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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。发明类型名称时代起始时间工业工具石器公元前2200000年工业冶金青铜器公元前3500年工业蒸汽机工业1764自动化大规模生产—1906自动化计算机信息1946健康基因工程基因1953工业纳米技术纳米时代？1991自动化分子组装组装时代？2020？所有三类生命组装生命时代？2050？表1.1科学的发展史•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RichardFeynman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，因此它和普通化学是不同的。但是，纳米技术却基本涵盖了所有的化学、大部分物理学和分子生物学的知识。Feynman和Drexler提出的纳米技术概念现在看来应归于分子纳米技术，有时叫分子加工技术。分子加工技术的描述并不十分贴切，因为它和合成化学的定义非常相似。有时我们也采用分子工程等术语，但是这些术语涵盖了对于大于原子实体或基团的操作加工，即属于设计操作几十个或几百个原子大小的物质和设备等范畴。本书将涵盖这些领域。纳米技术给予我们更为广阔的思路，使我们可以在纳米尺度上设计全新的器件，比如可以利用小块晶体或生物材料进行加工，而不一定要将物质拆分到单个原子。由原子构筑的分子纳米技术的发展和应用进程将是缓慢的，因为我们需要时间来确定物质的临界点，在这一临界点我们只需要改变物质中为数不多的几个原子就会得到不同的材料。在第7章和第8章中，我们将讨论单电子晶体管，这是分子纳米技术快速商品化的实例之一。相对于自上而下（Topdown）的加工过程，用单个原子组建纳米器件会更有效，研究者可以达到在原子水平上控制物质结构和性能的最终目的•分子纳米技术的最大问题是利用它虽然可以得到一、两种分子纳米结构，但是却难于生产出众多的产品。我们需要能够大量制备纳米结构材料的机器，这种机器曾被称之为“装配器”。当我们能够生产这种装配器的时候，分子纳米技术将掀起一场前所未有的工业革命，其影响将超过以前所有的工业革命。•Drexler把装配器描述为一种在计算机控制下的纳米机器人。一个装配器就是一台纳米机器，但是非常特殊的是，装配器不但可以制造新的纳米机器，而且还可以在同一过程中实现自我复制。装配器能够有效控制和固定反应原子和分子，使这些分子和原子在精确区域内发生反应。通过一系列精确控制的化学反应以及分子自组装，将可以建造在原子尺度上十分精确的大型物体。如果需要的话，装配器可以实现自我复制。•装配器可以大规模的廉价地生产产品。在确保每一个原子能够被精确地安置的前提下，我们就可以生产高质量和性能可靠的产品。因为在制造过程中多余的分子可以再利用，所以是一种清洁制造过程。在类似方式的生产线上，一个组装器可以遵循一系列的指令组装任意的分子结构。通过对分子单元三维位置的定向控制，可以合成复杂的分子结构。同时，组装器可以形成各种不同类型的化学键。•这当然不是科幻小说。这些结构在生物体中已经存在，被称为核糖体。正是核糖体这一纳米器件制造了所有生物所需要的蛋白质。一典型核糖体只有几千立方纳米，但它能精确控制蛋白质基本构成单元－氨基酸的序列，进而合成蛋白质。核糖体通过一种RNA按序将特定的酶和氨基酸用化学键连接起来,也能控制氨基酸与多肽的反应，使氨基酸键联在多肽的末端。•就象核糖体依照信息载体RNA的指令而动作一样，装配器也需要一系列详细的控制信号。当然，这些控制信号不一定是RNA或者DNA，许多其它的信号编码也可以用来合成蛋白质以外的物质。在非生物纳米器件中，这些详细的控制信号可以由计算机提供，但是它必须是分子计算机，或者是与RNA相似的某种物质。对于分子计算机领域，如果不改变目前的思维方式，我们将无法进一步减小电子芯片的特征尺寸。•自然界中的一些现象为我们认识未来的纳米器件提供线索。细菌是一个典型的由生物计算机控制的具有自我复制功能的装配器。人类制造的纳米器件不会比细菌大，也许和病毒一样小，甚至可能就是一种病毒。1.2纳米技术分类和纳米机器•什么是纳米机器呢？正如前面所讨论过的，4万年前居住在洞穴中的人使用燧石作为工具，将合适的材料做成罐状和盘状来烧水。在那个时代，工具和机器的概念是很模糊的。单个工具组合起来就有新的用途，如刀和棍棒用绳子绑在一起就做成了矛，它是种武器，但同时亦是种工具。这些技术经过不断的发展进步，到现在我们能够作到这样：将物体分解开，然后把它们中的一部分进行再组合，造出极其复杂的机器。硅晶片和一些铜线连接在一起可以构成微型电路，再和其它一些元件组合就可以组成一台计算机。这些就是微型机器。•生物体可以认为是许多微型机器的集合体。如:除核糖体外，人体内还存在数目巨大的微型机器，把碳水化合物转变为二氧化碳，利用转变过程中产生能量来维持人的生命活动。此过程和在火力发电厂中进行的过程没有太大差别，不同的只是电厂利用煤而不是碳水化合物，且体积更为庞大而已。虽然人体内这些赋有生命的设备很小，但是它们却可以实现自我复制，所以它们比起燃煤发电设备更为复杂。•生命活动的单元，如隔膜，由多种化学物质组成，可以作为探测微量物质的机器。然而，许多宏观的有机体都是由成千上万种不同的纳米机器组合而成。例如，当光线照射到人的眼睛时，人就会产生脑电波。这是有机体将光能转变为电能，使大脑做出的反应。当然，与电子光栅相联系的眼组织也会自行复原。生物组织能够自我生长，自我复制，而且不受外界干扰。•随着科技的进步，许多机器和器件都微型化了。原来几米大的设备，现在已经缩小到几个厘米，甚至更小。表1.2列举了一些描述物体尺度的前缀。现在使用的许多机器，比如微电子器件，都是在微米尺寸上进行操作。实际上，毛细血管就具有和集成电路元件相类似的尺度。我们在纳米尺度上构筑微型机器是完全可能的。因为纳米是几个原子的尺度，因此我们必须利用原子、原子簇、分子来开展工作。事实上，轮盘状分子以及球状、链状和链轮状分子已经存在，这些形状在目前的机器设备中经常使用，但是在纳米技术领域里，这些形状将是在原子尺度上使用，而不是工厂车间规模上使用。制造由众多分子构成的复杂的分子机器是完全可能的，比如类似于拥有火车站、随时可以停止和启动火车的纳米铁路线。可以用作开关和晶体管类电子器件的分子是非常重要的。表1.2描述物体尺度的前缀前缀符号指数形式名称ExaE1018千兆兆PetaP1015兆兆TeraT1012万亿GigaG109十亿MegaM106百万KiloK103千UnityU100个CntiC10-2百分之一MilliM10-3千分之一MicroM10-6百万分之一NanoN10-9十亿分之一PicoP10-12万亿分之一FemtoF10-15兆兆分之一AttoA10-18千兆兆分一1.3元素周期表•化学家已经对具有纳米结构的分子研究了150多年。与纳米技术学家不同，过去，化学家不能看到原子，只能通过推测去了解分子的行为。原子理论指出物质都是由109种原子组成的，但过去这仅仅是一个理论。现在我们认识到这已不只是抽象的理论，因为我们可以通过透射电子显微镜（TEM）确确实实地观察到原子。•我们非常希望能了解这些元素的几百万种结合方法，以及如何将其应用于纳米技术。很幸运，元素周期表使我们能够这样去做。因为在元素周期表里，按照元素的原子量排列时，揭示了同一族元素性质有规则的变化趋势和规律。•元素周期表是根据元素之间相似的性质分类并按照一定的规律把1号到109号的元素排列得到的。分子纳米技术学家认为，元素只是用来构成物质的不同基本结构单元的集合体。你也许觉得奇怪，原子