纳米材料结构( 四 ) _纳米「问人人知识网」

利用纳米技术还可以以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作生物材料和仿生材料，并能在材料破坏过程中进行纳米级损伤的诊断和修复。
纳米器件：给信息技术带来革命
纳米科技的另一主要研究领域是设计、制备新型纳米结构和纳米器件。就像30年前，微电子器件取代真空电子管器件给信息技术带来革命一样，纳米结构将再次给信息技术带来革命。
把自由运动的电子囚禁在一个小的纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，线的宽度只有几个纳米，会发生十分奇妙的事情。由于颗粒内的电子运动受到限制，原来可以在费米动量以下连续具有任意动量的电子状态，变成只能具有某动量值，也就是电子动量或能量被量子化了。自由电子能量量子化的最直接的结果表现在：当在金属颗粒的两端加上合适电压，金属颗粒导电；而电压不合适时，金属颗粒不导电。这样一来，原来在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内就不再成立了。还有一种奇怪的现象，当金属颗粒具有了负电性，它的库仑力足以排斥下一个电子从外电路进入金属颗粒内，从而切断了电流的连续性。这使得人们想到是否可以发展用一个电子来控制的电子器件，即所谓单电子器件。单电子器件的尺寸很小，把它们集成起来做成电脑芯片，电脑的容量和计算速度不知要提高多少倍。然而，事情可不是人们想像的那么简单。实际上，被囚禁的电子可不那么"老实"，按照量子力学的规律，有时它可以穿过"监狱"的"墙壁"逃逸出来，这会使芯片的动作不可控制，同时还需要新的设计使单电子器件变成集成电路。所以尽管电子器件已经在实验室里得以实现，但是真要用在工业上还需要时间。
被囚禁在小尺寸内的电子的另一种贡献，是会使材料发出强的光。"量子点列激光器"或"级联激光器"的尺寸极?。?但发光的强度很高，用很低的电压就可以驱动它们发生蓝光或绿光，用来读写光盘可使光盘的存贮密度提高几倍。如果用"囚禁"原子的小颗粒量子点来存贮数据，制成量子磁盘，存贮度可提高成千上万倍，会给信息存贮的技术带来一场革命。
纳米加工：有待人类显身手
为了研究纳米科学和应用纳米科学的研究成果，首先要能按照人们的意愿在纳米尺度的世界中自由地剪裁、安排材料，这一技术被称为纳米加工技术。实际上，一方面纳米加工技术是纳米材料的重要基础，另一方面纳米加工技术中包含了许多人们尚未认识清楚的纳米科学问题。比如说，在一个粗细为几纳米的孔或线里，原子的扩散就与宏观世界里的扩散大不一样。一般而言，原子运动的自由程为几个微米，在此长度上，原子发生碰撞，进行热扩散器壁的作用可忽略不计，可在纳米孔或线内，原子的扩散主要是靠与孔壁的碰撞来完成的。再举一个例子，一般认为物体之间相互运动时的摩擦力主要来源于物体表面的不平整性，即物体表面越光滑，它们之间的摩擦力越小。而纳米材料表面越?。?相互之间距离很近，以至于两块材料表面上的原子会发生化学键合而产生对相互运动的阻力。因此，在纳米世界里，所有的加工都必须在原子尺寸的层面上考虑。纳米加工技术可以使不同材质的材料集成在一起，它具有芯片的功能，又可以探测到电磁波、光波(包括可见光、红外线、紫外线等)信号，同时还能完成电脑的命令。如果将这一集成器件安装在卫星上，可以使卫星的重量大大地减小，更容易发射，成本也更低。当前人们已经在考虑用"小鸟"卫星部分地代替现有的卫星系统。