王君学
从前，阿基米德说：“给我一根足够长的杠杆，那我就能够移动地球。”当今有人声称：“给我一足够短的杠杆，我就能够移动单个原子。”80年代末，IBM公司的研究人员借助一种用来研究原子特性的电子显微镜，竟然将35个疝原子移来移去并以极小的比例拼写出“IBM”三个字母来。单个原子真的移动了！此后，1991年IBM公司独出心裁，将一个个原子排成一个金字塔。日本人不甘落后，他们更先进一步，将一个个原子排出了一个三维立体的原子金字塔；日立公司已制成在室温下工作的单电子存储芯片，和现有的存储芯片相比，同样存储1比特信息，新存储器的功耗只是前者的百万分之一，面积仅为前者的万分之一。
如此能操纵单个原子的神奇技术，就是被观察家称之为“改变未来的十大技术”之一的“纳米技术”（或称纳诺技术）。纳米的量级是毫微米，等于千分之一微米或10-9米。人的一根头发丝直径大约70—80微米，1纳米的线度大约是一根发丝的十万分之一稍多一点。在纳米“小人国”里兴起的纳米技术，则是研究电子、原子、分子在0.1—100nm(纳米）尺度空间内的内在运动规律、内在运动特点并利用这些特性制造具有特定功能产品的高新科技。纳米技术是一门在现代物理学和新兴的高新工程技术相融合的基础上产生的科学，被看作是“超过半导体”的划时代技术。
纳米技术使纳米“小人国”别有一番天地。首先，纳米技术使传统的微电子技术迎来了“柳暗花明”的又一个春天。随着微电子技术的不断进步与发展，以硅、锗主要原材料为代表的集成电路芯片表面的元器件密度，正在超过人类大脑皮质表面细胞的密度（大脑皮层表面共约有140亿个神经细胞），使目前的微细加工线宽已进入深亚微米（小于0.35微米）量级。但集成电路的微细小型化并非无止境，其进一步开发将受到“物理极限”等实质性障碍和经济的制约。如要使线宽度减小到0.1微米（100纳米）以下，就要使用X射线的先进光刻技术。该技术难度大、成本也高，并且还受到电子的波动性的困扰。此外每个小晶体管都必须有线连接其每一个终端，随着填塞到一个小面积上的晶体管越来越多，接线和晶体管放出热量的散热问题也是不可忽视的问题。
为了绕开这些障碍，科学家则另辟蹊径，运用神奇的纳米技术使微电子迎来了明媚的春天。目前，纳米电子学技术已成功研制出单个电子晶体管，可使成群的电子运动由晶体管控制的状态改由单个电子晶体管控制单个电子运动的状态，即只需控制单个电子的运动状态就可达到特定的功效。值得一提的是，利用纳米量级空间内的“电子波动性”原理，可研制“量子芯片”，制造新一代的量子计算机。如1994年底，日本东芝公司与英国剑桥大学合办的东芝剑桥研究中心宣布取得一项突破：该中心已研制出制造“量子效应综合电路”工艺。这些芯片上的电子元件相当小，宽大约只有10个原子那么大。一块指甲盖大小的“量子芯片”，能容纳一万亿个存储元件或逻辑门，每秒可转换10亿次，实际上并不怎么消耗能量。据报道，世界各国的半导体商大多在试验量子器件。专家认为，纳米技术的不断发展，将导致微电子技术领域的革命。
其次，纳米材料功能奇特。科学研究表明，物质到了纳米级后，理化性质就会发生根本性的变化，具有常规晶体材料所不具备的奇异或反常的物理、化学性质。如铜到纳米级就不导电，而绝缘的二氧化硅，处于20纳米时却开始导电了；在室温下的纳米陶瓷材料，任凭如何弯曲，它都柔韧异常；高分子塑料，加入纳米材料制成的刀具，就会比金刚石刀具还硬；纳米材料制成的桌椅能因人而异，自动调整形状和温度；纳米粒子与树脂的复合，使家用电器能“善解人意”，成为互动式的智能用具等等。
纳米材料不仅具有奇异功能，而且还可使装置、用具微小型化。如用纳米材料制成的超小型“纳米卫星”，重量只有100克左右；“纳米无人驾驶飞机”的大小与一只麻雀差不多大。据报道，最近美国科学家向中央情报局展示了他们研制成功的微型发动机，小到令人惊讶的地步——1000台发动机在5平方厘米大小的地方就可平摆下。纳米材料的神奇最受军事科技专家的青睐，如运用到武器研制中可增强武器装备的推进力，提高武器弹头对装甲目标等的穿透力和破坏力，还能显著提高武器装备自身的防穿透和防破坏力。专家认为，纳米材料一旦与生物工程相结合，就可能制造出比人的毛孔还要小得多的“微型军”，它们在未来战场上，可以嵌入昆虫的神经系统内，控制昆虫去收集战场信息，执行投放化学制剂等特殊任务，并对敌人先进的高技术武器装备构成严重的威胁，但敌却浑然不知。纳米材料还可使隐形武器装备的隐形效果更佳。
此外，纳米技术还可制造能进入人体和动物体内或血管中的“纳米机器医生”，可在人体或动物体内任意穿行实施手术，消除癌变，杀灭病菌和修复受伤的组织等等。堪称人和动物的健康卫兵。纳米技术还可迅速、准确地鉴别罪犯的体纹，辨别罪犯的声音和识别罪犯的作案工具，直至知晓罪犯的心理并准确地找出罪犯来。纳米技术还可使生物的运动方式、酶工程产生重大变革，从而能按照人们的意识和需要种植农作物，使农业生产发生根本性的变化……
总之，纳米技术的应用范围十分广泛，其在信息、材料、医疗、生物等诸多方面的应用将使人类在认识世界和改造世界中产生重大的影响。纳米技术的发展也十分迅猛，并引起了世界各国的高度重视和广泛关注。纳米技术形成的新学科也很多，目前已出现了纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米显微学等等，它们是又一项跨世纪的高新技术群体，将对21世纪产生深远的影响。
(原载《科学世界》1997年第2期)