纳米材料和纳的米技术发展的哲学思考_纳米技术的发展与未来

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纳米材料和纳米技术发展的哲学思考

21世纪青年学者论坛 乘器器争 发展的哲学学' 方芳朱敏

(华南理工大学机电工程系.广州510641)摘要:本文纳米材料为倒,借助自然辩证法和科学技术辩证法的理论和观点,通过时纳米材料

和纳米技术的研究内容,发展过程的研究,分析了纳米材料和纳米技术的出现带来的哲学思考和启

迪.认为纳米材料和纳米技术的诞生和发展开辟了人类认识世界的新层次,实现了生产方式的质 的飞跃.关键词:纳米材料纳米技术纳米粒子边缘学科可持续性发展 PhilosophyThinkingofNano-—materialandNano——technology FANGFangZHU5fin(DelmranentofMechano—Electronicr.~uoneerlng,South ChinaUniversityofTechnology,Guaiig~u510641)Abstract:Ph/~sophyofnzlno—materialandrulrto—technology【nlwith如t~wpointof naturalandtechnologydialectics.D,ebornand如蛔ofn~rtO—materialand恻一却加blazed ⅡrtewwayofM妇瞎theworld,whichachieved如qualltatixeofproductionmode Keywords2rtctrto—mmz,rtoz'to—technology,rtctrto—particle,croed—,durative也w.1纳米材料的发展概况

人类对物质的认识分为两个层次:一个是宏观,另一个 是微观.人们对宏观物质的研究已经很深^,研究的历史也

较悠久.对于微观物质的研究,到20世纪印年代出现了团 簇科学,成为凝聚态物理研究的热点.在团簇物理研究中,人们在团簇和亚微米体系之间又发 现了一个十分令人注目的新体系,即纳米体系.这个体系通 常研究的范畴为1～lOOnm,其中典型的代表是纳米粒子.由 于纳米粒子的尺寸小,比表面积大和量子尺寸效应使其具有 不同于常规固体的新特性,而成为材料科学,物理学和化学 等学科的前沿焦点.1959年着名的美国物理学家Pilchard Feymmm预言说}我不怀疑,如果我们对物质微小规模上的 排列加以某种控制的话,我们就能使物质得到太量的可能的 特性.1984年GMtex首次采用气体冷凝的方法,成功地制备 了R纳米粉.随后,美国,西德和日本先后研制成纳米级粉 体及块体材料.1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届 国际纳米科学技术会议,正式将纳米材料科学作为材料科学 的一个新分支公布于众.1991年研究者又发现了纳米碳管, 它是一种二维材料,直径只有几个纳米,而强度比钢高100 ?本课题受国家杰出青年科学基金(59925to2)~广东省自然科学基金(980趼)的资助, 23卷4期5l

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倍1密度仅为钢的1/6,是很有前途的增强剂困其导电性超 过锕,可能成为纳米级电子线路材料.纳米材料科学的诞生标志着材料科学已进凡了一个新 时代,而人们对客观世界的认识又前进了一大步.2纳米粒子和纳米技术

纳米材料分为纳米粒子(Na.10眦erParticles)和纳米固 体.纳米粒子的集合体构成纳米粉末或超微粉,而由纳米粒 子聚集而成的新型凝聚体称为纳米固体.2.1纳米粒子及其研究意义

纳米粒子又称微粒子,超小粒子,团簇,量子点等,通常 是颗粒尺度为纳米级的超细微粒.它的尺度大于原子簇小 于通常的擞粉,一般在1—100ran之间,是肉眼和一般显擞镜 看不见的微小粒子.纳米粒子通常处于微观粒子和宏观物体交界的过渡区 域.从通常的关于微观或宏观的认识来看,这样的系统既非 典型的微观系统亦非典型的宏观形态,应该是一种典型的介 观系统它具有一系列新异的物理,化学特性,涉及到宏观 大块样品中所忽略的或根本不具有的一些基本物理化学问 题.当固体微颗粒的尺寸逐步减小时,量的变化在一定条件 下会引起理化性质的质变,例如当颗粒的尺寸小于光波波长 时,金属超做颗粒均失去原有的光彩而呈黑色.人类对客观世界的认识始于宏观物体,又溯源于原子, 分子等微观粒子,然而对处于二者之间的纳米粒子长期以来 却缺乏耀人细致的研究.对纳米粒子的研究是人类认识客 观世界的新层次,一些与传统凝聚态物质不同的新概念,新 现象,新规律将从这里诞生,新的科学与技术领域也会从这 里孕育,成长壮大.2,2纳米技术及发展历史

所谓纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制各研究 和工业化.以及利用纳米尺度物质进行交叉研究和工业化的 一

门综台性技术体系】.早在印年代,东京大学的久保良吾(Kt~o)就提出了有 名的“效应,认为金属超微粒子中的电子数较少,而不 遵守Femfi统计,并证实当结构单元变得比与其特性有关的 临界长度还小时,其特性就会发生相应的变化7o年代末 80年代韧.随着干净的超微粒子的制取及研究,”Kubo效应“

理论日趋完善.为日后纳米技术理论研究打下了基础.纳米 技术在80年代末和90年代初得到了长足发展,并逐步成为 一

个纳米技术体系.科技界认为,纳米技术是人类认识和改 造世界能力的重大突破,将引发下一场新的技术革命和产业 革命.这场技术革命的广阔性和深人性完全可以与以往几 次技术革命相媲美,特别是纳米材料及纳米技术与信息技术 的相互推动,以及小型化的扩展趋势,将成为纳米技术产业 化的强劲潮流】.正如美国IBM公司首席科学家阿莫斯特 朗所说:”正像70年代擞电子技术引发了信息革命一样,纳 米科学技术将成为下世纪信息时代的核心.“美国《时代》周 刊曾把纳米技术选定为”今后十年最可能使人类发生巨大变 化的十项技术“之一.美国总统克林顿今年一月宣布将纳米 技术列为美国国家研究发展计划.纳米技术已成为获得材料特殊性能的重要途径,此外由 于纳米材料电磁性能的改变及表面积的增加,已成为开发隐 身材料,催化剂,磁性材料的重要手段.同时,纳米技术也是 未来信息技术希望之所在应用纳米技术电路或仅靠单个 原子,分子改变位置或开关就能用于储存信息,这样便可以 大大提高芯片的集成度,使得万亿次计算机成为可能.因 此,信息技术将是纳米技术的最大受益者之一.科学家甚至 发明了原子开关,使单个氙原子在电脉冲作用下移动而控制 电流,构成原子开关.如果使这项技术达到应用阶段.必将 引起一次擞电子革命,将它应用于计算机芯片,定能低耗和 提高运行速度.从纳米技术发展的历史可以看出,它经历了一个由不自 觉到自觉,由预测到实际研究,由分散研究到有系统地整体 研究的转变,这种转变反映出了纳米技术体系从形成到进一 步发展的系统框架.简而言之,纳米技术的诞生和发展开辟了人类认识世界 的新层次,使人类改造自然的能力直接延伸到原子和分子, 探擞索隐,人木三分.实现生产方式的质的飞跃,同时也标志 着人类的科学技术又进人—个崭新的时代.3纳米材料和纳米技术带来的哲学思考和启迪 3.1.他山之石.可以攻玉——科学方法的跨学科 应用

客观事物具有统一性,因而不同学科之间存在着一定的 共性和相似性.科学作为一个有机的整体,在各学科,各方 向存在着相互渗透相互支撑的密切关系.现代科学的细致 分工,使一个学科的研究方法得以发展得十分细致,其他学 科直接或间接地加以借鉴运用,实际上是一种思维方法的拷 贝[41.他山之石,可以攻玉,借鉴和运用其他学科的科学 方法及研究新进展,可以使我们省却在本学科体系内部从头 发展类似的方法.从而事半功倍.科学发展史雄辩地表明, 各学科之间的相互作用相互渗透.可以获得巨大的成果.近 年来,材料学的发展得益于物理化学和信息科学等学科的 理论,方法与研究手段向材料学的渗透,借助于这些学科的 成果使材料科学逐渐向精密科学过渡,并跃居到现代自然科 学的前沿.纳米科学便是在物理,化学,数学等基础学科发 展的基础上出现的,而纳米技术是基础科学(介观物理,化 学,分子生物学)和先进工程技术(计算机,微电子和扫描隧 道显徽镜STM)相结合的产物.1981年瑞士IBM苏黎士实验 室的Ben~ng和舢町发明了具有原子显像能力的扫描隧道 显微镜(sⅢ),显示出原子尺度范围内空间中表面的三维图 象.准确可靠地给出了表面原子结构信息.短短几年问,sⅢ 的研究和应用已渗透到许多学科和技术部门.到八十年代 末.sⅢ不仅是一个观察手段,而且成为可以调整原子的工 52世界科技研究与发展

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具.可以认为,没有STM技术的发展,纳米材料的研究进展 不会如此之迅速

综观今日科学世界,科学方法的跨学科运用,将各自然 科学,社会科学和技术科学逐步联系起来,使得每一九学科 都和整个科学的大系统密切相连.以至于任何一个结构层次 上的重大科学突破,都可能迅速通过研究方法的跨学科运用 等多种方式扩散开来.直到物化为改造世界的技术与产品, 深刻地影响瞢整个科学世界和现实世界的图景】 32”小就是太.少就是多“H——纳米材料蛤人类思 维方式带来的变化

新材料的发展不仅是科技进步,经济发展,军事先进的 物质基础,同时也改变着人类社会的思维方式和实践方式, 推动着社会的进步.许多新材科开发的思路,研究与应用的 过程本身蕴涵着崭新而深刻的认识论与方法论】.大工业时代,占主导地位的思维模式是”非此即彼“,但 高科技时代却为我们打开了通向”既此叉彼的大门,这是一 种历史的进步.大与小,多与少之问的界限就象是黑与白 曲与直一样明显,不能混淆.但是,科技的发展却在具体事 物上将它们紧密地综合在一起.二归一了过去不可能的, 不重要的,在纳米状态下,很有可能是可行的,并且是极其重 要的因素.实现纳米技术的一种方式是由宏观向微观,即通过宏观 的方式将机器制造得越来越小.纳米材料由于其小尺寸效 应而具有的高硬度和高强度特性,将改变人们的常规思维模 式.如果用纳米材料制成计算机.体积将缩小到原来的亿分 之一,而计算速度却增加到原来的几百倍.日本末京大学的 化学家们已经发现了一种“神奇的粒子,它可以像电脑那 样,具有暂时记忆和永久记忆功能.当这种粒子受到紫外线

或激光的照射时,就会改变结构.这样就可以利用它来储存 二进制数码.借助于电子扫描隧道显微镜(STM).每平方微 米表面可储存1012bit的信息.它的发现具有难以估量的价 值,或许有一天,电子计算机会进人到分子计算机”的时代.然而.随着电脑体积不断减少的同时.其威力却不断增加.这就意味着“小就是大,”少就是多“.”小就是大,少就是多“的论点被认为是一种”悖论“.但 它是～种合理的”悖论“,是高科技文明的产物.是社会进步 的必然结果.它符合奠定其基础的科技前提,符合客观事物 本身发展的内在的逻辑,因此认为是正常的,合理的.在高 科技文明的今天,我们只有树立既此又彼的思维模式,才 能适应科技发展的形势.否则,人类将面临更多无法理解的 悖论”.新材料对人类思维方式与实践方式的深层次影响,不易 被人们意识到,往往被人们所忽视.而这正是新材料在当代 社会发展中的若干作用中最具潜在价值与长远意义的独特 方面.3.3纳米材料和纳米技术与可持续性发展

“可持续性发展”的权威定义是1978年世界环境与发展 委员会在《我们共同的未来》一书中提出的.就是“既满足当 代人的需要,叉不对后代满足其需要的能力构成危害的发 展”..制约可持续性发展的因素很多,但归根到底是科学 技术.科学技术不仅影响到经济发展,它还影响到社会的发 展与环境的发展.因此,科学技术在可持续性发展中居核心 地位.资源是可持续性发展中的一个重要因素.目前,世界上 的材料有10O万种,而天然的材料只占5%.纳米材料和纳米 技术的发展为人们设计赫跫材事I尤其是舍成复台材料打开 了太门.实现纳米技术的手段除了从宏观到微观外,还有另

一

种方式就是由微观到宏观.即直接操纵原子和分子,对它 们进行不同的排列组合而形成新的物质,从而制造出具有新 功能的产品.通过纳米微粒的研制成功和相关纳米理论研 究的进行,人们可以按照自己的要求,选用特定的纳米微粒, 合成得到具有特殊性能的新型复合材料70年代中期的席 省理工大学一位名叫德雷克斯勒的大学生,受生物学家在研 制如何控制构成DNA链的启发,提出耍用原子建造机器,并 进行复制.这被当时主流科学家视为一派胡言的设想,在 1989年被一个惊人的i冉息所鼓舞,就是国际商用机器公司(IBM)的科学家利用扫描隧道显微镜和类似小镊子的工具移 动氙原子,最后拼成IBM这个着名商标,而日本科学家则实 现了将硅原子堆成一十“金字塔,首次实现了原子三维空间 的立体搬迁】.目前,科学家正在研究的领域涉及:让机器 自己按一定程序复制自身,就像细胞分裂一样.这样就可以 用机器来制造食物,来修复细胞,可以防止疾病和抗衰老菩.所以采用纳米技术,可以对现有的分子进行改造,将构成分 子的原子移走.再利用单个的原子组京新的分子,这样便可 以轻而易举地制造出人类所需要的物质.虽然目前还不能 实现以上的设想,但人类在微型化上毕竟迈出了至关重要的 一 步.能源与生态的危机是人类所持的关于利用和改造自然 界的直接产物.1962年第一部环境科学着作《寂寞的春天》 面世,使人们不得不直面环境污染的问题.材料界的科学家 也加人了这场环保斗争,希望通过新材料的研制和开发助其 它学科～臂之力纳米材料为科学的发展提供了一种新思 路.如:纳米颗粒的多金属混合粉末烧结体可以代替贵金属 作为汽车尾气净化的催化剂.纳米储氢技术的研究和发展.将会缓解能源需求的危机,井能提供一种代替碳氢化台物燃 料的清洁能源,为”绿色技术“提供技术基础.纳米生物学的发展促进了人们在纳米尺度上进一步了 解生物大分子的精细结构及其功能关系.目前,应用电子扫 描隧道显徽镜(SAM)已经得到了不少有关DNA的请晰图象, 这向人们展示了一个多姿多彩的DNA世界.”何须浅碧深 红色,自是花中第一流,使人心旷神怡,一读三叹.实际上.生命过程所需能量代谢及其它众多生物生理过程,都是在细 胞这个微米和亚微米的结构内进行的,应用纳米技术就能获 得细胞膜,细胞器表面的结构信息.此外.若利用纳米粒子 船卷4期

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研制成纳米机器人(~orohot)注人人体血管内,对人体进行 全身健康检查.疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉 积物,甚至还能吞噬病毒.杀死癌细胞等

所以,科学家们指出,纳米技术将对生产力发展产生深 远的影响.并有可能从根本上解决目前人类所面临的一系列 问题.如环境,粮食,能源等极其重大的问题】 4总结

今天,~chardFey岫ar-以及那位叫德霄克斯勒的大学生 的美好设想已经有可能成为现实.人们已经能够制备包含 几十个到几百万个原子的纳米粒子,并把它们作为基本构成 单元,适当排列形成一维量子线,二维量子面,三维纳米固 体.创造出相同物质传统材料不具备的奇特性能.我槔感幸运能在纳米材料和技术这个将引发下一场新 的技术革命和产业革命的学科中进行部舟的研究工作.这 是一个需要多学科共同携手的课题,而且对于人类的思维方 式以及可持续性发展都将有深远的影响.这使我有沉重的使

命感.而且,处于宏观和微观之间的纳米世界的介观美使我 留连.彭加勒在他的一篇文章中写道:“正因为简洁是美的, —J0JjJ0 i国外新闻l '}—x—f———

所以我们优先寻求简洁的事实;所我们迫寻恒星的巨大轨 道,用显微镜探察奇异的细小,在地质年代中追踪过去的遗 迹,这些活动都给我们带来快乐.”我想我会因为这种快乐而 不擗工作和努力 参考文献

:】]师昌绪跨世纪村料科学技术的若干热点问腼自然科学进展 2I]00,9(1):1—13 [2]李亚青等.试论纳米技术.科学技术与辩证法1998.15(3):32 — 38 [3]棘飞.论科学方法的跨科学运用.科学技术与辩证法1996,】3(6):24—30 [4]郝垒梅.黄青高科技带来的悖论“.科学技球与辩证法21100, 】7(3):12—15 [5]彭璃.论新材料在当代杜会发展中的作用自然科学史研究 ? 1.17(2):10l一110 [6]沈满洪.科学技术与可持续性发展.科学技术与辩证法.1蛳.14(5):4—1O [7]纳米技术系列报遭之二.用单十原子制遣美好世界{参考消 息).1,1:27—28 作者简介

方劳(FGFj.现为华南理工大学机电工程幕博士研究生.【贵任编辑:高利丹)

中美科学家发现新的碳成键排列方式

美国《科学》杂志最近刊登由中美科学家联合署名的论 文,宣布从理论上发现五配位平面碳合物,填补了多配位 平面碳研究的一项空白.论文第一作者美国佐治亚大学博士后汪志祥介绍说: 配体数指中心原子与其它原子成键的个数.碳原子配体具 有三类传统的排列方式:如乙炔的两配位线形,苯环的三配 位三角形和甲烷中的四配位四面体.30年前,后来获得诺贝尔化学奖的美国教授罗尔德?霍 夫曼提出一个化学”谜题“:四配位平面碳是否存在?这个难 题由美国佐治亚太学的着名量子化学家施莱尔教授和其他 化学家共同解决.他们不仅通过理论计算证实了四配位平 面碳化合物的可能性,而且从实验上找到了具体例子.此后 不久施莱尔又证明了六配位平面碳化合物的合理性.此次,施莱尔与汪志样合作,证明五配位平面碳化合物 也有存在的台理性,从而填补了四配位和六配位问的空白.他们发现了三个具有五配位平面碳的基本单元.通过把这 三个基本单元嵌人到单环或多环碳氢化合物中,他们设计出 一

类新的分子,并将之命名为”超配位芳香烃".芳香族化合物最初指分子中含有苯环的化合物.19世 纪中叶,化学工作者发现有相当多的有机化舍物具有一些特 别的性质,它们的分子式中氢原子与碳原子之比往往小于1, 但是它们的化学性质却不像一般的不饱和化台物.例如,它 们不容易起加成反应而容易起取代反应.这些化合物中许 多有芳香气味,有些是从香料中提出出来的,因此当时称它 们为芳香族化合物.汪志祥等人发现的这类新化合物还具 有一种有趣的性质,就是依赖于所选取的单元不同,这些新 化合物可以维持或转换原母体碳氢化合物的芳香性或反芳

香性.曾在中国科学院研究生院工作的汪志榉指出,此次的发 现拓展了人类对化学键的认识,丰富了有机化学和无机化学 的内容,同时在这两者之间架起了桥梁.他估计,这类不寻 常的化台物可能具有某些新的性质,可以用来设计新的材 料.(新华社供本刊稿)世界科技研究与发展