晶圆厂，依然在保持盈利，华润上华的余楚荣解释了该公司定位特色模拟代工的原因：中国IC制造业要持续发展，技术、设备和资金是关键。在技术方面，我国IC生产工艺的研发基础相对薄弱，引进国外技术又受到各种限制，因此，企业应当培养自主创新的能力，通过自身的努力来解决技术来源问题。

尽管模拟工艺不像数字工艺那样追求先进节点，但是满足多样、特色的挑战也是很大的，例如高压功率模拟工艺、高精度模拟工艺、功率器件工艺、e-NVM/RF工艺、SOI工艺和MEMS工艺等。

各打小算盘，如何真正虚拟集成？

魏少军认为，这实际上是一个文化问题，而不是技术问题。中国人经常说，“内战内行，外战外行”，很难跟人合作。这是我们文化传统当中根深蒂固的东西，也是我们文化当中不适应当前，特别是高技术发展的一个特点。还有句话：“宁做鸡头，不做凤尾。”好像自己过点小日子就可以了。但是我们看到在全球化大的整合过程中，合作是一个必然趋势。即使很多大公司在打官司的时候，他们还在合作。而我们现在很难合作。这不仅体现在小公司，也体现在大公司，大公司在看别人的时候，觉得这东西吗跟你小公司合作，我自己花点钱找几个人自己做就得了。

今年4月，FaceBook花了十亿美元买了仅有13人的Instagram公司[3]，而该公司创业只有一年半时间，这在中国人是不可想象的事情。若是一家中国公司，内心上可能就想了，第一方案，花大价钱把这些人挖过来，也不会花十亿元去买；第二方案，连这个钱都不用花，自己雇几个人来开发。这是很典型的中国人的想法。所以大家不愿意合作，这是文化的问题。

第二，这些公司还没被逼到活不下去的程度，如果真被逼急，恐怕也容易合作。

魏少军的建议是：大家不要看太多利益之外的东西，做企业不就是要赚钱吗？需要以股东的利益为重。所以首先要考虑的，还是怎样能够把自己的事业做大。这才能在利益上达成一致。

叶甜春认为，实际上，国际上很多企业合作时，他们能找到共同的利益点，然后再去打自己的小算盘。中国企业之所以不擅于合作，他们的定位都在中国市场，而且利润率都非常低。在没有足够利润空间的时候，大家不知道怎么去平衡它，实际上这些合作是很难挣到钱的。第二点，从政府角度来看，还是应该扶植中小企业，因为毕竟中国半导体产业较弱小，政府层面应比较关注产业链的培育。而且这几年，中国已有一些整合，实际上是从相当多的中小企业开始的。

华润上华的余楚荣说，本土企业合作有天然的优势，随着中国本土工艺平台建立的完善，本土晶圆代工企业能够提供更为便捷及贴近的技术与服务。且本土晶圆代工厂更了解本土市场的应用需求，这将有利于彼此交流，提高产品与终端应用的匹配度，以及加快产品的上市速度。

自己做IP，还是买IP？

成也IP，败也IP。魏少军指出：IP核很重要，但是如何使用IP核更重要。不拥有自主可控的IP核，中国的IC设计业不过是技术含量较高的“组装业”。

那么，当新成立一家小芯片公司，是自己做IP，还是买IP？魏少军毫不犹豫地回答，先去买，你自己做做不成。但是你在做的过程中，也可能会产生IP，千万不要做一个扔一个，应该把自己历史上做得很多的工作，想办法变成IP。这就是内部IP，往往这个是你最熟悉的，你知道它的所有问题，你可以想办法把它变成你自己用的，不一定去卖它。但是如果你创业，一定不要现在同时做IP，你首先想的是系统的问题，怎样尽快让产品赚钱。

纳米技术的案例范文

多媒体教学应用越来越广泛，其具有传统教学不可比拟的优势。多媒体教学中，图片、动画和录象并用，能生动、直观、形象地模拟生产过程，展示生产设备及其原理，将抽象的原理形象化，将复杂的生产工艺具体化，其很好的弥补了传统教学的缺陷，在教学法中，有些重要的制药设备和生产工艺，我们会采用图片、录象等展示讲授，激发学生的新鲜感，加强认同感，让学生一看就懂，学习的兴趣和积极性被激发起来，学习更轻松，印象更深刻。比如，在讲授颗粒剂制备过程时，可将各阶段颗粒的状态以图片的方式展示出来，并同时附有教师解说，这样使抽象的文字具体化，学生更好理解。而在讲授胶囊剂生产过程时，则可先用图片展示不同型号的胶囊壳、胶囊填充板、胶囊填充机的外观，关键部位等，再用flas表现胶囊填充过程中的运动过程，让学生对填充胶囊的细节过程有一定的认识，最后用录象展示胶囊制备的全过程，则学生更易理解胶囊填充机的工作原理和过程，易于记忆和掌握。

但多媒体教学中还需要与传统的教学方法相辅才能达到较好的教学效果，例如在有大量公式推导的药代动力学部分，我们也有个别学生反映课件显示速度过快，思维跟不上。究其原因，采用多媒体进行授课，利用相关软件如Excel中作图及计算功能虽然能缩短公式的推导和计算时间，但公式推导的过程无法详细的展示出来，因此，对存在有大量公式推导的部分如药代动力学的教学，我们采取的是由板书逐步讲解其中的推导过程并随时与学生进行交流，让学生慢慢地跟随教师的讲解把握其来龙去脉，再用多媒体课件清晰地列出重要的中间公式及最后的结果，这样的教学或许可收到较好的效果。因此，我们在教学中尽量做到合理选择和运用现代教学媒体，并与传统教学手段有机组合，共同参与教学全过程，实现优势互补。

2及时更新知识结构，实现教与学互补

随着现代科技的飞速发展，药学类专业知识也在不断更新，教材上一些内容难免滞后，因此，在教学中要注意及时介绍学科热点和最新进展，准确把握基础的知识点与先进性知识点的有机结合，使学生在完成基本专业培养的同时也开阔学生的视野。例如，在讲授难溶性药物的增溶方面时，可给学生介绍当前在增加药物的溶解度，提高生物利用度方面显示出更大的优势固体分散体、包合技术等。也可讲授纳米技术的应用，随之纳米球、纳米囊、纳米脂质体、纳米束等、纳米混悬剂、纳米乳新制剂的出现与发展，已有大量事实证明，一些难溶性的药物通过微粉技术或超微粉技术达到纳米大小范围时可以显著提高胃肠道吸收。在教学中，给学生讲授这些新的发展热点，既可激发学生的学习兴趣，扩大知识面，在教学中对这些内容的讲授，可以采用讲堂讲授与学生自习有机结合的方式，可以给学生提供一些比较新的论文、一些常用的网站等，引导学生积极去探索和了解。既可以培养学生的自主学习能力，又可以扎实掌握理论授课内容。

3运用案例教学法，实现教学相长

我们在教学中也采取了案例教学法，即围绕一定教学的目的把实际中真实的情景加以典型化处理，形成供学生思考分析和决断的案例，通过独立研究和相互讨论的方式，来提高学生的分析问题和解决问题的能力的一种方法。案例教学的最大特点是它的真实性。由于教学内容是具体的实例，加之采用是形象、直观、生动的形式。给人以身临其境之感，易于学习和理解。能够实现教学相长。例如，我们在介绍剂型的重要性时，可以举例天津天士力制药有限公司治疗心绞痛的复方丹参滴丸的研发思路、研发过程及所取得的成功。又如，在讲到灭菌时，我们在课堂上选择2006年安徽华源生物药业有限公司生产的克林霉素磷酸酯葡萄糖注射液(欣弗)引发的药品不良事件致11人死亡，并说明起因是生产过程中未按批准的工艺参数灭菌，擅自降低灭菌温度、缩短灭菌时问、增加灭菌柜装载量，影响了灭菌效果，导致无菌检查和热原检查不符合规定。学生能够通过对这些案例来进行学习，在必要的时候回忆出并应用相关知识与技能。运用案例教学法的使用，不断变换教学形式，使得学生注意力能够得到及时调节，有利于学生精神始终维持最佳状态。

4科研与教学相结合提高人才培养质量

在教学过程中，注重与学生就科研方面的新成果进行交流和渗透，加强科研与教学的融合，虽然教学内容主要是向学生系统地讲授“基本理论、基本知识、基本技能”，但是，为了培养合格的药学人才，课堂教学除了围绕基本理论和概念进行外，还注重科研成果和科技最新发展动态的渗透。例如，在讲授药物制剂的新技术与新剂型时，就可以及时将科研工作中所获得的新成果如聚多卡醇注射剂、溶组织梭菌制胶原酶注射剂、托西珠单抗注射剂等传授给学生，以便为他们及时了解新知识，及时掌握新动态，又能增加学生的学习兴趣，取得较好的教学效果。

5注重开放式教学

我们会安排学生到本地较大的药厂进行见习或参观，并在参观过程中，由经验丰富的工作人员介绍车间总体布局，讲授相关品种的制备工艺流程，详细讲解所用的制药机械。通过实地参观，可让学生把课堂上学习的相关理论与实践结合起来，把抽象的理论具体化，更深入地理解课堂知识，也能解决一些在课堂上的疑难问题，在开拓他们视野的同时激发他们的学习兴趣，增强自身的学习能力，适应社会的需求。

6结语

纳米技术的案例范文篇7

[关键词]石油工程课程教学改革探索

前言

中国文化最高深意之所在，在于“中国人所谓通天人合内外，亦可谓即是自然与人文之会合”[1]。中国儒家好言人道，即人文，缘于儒家经典《周易》之“观乎人文，以化成天下”。现在我国所提倡的“以人为本”的科学发展观，可谓与我国传统学说是一脉相承的。教学必须以人为本，对于自然科学及工程技术领域的教学，在强调理论的同时，除了要与实践相结合外，还要与人文会合。作者从事高校教学和科研工作二十多年，恰逢盛世，有幸参与学样的教改研究及“大学生创新性实验”。现以曾讲授过的石油工程专业课《油田化学》、《钻井液工艺原理》及其专业基础课《胶体与表面化学》等课程为例，结合相关课程以及目前已完成的“大学生创新性实验”以及教学改革项目，探索高校专业课及专业基础课的教改思路。

一、专业及专业基础课程

《油田化学》是石油工程的专业课程之一，是研究油田钻井、完井、采油、注水、提高采收率及原油集输等过程中的化学问题的科学。油田化学其实由钻井化学、采油化学和集输化学三部分组成，以无机化学、有机化学、物理化学、胶体化学、表面化学、高分子化学等基础化学为理论基础，通过各种类型的油田化学剂来解决油气钻进过程中遇到的复杂问题，改造油层及油水井，改善原油在管道中流动状况，以及分离油气水，提供高品质原油，减少油田采出水对环境的污染。虽然这三个部分是不同的体系和过程，十分复杂，并且有各自的发展方向，但是它们又是相互关联的，绝大多数体系属于或涉及到胶体分散体系（属于纳米技术的范畴）。

《大学》八条目，以格物致知为先。朱子《大学格物补传》有，因其已知之理而益穷之。虽然石油工程本科生开设了《胶体与表面化学》等基础课，但实际使用的教材中，胶体理论知识部分中所讲述纳米材料较少，内容较少，且与实际结合得不够，讲授时安排的学时也很少。其实自从进入21世纪以来，纳米技术日新月异，已经影响到我们日常生活的方方面面。因此，我们追踪了相关学科在纳米技术方面的研究热点及其发展方向，补充讲稿，完善教案。尽量做到理论联系实际，培养学生们的学习兴趣，提高他们的学习积极性。

二、纳米技术

纳米是长度计量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于10个氢原子一个挨一个排列起来的长度。纳米材料涉及凝聚态物理、化学、材料和生物等领域，被公认为21世纪重点发展的新型材料之一。纳米材料现已发展到人工组装合成有纳米结构的材料。

纳米技术在油田化学中经常用于钻井液完井液的暂堵剂以保护油气层，在油田采出水处理中可以利用纳米材料的光催化作用，将采油污水中的油和高分子进行光催化和光降解，使其达到回注地层及外排的水质要求。利用纳米技术甚至可以从水和空气中清除细微污染物，从而提供更清洁的环境和更高质量的水。

三、教改探索

（一）教学探索

作者将自己平时积累的学习及科研经验，应用到不同层次的教学中。在本科教学中，先侧重基础知识讲解，然后再讲授胶体的各种性质。在给硕士生讲授《现代钻井液技术》以及给博士生讲授《高等胶体化学》时，作者也将纳米技术等先进技术引入进来。针对学生们将来的工作，要求学生了解各油田的情况，使每一位学生能更快更好地了解未来的工作。

在本科生教学过程，针对纳米材料的特性引入学生感兴趣的话题，从而提高学生们的学习兴趣。例如，金红石型纳米二氧化钛可用作涂料，涂层粗糙度小，表面光滑细腻；而锐钛矿型纳米二氧化钛可以防紫外线，可用在遮阳伞的防紫辐射。女生们比较感兴趣的话题是引入纳米材料的化妆品，有同学提到互联网上的天价纳米金护肤品的广告。作者在讲解到《胶体化学》中溶胶的光学性质时，以多媒体的形式向学生进行展示金溶胶的颜色。金溶胶粒子逐渐减小时所对应的颜色从红色到蓝色，其实可以呈现出不同的颜色；而金属银在50～60纳米时，也可以呈现黄色。学生们看了PPT后一目了然，除了不会再受不实广告宣传影响外，对本课程的学习更加投入了。此后提问的学生多了，学习的积极性得到普遍提高，学生们的期末考试成绩普遍好于往届。对硕士生及博士生的要求则要求更高一些，除了要求他们对日常生活中所涉及的纳米技术有所了解外，还要求他们能够结合专业知识，研制出可用于石油工程专业领域的纳米材料。

在针对来自现场的学生进行培训时，作者则是与学生多互动，既了解了各油田的研究现状，又针对一些具体问题提供参考意见。例如，在讲解部分黏土矿物对采油工程的影响时，特别提到在深部地层的油层有时会存在绿泥石，而绿泥石中可能有一定含量的铁元素，在进行强化采油时，不适宜采用酸化作业来提高原油采收率。一些培训的同学曾在某油田承担过两项酸化作业，但在施工后却发现油井产量非但没有上升，反而下降了。经学习后发现，就是由于未进行黏土矿物的组成分析。

（二）创新探索

在“大学生创新性实验”中，作者与本科生一起完成了“钻井液用超细颗粒的研制”。在近一年的研究过程中，本着“学不厌，教不倦”的精神，不以师自居，鼓励学生多动手进行实际操作的同时检索文献。用孔子的五步学习法启发学生：博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之[2]。与研究生们一起研制出了多种钻井液用超细颗粒，并获得黑龙江省石油学会优秀论文三等奖。在学校的教改项目中，作者还与其他师生一起共同学习和共同实践，圆满完成了工作任务。

四、结论

钱穆先生曾说：教与学平等，共一业。师与弟子亦平等，共一生命。教者学者在其全人生中交融为一，始得谓之是教育[1]。作者一直认同钱穆先生的“能于教者中得一学者，则成为一不寻常之师。终其身惟有一大事业斯曰学”。孔子也说过：后生可畏，焉知来者之不如今。我等虽是教者，但应以学生为本，同时也以学习为终生职业。

[参考文献]

[1]钱穆.现代中国学术论衡.第二版.北京：三联书店.2005年.p38-60.

纳米技术的案例范文

1、各国竞相出台纳米科技发展战略和计划

由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区）纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以发表和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了部级的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研发。

（1）发达国家和地区雄心勃勃

为了抢占纳米科技的先机，美国早在2000年就率先制定了部级的纳米技术计划（NNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。2003年11月，美国国会又通过了《21世纪纳米技术研究开发法案》，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。

日本政府将纳米技术视为“日本经济复兴”的关键。第二期科学技术基本计划将生命科学、信息通信、环境技术和纳米技术作为4大重点研发领域，并制定了多项措施确保这些领域所需战略资源（人才、资金、设备）的落实。之后，日本科技界较为彻底地贯彻了这一方针，积极推进从基础性到实用性的研发，同时跨省厅重点推进能有效促进经济发展和加强国际竞争力的研发。

欧盟在2002—2007年实施的第六个框架计划也对纳米技术给予了空前的重视。该计划将纳米技术作为一个最优先的领域，有13亿欧元专门用于纳米技术和纳米科学、以知识为基础的多功能材料、新生产工艺和设备等方面的研究。欧盟委员会还力图制定欧洲的纳米技术战略，目前，已确定了促进欧洲纳米技术发展的5个关键措施：增加研发投入，形成势头；加强研发基础设施；从质和量方面扩大人才资源；重视工业创新，将知识转化为产品和服务；考虑社会因素，趋利避险。另外，包括德国、法国、爱尔兰和英国在内的多数欧盟国家还制定了各自的纳米技术研发计划。

（2）新兴工业化经济体瞄准先机

意识到纳米技术将会给人类社会带来巨大的影响，韩国、中国台湾等新兴工业化经济体，为了保持竞争优势，也纷纷制定纳米科技发展战略。韩国政府2001年制定了《促进纳米技术10年计划》，2002年颁布了新的《促进纳米技术开发法》，随后的2003年又颁布了《纳米技术开发实施规则》。韩国政府的政策目标是融合信息技术、生物技术和纳米技术3个主要技术领域，以提升前沿技术和基础技术的水平；到2010年10年计划结束时，韩国纳米技术研发要达到与美国和日本等领先国家的水平，进入世界前5位的行列。

中国台湾自1999年开始，相继制定了《纳米材料尖端研究计划》、《纳米科技研究计划》，这些计划以人才和核心设施建设为基础，以追求“学术卓越”和“纳米科技产业化”为目标，意在引领台湾知识经济的发展，建立产业竞争优势。

（3）发展中大国奋力赶超

综合国力和科技实力较强的发展中国家为了迎头赶上发达国家纳米科技发展的势头，也制定了自己的纳米科技发展战略。中国政府在2001年7月就了《国家纳米科技发展纲要》，并先后建立了国家纳米科技发表协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会。目前正在制定中的国家中长期科技发展纲要将明确中国纳米科技发展的路线图，确定中国在目前和中长期的研发任务，以便在国家层面上进行发表与协调，集中力量、发挥优势，争取在几个方面取得重要突破。鉴于未来最有可能的技术浪潮是纳米技术，南非科技部正在制定一项国家纳米技术战略，可望在2005年度执行。印度政府也通过加大对从事材料科学研究的科研机构和项目的支持力度，加强材料科学中具有广泛应用前景的纳米技术的研究和开发。

2、纳米科技研发投入一路攀升

纳米科技已在国际间形成研发热潮，现在无论是富裕的工业化大国还是渴望富裕的工业化中国家，都在对纳米科学、技术与工程投入巨额资金，而且投资迅速增加。据欧盟2004年5月的一份报告称，在过去10年里，世界公共投资从1997年的约4亿欧元增加到了目前的30亿欧元以上。私人的纳米技术研究资金估计为20亿欧元。这说明，全球对纳米技术研发的年投资已达50亿欧元。

美国的公共纳米技术投资最多。在过去4年内，联邦政府的纳米技术研发经费从2000年的2.2亿美元增加到2003年的7.5亿美元，2005年将增加到9.82亿美元。更重要的是，根据《21世纪纳米技术研究开发法》，在2005～2008财年联邦政府将对纳米技术计划投入37亿美元，而且这还不包括国防部及其他部门将用于纳米研发的经费。

日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本早在20世纪80年代就开始支持纳米科学研究，近年来纳米科技投入迅速增长，从2001年的4亿美元激增至2003年的近8亿美元，而2004年还将增长20%。

在欧洲，根据第六个框架计划，欧盟对纳米技术的资助每年约达7.5亿美元，有些人估计可达9.15亿美元。另有一些人估计，欧盟各国和欧盟对纳米研究的总投资可能两倍于美国，甚至更高。

中国期望今后5年内中央政府的纳米技术研究支出达到2.4亿美元左右；另外，地方政府也将支出2.4亿～3.6亿美元。中国台湾计划从2002～2007年在纳米技术相关领域中投资6亿美元，每年稳中有增，平均每年达1亿美元。韩国每年的纳米技术投入预计约为1.45亿美元，而新加坡则达3.7亿美元左右。

就纳米科技人均公共支出而言，欧盟25国为2.4欧元，美国为3.7欧元，日本为6.2欧元。按照计划，美国2006年的纳米技术研发公共投资增加到人均5欧元，日本2004年增加到8欧元，因此欧盟与美日之间的差距有增大之势。公共纳米投资占GDP的比例是：欧盟为0.01%，美国为0.01%，日本为0.02%。

另外，据致力于纳米技术行业研究的美国鲁克斯资讯公司2004年的一份年度报告称，很多私营企业对纳米技术的投资也快速增加。美国的公司在这一领域的投入约为17亿美元，占全球私营机构38亿美元纳米技术投资的46%。亚洲的企业将投资14亿美元，占36%。欧洲的私营机构将投资6.5亿美元，占17%。由于投资的快速增长，纳米技术的创新时代必将到来。

3、世界各国纳米科技发展各有千秋

各纳米科技强国比较而言，美国虽具有一定的优势，但现在尚无确定的赢家和输家。

（1）在纳米科技论文方面日、德、中三国不相上下

根据中国科技信息研究所进行的纳米论文统计结果，2000—2002年，共有40370篇纳米研究论文被《2000—2002年科学引文索引（SCI）》收录。纳米研究论文数量逐年增长，且增长幅度较大，2001年和2002年的增长率分别达到了30.22%和18.26%。

2000—2002年纳米研究论文，美国以较大的优势领先于其他国家，3年累计论文数超过10000篇，几乎占全部论文产出的30%。日本（12.76%）、德国（11.28%）、中国（10.64%）和法国（7.89%）位居其后，它们各自的论文总数都超过了3000篇。而且以上5国2000—2002年每年的纳米论文产出大都超过了1000篇，是纳米研究最活跃的国家，也是纳米研究实力最强的国家。中国的增长幅度最为突出，2000年中国纳米论文比例还落后德国2个多百分点，到2002年已经超过德国，位居世界第三位，与日本接近。

在上述5国之后，英国、俄罗斯、意大利、韩国、西班牙发表的论文数也较多，各国3年累计论文总数都超过了1000篇，且每年的论文数排位都可以进入前10名。这5个国家可以列为纳米研究较活跃的国家。

另外，如果欧盟各国作为一个整体，其论文量则超过36%，高于美国的29.46%。（2）在申请纳米技术发明专利方面美国独占鳌头

据统计：美国专利商标局2000—2002年共受理2236项关于纳米技术的专利。其中最多的国家是美国（1454项），其次是日本（368项）和德国（118项）。由于专利数据来源美国专利商标局，所以美国的专利数量非常多，所占比例超过了60%。日本和德国分别以16.46%和5.28%的比例列在第二位和第三位。英国、韩国、加拿大、法国和中国台湾的专利数也较多，所占比例都超过了1%。

专利反映了研究成果实用化的能力。多数国家纳米论文数与专利数所占比例的反差较大，在论文数最多的20个国家和地区中，专利数所占比例超过论文数所占比例的国家和地区只有美国、日本和中国台湾。这说明，很多国家和地区在纳米技术研究上具备一定的实力，但比较侧重于基础研究，而实用化能力较弱。

（3）就整体而言纳米科技大国各有所长

美国纳米技术的应用研究在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪等领域快速发展。随着纳米技术在癌症诊断和生物分子追踪中的应用，目前美国纳米研究热点已逐步转向医学领域。医学纳米技术已经被列为美国国家的优先科研计划。在纳米医学方面，纳米传感器可在实验室条件下对多种癌症进行早期诊断，而且，已能在实验室条件下对前列腺癌、直肠癌等多种癌症进行早期诊断。2004年，美国国立卫生研究院癌症研究所专门出台了一项《癌症纳米技术计划》，目的是将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相结合，实现2015年消除癌症死亡和痛苦的目标；利用纳米颗粒追踪活性物质在生物体内的活动也是一个研究热门，这对于研究艾滋病病毒、癌细胞等在人体内的活动情况非常有用，还可以用来检测药物对病毒的作用效果。利用纳米颗粒追踪病毒的研究也已有成果，未来5～10年有望商业化。

虽然医学纳米技术正成为纳米科技的新热点，纳米技术在半导体芯片领域的应用仍然引人关注。美国科研人员正在加紧纳米级半导体材料晶体管的应用研究，期望突破传统的极限，让芯片体积更小、速度更快。纳米颗粒的自组装技术是这一领域中最受关注的地方。不少科学家试图利用化学反应来合成纳米颗粒，并按照一定规则排列这些颗粒，使其成为体积小而运算快的芯片。这种技术本来有望取代传统光刻法制造芯片的技术。在光学新材料方面，目前已有可控直径5纳米到几百纳米、可控长度达到几百微米的纳米导线。

日本纳米技术的研究开发实力强大，某些方面处于世界领先水平，但尚未脱离基础和应用研究阶段，距离实用化还有相当一段路要走。在纳米技术的研发上，日本最重视的是应用研究，尤其是纳米新材料研究。除了碳纳米管外，日本开发出多种不同结构的纳米材料，如纳米链、中空微粒、多层螺旋状结构、富勒结构套富勒结构、纳米管套富勒结构、酒杯叠酒杯状结构等。

在制造方法上，日本不断改进电弧放电法、化学气相合成法和激光烧蚀法等现有方法，同时积极开发新的制造技术，特别是批量生产技术。细川公司展出的低温连续烧结设备引起关注。它能以每小时数千克的速度制造粒径在数十纳米的单一和复合的超微粒材料。东丽和三菱化学公司应用大学开发的新技术能把制造碳纳米材料的成本减至原来的1／10，两三年内即可进入批量生产阶段。

日本高度重视开发检测和加工技术。目前广泛应用的扫描隧道显微镜、原子力显微镜、近场光学显微镜等的性能不断提高，并涌现了诸如数字式显微镜、内藏高级照相机显微镜、超高真空扫描型原子力显微镜等新产品。科学家村田和广成功开发出亚微米喷墨印刷装置，能应用于纳米领域，在硅、玻璃、金属和有机高分子等多种材料的基板上印制细微电路，是世界最高水平。

日本企业、大学和研究机构积极在信息技术、生物技术等领域内为纳米技术寻找用武之地，如制造单个电子晶体管、分子电子元件等更细微、更高性能的元器件和量子计算机，解析分子、蛋白质及基因的结构等。不过，这些研究大都处于探索阶段，成果为数不多。

欧盟在纳米科学方面颇具实力，特别是在光学和光电材料、有机电子学和光电学、磁性材料、仿生材料、纳米生物材料、超导体、复合材料、医学材料、智能材料等方面的研究能力较强。

中国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80%，高分子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。

4、纳米技术产业化步伐加快

目前，纳米技术产业化尚处于初期阶段，但展示了巨大的商业前景。据统计：2004年全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元，2010年将达到14400亿美元。为此，各纳米技术强国为了尽快实现纳米技术的产业化，都在加紧采取措施，促进产业化进程。

美国国家科研项目管理部门的管理者们认为，美国大公司自身的纳米技术基础研究不足，导致美国在该领域的开发应用缺乏动力，因此，尝试建立一个由多所大学与大企业组成的研究中心，希望借此使纳米技术的基础研究和应用开发紧密结合在一起。美国联邦政府与加利福尼亚州政府一起斥巨资在洛杉矾地区建立一个“纳米科技成果转化中心”，以便及时有效地将纳米科技领域的基础研究成果应用于产业界。该中心的主要工作有两项：一是进行纳米技术基础研究；二是与大企业合作，使最新基础研究成果尽快实现产业化。其研究领域涉及纳米计算、纳米通讯、纳米机械和纳米电路等许多方面，其中不少研究成果将被率先应用于美国国防工业。

美国的一些大公司也正在认真探索利用纳米技术改进其产品和工艺的潜力。IBM、惠普、英特尔等一些IT公司有可能在中期内取得突破，并生产出商业产品。一个由专业、商业和学术组织组成的网络在迅速扩大，其目的是共享信息，促进联系，加速纳米技术应用。

日本企业界也加强了对纳米技术的投入。关西地区已有近百家企业与16所大学及国立科研机构联合，不久前又建立了“关西纳米技术推进会议”，以大力促进本地区纳米技术的研发和产业化进程；东丽、三菱、富士通等大公司更是纷纷斥巨资建立纳米技术研究所，试图将纳米技术融合进各自从事的产业中。

欧盟于2003年建立纳米技术工业平台，推动纳米技术在欧盟成员国的应用。欧盟委员会指出：建立纳米技术工业平台的目的是使工程师、材料学家、医疗研究人员、生物学家、物理学家和化学家能够协同作战，把纳米技术应用到信息技术、化妆品、化学产品和运输领域，生产出更清洁、更安全、更持久和更“聪明”的产品，同时减少能源消耗和垃圾。欧盟希望通过建立纳米技术工业平台和增加纳米技术研究投资使其在纳米技术方面尽快赶上美国。

纳米技术的案例范文篇9

3月17日，SEMICONChina2015大会在上海举行。据称这是全球半导体业界规模最大的专业会议之一。在《国家集成电路产业发展推进纲要》、国家集成电路产业投资基金设立、中国半导体市场蓬勃发展等利好消息的影响下，本届大会的规模也创下了新纪录，展位超过2700个。AMD总裁兼首席执行官苏姿丰博士（Dr.LisaSu）在大会上做了主题演讲，展望了半导体行业未来5～10年的发展。

寻找新机会

现在业界已基本达成共识：物联网将成为未来半导体产业发展的重要驱动力之一。“在PC生态圈中，所有设备都是围绕Windows操作系统发展的，设备的同质化现象严重。但是物联网领域是一个异构产品的生态圈，设备的种类五花八门。有市场机构预测，到2022年，全球联网的设备将达到500亿台。”苏姿丰表示，“我们一直在强调开放的生态系统的重要性。在物联网这个异构的生态圈中，用户可以自由地选择ARM架构或x86架构，CPU或GPU。用户追求设备的高性能和低功耗，以及不同设备之间更好的联接和沟通。这对于我们来说既是挑战也是机会。我们希望把自己的技术更好地引入到2022年将会出现的500亿个移动设备里。我们在处理器技术、图形处理技术、整合的解决方案方面都具有非常强的能力，而不仅仅局限于移动平台。”

在众人所关注的半导体芯片能效方面，苏姿丰引用第三方市场机构的数据，到2022年，全球14%的电力将消耗在电子设备上。

AMD认为，按照摩尔定律，20纳米会是一个瓶颈。在突破20纳米之后，AMD将采取什么样的技术路线呢？“对于芯片代工生产这一生态系统来说，目前大部分的投资还集中在制程工艺上。虽然在技术上会遇到一些挑战，但是由于芯片的整个生态体系非常强健，所以还会有很多商业机会。16纳米和14纳米技术将是AMD未来的着眼点。”苏姿丰表示。

至于在14纳米之后，整个业界将何去何从，仍有很多争论。苏姿丰告诉记者：“我们目前看到的是，对于10纳米和低于10纳米的制程来说，仍有一些好的解决方案。但是，制程技术毕竟只是产品的一个方面，如果能采用更好的芯片设计方案，比如2.5D或3D堆叠的方式，仍可以进一步释放芯片的能力。因此，除了制程工艺以外，我们必须在整个系统的设计，特别是架构的设计上下更多功夫。14纳米之后的一些产品可能业界只有三到四家代工厂可以做。而这几家工厂的技术也在趋同。如果要实现产品的差异化，必须在设计、架构、封装和软件开发等领域寻找新的机会。”

多点开花

苏姿丰告诉记者，未来AMD的技术创新将在多个领域展开，不过首要的任务还是实现组件的大集成，比如以异构系统架构（HSA）为依托，将CPU、GPU和能够实现性能加速的技术，包括视频处理、网络和计算方面的功能技术，全部集成到一个片上系统中，达到更高的集成度和性能。

APU领域最大的亮点是AMD将于今年下半年推出的代号叫为“Carrizo”的APU。CarrizoAPU是专为笔记本电脑和低功耗桌面电脑设计的。它在功耗方面有了极大改进。通过先进的系统级芯片设计和采用多项全新的电源管理技术，Carrizo的每瓦性能比提升40%。所以，Carrizo不仅具有低功耗，而且还有更高的性能和更小的晶片面积。

在半导体产业持续创新的过程中，正是由于软件发展的相对滞后，才造成了GPU等性能的瓶颈。苏姿丰认为，软件是不容忽视的力量。AMD已经清楚地认识到这个问题，并从以下几方面增强了对软件的投入：第一，开发新的软件驱动程序，增强AMD的硬件能力;第二，在基础架构和软件工具上下功夫，比如开发支持异构计算的软件架构，让CPU+图形处理器的编程更加容易;第三，在应用方面，加强与游戏等合作伙伴的协作开发，让这些应用软件在AMD的硬件平台上可以发挥更高的性能。

在近期举行的游戏开发者大会上，AMD宣布了一个新的软件开发项目――LiquidVR技术，加强了在虚拟现实领域的创新。在图形应用领域，虚拟现实技术是最难实现的，它需要强大的图形运算能力。AMD提供的开发工具软件包，能够让开发人员更有效地利用GPU的相关功能，让虚拟现实技术更好落地。

AMD是“融合”策略的倡导者和坚定执行者。AMD一直致力于CPU与GPU的融合，同时又开创性地提出了x86与ARM的“双架构”战略。苏姿丰解释说：“我们之所以采用‘双架构’策略，主要是考虑到市场的容量。考虑到AMD在高性能运算、图形处理方面的技术特长和丰富经验，以及AMD是当前业内唯一一家能同时提供x86和ARM解决方案的公司，AMD采取了多元化的产品策略。”

AMD的投资集中在核心的知识产权领域，包括微处理器的核心、图形处理等。这些技术和知识产权可以为所有产品线共用，不管是服务器、PC还是嵌入式或消费类产品。AMD的策略是不断优化上述产品，以期获得更大的投资回报。

生态圈很重要

这是AMD公司首次参加SEMICONChina大会。苏姿丰表示，半导体行业的发展，特别是中国半导体生态圈的发展对于AMD公司未来的发展十分重要。

目前，中国的半导体产业正处于一个关键的转折点。政府的扶持与大力投资为半导体行业的发展提供了巨大动力。AMD将如何利用这一机遇，实现自身业务的飞跃性发展呢？

苏姿丰介绍说：“AMD进入中国已有22年的历史，最初以销售为切入点，现在则形成了包括设计、制造、销售和服务在内的立体发展模式。政府对半导体产业的扶持对于整个行业的发展来说是有利的。我们一直在积极寻求与中国合作伙伴在技术和一些特定市场上进行深入的合作。”

AMD全球副总裁兼大中华区董事总经理潘晓明举例说，政府的新规降低了申请网吧营业执照的门槛，并鼓励把网吧变成一个新型的业态。AMD响应政府的号召，与业内合作伙伴一起，为网吧客户提供具有中国特色的包括软硬件在内的完整解决方案和体验中心。此外，AMD还与中国的高校进行广泛合作，不仅培训教师，而且举办“AMD中国高校加速计算竞赛”，推广APU等先进技术。

纳米技术的案例范文篇10

这是一个小型印刷厂车间,面积只有70平方米左右,不到两节地铁车厢那么大。车间有七名女性和一名男性工人,每天的工作是将一种白色涂料喷到有机玻璃板上。

不幸很快就降临在这些工人的身上:七名女工相继发病,其中两名女工去世。

在2009年9月号的《欧洲呼吸杂志》(EuropeanRespiratoryJournal)上,首都医科大学附属朝阳医院(下称朝阳医院)医生宋玉果及其同事发表研究论文称,上述女工“所患的可能是‘一种与纳米材料有关的疾病’”。

这大概是全球首宗关于纳米颗粒可能致命的临床毒理病例报告。论文的发表,在国际学术界引发了一场小型“地震”。无论那些与纳米技术有关的学术会议,还是科学新闻网站和科学家博客,中国女工之死和纳米安全都是激烈争论的话题。

喷涂车间悲剧

从研究论文披露的情况看,七位女工的年龄在18岁至47岁之间,平均不到30岁,在车间工作的时间从5个月至13个月不等。患病之前,她们的身体健康状况良好。

2007年1月至2008年4月期间,这几位女工被送到朝阳医院职业病与中毒科救治。这个科室专业水准较高,其医生经常被派往中国各个地方,协助处理血铅超标、重金属污染等职业安全事件。

女工们的症状比较类似。所有病人的肺部都受到严重损害,并且有胸腔积液,脸上、手上和胳膊也都出现了严重的瘙痒皮疹。其中,有四位女工体内的器官组织还面临缺血缺氧的危险。

无论对于患者,还是对于医生,治疗过程都令人煎熬。胸腔积液反复出现,常用的治疗方法均告失效。

最终,一名19岁的病人在接受外科手术16天之后去世;另外一名29岁的病人在症状出现后的第21个月,死于呼吸衰竭。

负责诊断和治疗这些女工的,是朝阳医院职业病与中毒科副主任医师宋玉果。根据医院网站的介绍,他多年来从事尘肺、有毒化学物中毒的诊治和临床研究。

宋玉果及其同事开始追究女工们患病的原因,并将嫌疑对象锁定为那个印刷厂车间的工作环境。

该车间所使用的原料是一种象牙白色的聚合物材料――聚丙烯酸酯混合物。聚丙烯酸酯作为一种黏合剂,广泛运用于建筑、印刷和装修材料中,被认为毒性很低。不过,为了让材料更加结实和耐磨,制造商有时会加入硅、锌氧化物、二氧化钛等金属纳米颗粒。

1纳米等于1米的十亿分之一,大致相当于人头发丝直径的数万分之一。通常,粒径在100纳米以下的材料,均被称为纳米材料。

七名女工和一名男工被分为两组,每天工作8个至12个小时。工人们每天要将大约6000克聚丙烯酸酯混合物,用勺子涂到机器的底盘上;这些混合物随即被高压喷射装置喷涂在聚苯乙烯材质的有机玻璃板上;然后,有机玻璃板在75摄氏度至100摄氏度的温度下被加热烘干。

车间只有一扇门,没有窗户。喷射装置附带有一个燃气排气口,对喷涂过程中产生的烟雾起到一定的排除作用。

女工们发病以后,来自中国疾病预防控制中心、北京疾病预防控制中心、当地疾病预防控制中心的流行病学专家,以及朝阳医院的医生,对这家印刷厂的工作环境进行了调查。

在喷射装置燃气排气口的吸气口中,专家们找到了累积的尘埃粒子。女工们发病前五个月,燃气排气口发生了故障。由于室外温度很低,车间的门也经常被关闭。专家们推断,在这期间,车间内的空气流动非常缓慢甚至处于静止。

这些工人都是工厂附近的农民,没有任何职业安全卫生知识。她们所得到的惟一用来保护自己的工具,就是棉纱口罩。而且,她们工作时只是偶尔戴戴。

据工人们反映,在喷涂过程中,经常会有一些原料喷溅到他们的脸上和胳膊上。惟一的一名男性工人在工作三个多月后离开,并没有显示出任何症状。在其他车间工作的工人,其中包括女工们的亲属,也没有出现类似症状。

研究论文没有透露这家印刷厂的名称及其所在地区。在朝阳医院的办公室,宋玉果也谢绝了《财经》记者的采访。

女工之死谜团

在女工们的肺部和胸液中,均发现了直径约30纳米的颗粒。而这般尺寸和形态的颗粒,同样存在于她们接触的喷涂材料之中。

此外,女工们出现了罕见的非特异性间质性肺炎,以及奇特的肺部增生组织――异物肉芽肿等症状。这些症状与纳米材料毒理的动物实验结果相似。

宋玉果及其同事因此认为,很可能是纳米颗粒导致这些女工发病甚至死亡。

但不少专家对这一结论持有保留态度。

9月1日至3日,在北京举行的中国国际纳米科技会议上,多位专家提及宋玉果及其同事的论文。

美国纳米健康联盟(AllianceforNanoHealth)主席、得克萨斯大学医学中心教授毛罗法・拉利(MauroFerrari)告诉《财经》记者,这篇论文非常重要,但他不认同作者关于纳米颗粒导致工人患病和死亡的分析。

法拉利说,要确定纳米颗粒与疾病之间的关系,首先应该分析纳米颗粒的组分,确认这些颗粒来自工作环境;即便病人肺部的纳米颗粒来自工作环境,在没有对照试验的情况下,也很难证明这些纳米颗粒一定是女工患病的罪魁祸首。

他还强调,这家印刷厂的工作环境恶劣而封闭,有毒化学品和气体充斥其中,工人们又没有好的保护措施。这些因素对于工人患病和死亡究竟有怎样的作用,都值得推敲。

对于论文中的一个推论――纳米颗粒进入工人身体的途径是吸入和皮肤接触,中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮表示,这并不总是正确的。他强调,通过吸入方式进人体内是可能的,但是纳米颗粒穿过皮肤直接进入生物体内的证据还很少。

美国麻省大学洛厄尔分校健康与环境学院助理教授迪米特尔・贝罗(DhimiterBello)因故取消了行程,未能到北京参加此次学术会议。但他通过电邮对《财经》记者说,在工人肺部和工作环境中都发现纳米颗粒,只能说明纳米颗粒有可能是一个致病因素。实际上,从论文提供的信息来看,并不能排除其他的可能致病因素。例如,喷涂过程中用到的聚合物材料在高温下的降解产物,也可能是主要或者惟一造成女工患病的原因。

在贝罗看来,这场悲剧或许不应归咎于纳米颗粒,而应怪罪车间内原始的、不人道的工作条件,“这是一次警醒,无论(悲剧)是否与纳米颗粒相关,工作场所的暴露条件都应当被控制在安全范围内。在这方面,中国还有很长的路要走。”

美国加州大学洛杉矶分校纳米毒理研究中心主任安德烈・内奥教授(AndreNel)也说,在这起事件中,工人们没有得到应有的生产安全保障,政府部门应该负起监督的责任,以保证生产过程中不会产生对人体和环境有害的物质。

实际上,论文本身也承认了研究存在局限:由于缺乏环境监测数据,无法弄清印刷厂车间纳米颗粒的浓度;纳米颗粒的组成也不清楚。

此外,令宋玉果及其同事疑惑的是,究竟是特定的纳米颗粒,还是所有纳米颗粒都有可能致病?如果的确是纳米颗粒导致那些女工患病,对其他在工作中也会接触纳米颗粒的工人来说,又意味着什么?

如今,关于女工之死的研究论文已经成为了纳米技术研究者们的一个热点话题。据《财经》记者了解,欧洲和美国还有科学家打算组成一个专家小组,到中国开展调研,并希望取到样品回去研究。

诱人前景与安全隐患

不管纳米颗粒是否被确认为几位女工悲惨命运的元凶,纳米技术的安全性问题都因此再度引发各界关注。

纳米技术正在走进人们的生活。从一桶涂料、一瓶防晒霜到一件衣服,都有可能用到纳米技术。

纳米材料颗粒小、表面积巨大,会显示出很多独特的物理化学性质,从而在电子、光学、磁学、能源化工、生物医学、环境保护等领域有巨大的应用前景。例如,很多纳米材料都可用作涂料,替代那些强毒性的化学物质;用碳纳米管等纳米材料改良电池,可以推动电动汽车的发展,使电力更持久等。

纽约一家名为“卢克斯研究”的市场分析公司称,2007年销售的纳米技术相关产品,价值约1470亿美元。到2015年,这一数字可能突破3万亿美元。

纳米技术在展现出诱人前景的同时,其安全性问题也进入了人们的视野。

随着纳米材料的大规模应用,研究人员和工人容易暴露在纳米颗粒浓度较大的实验室或生产车间之中。此外,普通公众也可能暴露在纳米颗粒之下:涂料、化妆品等产品中用到的纳米材料,可能在产品损坏或分解时释放。

这些纳米颗粒物可能经过呼吸道吸入、胃肠道摄入、药物注射等方式进入人体,并经过淋巴和血液循环,转运到全身各个器官。

根据多项流行病学研究,空气中的细颗粒物,尤其是纳米级别的颗粒物,浓度的大量增加会导致死亡率的增加。伦敦大雾曾经导致居民大量死亡,就是一个被经常引用的案例。

那么,人造的纳米材料进入人体后,是否会导致特殊的生物效应,并对人体健康构成危害呢?从理论上说,纳米物质由于尺寸小,与常规物质相比更容易透过人体的各道屏障;由于表面积大,也可能有更多毒害人体的方式。

朝阳医院的宋玉果在8月31日《健康报》发表文章说,相关的动物实验研究发现,许多纳米物质具有明显的毒性,其中研究较多的为碳纳米管、纳米二氧化钛等。一些纳米物质还被认为可致动物肺脏、肝脏、肾脏和血液系统等损伤。

对于与纳米物质相关的疾病,宋玉果称之为“纳米相关物质疾病”。当然,他也表示,公众不必为纳米物质相关疾病感到恐慌,不是所有纳米颗粒物都有毒性。

动物毒理性实验的结果,也不能简单地推到人的身上。但由于科学界对纳米安全性的研究刚刚开始,几乎没有任何相关人体毒理性资料――这也是宋玉果及其同事的论文引起国际科学界高度关注的一个原因。

中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室主任赵宇亮告诉《财经》记者,目前开展过安全性研究的纳米材料只有十几种,还非常有限。但他相信,随着研究队伍的壮大和研究投入的加大,将来必定可以从大量的数据积累中寻找到一些规律。

在国际上,纳米安全性研究的热潮大约始于2003年。《科学》和《自然》等著名学术杂志纷纷发表文章,探讨纳米材料与纳米技术的安全问题:纳米颗粒对人体健康、自然环境和社会安全等是否有潜在的负面影响。

这之后,各国明显增加了纳米安全性方面的研究。美国的国家纳米技术计划(NNI)将总预算的11%投入纳米健康与环境研究。欧盟每年支持三个左右与此相关的项目,每个项目的经费规模在300万至500万欧元之间,而欧盟各个国家还有自己国内支持的纳米安全性项目。

中国在极力推进纳米技术研究和产业化的同时,也开展了纳米安全性的研究。其中,中国科学院在2001年就开始筹建纳米生物效应与安全性实验室。科技部在2006年启动了为期五年的国家重点基础研究发展计划(即“973”计划)项目“人造纳米材料的生物安全性研究及解决方案探索”,经费2500万元,首席科学家由赵宇亮担任。

不过,赵宇亮告诉《财经》记者,与美国和欧盟相比,中国在纳米安全性研究上的投入只是“一个零头”。

政治决策与公共参与

中国科学家在纳米安全性方面的研究工作,得到了国际同行的认可。其中,在每年召开的与纳米毒理学相关的国际会议上,几乎都会邀请中国科学家作大会报告。赵宇亮还与其他科学家共同主编了第一本纳米毒理学英文专著。美国纳米健康联盟主席法拉利称,中国科学家是纳米毒理学研究领域的领导者之一。

不过,令赵宇亮感到尴尬的是,美国国家纳米技术协调办公室的官员曾经问他,包括美国、欧盟、英国、日本等很多国家的相关管理部门,都发表了对于纳米技术安全性的调研报告、方针和策略,为什么中国没有?对此,赵宇亮不知如何回答是好。

在美国和欧盟,纳米技术及其安全性已经成为政治家们关心的话题之一。它们的环保部门、国家科学与技术委员会,以及其他政府研究机构,会通过白皮书等文件形式,发表政府层面对于纳米安全性问题的见解。

其中,2001年,美国在国家科学技术委员会之下建立了国家纳米技术协调办公室,负责协调政府层面之间的纳米研究计划。而纳米研究项目的成果,会通过这个办公室反馈给其他政府机构,帮助科学研究去影响政府决策。

2009年3月,美国食品药品监督管理局(FDA)还了一份有关纳米技术的合作倡议。该局将与纳米健康联盟旗下的八个研究机构合作,以加快建立保障纳米医疗产品安全可靠的有效体系。法拉利告诉《财经》记者,在实验室研究结果与安全性评估的关联,以及纳米技术相关药物的审批等方面,美国食品药品监督管理局都做了很多工作。

相比之下,纳米安全性在中国似乎局限于科学研究的阶段,政府部门仍然保持沉默。

对于纳米技术的研究和产业化,各国都在积极支持。其原因正如美国《环境健康展望》杂志所称,科学界普遍认为,纳米材料和纳米技术对于社会是十分有益的,能够提供更好的药物、更强更轻的产品、对环境更友好的能源和环境技术。

与此同时,为了获得公众对于纳米技术发展的支持,各国也需要在纳米安全性方面进行更多的研究,同时鼓励公众参与。在中国纳米国际科技会议的闭幕式上,法拉利也特地呼吁加大公众在纳米安全性研究上的参与程度。

实际上,关于纳米技术发展的“风险预防”原则,在欧洲和美国等地正深入人心――人们希望在纳米技术等新技术的风险出现之前,尽可能地提前进行防范和干预。而公众及早参与到纳米技术研究和政策的讨论,是“风险预防”实践的关键环节之一。

英国杜伦大学风险研究所负责人菲尔・麦克纳顿(PhilMacnaghten)教授告诉《财经》记者,要想避免纳米技术重蹈转基因技术的覆辙,让公众从“上游”参与讨论影响纳米技术的研究和政策,或许是一个有效的办法。如果等到技术发展之后再让公众在“下游”参与,可能为时已晚,“很难改变公众业已形成的印象和认识”。

纳米技术的案例范文篇11

关键词：纳米科学纳米技术纳米管纳米线纳米团簇半导体

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

纳米科学和技术所涉及的是具有尺寸在1-100纳米范围的结构的制备和表征。在这个领域的研究举世瞩目。例如，美国政府2001财政年度在纳米尺度科学上的投入要比2000财政年增长83%，达到5亿美金。有两个主要的理由导致人们对纳米尺度结构和器件的兴趣的增加。第一个理由是，纳米结构（尺度小于20纳米）足够小以至于量子力学效应占主导地位，这导致非经典的行为，譬如，量子限制效应和分立化的能态、库仑阻塞以及单电子邃穿等。这些现象除引起人们对基础物理的兴趣外，亦给我们带来全新的器件制备和功能实现的想法和观念，例如，单电子输运器件和量子点激光器等。第二个理由是，在半导体工业有器件持续微型化的趋势。根据“国际半导体技术路向（2001）“杂志，2005年前动态随机存取存储器（DRAM）和微处理器（MPU）的特征尺寸预期降到80纳米，而MPU中器件的栅长更是预期降到45纳米。然而，到2003年在MPU制造中一些不知其解的问题预期就会出现。到2005年类似的问题将预期出现在DRAM的制造过程中。半导体器件特征尺寸的深度缩小不仅要求新型光刻技术保证能使尺度刻的更小，而且要求全新的器件设计和制造方案，因为当MOS器件的尺寸缩小到一定程度时基础物理极限就会达到。随着传统器件尺寸的进一步缩小，量子效应比如载流子邃穿会造成器件漏电流的增加，这是我们不想要的但却是不可避免的。因此，解决方案将会是制造基于量子效应操作机制的新型器件，以便小物理尺寸对器件功能是有益且必要的而不是有害的。如果我们能够制造纳米尺度的器件，我们肯定会获益良多。譬如，在电子学上，单电子输运器件如单电子晶体管、旋转栅门管以及电子泵给我们带来诸多的微尺度好处，他们仅仅通过数个而非以往的成千上万的电子来运作，这导致超低的能量消耗，在功率耗散上也显著减弱，以及带来快得多的开关速度。在光电子学上，量子点激光器展现出低阈值电流密度、弱阈值电流温度依赖以及大的微分增益等优点，其中大微分增益可以产生大的调制带宽。在传感器件应用上，纳米传感器和纳米探测器能够测量极其微量的化学和生物分子，而且开启了细胞内探测的可能性，这将导致生物医学上迷你型的侵入诊断技术出现。纳米尺度量子点的其他器件应用，比如，铁磁量子点磁记忆器件、量子点自旋过滤器及自旋记忆器等，也已经被提出，可以肯定这些应用会给我们带来许多潜在的好处。总而言之，无论是从基础研究（探索基于非经典效应的新物理现象）的观念出发，还是从应用（受因结构减少空间维度而带来的优点以及因应半导体器件特征尺寸持续减小而需要这两个方面的因素驱使）的角度来看，纳米结构都是令人极其感兴趣的。

II.纳米结构的制备———首次浪潮

有两种制备纳米结构的基本方法：build-up和build-down。所谓build-up方法就是将已预制好的纳米部件（纳米团簇、纳米线以及纳米管）组装起来；而build-down方法就是将纳米结构直接地淀积在衬底上。前一种方法包含有三个基本步骤：1）纳米部件的制备；2）纳米部件的整理和筛选；3）纳米部件组装成器件（这可以包括不同的步骤如固定在衬底及电接触的淀积等等）。“build-up“的优点是个体纳米部件的制备成本低以及工艺简单快捷。有多种方法如气相合成以及胶体化学合成可以用来制备纳米元件。目前，在国内、在香港以及在世界上许多的实验室里这些方法正在被用来合成不同材料的纳米线、纳米管以及纳米团簇。这些努力已经证明了这些方法的有效性。这些合成方法的主要缺点是材料纯洁度较差、材料成份难以控制以及相当大的尺寸和形状的分布。此外，这些纳米结构的合成后工艺再加工相当困难。特别是，如何整理和筛选有着窄尺寸分布的纳米元件是一个至关重要的问题，这一问题迄今仍未有解决。尽管存在如上的困难和问题，“build-up“依然是一种能合成大量纳米团簇以及纳米线、纳米管的有效且简单的方法。可是这些合成的纳米结构直到目前为止仍然难以有什么实际应用，这是因为它们缺乏实用所苛求的尺寸、组份以及材料纯度方面的要求。而且，因为同样的原因用这种方法合成的纳米结构的功能性质相当差。不过上述方法似乎适宜用来制造传感器件以及生物和化学探测器，原因是垂直于衬底生长的纳米结构适合此类的应用要求。

“Build-down”方法提供了杰出的材料纯度控制，而且它的制造机理与现代工业装置相匹配，换句话说，它是利用广泛已知的各种外延技术如分子束外延(MBE)、化学气相淀积（MOVCD）等来进行器件制造的传统方法。“Build-down”方法的缺点是较高的成本。在“build-down”方法中有几条不同的技术路径来制造纳米结构。最简单的一种，也是最早使用的一种是直接在衬底上刻蚀结构来得到量子点或者量子线。另外一种是包括用离子注入来形成纳米结构。这两种技术都要求使用开有小尺寸窗口的光刻版。第三种技术是通过自组装机制来制造量子点结构。自组装方法是在晶格失配的材料中自然生长纳米尺度的岛。在Stranski-Krastanov生长模式中，当材料生长到一定厚度后，二维的逐层生长将转换成三维的岛状生长，这时量子点就会生成。业已证明基于自组装量子点的激光器件具有比量子阱激光器更好的性能。量子点器件的饱和材料增益要比相应的量子阱器件大50倍，微分增益也要高3个量级。阈值电流密度低于100A/cm2、室温输出功率在瓦特量级（典型的量子阱基激光器的输出功率是5-50mW）的连续波量子点激光器也已经报道。无论是何种材料系统，量子点激光器件都预期具有低阈值电流密度，这预示目前还要求在大阈值电流条件下才能激射的宽带系材料如III组氮化物基激光器还有很大的显著改善其性能的空间。目前这类器件的性能已经接近或达到商业化器件所要求的指标，预期量子点基的此类材料激光器将很快在市场上出现。量子点基光电子器件的进一步改善主要取决于量子点几何结构的优化。虽然在生长条件上如衬底温度、生长元素的分气压等的变化能够在一定程度上控制点的尺寸和密度，自组装量子点还是典型底表现出在大小、密度及位置上的随机变化，其中仅仅是密度可以粗糙地控制。自组装量子点在尺寸上的涨落导致它们的光发射的非均匀展宽，因此减弱了使用零维体系制作器件所期望的优点。由于量子点尺寸的统计涨落和位置的随机变化，一层含有自组装量子点材料的光致发光谱典型地很宽。在竖直叠立的多层量子点结构中这种谱展宽效应可以被减弱。如果隔离层足够薄，竖直叠立的多层量子点可典型地展现出竖直对准排列，这可以有效地改善量子点的均匀性。然而，当隔离层薄的时候，在一列量子点中存在载流子的耦合，这将失去因使用零维系统而带来的优点。怎样优化量子点的尺寸和隔离层的厚度以便既能获得好均匀性的量子点又同时保持载流子能够限制在量子点的个体中对于获得器件的良好性能是至关重要的。

很清楚纳米科学的首次浪潮发生在过去的十年中。在这段时期，研究者已经证明了纳米结构的许多崭新的性质。学者们更进一步征明可以用“build-down”或者“build-up”方法来进行纳米结构制造。这些成果向我们展示，如果纳米结构能够大量且廉价地被制造出来，我们必将收获更多的成果。

在未来的十年中，纳米科学和技术的第二次浪潮很可能发生。在这个新的时期，科学家和工程师需要征明纳米结构的潜能以及期望功能能够得到兑现。只有获得在尺寸、成份、位序以及材料纯度上良好可控能力并成功地制造出实用器件才能实现人们对纳米器件所期望的功能。因此，纳米科学的下次浪潮的关键点是纳米结构的人为可控性。

III.纳米结构尺寸、成份、位序以及密度的控制——第二次浪潮

为了充分发挥量子点的优势之处，我们必须能够控制量子点的位置、大小、成份已及密度。其中一个可行的方法是将量子点生长在已经预刻有图形的衬底上。由于量子点的横向尺寸要处在10-20纳米范围（或者更小才能避免高激发态子能级效应，如对于GaN材料量子点的横向尺寸要小于8纳米）才能实现室温工作的光电子器件，在衬底上刻蚀如此小的图形是一项挑战性的技术难题。对于单电子晶体管来说，如果它们能在室温下工作，则要求量子点的直径要小至1-5纳米的范围。这些微小尺度要求已超过了传统光刻所能达到的精度极限。有几项技术可望用于如此的衬底图形制作。

—电子束光刻通常可以用来制作特征尺度小至50纳米的图形。如果特殊薄膜能够用作衬底来最小化电子散射问题，那特征尺寸小至2纳米的图形可以制作出来。在电子束光刻中的电子散射因为所谓近邻干扰效应（proximityeffect）而严重影响了光刻的极限精度，这个效应造成制备空间上紧邻的纳米结构的困难。这项技术的主要缺点是相当费时。例如，刻写一张4英寸的硅片需要时间1小时，这不适宜于大规模工业生产。电子束投影系统如SCALPEL（scatteringwithangularlimitationprojectionelectronlithography）正在发展之中以便使这项技术较适于用于规模生产。目前，耗时和近邻干扰效应这两个问题还没有得到解决。

—聚焦离子束光刻是一种机制上类似于电子束光刻的技术。但不同于电子束光刻的是这种技术并不受在光刻胶中的离子散射以及从衬底来的离子背散射影响。它能刻出特征尺寸细到6纳米的图形，但它也是一种耗时的技术，而且高能离子束可能造成衬底损伤。

—扫描微探针术可以用来划刻或者氧化衬底表面，甚至可以用来操纵单个原子和分子。最常用的方法是基于材料在探针作用下引入的高度局域化增强的氧化机制的。此项技术已经用来刻划金属（Ti和Cr）、半导体（Si和GaAs）以及绝缘材料（Si3N4和silohexanes），还用在LB膜和自聚集分子单膜上。此种方法具有可逆和简单易行等优点。引入的氧化图形依赖于实验条件如扫描速度、样片偏压以及环境湿度等。空间分辨率受限于针尖尺寸和形状（虽然氧化区域典型地小于针尖尺寸）。这项技术已用于制造有序的量子点阵列和单电子晶体管。这项技术的主要缺点是处理速度慢（典型的刻写速度为1mm/s量级）。然而，最近在原子力显微术上的技术进展—使用悬臂樑阵列已将扫描速度提高到4mm/s。此项技术的显著优点是它的杰出的分辨率和能产生任意几何形状的图形能力。但是，是否在刻写速度上的改善能使它适用于除制造光刻版和原型器件之外的其他目的还有待于观察。直到目前为止，它是一项能操控单个原子和分子的唯一技术。

—多孔膜作为淀积掩版的技术。多孔膜能用多种光刻术再加腐蚀来制备，它也可以用简单的阳极氧化方法来制备。铝膜在酸性腐蚀液中阳极氧化就可以在铝膜上产生六角密堆的空洞，空洞的尺寸可以控制在5-200nm范围。制备多孔膜的其他方法是从纳米沟道玻璃膜复制。用这项技术已制造出含有细至40nm的空洞的钨、钼、铂以及金膜。

—倍塞（diblock）共聚物图形制作术是一种基于不同聚合物的混合物能够产生可控及可重复的相分离机制的技术。目前，经过反应离子刻蚀后，在旋转涂敷的倍塞共聚物层中产生的图形已被成功地转移到Si3N4膜上，图形中空洞直径20nm，空洞之间间距40nm。在聚苯乙烯基体中的自组织形成的聚异戊二烯（polyisoprene）或聚丁二烯（polybutadiene）球（或者柱体）可以被臭氧去掉或者通过锇染色而保留下来。在第一种情况，空洞能够在氮化硅上产生；在第二种情况，岛状结构能够产生。目前利用倍塞共聚物光刻技术已制造出GaAs纳米结构，结构的侧向特征尺寸约为23nm,密度高达1011/cm2。

—与倍塞共聚物图形制作术紧密相关的一项技术是纳米球珠光刻术。此项技术的基本思路是将在旋转涂敷的球珠膜中形成的图形转移到衬底上。各种尺寸的聚合物球珠是商业化的产品。然而，要制作出含有良好有序的小尺寸球珠薄膜也是比较困难的。用球珠单层膜已能制备出特征尺寸约为球珠直径1/5的三角形图形。双层膜纳米球珠掩膜版也已被制作出。能够在金属、半导体以及绝缘体衬底上使用纳米球珠光刻术的能力已得到确认。纳米球珠光刻术（纳米球珠膜的旋转涂敷结合反应离子刻蚀）已被用来在一些半导体表面上制造空洞和柱状体纳米结构。

—将图形从母体版转移到衬底上的其他光刻技术。几种所谓“软光刻“方法，比如复制铸模法、微接触印刷法、溶剂辅助铸模法以及用硬模版浮雕法等已被探索开发。其中微接触印刷法已被证明只能用来刻制特征尺寸大于100nm的图形。复制铸模法的可能优点是ellastometric聚合物可被用来制作成一个戳子，以便可用同一个戳子通过对戳子的机械加压能够制作不同侧向尺寸的图形。在溶剂辅助铸模法和用硬模版浮雕法（或通常称之为纳米压印术）之间的主要差异是，前者中溶剂被用于软化聚合物，而后者中软化聚合物依靠的是温度变化。溶剂辅助铸模法的可能优点是不需要加热。纳米压印术已被证明可用来制作具有容量达400Gb/in2的纳米激光光盘，在6英寸硅片上刻制亚100nm分辨的图形，刻制10nmX40nm面积的长方形，以及在4英寸硅片上进行图形刻制。除传统的平面纳米压印光刻法之外，滚轴型纳米压印光刻法也已被提出。在此类技术中温度被发现是一个关键因素。此外，应该选用具有较低的玻璃化转变温度的聚合物。为了取得高产，下列因素要解决：

1）大的戳子尺寸

2）高图形密度戳子

3）低穿刺（lowsticking）

4）压印温度和压力的优化

5）长戳子寿命。

具有低穿刺率的大尺寸戳子已经被制作出来。已有少量研究工作在试图优化压印温度和压力，但显然需要进行更多的研究工作才能得到温度和压力的优化参数。高图形密度戳子的制作依然在发展之中。还没有足够量的工作来研究戳子的寿命问题。曾有研究报告报道，覆盖有超薄的特氟隆类薄膜的模板可以用来进行50次的浮刻而不需要中间清洗。报告指出最大的性能退化来自于嵌在戳子和聚合物之间的灰尘颗粒。如果戳子是从ellastometric母版制作出来的，抗穿刺层可能需要使用，而且进行大约5次压印后需要更换。值得关心的其他可能问题包括镶嵌的灰尘颗引起的戳子损伤或聚合物中图形损伤，以及连续压印之间戳子的清洗需要等。尽管进一步的优化和改良是必需的，但此项技术似乎有希望获得高生产率。压印过程包括对准、加热及冷却循环等，整个过程所需时间大约20分钟。使用具有较低玻璃化转换温度的聚合物可以缩短加热和冷却循环所需时间，因此可以缩短整个压印过程时间。

IV．纳米制造所面对的困难和挑战

上述每一种用于在衬底上图形刻制的技术都有其优点和缺点。目前，似乎没有哪个单一种技术可以用来高产量地刻制纳米尺度且任意形状的图形。我们可以将图形刻制的全过程分成下列步骤：

1．在一块模版上刻写图形

2．在过渡性或者功能性材料上复制模版上的图形

3．转移在过渡性或者功能性材料上复制的图形。

很显然第二步是最具挑战性的一步。先前描述的各项技术，例如电子束光刻或者扫描微探针光刻技术，已经能够刻写非常细小的图形。然而，这些技术都因相当费时而不适于规模生产。纳米压印术则因可作多片并行处理而可能解决规模生产问题。此项技术似乎很有希望，但是在它能被广泛应用之前现存的严重的材料问题必须加以解决。纳米球珠和倍塞共聚物光刻术则提供了将第一步和第二步整合的解决方案。在这些技术中，图形由球珠的尺寸或者倍塞共聚物的成分来确定。然而，用这两种光刻术刻写的纳米结构的形状非常有限。当这些技术被人们看好有很大的希望用来刻写图形以便生长出有序的纳米量子点阵列时，它们却完全不适于用来刻制任意形状和复杂结构的图形。为了能够制造出高质量的纳米器件，不但必须能够可靠地将图形转移到功能材料上，还必须保证在刻蚀过程中引入最小的损伤。湿法腐蚀技术典型地不产生或者产生最小的损伤，可是湿法腐蚀并不十分适于制备需要陡峭侧墙的结构，这是因为在掩模版下一定程度的钻蚀是不可避免的，而这个钻蚀决定性地影响微小结构的刻制。另一方面，用干法刻蚀技术，譬如，反应离子刻蚀(RIE)或者电子回旋共振（ECR）刻蚀，在优化条件下可以获得陡峭的侧墙。直到今天大多数刻蚀研究都集中于刻蚀速度以及刻蚀出垂直墙的能力，而关于刻蚀引入损伤的研究严重不足。已有研究表明，能在表面下100nm深处探测到刻蚀引入的损伤。当器件中的个别有源区尺寸小于100nm时，如此大的损伤是不能接受的。还有就是因为所有的纳米结构都有大的表面-体积比，必须尽可能地减少在纳米结构表面或者靠近的任何缺陷。

随着器件持续微型化的趋势的发展，普通光刻技术的精度将很快达到它的由光的衍射定律以及材料物理性质所确定的基本物理极限。通过采用深紫外光和相移版，以及修正光学近邻干扰效应等措施，特征尺寸小至80nm的图形已能用普通光刻技术制备出。然而不大可能用普通光刻技术再进一步显著缩小尺寸。采用X光和EUV的光刻技术仍在研发之中，可是发展这些技术遇到在光刻胶以及模版制备上的诸多困难。目前来看，虽然也有一些具挑战性的问题需要解决，特别是需要克服电子束散射以及相关联的近邻干扰效应问题，但投影式电子束光刻似乎是有希望的一种技术。扫描微探针技术提供了能分辨单个原子或分子的无可匹敌的精度，可是此项技术却有固有的慢速度，目前还不清楚通过给它加装阵列悬臂樑能否使它达到可以接受的刻写速度。利用转移在自组装薄膜中形成的图形的技术，例如倍塞共聚物以及纳米球珠刻写技术则提供了实现成本不是那么昂贵的大面积图形刻写的一种可能途径。然而，在这种方式下形成的图形仅局限于点状或者柱状图形。对于制造相对简单的器件而言，此类技术是足够用的，但并不能解决微电子工业所面对的问题。需要将图形从一张模版复制到聚合物膜上的各种所谓“软光刻“方法提供了一种并行刻写的技术途径。模版可以用其他慢写技术来刻制，然后在模版上的图形可以通过要么热辅助要么溶液辅助的压印法来复制。同一块模版可以用来刻写多块衬底，而且不像那些依赖化学自组装图形形成机制的方法，它可以用来刻制任意形状的图形。然而，要想获得高生产率，某些技术问题如穿刺及因灰尘导致的损伤等问题需要加以解决。对一个理想的纳米刻写技术而言，它的运行和维修成本应该低，它应具备可靠地制备尺寸小但密度高的纳米结构的能力，还应有在非平面上刻制图形的能力以及制备三维结构的功能。此外，它也应能够做高速并行操作，而且引入的缺陷密度要低。然而时至今日，仍然没有任何一项能制作亚100nm图形的单项技术能同时满足上述所有条件。现在还难说是否上述技术中的一种或者它们的某种组合会取代传统的光刻技术。究竟是现有刻写技术的组合还是一种全新的技术会成为最终的纳米刻写技术还有待于观察。

另一项挑战是，为了更新我们关于纳米结构的认识和知识，有必要改善现有的表征技术或者发展一种新技术能够用来表征单个纳米尺度物体。由于自组装量子点在尺寸上的自然涨落，可信地表征单个纳米结构的能力对于研究这些结构的物理性质是绝对至关重要的。目前表征单个纳米结构的能力非常有限。譬如，没有一种结构表征工具能够用来确定一个纳米结构的表面结构到0.1À的精度或者更佳。透射电子显微术(TEM)能够用来研究一个晶体结构的内部情况，但是它不能提供有关表面以及靠近表面的原子排列情况的信息。扫描隧道显微术（STM）和原子力显微术（AFM）能够给出表面某区域的形貌，但它们并不能提供定量结构信息好到能仔细理解表面性质所要求的精度。当近场光学方法能够给出局部区域光谱信息时，它们能给出的关于局部杂质浓度的信息则很有限。除非目前用来表征表面和体材料的技术能够扩展到能够用来研究单个纳米体的表面和内部情况，否则能够得到的有关纳米结构的所有重要结构和组份的定量信息非常有限。

V.展望

纳米技术的案例范文1篇12

为什么说光学显微镜是有极限的？

显微镜的发明打开了通往微观世界的大门。显微镜的最早起源可追溯至1590年的荷兰，当一位眼镜商人的儿子在玩弄镜片时，偶然发现两块透镜在一定距离观察物体时，物像显得格外大。把两块透镜固定在直径不同的圆筒上，并使小圆筒能在大圆筒内自由滑动，这便成了今天显微镜的原始雏形。1665年，英国人罗伯特・胡克用他制作的显微镜观察树皮切片，看到一些密集排列的小孔，他称之为“cell”，现在我们沿用了这个名称，中文翻译为“细胞”。作为细胞的命名人，胡克当时所看到的其实并不是真正意义上的细胞。与胡克同时代的荷兰人列文虎克凭借他精心磨制的镜片制成了更精密的显微镜，第一次发现了血液里的细胞以及土壤中各种各样的微生物。

前面提到的显微镜是光学显微镜，也就是利用可见光，将微小物体形成放大影像的光学仪器。经过不断的改进，光学显微镜已经可以达到放大1600倍的效果了，这意味着科学家们可以辨别完整细胞，以及其中比较大的细胞器（如叶绿体、线粒体）的轮廓结构，但却无法分辨一个正常大小的病毒或者单个蛋白分子。那么，光学显微镜的放大效果有没有可能继续甚至是无限提高呢？

很遗憾，答案是否定的。光学显微镜的分辨率是有一个极限的，也就是说，用光学显微镜永远无法看到小于光波长一半的物体。这个极限被称为“阿贝极限”，它是德国物理学家、光学家恩斯特・阿贝于19世纪70年代提出来的。阿贝发现，可见光由于其波动特性，会发生衍射，因而光束不能聚焦到无限小。可见光波长范围为400纳米～780纳米，以可见光中波长最短的蓝紫光来说，其波长在400纳米左右，因此，如果两点之间的距离小于200纳米，我们将无法分辨出这两个点（如图1）。

一个多世纪以来，200纳米的“阿贝极限”一直被认为是光学显微镜理论上的分辨率极限，小于这个尺寸的物体必须借助电子显微镜才能观察。

电子显微镜是20世纪二三十年展起来的成像技术，它利用高能短波长电子束代替可见光作为光源，通过电子束与物体衍射作用工作，放大倍数可高达数十万倍。既然有了分辨率极高的电子显微镜，科学家是不是就没有必要再纠结于光学显微镜的分辨率极限了呢？并不是这样的。因为电子显微镜需要在真空条件下工作，还要经过复杂的标本处理过程，所以很难观察活的样本，而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。对于生物学家而言，还有什么比让细胞活生生地出现在眼前更令人激动的呢？

突破“阿贝极限”的两种方案

荧光显微镜也是一种光学显微镜，故同样跳不出“阿贝极限”，只不过利用荧光分子为细小的物体“标记”，科学家可以更有针对性地观察和追踪他们感兴趣的内容。在突破“阿贝极限”的方案中，有两种各自独立发展出来的技术方法。

如图1所示，光源一次把处于这个半径里面的粒子照亮，看起来模糊一片，根本无法分辨每一个粒子。斯特凡・黑尔想到一个绝妙的点子：既然一次都亮起来看不清，那我就分两步。简单来说，就是用两束激光，一束激光激发荧光分子发光（图2左），这个光斑已达分辨率的极限，不能再小了；另一束激光则比较特殊（图2中），就把它想象成一个“面包圈”吧！当两束光聚焦到同一个点上，第二束光就把第一束光给灭了，只有中间那个点没有灭掉（图2右），这更小的点便突破了分辨率的极限。这就是斯特凡・黑尔开发出的STED显微镜的原理，STED全名是StimulatedEmissionDepletion，意为受激发射损耗。斯特凡・黑尔正是利用这个原理，通过巧妙的设计，将STED显微镜的光斑尺寸变得非常小，然后用它一小点一小点地去扫描整个观察区域，就得到了分辨率高于传统光学显微镜的图像。

贝齐格和莫纳则通过各自的独立研究，为另一种显微镜技术――单分子荧光显微成像技术的发展奠定了基础。与STED不同，这种方法不是在显微镜的光斑尺寸上做文章，也不必先“点亮”再“熄灭”，而通过类似图像叠加的原理，巧妙地摆脱了“阿贝极限”的束缚。如图3示意，不是相邻两点之间的距离小于200纳米就无法分辨吗？那么，我们就依靠“开关”单个荧光分子，分别让不相邻且间距大于200纳米的两点发光，这样不就可以把它们区分开来吗？然后，再把每一次得到的图像叠加，用一定的数学方法加以处理，同样能得到分辨率高于传统光学显微镜的图像。

光学显微镜步入纳米时代

虽然这些新的光学显微技术可以使我们看到更小的物体，但并不意味着“阿贝极限”被了，科学家们只是另辟蹊径地绕过了这个障碍。一旦挣脱了极限的束缚，光学显微成像技术便向纳米尺度大幅迈进，并将为疾病研究和药物研发带来革命性变化。

以STED技术为例，它在理论上已经可以达到40纳米～50纳米的分辨率。从此以后，科学家们就能在显微镜下“实时”观察活体生物细胞内单个分子的运动情况了。他们可以观测分子如何在脑神经细胞之间建立突触，可以研究与帕金森氏症、阿尔茨海默氏症和亨廷顿氏症有关的蛋白质变化情况，还可以追踪胚胎内部细胞的分裂过程。这也正是3位获奖者以及其他许多科学家们目前所从事的工作。

3位获奖者的简介如下：

斯特凡・黑尔：1962年生于罗马尼亚，目前任职于德国马克斯・普朗克生物物理化学研究所和德国癌症研究所。