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神奇的纳米世界 §1.1 纳米的概念

我们的古人常用“芥子之微”、“秋毫之末”来形容东西很小。古文《核舟记》里描述了一艘用橄榄核雕刻的舟,窗子可以开合,上面居然还写着“山高月小,水落石出”八个字,令人叹为观止。这艘船的最小部件只有0.1毫米(mm),即100微米(μm)。现代象牙微雕,据说小如米粒,竟能刻下《唐诗三百首》全文。粗略估算一下,在1mm×2mm的面积上刻两万字,每个字的面积只有10μm×10μm。然而,现在看来这些还不算最小。又如,人们往往用“细如发丝”来形容东西纤细。其实,人的头发直径一般为20~50μm,可见并不细小。单个细菌虽然用肉眼看不见,但用显微镜测出其直径约为5μm,也不算是最小的。就拿目前世界上最小的硅集成电路来说,线宽已经减小至0.13μm。据美国半导体工业协会预计,到2010年半导体器件的大小还将继续减小至0.1μm即100纳米(nm)以下,到时候就会呈现出量子效应,所有的芯片必须按照新的原理来设计。在这种纳米尺度上制造出的计算机性能将比目前微米技术下的计算机性能呈指数倍提高,从而在信息产业和其它相关产业中将引发一场深刻的革命。这正验证了哲学中“量变导致质变”的原理。

纳米(nanometer)是长度单位,原称“毫微米”,用nm表示。正如米是长度单位,用m表示一样。1nm=10-9,即1nm等于10亿分之一米。我们知道,原子是组成物质的最小单位,自然界中氢原子的直径最小,仅为0.08nm,非金属原子直径一般为0.1~0.2nm,而金属原子直径一般为0.3~0.4nm。因此,1nm大体上相当于数个金属原子直径之和。由n个~n百个原子组成或粒径小于1nm的原子集合体称为“原子簇”或“团簇”(cluster)。当前能大量制备的团簇有c60和富勒烯。c60是由60个碳原子组成的足球结构的中空球形分子;由三十二面体构成,其中20个六边形、12个五边形。c60的直径为0.7nm。通常所说的纳米是指尺度在1~100nm之间。可见,纳米微粒度大于原子簇,但用肉眼和一般的光学显微镜仍然是看不见的,而必须用电子显微镜放大几万倍甚至十几万倍才能看得见单个纳米微粒的大小和形貌。血液中的红血球大小为200~300nm,一般功菌如大肠杆菌的长度为200~600nm,而引起人体发病的病毒的般仅为几十纳米,因此,纳米微粒化红血球和细菌还要小,而与病毒大小相当或略小些。