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纳米科学论文篇1
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。
纳米科学论文篇2
纳米科技是20世纪80年代末逐步发展起来的新兴学科领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等领域[1]。目前，纳米科技与生物技术、信息技术成为推动人类未来发展的三大主流科技，在信息技术、生物与农业、环境能源、生命医学以及航空航天等方面有广泛的应用前景。纳米科技的迅猛发展将促使几乎所有的工业领域产生一场革命性的变化。
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。本文拟从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行探讨。
1 教学目的制定
课程的目的是通过课堂教学，使硕士研究生能够了解、掌握纳米科学与技术的概念、分类及其特点，了解和掌握纳米材料的基本物理和化学性能；掌握纳米材料的主要制备方法和原理；掌握纳米材料的结构分析测试方法；了解纳米材料的生物毒性和安全性；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及最新研究进展，以便使学生了解和把握当今纳米科学的最新研究前沿
2 教学内容的选择
目前，纳米材料正蓬勃发展，其涉及的面也越来越广泛，涵盖原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面等多中学科，内容广泛[2]。随着纳米科技的兴起，也出现了很多介绍纳米效应、纳米技术应用及纳米材料制备技术文献和资料，对推动纳米科技的健康发展起了很好的作用。但是，在教材的方面，一直没有一本面向研究生教学的、较系统性的纳米材料的教材。根据笔者从事纳米材料课程教学的实践，认为要达到前面提出的纳米材料课程教学目的。课程的教学主要内容应包含以下几方面： 纳米材料的基本概念、发展史；纳米材料的分类及其特点；纳米材料的基本物理和化学性能；纳米材料的主要制备方法和原理；纳米材料的结构分析测试方法；纳米材料的生物毒性和安全性；纳米材料最新研究进展。根据教学内容特点，可以考虑将教学内容分会以下6个部分。
2.1 绪论
从纳米材料的新奇特性开始，讲述纳米材料的内涵和基本概念以及发展史。根据材料的分类方法讲述纳米材料的分类方法及特点。讲述纳米材料的基本结构单元及其特性。重点讲述纳米材料的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等基本性能。并结合我国纳米材料研究现状和学生研究方向进行相关讨论，激发学生对纳米材料的好奇心和求知欲。
2.2 纳米材料物理化学性能
主要内容涉及纳米材料的结构和形貌特征；纳米材料的热学、磁学、光学等物理特性；纳米材料的吸附、分散、团聚等化学特性。将纳米材料的物理化学特性与结构关联，按照基本结构-基本特性-特殊结构-特殊效应-特殊功能-特殊应用这一思路，引领学生深入思考，可以起到举一反三效果。
2.3 纳米材料的制备方法和原理
按照纳米材料维数分类方法，讲述零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料、三维纳米材料的特征、制备方法和基本原理。重点讲述蒸发-冷凝法、溅射法、气相化学合成法等气相方法和沉淀法、溶胶凝胶法、微乳液法、溶剂热法等液相方法。并结合学生研究方向对相关材料和方法进行详细讨论，使学生掌握相关制备方法，为随后的研究奠定坚实的基础。
2.4纳米材料的结构分析测试方法
主要包括透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器。通过学习，使学生掌握纳米材料测试的主要方法和仪器，并掌握各种仪器的优缺点和适用范围。同时，也使同学们认识到纳米材料研究的高技术特点。
2.5纳米材料的生物毒性和安全性
主要包括纳米材料的生物毒性和安全性。根据已有的相关研究报道，介绍一些纳米材料的生物毒性，让学生们了解纳米材料的不足之处，掌握相关的安全操作规则，以便在随后的纳米材料相关研究中避免出现安全事故。
2.6最新研究进展
根据纳米材料的最新研究热点，如石墨烯、锂离子电池灯，讲述纳米科技领域国际最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。
3. 教学方法与手段
3.1 多媒体教学
针对纳米材料课程内容广泛，知识点多的特点，采用多媒体教学方式。利用多媒体教学图、文、声、像融为一体的优点，可以使教与学的活动变得更加丰富多彩，又可以将信息量大的课程内容在有限的时间内呈现给同学们。从而激发学生的学习兴趣，促进学生思维发展，丰富学生的想象力。例如，讲述纳米材料宏观量子隧道效应时，可以动画的形式展现，方便学生们理解。讲述纳米材料的制备方法时，可以通过示意图的形式展现，更容易让学生理解和掌握。
3.2交互式讨论
利用交互式讨论教学方式。根据学生的兴趣，结合课程内容，将学生划分多个课题小组，进行课堂讨论。例如，讲述微乳液法制备纳米材料时，首先让学生通过文献查阅等方式了解该方法；其次，在课堂上就该方法、原理和实践应用进行充分讨论和分析；最后老师指出该内容的重点和难点。通过这种交互式讨论，在课堂教学中，确立学生的主体地位，尊重学生的主体意识；创设民主、平等的课堂氛围，让学生充分发表自己对问题的看法，发挥学生的主管能动性，变被动接受为主动探索；使学生的创新意识、创造性思维能力得到不断的发展[3]。
3.3实践操作相结合
纳米材料是一门实践性很强的课程。在课程教学中要充分与实践相结合，根据学生的研究方向，结合课程内容，安排学生进行相关实验。通过具体的实验使学生对纳米材料有更多的感性认识。涉及透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线粉末衍射仪、激光粒度仪等纳米材料表征仪器内容时，结合具体情况，可安排一定时间上机观察和操作。
4 结语
纳米材料是纳米科技的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文从纳米材料课程教学目的、教学内容、教学方法与手段等方面对高等院校材料类研究生专业进行纳米材料课程的教学改革进行系统的探讨，实践证明，这些举措的实施取得了良好的教学效果，为培养学生的创新思维和科研精神起到了一定的作用
参考文献
纳米科学论文篇3
（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指导协调委员会、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指导与协调，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。
纳米科学论文篇4
（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指导协调委员会、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指导与协调，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。
二、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。
三、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。
四、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。
纳米科学论文篇5
（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。
纳米科学论文篇6
1 概述
纳米科学技术(nano scale science and technology)作为新兴的学科[1],在人类社会进入世纪之交的关键转变年代,在世界范围兴起,发展迅速,前景诱人,国际竞争已经开始。人类对自然世界的认识始于宏观物体,又逐渐认识到原子,分子等微观粒子,然而对纳米微粒却缺乏深入的研究[2]。原子是自然界的基本组成单元,原子的不同排列方式使自然界物种丰富多样化。1959年,著名的物理学家诺贝尔物理学奖得主查德・费曼说:“如果有一天可以按人的意志安排一个原子,将会产生怎样的奇迹。”纳米科技则使人们能够直接利用原子、分子制备出包含原子的纳米微粒,并把它作为基本构成单元,适当排列成一维的量子线,二维的量子面,三维的纳米固体。纳米材料有一般固体都不具备的优良特性,所以有着广阔的应用前景。钱学森指出:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。” [3]
1.1 基本概念
纳米(Nanometer)又称毫微米,是一种长度单位。1纳米等于10-9m(十亿分之一米)。上田良二教授于1984年从测试的角度给纳米微粒下了一个定义:用电子显微镜(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒[4]。纳米技术是1974年在东京由日本精密工程学会(JSPE)和国际生产工程研究学会(CIRP)联合主持的会议上由日本东京科学大学机械工程教授谷口纪男提出的[5]。纳米科技(Nanost)是一门在0.1nm~100nm范围内对物质和生命进行研究应用的科学。这是一种介观区域(宏观和微观之间的连接区域)进行开发研究的新技术。它使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到分子和原子。纳米科技涉及到物理学、数学、化学、生物学、机械学、信息科学、材料科学、微电子学等众多学科以及计算机技术,电真空技术,扫描隧道显微镜及加工技术,等离子体技术和核分析等各种技术领域,是一门综合性的新兴科学技术。
1.2 纳米科技的发展历史
纳米科技是20世纪科技领域重要突破它的发展经历了孕育萌芽阶段,探索研究阶段和应用开发阶段3个时期。
1)孕育萌芽阶段。费曼设想在原子和分子水平上操纵和控制物质。1860年,胶体化学诞生之日,对粒径约(1~100)nm的胶体粒子开始研究,但由于受研究手段限制,发展缓慢;
2)探索研究阶段。30年后,1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩召开,同年《纳米生物学》和《纳米科技》专业刊物相继问世。这标志着一门崭新的科学技术-纳米科学技术,在经过30年的曲折道路,终于诞生了。费曼的美妙设想成为现实了[6];
(3)应用阶段。1993年,开始进入蓬勃的发展时期,20世纪末获得许多成果,达到预期目标可能还要经历10~20年的努力。
1.3 纳米固体的基本特征
纳米固体的重要特征,决定了纳米科技具有划时代意义。这些特性有如下4个方面[6] :
1)表面与界面效应。纳米微粒尺寸小,表面积大,所以位于表面的原子比例相对增多。尺寸与表面原子数的关系见表1。当物质粒径小于10nm,将迅速增加表面原子的比例,当粒径降到1nm时,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于表面原子数增多,使得这些原子易与其它原子相结合而稳定,具有很高化学活性,表面吸附能力强,扩散系数增大,塑性和韧性都大大提高;
表1纳米微粒尺寸与表面原子数的关系
2)小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,电,光,磁,声,热力学等特征均会出现小尺寸效应;
3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及应用都有重要的意义;
4)量子尺寸效应。量子尺寸效应是指当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能级变为离散能级的现象。而当颗粒中所含原子数随着尺寸减小而降低时,费米能级附近的电子能级将由准连续态分裂为分立能级。当能级间距大于静磁能,磁能,热能,静电能,超导态或光子能量的凝聚能时,就导致纳米微粒磁,热,声,光,电以及超导电性与宏观特征显著不同,称为“量子尺寸效应”。例如导电的金属在超细微粒时可以是绝缘的。
表面界面效应,小尺寸效应,宏观量子隧道效应和量子尺寸效应是纳米微粒与纳米固体的基本特征,它使纳米微粒和纳米固体呈现出许多不同的物化性质。
2 纳米科学研究的分析手段
具有原子分辨率的扫描隧道显微镜(STM),高分辨透射电镜(HRTEM),和原子力显微镜(AFM)等手段[7-9]能直接观察出纳米固体,纳米微粒,和纳米结构特征。
1)扫描隧道显微镜(STM)
扫描隧道显微镜(STM)具有原子级的空间分辨率。主要描绘表面三维的原子结构图。主要用于导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究 ,如金属硫化物研究。
2)高分辩透射电镜(HRTEM)
高分辩透射电镜(HRTEM)空间分辨率可达0.1nm～0.2nm。主要用于各种矿物纳米级的成分,形貌,结构的综合研究。如金属硫化物,硅酸盐矿物,矿物中的出溶物以及胶体矿物研究。
3)原子力显微镜(AFM)
以扫描隧道显微镜(STM)为基础发展起来的原子力显微镜(AFM)
能探测针尖和样品之间的相互作用力,达到纳米级的空间分辨率。为了获得绝缘材料原子图像,又出现了原子力显微镜。AFM主要是用于非导电纳米矿物原子级的空间分辨率研究。如硅酸盐矿物,胶体矿物等研究。在纳米材料方面主要是观察纳米材料物质等在矿物物质表面的吸附和沉积,以及天然纳米微粒形状。
3 纳米科技理论在地学上的应用
纳米科技与地学的结合形成了以下3种学科纳米地球化学,纳米矿床学和纳米矿物学。
3.1纳米地球化学
纳米地球化学就是研究地球中纳米微粒分布,分配,集中,分散,迁移规律,以及由纳米微粒的分布及组合特征反映断裂活动,探测石油,天然气,金属矿床等。纳米物质使元素具有新的地球化学活性和新的成岩成矿模式:传统观念认为,温度越高,化学活性越大,元素的迁移能力越强,反之活性就越小,越不容易迁移。为此,作为化学性质很不活泼的金,在较低温度下,理应活性很小,溶解度偏低,很难迁移成矿。事实上却与纳米金的地球化学行为相矛盾。但如果从纳米科技理论的角度考虑,就不难理解了。纳米科技理论认为,当物质的粒度达到纳米级时,由于颗粒极其细小,表面积很大,例如SiO2,其粒径从36nm减少到7nm时,其比表面积由75增加到360m2/g[10]。巨大的表面积使大量的原子处在表面,使元素的化学反应速度和扩散速度增加很多,吸附能力增强,熔点变低,物化性质发生改变。成岩成矿温度低,因而使元素具有低温活性。粒度越小,活性越大。这使纳米级的物质具有成分相同的可见颗粒所没有的特性。产生新的地球化学活性和新的成岩成矿模式。对稀有元素,活性性质不活泼的元素,分散元素和在水中溶解度极低的元素,在低温条件下成岩成矿作用有了不同的解释思路。
3.2 纳米矿床学
相同成分的纳米微粒不同的物化性特性已使地质学家对矿床学理论中有关矿质运移,富集过程有了新的认识。传统理论认为,矿物质的运移以温差,压力差或浓度差为前提条件,而对矿物质的运移和富集又限定其必须有一定的矿化剂为载体,而未意识到同种物质如果其粒度不同则其物化性质的差别非常巨大。传统成矿理论一直认为金矿的形成是由于其离子与一定络合剂结合,在一定的温度条件下迁移到一定部位,经过各种化学反应生成自然金而聚集成矿。纳米科学技术理论认为:源岩中的原子态金只要达到纳米级,其本身首先就由于极大的自扩散系数和吸附性而扩散,迁移合富集成矿。目前为止,地学界一直对砂金为何能在低温条件下甚至使常温态下能够形成“狗头金”的事实没有定论,现在看来,很有可能是纳米级的金自身扩散,迁移,吸附的结果。这种聚集成矿作用,在内生金属成矿作用过程中可能也同样起着不可低估的作用[11]。
3.3 纳米矿物学
目前,由于科技的限制,人类对矿物学的认识,往往注重宏观矿物单体,聚合体的形态及有关特性,注重微观矿物成分及原子排列的情况,而对纳米矿物微粒,纳米矿物结构缺乏深入细致的研究。在传统矿物学研究中,把矿物看成理想的晶体点阵,但在纳米矿物学中则着重研究纳米矿物微粒和矿物结构特征以及与此有关的岩石学,矿床学,构造地质学,地球化学等地质学科。
所谓的纳米矿物就是指晶体粒度细小至纳米量级的矿物颗粒。往往是以集合体形式结合一起[12]。彭同红、万朴等人运用扫描电镜发现以下几种非金属矿晶体,具有纳米尺寸的结构:
1)沸石, 其内通道直径为13nm~113nm;
2)条纹长石、月光石、日光石,其晶间距为2nm;
3)膨润土、高岭土、海泡石,其层间距离为2nm等;
4)鳞片石墨经高温膨化后形成蠕虫石墨,形成网状结构,其孔径直径为10 nm~100nm[13]。
目前,已发现的纳米矿物资源主要分布在大洋底部及陆地。例如:海洋中的“黑烟囱”和陆地上的纳米矿物有氧化物和硅酸盐等。但受限于开采技术,目前仅其中层状结构的黏土矿物并已初步进行开发利用。纳米物质的巨大的比表面积、特殊的界面效应、临界尺寸效应及高能量状态赋其不同于普通物质的特性。例如, 普通金的沸点为2 966℃,而纳米相金则在700℃~800℃条件下熔解、气化[12]。其它纳米相金属也具有此特性。因而纳米级矿物开发利用有着广阔的应用前景。
4 结论
纳米科技的研究是国际当前的研究热点,它使人类在改造自然方面进入了一个新层次,即从微米级层次深入到纳米级层次。也使地质学科学家的认识改造自然界进入一个新层次。HRTEM,STM,AFM等测试方法的在纳米矿物学中的研究运用,一些新概念、新理论、新方法随之孕育而生,使21世纪矿物学的研究将上一个新台阶,这将促进地质科学飞速发展。
参考文献
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纳米科学论文篇7
Abstract The significance of introducing the nano-scale concepts into theory-practical course for our undergraduate learners’ understanding of instrumental analysis of a given substance and the quantitative analysis from the theory. Combined with the experience in nanomaterial and nanotechnology of our research group， we point out how to help students really establishing clear nano-scale concept in the “Instrumental Analysis Ⅱ” （bilingual instruction） courses， which will combine theory and practice better.
Keywords theory and practice； nanomaterial； reform in education
目前全国高校的本科生已有很多的理论结合实践课程，而就化学专业尤其是分析花絮专业的学生而言，仪器分析类课程是必修的理论结合实践的课程。不论是教学中还是毕业后走上就业岗位，很多学生面临着接触或从事仪器类尤其是对材料进行表征类仪器有关工作。
早在150年前，微米成为了新的精度标准，这样的技术给人类带来了巨大的发展，也奠定了世界工业化的基础。但是，随着人们对提高材料的性能、推动高新技术发展的需求不断增长，各类材料的制备技术和表征技术也在日新月异。自1861年胶体化学建立后，科学家们开始对小尺寸的粒子（1～100 nm）展开研究，由此引出了“纳米”这一新概念。纳米（nm），又称毫微米，是长度的度量单位，1纳米=10-9米。纳米颗粒一般也就是指直径在1～100 nm范围的粒子。能够对纳米颗粒的尺寸、形貌、结构和组成进行表征的仪器有光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）等等。①而今本科教学课程中所涉及的这些显微技术虽然在学生实验室中常见，但因缺乏纳米尺寸以及原子概念的教育，所以仍有很多学生在学习中接触到这样的尺度概念时理解不清晰，这也引发了许多教学工作者对这一现象的思考。②③④
1 在本科教学中引入纳米概念的必要性
在本科学习阶段，本科生是否有必要对纳米这样极小尺寸甚至原子理论这些抽象概念进行了解呢？其实很有必要。因为不论在何种材料中，其最小基本组成（原子或分子）的存在本身就是一个不容忽视的化学概念。即使是对头发这样已知并可见的物质，本科学生不一定能准确回答其尺寸大小是多少或者什么数量级。教学实验中的常见光学显微镜虽然可以用来检查物体的轮廓及细节，但只有当该物的尺寸比光的波长还要大，才能观察到该物质，而小到几个纳米甚至原子级别则无法达到可视化。
在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中有一章节将库伦分析法这样的电化学方法理论知识与纳米级别以下的原子数目建立了关联。原题是这样描述的：“A monolayer （single layer of atoms） of Cu on the crystal face shown in the margin has 1.53 x 1015 atoms/cm2 = 2.54 x 10-9 mol/cm2. Question： What current can deposit one layer of Cu atoms on 1 cm2 in 1 s？”这个题目在问：当电流和时间一定时，在面积为1cm2中能够沉积铜原子的数目（图1为“100”晶面排列的铜原子在1cm2的个数示意图）；或者一定数目的铜原子在一定的时间里能够沉积满一个单原子层/1cm2则需要的电流为多少？由于发现本科生对纳米以下的原子概念理解甚少，所以对这一量化计算显得茫然。为了培养我们的学生能够成功塑造完整的知识面和知识体系，达到学科不断发展的需要，教学人员决定在《Instrumental Analysis Ⅱ》这门课程中引进纳米以及原子尺寸的概念。
2 引入纳米概念的教育方式
如何在教学中能够引入抽象的纳米概念，又能激发本科生对此概念的兴趣，是成功展开这方面教育的一个重要开始。普遍理论与具体实践相结合的“理论联系实际”原则可以达到主观和客观、理论和实践、知和行的统一。那么关于纳米的尺寸虽然小之又小，但是从人们所熟悉的头发可以引起一个人们在日常生活中所熟知的最小尺寸概念。在课堂中，首先让本科生思考“细如发丝”的问题：头发到底有多细？直径大约在哪个数量级？这一问题的抛出，引起了学生们在课堂上的热闹讨论。结果有这样几种答案：0.1-0.01毫米、1-10个微米、10-100个微米。那么在《泰山医学院学报》上的《国人头发直径的调查》⑤中一文指出：“显微镜目镜测微尺对571人的4272根头发的直径进行了测量，发现其平均直径为84.01？3.07微米。”答案揭晓后，学生们对微米概念显得饶有兴趣，并对人体眼睛的分辨率有了一定的了解。
此后，再次以学生们所熟悉的足球为例，让其讨论一个足球的大小，结果学生们很快就能给出正确答案：十几个厘米。当这个简单问题回答后，立即让其讨论我们和所有生物赖以生存的地球直径是多少。这样的例子对于本科生并不陌生，却又难以捉摸正确答案。在经过一段时间的思考后，课堂的本科生表现出强烈的求知欲望，希望能够获知答案。对于这一现象，教学者不是直接给出答案，而是将此问题上升为：如果将足球扩大上亿倍，将接近地球的尺寸，此时，本科生们对“一亿”这样的数量级有了一个模糊的概念。
实际上，一个地球的尺寸缩小一亿倍，接近一个足球的尺寸，而一个足球同样缩小一亿倍，将是一个纳米的尺寸。当这一概念在课堂上给出后，本科生们觉得震撼，深切感叹纳米尺寸的渺小同时体会到纳米尺寸的发现、发展的不易，以及对发明纳米尺寸表征技术的仪器创造者们表示由衷的敬佩。
3 对纳米概念的巩固
在理论联系实际的教学方式中介绍纳米尺寸后，进一步对原子概念进行阐述。纳米粒子也是由原子构成的。但一纳米相当于多少个原子的直径总和这一问题要结合元素周期表中具体原子的大小等因素来考虑，因为不同的原子大小不一。通过概念讲解前的提问引发本科生们的思考，再经过由大到小的尺寸数量级概念演变并结合生活中的实例，之后为了对新鲜知识的巩固，我们又设计了一些涉及到纳米及原子尺寸概念的问题。我们发现通过这些练习使得学生们对纳米尺寸和原子尺度概念的感知有了显著的改善。
4 结束语
总之，我们已经在《Instrumental Analysis Ⅱ》双语课程中引入纳米尺寸和原子尺寸，使得本科生对尺度概念有了新的认识，为日后的科研和工作奠定了一定的理论基础，学生们在本科教学中掌握了纳米尺寸和原子尺度的概念将会对其未来的探究性学习和实验活动有所帮助，同时也培养他们积极思考的好习惯。我们鼓励将本科生纳米概念教育的方式引入到教学中来。
注释
① 任庆云，王松涛，张大飞.纳米材料的结构表征方法[J].广州化工，2014.42（5）：34-35.
② 李明，张晓波，李洪俊，刘亲壮.《纳米材料》课程设计探讨[J].吉林师范大学学报，2011.3：145-147.
纳米科学论文篇8
中图分类号：N031 文献标识码：A 文章编号：1006-026X（2013）10-0000-02
1.纳米技术的定义
纳米技术是一种创新的技术，它在非常小的范围之内之内，来进行对原子，分子的研究，并利用其来进行发展和创新的一门技术，纳米机器人，纳米马桶，人类通过电子显微镜看到的微观的人体细胞，病毒等等。利用纳米技术制作的材料又与我们经常使用的材料有很大的区别，它发展了吸附等的一系列功能。那么这种新型材料的出现，也将会利用到人类生活的各个方面，带来了技术创新。
2.纳米技术为人类带来的便利
纳米技术的发展为科学技术的发展带动了新的改革，纳米技术的发展也推动了医学、艺术等方面的发展。医学中产生了光学传感设备，对于骨质修复作用产生了重要的作用，同时纳米技术在药物输送方面产生了重要作用，纳米技术在艺术层面也产生了重要的影响，纳米画等作品。纳米技术不仅从技术层面关心人类，而且从人的综合状态中予以提升。
2.1 纳米技术带来了科技层面的改革
例如，纳米技术制作的微型器械，按照人类的操作任意运动，将微小的颗粒，划分成原子或者分子，再按照自己的想法任意拼接，这些器械不仅可以按照人类的想法任意工作，而且具有自我还原的能力。纳米材料是一种新型的材料，这也体现了从认识―实践―认识的客观规律。人类之所以能制作出纳米仪器，利用纳米材料的主要原因是人类对于纳米世界认识的比较深入全面，然后再利用纳米材料制作出纳米设备，这也是令一个再认识―实践―认识的过程，推动了从不断认识到实践的过程，体现出了发展是靠不断运动的哲学道理。
2.2 纳米技术体现了物质和意识的关系
物质决定意识，意识对物质有反作用。人类推动了纳米材料的发展，最主要的原因在于人类对纳米世界有了非常客观的认识，了解了它的运动发展规律，通过人类对于纳米世界的学习和研究，来创造出纳米材料，而这种材料的创造体现了物质决定意识，意识对物质起到了发作用。
2.3 纳米技术同时体现了由量变到质变的一个过程
物质的质变有两种来源，一种形式是量变达到一定程度就会产生质变，质变的另一种形式就是在总量不变的前提下，内部组织自己行的排列与组合，从而产生质变，纳米技术一方面是利用纳米结构的特点而生产的一种纳米材料，另一种就是利用原子，分子中间的距离变化，重新组合，而产生的质变生产的纳米材料，这就体现了由量变到质变的过程，
2.4 纳米技术加强了人们对于排列结构的认识
原子，或分子之间的距离，位置不同就会形成新的不同的物质，纳米技术也就是利用了这一特点，而形成的技术。纳米技术完成了从生物到非生物的跨越，在医学上生产出新的微型仪器，置放在人体中代替，或者弥补人体某些部分脏器的功能，通过改变人体细胞的组织结构，利用纳米技术孕育出新的生命，
3.纳米技术带来的消极影响
纳米就会造成人类社会的危害，人类的想象和发明没有边界，纳米技术的产生就是对原子分子进行重新的排列组合，在这种非常方便的状况下，纳米技术也会生产出任何东西，这是一件可怕的事情，在这种没有节制的的状态下，纳米技术就像病毒一样无限蔓延开来，可以想象一下，我们周围到处存在着纳米仪器，有有利于人类发展的仪器设备，医药用品，也有限制人类发展的纳米病毒，学生利用纳米仪器来应付考试，小偷利用纳米仪器进行偷窃，人人都有纳米设备防身，这是一件多么可怕的事情。
人类如果过度依赖技术，就会将人类和技术之间的关系发生改变，不是技术为人类服务，而是人类对技术的崇拜，人的思想会随着发生改变，产生混乱和偏执，基本理论的缺失。
技术会导致人缺乏用自己的思维，一味的对技术产生依赖心理。有些观点认为纳米技术可以解决任何问题，此观点认为，所有的物质存在方式都是按照自己的规律存在的，万事万物的存在都有自己的规则，相互之间也有自己的的特点，遵循着某种法则，依照纳米技术的原理，人类社会的存在方式也可以任意组合，相互之间可以打乱，再进行新的排列组合，有的观点认为，人的思维，与任何一种社会存在进行排列组合，所有的存在都可以依照纳米技术的存在方式来进行发展，有机界和无机界，非生物和生物，任何物种都可以排列组合，有些组合还没有实现，得依据纳米技术的发展状况，需要进一步学习研究。更有甚者认为人的思维是由大脑控制的，为了改变人的思维方式完全可以像纳米技术那样，将人的大脑细胞与大脑结构重新进行排列组合，这种思想是非常可怕的。
依照这种推论，我们要想让刚种的树苗，瞬间长大，完全可以改变它内部细胞生长结构，要想让刚出生的婴儿长大，改变他的细胞排列结构，要想让养的家禽快速长大，只要改变体内细胞的排列结构，这是一件多么可怕的事情，况且这种言论还没有成立，纳米技术的无限制发展就会对人类社会带来危害，使人的思维发生错乱，
这也是一种拜物的想法，一味的抬高技术的发展，而降低了人的主观能动性，人服务于技术，技术是最高的物质，失去了人在社会中的主导地位，虽然这样的想法没有办法去证明它的合理性，但也很难证明它的不合理性，但是能够确定的是，如果按照这种状况发展下去，人类社会的发展将会被阻挠。
4.面对纳米技术的优劣是该如何解决
根据纳米技术的发展而产生的一些消极理论，我们必须做一些考虑，针对性的提出一些意见，来限制其肆意发展。阻止其危害人类社会。纳米技术的发展一方面促进了人类社会的发展，为人类的医学，艺术，技术各个方面提供了积极地影响，而另一方面纳米技术的肆意发展又导致了人的异化，对人类社会的发展产生了阻碍，这种现象也是不可避免的，事物的发展总是存在这两面的，如果利大于弊，它就是正面的，可继续发展的，如果弊大于利，就要引起人们的反思，那么从纳米技术的发展状况来看，它更多地是造福人类，但是在它为人类带来方便的同时又对社会的发展产生了阻碍。对于这一利大于弊的现状，针对于它的利弊我们一方面要改变人的观念发扬正面的力量；另一方面，应该采取一些相关的政策措施，针对性的阻碍它的负面影响。
4.1 改变人们的观念发扬正面力量
在科技不断发展的今天，从人的本身开始，从知识文化层面，提高人本身的素养，对科学技术重新认识，树立科学的文化精神。只有这样，当新的的技术出现时，就不会出现违背科学文化而出现的不合于人的伦理道德的事情，人类尊重科学知识，但不盲目崇拜，对科学技术的态度，要合理保护。只有这种科学知识观念扎根在人的脑海中，任何消极的观念都不会滋生，另一方面，科学技术的发展的最要的目的，是以为人类共同利益而服务的，我们应该分出什么任务是共同的，这就需要对人类自身修养的提高与丰富，当面对共同利益时，联合起来，共同发展，当科学技术不符合人的共同利益时，人的自我修养自我意识，就可以提醒自己，科学技术的发展危害到人的共同利益时，要知道杜绝其发展，人的思想也是一步一步完善起来的，科学技术也在发展的阶段，虽然人类很难预测科技发展的后果，但由于人类有基本的科学素养，基本的科学文化，人类在面临科学发展的时候，最基本要做到的是科学技术的发展要与人类社会的发展，相互协调。
科学技术是一种被人类用来创造的东西，是人类达到某种目的的手段或者媒介，是人类可以掌控的东西，在这个时候就对创造者有要求，创作发明者本着为人类共同利益的原则，选择性的发展科学技术哲学，纳米技术也一样，当它符合人的共同利益的时候我们大力发展，当它没有边界肆意发展，为社会的发展总成阻碍，危害人类的共同利益，违反公共道德，反人类的基本素养，创造者就要摒弃它，限制其发展，当然在不同的年代，各个国家对于科学技术发展，纳米技术的发展的衡量标准是不一样的，在这个时候，首先纳米技术的发展要符合当时，符合国家的需求，符合人们的共同利益，不能超越人类的道德底线，不同年代，不同国家的国情，科学技术的发展，要和当时国家的人们素质，国庆的发展相互协调，整体性推动人类发展的历史进程。始终不能违反人类的共同需求，和人性发展的基本素质的本质要求。
4.2 纳米技术的发展应从政治、教育、法律等方面来约束和规范
从政治方面国家应该出抬相应的政策引导纳米技术的发展朝向符合国家利益，人民根本利益的方向发展，明确规定杜绝哪些科学技术的发展。最大化的实现人民根本利益的。要杜绝不良技术的发展滋生，不仅仅要依靠政策的导向，严重的情节要依靠法律的武器，彻底消灭不符合人类发展规律的科技发展，有些人为了自己私利，不顾人类发展的根本利益，利用科学技术，发展生产一些危害人类的利益，危害社会健康的一些科技，在这种情况之下，国家的法律应该做出明确的规定，对于这类，危害人类，危害社会发展的行为，予以法律的制裁。目前我们的国家正处于发展中的阶段，以上说的政策导向。和法律法规还需要一个发展过程，科学技术，尤其是纳米技术的发展是一个新型的事物，人类对它的了解是一个非常模糊的状态，所以难免会造成一些违背大众基本文化原则的事情，所以人类要树立这种科技发展的文化观，在每朝每代，社会舆论，难免是人类发展的一个催化剂，我们应该树立正确的舆论导向，人人心里树立正确的和意识，引导科学技术从正确的方向发展，当科学技术，违背大众舆论的时候，人类要积极站出来，对不良的发展想象造成压力，时刻朝向正确健康的方向发展。
结语：纳米技术是一种新型的科学技术，是科技发展的一场革命，它将人类带进了另一个新的先进的世界，它的发展造福了大众，另一个新的光明的世界已经到来，任何事物的发展都有双层的利害关系，纳米技术的发展也如此，人类不能被异化，要树立对科学技术发展的认识和基本素养，并通过政治、文化、法律等一列的约束和导向，使科学技术朝正确的方向发展，造福人类。
参考文献：
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纳米科学论文篇9
引言
根据摩尔定律，当价格恒定时，集成电路上的元器件数目，每经过18到24个月便会增加一倍，性能也会提升一倍。但是在未来的几十年内，在继续提高计算器的运算能力和存储能力等方面将面临严峻的挑战，这其中既有技术性的工艺限制，也有原理性的理论限制。主要有：（1）当电子器件的大小尺寸处于微米级别时，电子主要表现为粒子性，而当大小尺寸为纳米级别时，电子主要表现的却是波动性，此时的电子器件将在完全不同的原理下工作；（2）当器件尺寸减小到纳米级别时，该系统产生的热起伏将会限制电子器件的性能，致使其无法正常运行。
纳米电子技术和电子器件的出现及发展有望打破这种困局，同时也为微电子技术的发展提供了新的思路和转机。本文将阐述纳米电子技术和纳米电子器件的分类及指出在纳米电子领域中所面临的和亟待解决的问题。
1 纳米电子技术与纳米电子器件
纳米电子技术是指在纳米尺寸级别内构建纳米和电子器件，进而完成量子计算机和量子通信系统之间的信息计算及传导与处理的相关技术，纳米电子技术发展的核心是纳米电子器件。纳米电子技术正处于高速发展时期，其最终目标是为了利用最前沿的物理理论和工艺手段，打破原有的大小尺寸及技术极限，依照全新的设计理念制造纳米电子器件，构建电子系统，使得该系统的信息存储和处理能力走上新的台阶，实现革命性的突破。
纳米电子器件指使用纳米级别的加工和制造技术（如光刻工艺、外延、细微加工、自组装生长和分子合成技术等），设计并制备而成的具有纳米级别的尺度和某些特定性能的电子器件。当前人们通过纳米电子材料和纳米光刻技术，已设计出多种纳米电子器件，例如电子共振隧穿器件、金属基、单电子晶体管、半导体、单电子静电计存储器及逻辑电路、金属基单电子晶体管存储器、通过硅纳米晶体制造的存储器、聚合体电子器件、纳米硅微晶薄膜器件和纳米级浮栅存储器等
2 纳米电子器件的分类
国内外对纳米电子器件分类有着不同的看法。根据目前纳米电子技术的发展和对未来发展前景的估测，有一种看法将纳米电子器件从广义分成8类：（1）纳米CMOS混合电路，有纳米CMOS电路及半导体共振隧道效应混合电路，单电子纳米开关电路和纳米CMOS电路，还有碳纳米管电路和纳米CMOS电路，人造原子电路和纳米CMOS电路，DNA电路和纳米CMOS电路；（2）纳米存储器，例如隧道型静态随机存储器、单电子存储器、超高容量纳米存储器和单电子量子存储器等；（3）纳米集成电路，有纳米光电电路及纳米电子集成电路；（4）纳米传感器，例如量子级别的隧道传感器；（5）单分子器件，例如单电子开关、分子线、电化学分子电子器件、单原子点接触器件、量子效应分子电子器件等；（6）单电子器件，例如电容耦合和电阻耦合单电子晶体管、单电子泵、单电子箱、单电子陷阱、单电子泵和单电子结阵列等等；（7）量子效应器件，例如量子点器件、谐振隧道器件和量子干涉器件等等；（8）纳米级别的CMOS器件，例如异质结MOSFET、双极MOSFET、绝缘层上硅MOSFET、和低温MOSFET等等。以上分类中，纳米传感器、存储器、纳米集成电路、纳米级CMOS器件和纳米CMOS混合型电路等均作为一种完全独立的器件类型。但是否应该将这些纳米级别的CMOS器件、传感器或者纳米集成电路纳入纳米器件的范畴，当前还未有定论。
3 纳米结构制备和加工技术
无论是研究纳米电子技术，还是制作纳米电子器件都是非常复杂的。本文仅对纳米电子器件的制备进行简单的探索，提供一些思路和建议。
3.1 光刻技术
电子束光刻、光学光刻与离子束光刻统称为三束光刻技术，机理是通过曝光掩模、刻线等物理化学工艺将设计的器件图形结构传递到介质或单晶表面上，形成功能图形的加工技术。目前，随着光刻技术线宽的不断缩减，电子束光、刻光学光刻与离子束光刻等技术已在纳米CMOS器件、纳米CMOS混合集成电路、纳米集成电路等加工领域去的较好应用效果，并逐渐在纳米电子器件加工方面获得了应用。
3.2 外延技术
原子层外延、分子束外延金属、有机化学汽相淀积与化学束外延技术统称为外延技术，是一种在基体上生长纳米薄膜的纳米制造技术，可用于纳米集成电路上的硅基半导体材料和纳米半导体结构，均用于器件的加工与制备。
3.3 分子自组装合成技术
自组装是依靠分子间非共价键力自发将无序状态结合成稳定的聚集体的过程，可以发生在不同的尺度上。自从80年代有人提出分子器件的概念至今，人们已从当年的LB技术发展到了如今的分子自组装技术，同时从双液态隔膜技术发展到了SBLM技术，现已在加工具有特定功能的分子聚集体、分子组装有序分子薄膜等方面取得了丰硕的成果。目前，国际上已开始研究超分子自组装合成技术。
3.4 SPM技术
自从1982年第一台扫描隧道显微镜（STM）诞生，以及后来各种扫描探针显微镜发明以来，人类对微观纳米世界的认识翻开了新的一页。现今的扫描探针显微镜（SPM）的横向分辨率可达0.1nm，纵向分辨率可达0.01nm，不仅可以进行观测高分辨率的三维成像，还可对材料表面结构的不同性质进行研究。因此，这已不仅是一种简单的微观测量和分析的工具，更是一种非常重要的微观操纵与加工工具。
3.5 特种超微细加工技术
还有另外一些特殊的超微细加工技术，可用于制备和加工纳米电子器件：包括纳米碳管构建FET；通过机械控制裂隙连接电极技术制备Au原子线；以介孔材料、纳米碳管、DNA分子为模板，电火花加工、制备量子线、电化学加工及超精密复合加工、电解射流加工等技术等。
4 展望
纳米技术目前的发展现状是非常可观的，具有一定的社会意义。其作为一项具有应用性、高性能和巨大潜力的科技成果，在一定程度上对人们的生活起到重要的作用。纳米电子技术是以许多现代自然科学技术为基础的科学，研究涉及混沌物理、量子力学、基础化学、分子生物学等现代科学和计算机技术、核分析技术、扫描隧道显微镜技术和微电子等多种现代技术，并与机械学、生物学、认知科学等学科相互融合，这种融合发展必然会引发各行业各领域的科学技术发展，对于人类而言，不仅可以改善生存环境，提高生活水平，并且还将从根本上造福全人类。
参考文献：
[1] 王敏，简述纳米电子器件与纳米电子技术研究分析，中国科技投资，2013（36）：P221.
纳米科学论文篇10
魏启明教授出生于医学世家，外曾祖父是台湾最早期西医，父亲魏正明教授为日本福冈九州大学医学博士，是著名的血管外科专家：母亲王碧云教授为日本东京东邦大学医学博士，是著名的妇产科专家：二姐魏丽惠教授也是著名的妇产科专家，现为北京大学医学部人民医院妇产科主任教授、中华医学会妇产科分会副主任委员、中华妇科肿瘤学会副主任委员、中国妇产科杂志主编、全国人大代表，曾获得中国医师会最优秀医师奖。
魏启明教授在日本国立三重大学医学部取得医学博士学位并进行了心血管外科临床培训，博士论文题目为《人工心脏在心力衰竭的应用》。然后在美国MAYO医学中心心脏科师从John Burnett教授进行研究，发现脑钠素（BNP）是心力衰竭的重要临床指标之一：文章发表在美国着名的《循环》杂志上，并被美国心脏学会评为心力衰竭研究的关键论文。魏教授在世界上第一个发现c型多肽是一种特异的内源性静脉扩张剂，在《美国生理杂志》上并引起专业领域的极大重视。魏教授将ANP和CNP巧妙地结合在一起，研究发明新型人工多肽，获得了美国和国际的专利。这种多肽具有强烈的血管扩张和利尿效果，可治疗心肾衰竭和高血压：本研究发表在著名的《临床研究杂志》（Journal of Clinical Investigation），编者按指出，这是一个具有重要临床意义的发明。由于出色的研究成绩，魏教授被MYAO医学中心评为当年度杰出研究者，获得了MYAO医学中心著名的“KENDALL研究奖”。魏教授并到哈佛大学医学院作了关于心脏血管内分泌学的演讲报告，并与美国麻省理工学院医学生物学专家一起磋商，研究开发新型的医疗技术和医疗器械。
通过对于纳米生物技术的研究并与其他科学家的广泛合作，魏教授发现这是一个有着巨大发展前景的领域，着重开展了纳米技术对肿瘤和心血管疾病的早期诊断和药物靶向治疗研究，取得了关键技术突破。由于魏教授研究成绩斐然，美国著名的约翰霍普金斯大学医学院聘其担任心胸肾疾病的纳米生物技术研究团队和研究室的研发工作。约翰霍普金斯大学医院连续20年在全美医院排名中名列第一，并拥有多位着名的诺贝尔奖大师。
主题为“纳米医药和纳米生物学前沿”的科技部第293次香山国际学术会议于2006年11月召开，与中国科学院白春礼院长、科技部张先恩司长、东南大学顾宁教授一同作为组织者的魏启明教授，被与会代表及业内同侪这样评价：具备较为坚实的医学理论基础和技术攻关实力，正在为纳米生物技术的临床应用和纳米医药产业化等方面提供理论和技术支持。
为了纳米生物技术更快在临床应用和多学科结合，魏教授牵头组织了“美国纳米医学科学院”并当选为院长，还创立出版了英文纳米医学杂志并出任第一任主编：为协调各国纳米医学的研发和法规，魏教授牵头成立了“国际纳米医学科学院”并当选为名誉院长。魏教授共刊发超过170篇学术论文并被引用次数3000次以上，获选登上美国医学名人录和国际医学名人录，也先后被聘为国内外多所知名大学的客座教授，曾于2004年应邀到中国科学院院士学术会议上做了关于纳米医学的专题报告，并曾被聘为中国科学院海外专家评审委员和中国“973”国家重大研究课题专家组成员。现任重庆市科学技术研究院纳米医学首席科学家。通过魏启明教授和其他同仁的不断努力，纳米医学领域的研究开发正在形成蓬勃发展的趋势。
纳米科学论文篇11
我国历史悠久，文物资源丰富。随着时间的流逝他们都在经受着不同程度的损害，文物保护工作任重而道远。文物保护是应用自然科学的手段对文物进行调查研究和保护修复，其中材料科学对其起着重要的作用[1]。随着科学技术的不断发展，越来越多的新材料被应用于文物科技保护领域，纳米材料就是其中之一。
纳米材料[2]由纳米微粒构成，纳米微粒的尺寸范围是1～l00 nm，它是由数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群，其表面是既无长程序又无短程序的非晶层；而在粒子内部是具有长程序的晶状结构，由于这种特殊的结构，导致了纳米微粒的表面效应、体积效应和量子尺寸效应[3]，并由此产生许多与常规材料不同的物理、化学特性，许多高性能产品将有机会在纳米科技领域中实现。
1 纳米复合材料用于文物保护的优势
利用纳米材料特殊的性能，通过把某些纳米材料与传统有机高分子聚合物复合，用于文物保护，主要有以下几大优势：
1.1 疏水疏油性
纳米微粒尺寸小，比表面积大，表面能高，这种表面效应，使其具有很高的物理化学活性和很强的吸附性，可强力吸附气体分子，在材料表面形成一层稳定的气体薄膜，就使得水和油无法在其表面展开[4]。
如今随着工业化的发展，环境污染对文物古迹造成的危害日益严峻，纳米复合材料的疏水疏油性将为发展新型文物保护层材料提供新的方法，该类材料在阻止水蒸气，有机物，酸雨等有害物质对文物的侵蚀方面将会起到不可估量的作用。
1.2 减小光辐射
光辐射是影响文物寿命的重要环境因素，特别是紫外线照射能加速文物的老化[5]。纳米微粒的直径小，材料以离子键和共价键为主要结合力，对光的吸收能力较强，能够有效屏蔽光线，将其应用于文物表面保护，有利于文物抗紫外线和抗老化。例如纳米TiO2[6]，被广泛用做抗紫外线吸收剂，具有优良的吸收紫外线的功能。
1.3 透明度好
文物保护用封护材料要求要透明无眩光，能够清晰显示文物本体的面貌。基于纳米材料的体积效应，人类可以通过控制纳米材料的大小与形状，达到对同一种化学组成材料的基本特性如颜色、光、电、磁等性质的控制的目的。比如，TiO2抗紫外线，无毒且透明，可探索用于文物展陈的箱体，灯光等设施，国内已有相关的研究[7]。
1.4 杀菌及防治微生物
细菌等微生物危害会引起文物特别是有机质文物的糟朽霉烂。封护材料要求具有一定的防腐性能。由于纳米材料有强大的吸附性，可用做抗菌材料，纳米二氧化钛，二氧化硅等抗菌性较好[8]，可设计制备含有抗菌性纳米材料的复合材料用于文物保护。
2 纳米复合材料在文物保护中的具体应用
纳米复合材料作为一种很具发展前途的新型材料，在多种类别的文物中都已经显示出巨大的应用前景。
2.1 在金属类文物中的应用
纳米复合材料在金属类文物保护中具有广发的应用前景。对于青铜文物来说，青铜病是青铜器保存的大敌，而发生青铜病腐蚀的根本原因是在外界环境的作用下，青铜器本体发生了电化学腐蚀[9]。纳米复合材料的疏水性将有效阻止外界环境中的水分对文物本体的侵蚀，减缓电化学反应的发生。众所周知被称为铜镜中精品的“黑漆古”铜镜，表面层耐腐蚀性能优异，其耐腐蚀机理和形成机制受到了广泛的关注。相关实验和科学仪器分析表明[10]，黑漆古铜镜表层就是由单一物相纳米SnO2组成的。
2.2 在石质文物中的应用
石质文物的病害主要来自自然界的风化作用和环境污染的侵蚀，该类文物的保护需要对其表层进行防护。同传统的表面防护剂相比，纳米复合材料优势明显。邵高峰[11]等人研制了一种环保型石质文物防风化材料，他们把纳米TiO2和SiO2改性以后将其分散于水性氟碳树脂中，通过多组实验得到了最佳复合体系，分析数据表明该防风化剂具有很好的防紫外线和防水耐蚀性能，且无毒环保，是一种综合性能良好的防风化材料。
2.3 在纸质文物中的应用
纸质文物由于材质本身和环境的影响易发生严重损害，特别是纸张的酸化加剧了其老化，人们也一直在探索研究各种脱酸技术[12]。意大利的 Rodorico Giorgi 等就成功的将纳米技术应用于纸质文物脱酸[13]。他们通过均相合成等方法制备了氢氧化钙在异丙醇溶剂中的纳米分散体系，将此体系应用于纸质样品中，不仅有效的降低了纸的酸度，同时多余的氢氧化钙通过和空气中的二氧化碳反应，会在纸纤维中形成一个碳酸钙储备层，能够长时期控制纸张的酸度，有利于纸质文物的长期保存。
2.4 在纺织品类文物保护中的应用
纺织品一般属于天然高分子材料，由于天然的降解和氧化作用以及外界环境的影响，变得极其脆弱。该类文物的保存与保存环境息息相关，特别是紫外线和霉菌对其损伤巨大。挑选兼具抗紫外线和抗菌性能的纳米材料，可设计合成纳米液相分散体系。据文献报道，纳米Ti02在古代纺织品保护中的应用研究工作已经展开[14]，实验结果表明，经纳米材料处理后的纺织文物有更好的屏蔽紫外线和抗菌能力。
3 纳米材料在文物保护中的应用展望
二十一世纪将是“纳米的世纪”，纳米技术和纳米材料也给文物保护技术的发展提供了新的思路，这方面的研究工作国内外均已展开。作为一种新型学科，其基础理论研究还在逐步发展之中，对于文物这种不可再生资源，纳米材料的真正应用还需要在理论和技术经过反复验证并且相当成熟的时候实施。随着研究的不断深入，纳米材料在文物科技保护中的应用将会更加广泛。
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纳米科学论文篇12
一、《纳米技术的基础和应用》课程的现状
纳米技术的发展依靠的是人才的发展，纳米科技人才是纳米技术发展的根本保证。我国一直以来十分重视对纳米科技方面人才的培养。《国家纳米科技发展纲要（2001―2010年）》中明确地提出：要从学校的教育抓起，要重视纳米科技的相关学科建设，择优设立有关于纳米科技的专业，同时在物理、化学、生物、机械、电子学、计算机科学等专业内部，设置有关纳米科技的新课程，重视和保障我国纳米科技的可持续发展。目前，纳米技术的相关教学工作十分活跃，国内许多高校都开设了与纳米技术相关的公共选修课或者专业选修课。在材料类本科专业中，开设有“纳米材料与技术”、“纳米材料”课程，这是当前材料科学领域中重要的专业课程。为弥补专业课程的不足和提供学生自主学习的机会，不少高校还在化学工程与工艺、应用化学、制药工程等专业中开设了“纳米科技导论”选修课程，受到学生的普遍欢迎。
为了让对纳米科技有兴趣的学生了解和认识纳米科技的基本知识、基本概念、基本方法及其应用，我们在桂林电子科技大学大学一年级新生中开设了“纳米技术的基础和应用”通识教育选修课程。这门选修课程推出后，立即受到了广大学生的欢迎，选修本门课的学生人数达到了200人，且仍有相当部分的学生由于受到选课人数的限制未能选上这门课程。实践表明，学生选修“纳米技术的基础和应用”课程的兴趣主要源于对新兴纳米科技知识的求知欲望。目前，在我国的高等院校开设的纳米技术相关课程中，大部分是偏向纳米材料的内容，这些纳米材料类课程一般是作为高年级专业主干课或专业选修课开设。这类课程的开设，一般要求选修的学生具有一定的材料、化学、生物等相关专业知识。对于我校大一新生来说，目前的相关教材和教学内容显然过于深奥。在教学实践过程中，经常有学生发出这样的疑问：“纳米技术这门课这么深奥，我们该如何学呢？以后工作中能用到吗？”
综上所述，我们必须对“纳米技术的基础和应用”这门课程的教学内容、教学模式和教学方法等进行改革。根据教育部“关于推进高等教育面向新世纪教学内容和课程体系改革计划实施工作的若干意见”的指示精神，结合办学定位和人才培养目标，面向大一新生这类特殊的教学对象，本文在《纳米技术的基础和应用》课程中探索了一条切实有效的教学改革之路。
二、新的教学模式和方法在《纳米技术的基础和应用》课程中的应用
（一）教学模式改革的目的
在“纳米技术的基础和应用”课程教学中，结合该课程理论和实践性强的特点，对教学过程中教学要求、教学内容、教学方法、教材建设和考核方法等多个环节进行改革，推动“纳米技术的基础和应用”课程的建设，为将来从事与纳米科技研究及产业相关工作的本科生提供必要的知识准备，以便能快速进入相关领域，满足社会之需求。并力图培养学生的科学思维和创新能力，为培养高层次、综合性、有创新意识和能力的人才奠定基础。
（二）新的教学模式和方法
1.编制新的讲义。目前可供高校教师上课选择的有关纳米技术的相关教材较少，且绝大部分是专业性较强的专业教材。在以往的教学实践中，使用类似的教材，大一学生常常感到接受起来比较困难，影响了教学效果和学生的积极性。因此，有必要针对大一新生，查阅国内外大量与本课程相关的资料，旁征博引，编写纳米技术的相关讲义。该讲义既要比较全面地介绍纳米技术的相关基本概念、理论和应用，又要把握专业深度，体现出专业性和科普性的结合。主要包括：纳米技术概述、扫描隧道显微镜和原子力显微镜、纳米材料、纳米生物与医学技术、纳米机械、纳米电子学等内容。纳米科技的研究对象涉及诸多领域，它的基础研究问题又与应用密不可分。对于大一新生，在有限的学时内，不可能把纳米技术的方方面面都做个系统讲授，比较可行的做法是将本学科领域最近发生的重要事件纳入讲义，并将这些事件产生的巨大影响加以阐述，让学生真切感受到知识的实用性与社会效应，提高学生的学习积极性，这就对教师的专业综合素质提出了较高的要求。结合大一新生专业基础知识较弱同时对前沿科技比较感兴趣的特点，我们在现有教材的基础上编制了新的讲义，注重趣味性、通俗性、易懂性，提高了对学生的吸引力。
2.CAI课件研制。“纳米技术的基础和应用”课程涵盖面较广、信息量教大，单一的板书教学手段不易满足该课程的教学需要。将现代化多媒体技术应用于课堂教学，利用视听说等手段向学生提供声、像、图、文等综合信息，有利于学生集中注意力。纳米技术的许多知识是微观领域的，单靠语言和文字描述，学生难以理解。通过多媒体技术进行动画模拟，可以使微观知识宏观化，变抽象为具体。因此，必须系统开发研制“纳米技术的基础和应用”课程CAI课件，该课件以科学研究前沿课题形式体现纳米技术领域的最新研究成果，尤其是国内外高校和公司中纳米技术应用的具体实例，激发学生的学习和研究热情。
在新的讲义基础上，为了达到好的教学效果，我们研制了高质量的CAI课件。对于纳米尺度相关问题的研究，采用图像、视频、动画等形式，这就比单纯的文字说明更加具有感染力，也更利于学生接受，有利于调动学生的学习积极性。
3.依托科研项目，实现多种教学手段。目前，依托多媒体等现代化的教学设备，已经实现了板书向PPT教学的转化，但在教学内容上，比较偏重理论，教学手段和教学方法比较单一。《纳米技术的基础和应用》课程对于大一新生来说，属于内容比较陌生，概念抽象，较难理解的课程。如果还是采用传统的课堂教学手段，往往使学生产生畏难情绪，影响课堂效果。针对这种情况，我们采取了依托科研项目，将教材内容和科研项目中相关联的内容联系起来，实现两者的有机结合。具体表现为：在教学内容上，首先讲解基本的知识点和相关概念，用浅显易懂的语言表达出来，让学生容易接受，接着引入科研项目中相关的例子，将课堂讲解的内容在科研项目中的应用进行阐述，便于学生有更切实的直观体验;在教具的准备上，如果条件允许，将科研项目中相关的原理样机、视频、图像等在课堂上进行展示，和教学内容相结合，可以引起学生极大的兴趣和参与感。例如，在《纳米技术的基础和应用》课程中，通过展示微流控芯片的原理样机，启发学生思考芯片的设计和加工流程。通过展示胶囊内窥镜、纳米机器人等最新科研成果，激发学生的科研兴趣和学习热情。另外，通过科研项目，邀请有合作研究的企业技术人员、其他高校合作研究人员等以讲座、培训等形式实现多元化的教学模式，丰富教学方法和教学手段。
4.在教学中发掘出科研前沿新课题。通识教育选修课程的教学目标主要是扩充大学生的知识面，注重知识点的“广度”而非“深度”，因此，应具备科普性、前沿性、实用性与趣味性的特点要求。与此相对应的教学形式和教学方法上也和其他的课程有所区别。在教学形式上，以专题形式展开教学。针对学生所关注的问题，开设各相关专题，例如纳米机器人、生物分子马达、隐形飞机表面的纳米涂层、纳米生物芯片等，来充实教学内容。实施讨论式、启发式的教学方法，激发学生的潜能。比如提出问题：“月亮和地球之间的天梯如何实现？”来引出纳米材料的独特优势;从学生熟悉的例子入手，比如媒体上炒的很热的纳米冰箱、纳米保暖内衣等，引出纳米技术的真正定义。采用多媒体教学手段，不断改善教学质量和效果。
纳米技术是目前国家大力支持的发展项目，各项科研资金投入较大。所以，如何通过教研相长，将教学研究作为科学研究的创新源，从教学中发掘出科研前沿新课题和新领域，是一个值得深入研究的问题，通过为学生进行科学讲座，积极倡导科学精神和创新精神指导学生进行探究性学习，集思广益，提炼出科研前沿课题，同时挖掘学生创造性思维潜力，提高分析和解决工程问题的能力。
三、总结
通过以上新的教学模式和方法在《纳米技术的基础和应用》课堂教学中的应用，有效地提高了课堂教学效果，达到了预期的教学目的。
参考文献：
[1]黄德欢.纳米技术与应用[M].上海：中国纺织大学出版社，2001.
[2]姜忠义，成国祥.纳米生物技术[M].北京：化学工业出版社，2003.
纳米科学论文篇13
1983年，刘忠范大学本科毕业后便赴日留学。他先后在日本横滨国立大学、东京大学取得了硕士和博士学位，并在东京大学和分子科学研究所做博士后。
攻读博士期间，刘忠范师从国际著名光电化学家藤岛昭先生做研究，他很为老师的工作精神所感动，年过半百仍扑在事业上。
自幼养成的勤奋习惯和藤岛昭先生的表率，使刘忠范在日学习期间取得很大成功，获得了日本政府奖学金并在《Nature》杂志上发表了学术论文。与中国不同的社会环境，也让埋头读书不问世事的刘忠范更加开朗起来。这时，北京大学化学系的教授蔡生民找到了他，不止一次地邀请刘忠范回国，并且用真诚的话语
打动了他。
他选择了北大。十几年后回忆起来，刘忠范仍觉得，“北大是最适合我的”。
在研究领域，刘忠范选择了纳米。
人们接受纳米有一个过程。1997年9月27日，北京大学成立了纳米科技中心，这是中国高校的第一个跨院系、跨学科从事纳米交叉学科研究的综合性研究中心。刘忠范接到很多电话，有人问：“听说你们搞出一种纳米，贵不贵？好不好吃？”刘忠范只好幽默地回答他，“纳米太小了，既不好吃，恐怕也吃不饱。”
近年来，纳米技术掀起了阵阵热潮，也渐渐出现在人们生活中。纳米技术将为目前许多技术难题提供新的解决方案和思路，也会进一步提高人们的生活水平并有可能在很大程度上改变人们的生活方式。1986年诺贝尔物理奖得主罗雷尔说，曾重视微米科技的国家，今天都已成为发达国家，而纳米科技则为人们提供了新的发展机遇，今天重视纳米科技的国家必将在未来的高科技竞争中独领。
科技部最年轻首席科学家
1994年，刘忠范申请了科技部攀登计划项目，经费500万元。刘忠范成为这个项目的首席科学家，也是当时科技部最年轻的首席科学家。他从此开始了纳米攀登之旅。
“当时，我们是做纳米级的信息存储技术，相当于超级光盘。”刘忠范说，这个项目共有三个承担单位，还包括当时的北大电子学系——现在的信息科学技术学院的吴全德院士、薛增泉教授以及吉林大学化学系的李铁津教授。吴先生尽管年事已高，但对‘纳米’非常敏感。吴老先生和薛教授都是做信息技术的，尤其有感于我国微电子技术发展的曲折和落后现状，而纳米技术应该是一个难得的机会。因此，“我们之间产生了强烈共鸣，觉得应该酝酿一个计划，大张旗鼓地在纳米领域开拓——这就是北京大学纳米科技中心成立的初衷”。
1993年，刘忠范回国后，他亲手建立起光电智能材料研究室。起初什么都没有，完全从零开始做。有几间空房子，每一个插头在什么地方，都要刘忠范自己设计后找人安装，桌椅板凳都是他自己一件件买来的。搞前沿研究需要先进设备，为了购买这些设备，他省吃俭用，甚至到了抠门的程度。刘忠范花50多万元买了一台用于看原子和分子的STM仪器，这差不多是国内最早进口的洋玩意。仪器需要配置防震台，由于资金紧张，刘忠范只能带着学生亲自动手。
创业是艰辛的。当年的刘忠范人称“拼命三郎”，每天最早进楼的是他，最晚一个走出实验室的还是他。由于总是工作到深夜，楼门早已关闭，因此他经常翻越化学楼的铁门，“因此练就了一副好身手”，他自嘲道。
科研工作很辛苦，但也充满了快乐。在刘忠范眼里，研究的一大乐趣就是和学生一道创造故事。学生一个错误的实验设计带来了热化学烧孔存储技术；一位女同学的顽固不化和他的坚持加包容收获了石墨烯的偏析生长方法，进而开启了石墨烯生长过程工程学研究之门。回忆起这些往事，刘忠范的脸上洋溢着成就感。
“要向两头进军”
十几年来，中国纳米科技发展得飞快。从数量上看，已经与美国并驾齐驱，论文的档次也越来越高，尽管原创性和影响力尚有待提高。刘忠范为中国纳米的发展简单勾勒了三部曲：科学、技术和工程。
谈起与自己一同成长的北大纳米科技中心，刘忠范说，北大的纳米研究，总体上还处于纳米科学的层面。经过十几年的努力，已经取得了长足进步，在国内外拥有了一定的学术影响和地位，化学学院、信息学院和物理学院的纳米团队功不可没。当然，我们还缺少重大突破，需要从高原到高峰的飞跃。
刘忠范特别推崇团队精神和团队文化建设。说起他的研究团队，他总是强调，他所取得的些许成绩，都是团队成员共同拼搏、共同奋斗的结果。他的研究团队，从最初的几个人、十几个人，发展到今天的几十个人，不断地壮大着，也形成了独具一格的团队文化。正是这样的团队文化，带来了一个又一个的学术研究成果，也使北大成为国际知名的低维碳材料研究基地。他的信条是：人才决定潜力，机制决定效率，文化决定高度。
刘忠范最自豪的不是他发表的300多篇学术论文，而是培养了一批热爱科学、热爱纳米的弟子。他的弟子绝大多数都在国内外知名学术机构从事科研工作。他更希望将来有一天他被称为教育家，而不仅仅是一名科学家。
“ 责任是通向伟大的代价”，这是丘吉尔的一句名言。刘忠范深深地感受到越来越多的社会责任。儿时刻骨铭心的贫穷经历使他对农村教育和失学儿童问题极为关注，并力所能及地为此做些事情。他设立的奖学金拯救了不少濒临失学的儿童。人生是永不停息的马拉松。前人在指引着我们，后人在追赶着我们，我们始终处在激烈的竞争中。刘忠范正不断翻山越岭，向科学高峰攀登。（来源：科技日报，本刊有删节）
