1、納米材料和納米技術發展的哲學思考21 世紀青年學者論壇弄典典乘器器爭發展的哲學學 方芳朱敏(華南理工大學機電工程系 .廣州 510641)摘要 :本文納米材料為倒 ,借助自然辯證法和科學技術辯證法的理論和觀點,通過時納米材料和納米技術的研究內容 ,發展過程的研究 ,分析了納米材料和納米技術的出現帶來 的哲學思考和啟迪 .認為納米材料和納米技術的誕生和發展開辟了人類認識世界的新層次,實現了生產方式的質的飛躍.關鍵詞 :納米材料納米技術納米粒子邊緣學科可持續性發展 PhilosophyThinkingofNano- materialandNano technology FANGFangZHU5fi

2、n(DelmranentofMechanoElectronicr.uoneerlng,South ChinaUniversityofTechnology,Guaiigu510641)Abstract:Ph/sophyofnzlnomaterialandrulrtotechnology【 nlwith 如 twpointofnaturalandtechnologydialectics.D,ebornand女如蛔 ofnrtO materialand 惻一去卩力卩 blazedn rtewwayofM 婦瞎 theworld,whichachieved 如 qualltatixeofproduct

3、ionmodeKeywords2rtctrto mmz,rtozto technology,rtctrto particle,crossed ,durative 也 w.1 納米材料的發展概況 人類對物質的認識分為兩個層次 :一個是宏觀 ,另一個是微觀.人們對宏觀物質的研究已經很深八,研究的歷史也較悠久.對于微觀物質的研究 ,到 20世紀印年代出現了團 簇科學 ,成為凝聚態物理研究的熱點 .在團簇物理研究中 ,人們在團簇和亞微米體系之間又發 現了一個十分令人注目的新體系 ,即納米體系 .這個體系通 常研究的范疇為1lOOnm,其中典型的代表是納米粒子由 于納米粒子的尺寸小 ,比表面積大和量子尺

4、寸效應使其具有 不同于常規固體的新特性 ,而成為材料科學 ,物理學和化學 等學科的前沿焦點 . 1 959年著名的美國物理學家 Pilchard Feymmm預言說我不懷疑，如果我們對物質微小規模上的 排列加以某種控制的話 ,我們就能使物質得到太量的可能的 特性.1984年GMtex首次采用氣體冷凝的方法，成功地制備 了 R 納米粉 .隨后,美國,西德和日本先后研制成納米級粉 體及塊體材料 .1990年7月在美國巴爾的摩召開了第一屆 國際納米科學技術會議 ,正式將納米材料科學作為材料科學 的一個新分支公布于眾 .1991 年研究者又發現了納米碳管 , 它是一種二維材料 ,直徑只有幾個納米 ,而

5、強度比鋼高 100?本課題受國家杰出青年科學基金（5992582）廣東省自然科學基金（980趼）的資 助,23卷4期5121 世紀青年學者論壇倍 1 密度僅為鋼的 1/6,是很有前途的增強劑困其導電性超 過錒 ,可能成為納米級電子線路材料 .納米材料科學的誕生標志著材料科學已進凡了一個新 時代,而人們對客觀世界的認識又前進了一大步 .2 納米粒子和納米技術納米材料分為納米粒子（Na.10眥erParticles）和納米固 體.納米粒子的集合體構成納米粉末或超微粉 ,而由納米粒 子聚集而成的新型凝聚體稱為納米固體 .2.1 納米粒子及其研究意義 納米粒子又稱微粒子 ,超小粒子 ,團簇 ,量子點等

6、 ,通常 是顆粒尺度為納米級的超細微粒 .它的尺度大于原子簇小 于通常的擻粉，一般在1 100ran之間,是肉眼和一般顯擻鏡 看不見的微小粒子 . 納米粒子通常處于微觀粒子和宏觀物體交界的過渡區 域.從通常的關于微觀或宏觀的認識來看 ,這樣的系統既非 典型的微觀系統亦非典型的宏觀形態 ,應該是一種典型的介 觀系統它具有一系列新異的物理 ,化學特性 ,涉及到宏觀 大塊樣品中所忽略的或根本不具有的一些基本物理化學問 題.當固體微顆粒的尺寸逐步減小時 ,量的變化在一定條件 下會引起理化性質的質變 ,例如當顆粒的尺寸小于光波波長 時,金屬超做顆粒均失去原有的光彩而呈黑色 . 人類對客觀世界的認識始于宏

7、觀物體 ,又溯源于原子 , 分子等微觀粒子 ,然而對處于二者之間的納米粒子長期以來 卻缺乏耀人細致的研究 .對納米粒子的研究是人類認識客 觀世界的新層次 ,一些與傳統凝聚態物質不同的新概念 ,新 現象,新規律將從這里誕生 ,新的科學與技術領域也會從這 里孕育,成長壯大 .2,2 納米技術及發展歷史 所謂納米技術是指在納米尺度下對物質進行制各研究 和工業化 .以及利用納米尺度物質進行交叉研究和工業化的 門綜臺性技術體系】 .早在印年代 ,東京大學的久保良吾 (Kto) 就提出了有 名的 效應,認為金屬超微粒子中的電子數較少 ,而不 遵守 Femfi 統計,并證實當結構單元變得比與其特性有關的 臨

8、界長度還小時，其特性就會發生相應的變化7o年代末 80 年代韌.隨著干凈的超微粒子的制取及研究 ,Kubo 效應 理論日趨完善 .為日后納米技術理論研究打下了基礎 . 納米 技術在 80 年代末和 90年代初得到了長足發展 ,并逐步成為個納米技術體系 .科技界認為 ,納米技術是人類認識和改 造世界能力的重大突破 ,將引發下一場新的技術革命和產業 革命.這場技術革命的廣闊性和深人性完全可以與以往幾 次技術革命相媲美 ,特別是納米材料及納米技術與信息技術 的相互推動 ,以及小型化的擴展趨勢 ,將成為納米技術產業 化的強勁潮流】 .正如美國 IBM 公司首席科學家阿莫斯特 朗所說:正像 70年代擻電

9、子技術引發了信息革命一樣 ,納 米科學技術將成為下世紀信息時代的核心 .美國時代周 刊曾把納米技術選定為 今后十年最可能使人類發生巨大變 化的十項技術 之一 .美國總統克林頓今年一月宣布將納米 技術列為美國國家研究發展計劃 . 納米技術已成為獲得材料特殊性能的重要途徑 ,此外由 于納米材料電磁性能的改變及表面積的增加 ,已成為開發隱 身材料 ,催化劑,磁性材料的重要手段 .同時,納米技術也是 未來信息技術希望之所在應用納米技術電路或僅靠單個 原子 ,分子改變位置或開關就能用于儲存信息 ,這樣便可以 大大提高芯片的集成度 ,使得萬億次計算機成為可能 .因 此 ,信息技術將是納米技術的最大受益者之

10、一 .科學家甚至 發明了原子開關 ,使單個氙原子在電脈沖作用下移動而控制 電流 ,構成原子開關 .如果使這項技術達到應用階段 .必將 引起一次擻電子革命 ,將它應用于計算機芯片 ,定能低耗和 提高運行速度 .從納米技術發展的歷史可以看出 ,它經歷了一個由不自 覺到自覺 ,由預測到實際研究 ,由分散研究到有系統地整體 研究的轉變 ,這種轉變反映出了納米技術體系從形成到進一 步發展的系統框架 .簡而言之 ,納米技術的誕生和發展開辟了人類認識世界 的新層次 ,使人類改造自然的能力直接延伸到原子和分子 , 探擻索隱 ,人木三分 .實現生產方式的質的飛躍 ,同時也標志 著人類的科學技術又進人個嶄新的時代

11、 .3 納米材料和納米技術帶來的哲學思考和啟迪3.1.他山之石 .可以攻玉科學方法的跨學科 應用客觀事物具有統一性 ,因而不同學科之間存在著一定的 共性和相似性 .科學作為一個有機的整體 ,在各學科 ,各方 向存在著相互滲透相互支撐的密切關系 .現代科學的細致 分工 ,使一個學科的研究方法得以發展得十分細致 ,其他學 科直接或間接地加以借鑒運用 ,實際上是一種思維方法的拷 貝41.他山之石,可以攻玉 ,借鑒和運用其他學科的科學 方法及研究新進展 ,可以使我們省卻在本學科體系內部從頭 發展類似的方法 .從而事半功倍 .科學發展史雄辯地表明 , 各學科之間的相互作用相互滲透 .可以獲得巨大的成果

12、.近 年來,材料學的發展得益于物理化學和信息科學等學科的 理論 ,方法與研究手段向材料學的滲透 ,借助于這些學科的 成果使材料科學逐漸向精密科學過渡 ,并躍居到現代自然科 學的前沿 .納米科學便是在物理 ,化學 ,數學等基礎學科發 展的基礎上出現的 ,而納米技術是基礎科學 （介觀物理 ,化 學,分子生物學 ）和先進工程技術 （計算機 ,微電子和掃描隧 道顯徽鏡STM）相結合的產物.1981年瑞士 IBM蘇黎士實驗 室的Benng和舢町發明了具有原子顯像能力的掃描隧道 顯微鏡（sm）,顯示出原子尺度范圍內空間中表面的三維圖 象.準確可靠地給出了表面原子結構信息.短短幾年問,sm 的研究和應用已滲

13、透到許多學科和技術部門 .到八十年代 末.sm不僅是一個觀察手段，而且成為可以調整原子的工 52 世界科技研究與發展2l 世紀青年學者論壇具.可以認為,沒有STM技術的發展，納米材料的研究進展 不會如此之迅速綜觀今日科學世界 ,科學方法的跨學科運用 ,將各自然 科學 ,社會科學和技術科學逐步聯系起來 ,使得每一九學科 都和整個科學的大系統密切相連 .以至于任何一個結構層次 上的重大科學突破 ,都可能迅速通過研究方法的跨學科運用 等多種方式擴散開來 .直到物化為改造世界的技術與產品 , 深刻地影響瞢整個科學世界和現實世界的圖景】 32小就是太.少就是多 H 納米材料蛤人類思 維方式帶來的變化新材

14、料的發展不僅是科技進步 ,經濟發展,軍事先進的 物質基礎 ,同時也改變著人類社會的思維方式和實踐方式 , 推動著社會的進步 .許多新材科開發的思路 ,研究與應用的 過程本身蘊涵著嶄新而深刻的認識論與方法論】 . 大工業時代 ,占主導地位的思維模式是 非此即彼,但 高科技時代卻為我們打開了通向 既此叉彼的大門 ,這是一 種歷史的進步 .大與小,多與少之問的界限就象是黑與白 曲與直一樣明顯 ,不能混淆 .但是,科技的發展卻在具體事 物上將它們緊密地綜合在一起 .二歸一了過去不可能的 , 不重要的 ,在納米狀態下 ,很有可能是可行的 ,并且是極其重 要的因素.實現納米技術的一種方式是由宏觀向微觀 ,

15、即通過宏觀 的方式將機器制造得越來越小 .納米材料由于其小尺寸效 應而具有的高硬度和高強度特性 ,將改變人們的常規思維模 式.如果用納米材料制成計算機 .體積將縮小到原來的億分 之一,而計算速度卻增加到原來的幾百倍 .日本末京大學的 化學家們已經發現了一種 神奇的粒子 ,它可以像電腦那 樣,具有暫時記憶和永久記憶功能 .當這種粒子受到紫外線 或激光的照射時 ,就會改變結構 .這樣就可以利用它來儲存 二進制數碼 .借助于電子掃描隧道顯微鏡 (STM). 每平方微 米表面可儲存 1012bit 的信息 .它的發現具有難以估量的價 值,或許有一天 ,電子計算機會進人到分子計算機 的時代 . 然而 .

16、隨著電腦體積不斷減少的同時 .其威力卻不斷增加 . 這就意味著 小就是大 ,少就是多 .小就是大 ,少就是多 的論點被認為是一種 悖論 .但 它是種合理的悖論,是高科技文明的產物是社會進步 的必然結果 .它符合奠定其基礎的科技前提 ,符合客觀事物 本身發展的內在的邏輯 ,因此認為是正常的 ,合理的.在高 科技文明的今天 ,我們只有樹立既此又彼的思維模式 ,才 能適應科技發展的形勢 .否則,人類將面臨更多無法理解的 悖論.新材料對人類思維方式與實踐方式的深層次影響,不易被人們意識到 ,往往被人們所忽視 .而這正是新材料在當代 社會發展中的若干作用中最具潛在價值與長遠意義的獨特 方面.3.3 納米

17、材料和納米技術與可持續性發展 可持續性發展 的權威定義是 1978年世界環境與發展 委員會在我們共同的未來一書中提出的 .就是既滿足當 代人的需要 ,叉不對后代滿足其需要的能力構成危害的發 展.制約可持續性發展的因素很多 ,但歸根到底是科學 技術.科學技術不僅影響到經濟發展 ,它還影響到社會的發 展與環境的發展 .因此,科學技術在可持續性發展中居核心 地位.資源是可持續性發展中的一個重要因素 .目前,世界上的材料有10O萬種，而天然的材料只占5%.納米材料和納米 技術的發展為人們設計赫跫材事 I 尤其是舍成復臺材料打開 了太門.實現納米技術的手段除了從宏觀到微觀外 ,還有另 種方式就是由微觀到

18、宏觀 .即直接操縱原子和分子 ,對它 們進行不同的排列組合而形成新的物質 ,從而制造出具有新 功能的產品 .通過納米微粒的研制成功和相關納米理論研 究的進行 ,人們可以按照自己的要求 ,選用特定的納米微粒 , 合成得到具有特殊性能的新型復合材料 70 年代中期的席 省理工大學一位名叫德雷克斯勒的大學生 ,受生物學家在研 制如何控制構成 DNA 鏈的啟發 ,提出耍用原子建造機器 ,并 進行復制 .這被當時主流科學家視為一派胡言的設想 , 在 1989年被一個驚人的i冉息所鼓舞，就是國際商用機器公司 (IBM) 的科學家利用掃描隧道顯微鏡和類似小鑷子的工具移 動氙原子 ,最后拼成 IBM 這個著名

19、商標 ,而日本科學家則實 現了將硅原子堆成一十 金字塔 ,首次實現了原子三維空間 的立體搬遷】 .目前,科學家正在研究的領域涉及 :讓機器 自己按一定程序復制自身 ,就像細胞分裂一樣 .這樣就可以 用機器來制造食物 ,來修復細胞 ,可以防止疾病和抗衰老菩 . 所以采用納米技術 ,可以對現有的分子進行改造 ,將構成分 子的原子移走 .再利用單個的原子組京新的分子 ,這樣便可 以輕而易舉地制造出人類所需要的物質 .雖然目前還不能 實現以上的設想 ,但人類在微型化上畢竟邁出了至關重要的步. 能源與生態的危機是人類所持的關于利用和改造自然 界的直接產物 .1962年第一部環境科學著作寂寞的春天 面世,

20、使人們不得不直面環境污染的問題 .材料界的科學家 也加人了這場環保斗爭 ,希望通過新材料的研制和開發助其 它學科臂之力納米材料為科學的發展提供了一種新思 路.如:納米顆粒的多金屬混合粉末燒結體可以代替貴金屬 作為汽車尾氣凈化的催化劑 .納米儲氫技術的研究和發展將會緩解能源需求的危機 ,井能提供一種代替碳氫化臺物燃 料的清潔能源 ,為 綠色技術 提供技術基礎 . 納米生物學的發展促進了人們在納米尺度上進一步了 解生物大分子的精細結構及其功能關系 .目前 ,應用電子掃 描隧道顯徽鏡(SAM)已經得到了不少有關DNA的請晰圖象, 這向人們展示了一個多姿多彩的 DNA 世界.何須淺碧深 紅色,自是花中

21、第一流 ,使人心曠神怡 ,一讀三嘆 .實際上. 生命過程所需能量代謝及其它眾多生物生理過程,都是在細胞這個微米和亞微米的結構內進行的 ,應用納米技術就能獲 得細胞膜 ,細胞器表面的結構信息 .此外.若利用納米粒子 船卷 4 期2l 世紀青年學者論壇研制成納米機器人(orohot)注人人體血管內，對人體進行 全身健康檢查 .疏通腦血管中的血栓 ,清除心臟動脈脂肪沉 積物 ,甚至還能吞噬病毒 .殺死癌細胞等所以 ,科學家們指出 ,納米技術將對生產力發展產生深 遠的影響 .并有可能從根本上解決目前人類所面臨的一系列 問題.如環境,糧食,能源等極其重大的問題】 4總結今天,chardFey岫ar-以及

22、那位叫德霄克斯勒的大學生 的美好設想已經有可能成為現實 .人們已經能夠制備包含 幾十個到幾百萬個原子的納米粒子 ,并把它們作為基本構成 單元,適當排列形成一維量子線 ,二維量子面 ,三維納米固 體 .創造出相同物質傳統材料不具備的奇特性能 . 我槔感幸運能在納米材料和技術這個將引發下一場新 的技術革命和產業革命的學科中進行部舟的研究工作.這是一個需要多學科共同攜手的課題 ,而且對于人類的思維方式以及可持續性發展都將有深遠的影響 .這使我有沉重的使 命感.而且,處于宏觀和微觀之間的納米世界的介觀美使我 留連 .彭加勒在他的一篇文章中寫道 :正因為簡潔是美的 , J0JjJ0i 國外新聞 lxf

23、所以我們優先尋求簡潔的事實 ;所我們迫尋恒星的巨大軌 道 ,用顯微鏡探察奇異的細小 ,在地質年代中追蹤過去的遺 跡 ,這些活動都給我們帶來快樂 .我想我會因為這種快樂而 不擗工作和努力 參考文獻:】師昌緒跨世紀村料科學技術的若干熱點問靦自然科學進展 2I00,9(1):1132 李亞青等.試論納米技術 .科學技術與辯證法 1998.15(3):32 383 棘飛.論科學方法的跨科學運用 .科學技術與辯證法 1996,】3 (6):24304 郝壘梅 .黃青高科技帶來的悖論 .科學技球與辯證法 21100, 】7(3):12155 彭璃.論新材料在當代杜會發展中的作用自然科學史研究 ?1.17(2):10l 一 1106 沈滿洪.科學技術與可持續性發展 .科學技術與辯證法 .1 螄. 14(5):41O7 納米技術系列報遭之二 .用單十原子制遣美好世界 參考消 息).1,1:2728作者簡介方勞(FGFj.現為華南理工大學機電工程幕博士研究生. 【貴任編輯 :高利丹 ) 中美科學家發現新的碳成鍵排列方式 美國科學雜志最近刊登由中美科學家聯合署名的論 文 ,宣布從理論上發現五配位平面碳合物 ,填補了多配位 平面碳研究的