Malin Edvardsson Oct 10, ’33 < 20201210

什么是纳米科技

 

纳米是一米的十亿分之一,纳米尺度确实非常小。那么,什么是纳米技术?我们采访了瑞典查尔默斯理工大学的Bengt Kasemo教授,以了解更多关于纳米技术的特殊之处以及该领域是如何起源的。

透视纳米尺度

纳米尺度介于原子尺度和微观尺度之间。将纳米放在透视图上,并与我们熟悉的物体的尺寸进行比较,水分子约为0.3纳米,一缕头发的直径约为75 000纳米。

点击收听播客节目:纳米技术-机遇与安全挑战

什么是纳米技术和纳米科学?

Kasemo教授说:“从广义上讲,纳米科学和纳米技术是在我们所讨论的纳米尺寸范围内研究及利用物质和物质的结构的手段。

水分子有点太小而不能成为纳米技术研究的理想对象,这是一种分子物理学。但是如果我们把尺寸提高三倍,达到~1nm,在某些结构中我们可能会有几十个水分子或其他分子。然后,如果我们把尺寸增加两个数量级,达到100纳米,体积实际上会增加106倍。Kasemo教授说:“那么,我们现在谈论的是数百万或几千万个分子,而大小仍然在100纳米的范围内。”。

这个尺度是一个光学显微镜无法观察的领域——可见光的波长只有几百纳米。在纳米尺寸范围内,我们可以用几十个原子或分子制造东西,也可以用数百万个原子或分子来建造,而这些原子或分子具有特殊的功能性质。纳米技术的终点和微技术的起点在某种程度上是浮动的,取决于实际系统的(功能)特性和行为,但通常限制为几百纳米。

在纳米尺度上,材料的性质会发生变化

Kasemo教授说-“功能性”是纳米技术的关键词。当我们从宏观尺度缩小到微米,再缩小到纳米,在某个时刻,物质的性质和行为往往会发生巨大的变化。

这种性质的变化,例如电学或光学性质,对于那些只想知道发生了什么的研究人员来说是一个挑战,例如你能做什么,你能构造什么。通常这些新的性质与量子效应有关,研究人员和工程师们可以利用这些新特性。因此,这种性质的改变在电子学、材料科学等领域制造新的功能单元也极为重要。

纳米技术领域是如何发展的?

Kasemo教授说:纳米技术可以说是从贝尔电话实验室的发现开始的,研究者制造一种所谓的晶体管来制造一种类似于无线电管(三极管)功能特性的单元。这是一种固态设备,发生在1947年左右。它还远未达到纳米级,但它引发了几十年的发展,最终进入了纳米级。

这个发现在20世纪50年代末到60年代开始彻底改变电路的制造。之后全世界开始了一轮缩小每一个晶体管,二极管及其他元件的竞争研发。Kasemo教授解释说,这是因为每单位面积的晶体管越多,微型电路中的功能单元越多,所以通过紧密封装,可以在性能、速度和成本上都有所提高。1960年左右的开端还是在宏观层面开上的,但是当这些元件在大约40年内被不断缩小时,集成电路中最小器件的晶体管最终会超过100纳米的尺度。

Kasemo教授说,在这一点上,科学家发现,当他们开始研究如何将物质变小方面会遇到了一些限制。同时,新的现象也开始出现。将微电子技术缩小到100纳米以下的前景让科学家付出了很大的努力,但是制造这么小的东西需要解决两个方面的问题:首先需要制造和生产仪器来制造这么小的东西,例如光刻,然后是电子束光刻。此外,如何观察这么微小的东西也是很重要的。光学显微镜无法观察纳米尺度,好在有其他的分析仪器,比如电子显微镜和扫描电子显微镜等能观察该尺度的物质。这对纳米尺度制造和分析技术的发展产生了巨大的推动作用。这些也让纳米技术从微电子领域延伸到其他技术领域,比如延伸到科学领域,即纯科学,使物体变小并研究该尺寸大小的物性。

在Kasemo教授看来,微电子技术是纳米科学和纳米技术发展的最强大推动力。但在化学方面也有长足的发展,主要是制造出比我们通常所说的分子、纳米物体或者纳米颗粒更大的功能分子。他认为:制备从少数的原子/分子(约1纳米)到大量原子/分子(最大100纳米)级别的纳米颗粒,是对微电子技术的一个补充。今天,制造和研究显示出新性质的纳米系统已经是一个非常广泛的科学领域,几乎影响到从基础材料科学到医学的每一个科学技术领域。

表面科学从宏观角度看待微观世界

请点击链接收听本期播客中对Kasemo教授的完整采访,我们将在这里讨论纳米技术的历史、纳米技术的风险和机遇,以及该领域的未来。

更多QCM-D技术详情请http://www.biolinchina.com/qsense

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