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走向未知的世界─“纳米〞
纳米科学是研究在千万分之一米〔10-7〕到10亿分之一米〔10-9〕内,原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工被称为纳米技术。在本世纪内,人们花了很大的力气把大千世界内各种物质的运动都复原到原子、分子的运动和性质这一层面上。用原子、分子去勾画出大千世界中的各种物质形态也取得了巨大的成功。
例如,从分子结构和运动的观点来研究生物,形成了分子生物学;在原子光谱研究的根底上创造了激光;以固体电子论为基石构建了大规模集成电路;以光在固体中传播为启迪创造了光纤通讯。可以说,由原子、分子〔尺寸约10-10米〕为出发点,认识和改造宏观世界取得了巨大的成就。现在人们可以合成各种药物、制造出各种转基因的食品。克隆羊的出现是最为突出的代表作。同时,以大规集成电路为根底开展起来的电脑、网络更是大大地推动了科学技术的开展,甚至改变了人们的生活方式,网上购物使得女士们足不出户就可遍游一些著名的百货公司。
但是,在人们企图将现代的科学技术再推进一步时,却遇到了极大的障碍,这主要是因为人们在认识上存有盲区,或者说人类知识的大厦上存在一个裂缝。在这一裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界,而在另一边是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是一般人所想像的那样直接而简单的联结,而是存在一个过渡区──纳米世界。也就是说,几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合〞在一起时,表现出既不同于单个原子、分子的性质,也不同于大块物体的性质。有时这种“组合〞被称为“超分子〞或“人工分子〞以相别于正常的原子、分子。这种“超分子〞往往具有人们意想不到的性质。
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但是,当这些“超分子〞继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时,原有奇特的性质又会失去,真像是一些长不大的孩子。另外,人们还发现在这一崭新的世界里,电子、原子运动的规律完全不同。譬如说当我们把大规模集成电路中元件的数目继续增加,设想把元件中电极做到几个纳米粗细,几十个纳米长,就可以把芯片的运行速度和内存都提高几万倍。但是,实际上这一方面很难用现在流行的技术来实现;另一方面即使做成了这样的器件,电于在这样小的元件中运动的规律也不一样了,所有的芯片需要按照新的原理来设计。对这种由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组台它们,成为当今纳米科学技术的主要问题之一。