第二章、第二章、纳米科技从幻想到现实；讲授的内容：讲授的内容：◆纳米技术溯源◆费曼的幻； 引言：纳米科技的发展史是一个由幻想到现实的过程；2002年年；2000年年1997年年1991年年1990年年；图1纳米科技发展的里程碑节点； 下面我们就按时间序列讲述这些闪光的事件、下面我；1905年春天，爱因斯坦（1905年春天，爱因斯； 爱因斯坦（1879—195
第二章、 第二章、纳米科技从幻想到现实讲授的内容： 讲授的内容： ◆纳米技术溯源 ◆费曼的幻想点燃纳米科技之火 ◆比尼格与罗雷尔发明了看得见原子的显微镜 ◆依格勒实现了单原子的操纵 ◆第一届国际纳米科技会议 ◆科学巫师德雷克斯勒的奇思怪想 ◆格来特的逆向思维 ◆敞开希望的大门 ◆纳米科技对未来军事发展的影响 ◆新思维的挑战 引 言 ： 纳米科技的发展史是 一个由幻想到现实的过程， 一个由幻想到现实的过程 ， 其中不乏里程碑式的事件( 其中不乏里程碑式的事件 ( 图 1)。2002年 年2000年 年 1997年 年 1991年 年 1990年 年 1989年 年 1988年 年 1987年 年图1 纳米科技发展的里程碑节点 下面我们就按时间序列讲述这些闪光的事件、 下面我们就按时间序列讲述这些闪光的事件、思想 和发现的故事。 和发现的故事。 2.1 纳米技术溯源1905年春天， 爱因斯坦（ 1905年春天，爱因斯坦（ A. Einstein，图 2）写信给他的同 年春天 ， ） 事康拉法·哈比希特 透露自己在这一年中将做4项工作， 哈比希特， 事康拉法 哈比希特，透露自己在这一年中将做4项工作，其一 是要测量出分子的真正大小。 30日提交的博士论文中 日提交的博士论文中， 是要测量出分子的真正大小。在4月30日提交的博士论文中， 他设计了一种新的测量分子大小的方法， 他设计了一种新的测量分子大小的方法，估计出一个糖分子的 直径约为1纳米，首次将纳米与分子大小挂上钩， 直径约为1纳米，首次将纳米与分子大小挂上钩，并证明了分 子的存在。这是20世纪初物理学界十分关注的问题之一。 子的存在。这是20世纪初物理学界十分关注的问题之一。 20世纪初物理学界十分关注的问题之一 爱因斯坦在该博士论文中设计了一种利用阿伏伽德罗常数来 测量分子大小的方法。当爱因斯坦将这篇论文交给他的导师苏 测量分子大小的方法。 黎世大学的阿佛雷德·克莱纳教授时 克莱纳教授时， 黎世大学的阿佛雷德 克莱纳教授时 ， 这位教授因为论文过短 而拒绝接受，爱因斯坦只好加了些段落，论文才得以通过。 而拒绝接受，爱因斯坦只好加了些段落，论文才得以通过。 爱因斯坦可能怎么也想不到， 爱因斯坦可能怎么也想不到 ， 他的这篇博士论文竟会是 一个世纪后发展起来的纳米科技的一个源头。 一个世纪后发展起来的纳米科技的一个源头。 爱因斯坦（ 1879—1955 美国物理学家， 1955） 图 2 爱因斯坦 （ 1879 1955 ） 美国物理学家 ， 相对 论的奠基人， 因提出光量子概念解释光电效应荣获 论的奠基人 ， 因提出光量子概念解释光电效应 荣获 1921年诺贝尔物理奖 1921年诺贝尔物理奖 2.2 费曼的幻想点燃纳米科技之火 1959年12月 美国物理学家费曼（ 1959年12月，美国物理学家费曼（Richard Feynman） ） 在加州理工学院召开的美物理学会会议上作了一次富有 想象力的演说“最底层大有发展空间” 他指出“ 想象力的演说“最底层大有发展空间”。他指出“倘若 我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？ 我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？” 他说“ 他说“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的 问题，这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实 问题，这方面确实大有发展潜力 我们可以采用切实 可行的方式进一步缩小器件的尺寸。我不打算讨论我们 可行的方式进一步缩小器件的尺寸。 将如何做到这一点， 将如何做到这一点 ， 而只想谈谈原则上我们能做些什 么。……现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没 现在我们还没有走到这一步仅仅是因为我们没 有在这方面花足够的时间和精力。 有在这方面花足够的时间和精力。” 费曼的这些想法即使在当时的科学界都认为是科学幻 可谁能知道在30年后，他这次历史性的演讲， 30年后 想，可谁能知道在30年后，他这次历史性的演讲，不仅 预测了纳米技术将会崛起, 而且变成了现实。 预测了纳米技术将会崛起, 而且变成了现实。 1918—1988 美国物理学家， 1988） 图 3 费曼 （ 1918 1988 ） 美国物理学家 ， 因在量 子电动力学研究中取得重大成果荣获1965 1965年诺贝尔物 子电动力学研究中取得重大成果荣获1965年诺贝尔物 理奖 [问题与思考] 问题与思考] 费曼说的“最底层”是什么含意？ 指原子、 费曼说的“最底层”是什么含意？（指原子、分子 层面，这是构成物质的最基本单元） 层面，这是构成物质的最基本单元）阅读材料 在报告那天，费曼用如下的话结束了演讲： 在报告那天，费曼用如下的话结束了演讲： 我愿意出资1000美元， 1000美元 “我愿意出资1000美元，奖励第一个把一本书中的信 息缩小到书页两万五千分之一面积内的人。 息缩小到书页两万五千分之一面积内的人。” “我愿意再出资1000美元，奖励第一个制造出能够 我愿意再出资1000美元， 1000美元 从外部控制， 从外部控制，线度只有六十四分之一英吋的电动机械 的人” 的人”。 费曼可能有点低估了人类搞发明创造的积极性， 费曼可能有点低估了人类搞发明创造的积极性 ， 便出了后 来的笑话： 就在他提供1000 美元奖金的几个月后， 1000美元奖金的几个月后 来的笑话 ： 就在他提供 1000 美元奖金的几个月后 ， 加州理工学 院的物理学家威廉?麦克莱伦经过两个
半月午饭时间的努力 麦克莱伦经过两个半月午饭时间的努力， 院的物理学家威廉 麦克莱伦经过两个半月午饭时间的努力， 就 利用一架显微镜，牙签和一台钟表匠使用的车床， 利用一架显微镜，牙签和一台钟表匠使用的车床，制成了边长还 不到六十四分之一英吋的能发动的电动机。 不到六十四分之一英吋的能发动的电动机。费曼兑现了自己的诺 不过他立刻陷入了家庭“经济危机” 言，不过他立刻陷入了家庭“经济危机”。因为他在六年之后才 得诺贝尔奖，给麦克莱伦发奖之后，已身无分文。 得诺贝尔奖，给麦克莱伦发奖之后，已身无分文。当时费曼刚和 第三任妻子温妮丝结婚不久，有了孩子卡尔和米雪，又买了房子， 第三任妻子温妮丝结婚不久，有了孩子卡尔和米雪，又买了房子， 所有的家庭开销全指望他那份教授工资呢。焦急之中， 所有的家庭开销全指望他那份教授工资呢。焦急之中，他劝那些 想获得第二份费曼奖金的发明者： 悠着点！干慢点！松把劲！ 想获得第二份费曼奖金的发明者：“悠着点！干慢点！松把劲！” 其实他大可不必如此焦急。 直到1985 11月斯坦福大学电子工 1985年 其实他大可不必如此焦急 。 直到 1985 年 11 月斯坦福大学电子工 程系的研究生汤姆?纽曼才解决了第二个问题 纽曼才解决了第二个问题， 程系的研究生汤姆 纽曼才解决了第二个问题， 他用五百万分之 一英吋的电子束作字母，将英国大文豪狄更斯的名著《双城记》 一英吋的电子束作字母，将英国大文豪狄更斯的名著《双城记》 的第一页缩写在两万五千分之一的书页面积上。 的第一页缩写在两万五千分之一的书页面积上。 在纽曼获得第二份费曼奖金1000美元后两年三个月， 在纽曼获得第二份费曼奖金1000美元后两年三个月，费曼 1000美元后两年三个月 因患癌症辞世。 因患癌症辞世。 2.3 比尼格与罗勒尔发明了看得见原子的 显微镜 长期以来人类就有一个幻想： 长期以来人类就有一个幻想：希望能 直接“ 到原子，而不是采用X 直接“看”到原子，而不是采用X衍射方 通过X衍射图的分析间接地看到原子。 法，通过X衍射图的分析间接地看到原子。 直至20世纪80 20世纪80年代初除了个别情况外原子 直至20世纪80年代初除了个别情况外原子 还是不能直接被“ 还是不能直接被“看”到。这个幻想在 1981年由于扫描隧道显微镜 STM） 年由于扫描隧道显微镜（ 1981年由于扫描隧道显微镜（STM）的发 明终于成为现实。 明终于成为现实。 故事发生在瑞士苏黎世的IBM实验室内， 故事发生在瑞士苏黎世的IBM实验室内，德国博士生比尼 IBM实验室内 格（Binnig）
在罗勒尔(Rohrer)教授的指导下，正在做博士 ）在罗勒尔( )教授的指导下， 论文研究导体间的电子隧道效应问题。带偏压(电压差) 论文研究导体间的电子隧道效应问题。带偏压(电压差)的两 个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的（ ），可是 个平板导体间只要不接触是不会有电流流过的（图4），可是 当这两个导电平板靠得很近，相隔小于1个纳米时， 当这两个导电平板靠得很近，相隔小于1个纳米时，即使不接 也会产生电流，电子尤如”崂山道士” 而过， 触，也会产生电流，电子尤如”崂山道士”穿”墙”而过， 故而称作隧道电流。 故而称作隧道电流。并且这种隧道电流是随着间距的减少而 指数上升的（见图5）。这种现象就是量子力学中的隧道效应 这种现象就是量子力学中的隧道效应。 指数上升的（见图5）。这种现象就是量子力学中的隧道效应。图4 导体间的电子隧道效应图 5 隧道电流与针尖样品表 面距离呈指数关系 这种对于两个导体间距十分敏感的效应有没有可能 成为显微镜成像的原理呢？答案是肯定的。 成为显微镜成像的原理呢？答案是肯定的。关键的一 点是他们把一个平板导体替换为一个很尖的导电针尖， 点是他们把一个平板导体替换为一个很尖的导电针尖， 再让这个针尖对另一个平板导体（样品） 再让这个针尖对另一个平板导体（样品）作两维扫描 （图6）。隧道显微镜中针尖（红色）对样品（蓝色） 图6 隧道显微镜中针尖（红色）对样品（蓝色）作两维扫描 正像电视显像管中电子束扫描一样， 正像电视显像管中电子束扫描一样，同时记 录下每个扫描点相应的隧道电流， 录下每个扫描点相应的隧道电流，而这个电流 是直接与表面高低起伏有关的， 是直接与表面高低起伏有关的，即与表面形貌 有关的。 有关的。这样一来测量平板间隧道电流的实验 装置就变成了观察表面形貌特征的显微镜了！ 装置就变成了观察表面形貌特征的显微镜了！ 这就是比尼格和罗勒尔发明的扫描隧道显微镜 STM）。由于针尖可以做得很细、很尖， ）。由于针尖可以做得很细 （STM）。由于针尖可以做得很细、很尖，其顶 端甚至只有一个原子（ ），所以STM有原子 所以STM 端甚至只有一个原子（图7），所以STM有原子 级的分辨率， 级的分辨率，可以观察到物体表面单个原子 ）。实现了人类直接 实现了人类直接“ （图8）。实现了人类直接“看”到单个原子的 愿望！这是迈向纳米技术重要里程碑。 愿望！这是迈向纳米技术重要里程碑。比尼格 和罗勒尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。 1986年的诺贝尔物理奖 和罗勒尔也因
此获得了1986年的诺贝尔物理奖。 图7 针尖放大图 图8 由一个个铁原子在铜表面上围成的量子栅 STM图像 的STM图像 2.4 依格勒实现了单原子的操纵1989 年 在 美 国 加 州 的 IBM 实 验 内 ， 依 格 勒 博 士 STM操纵着一 （D.Eigler）采用低温、超高真空条件下的STM操纵着一 ）采用低温、超高真空条件下的STM 个个氙原子， STM的针尖成了搬运原子的 抓斗” 的针尖成了搬运原子的“ 个个氙原子 ， STM 的针尖成了搬运原子的 “ 抓斗 ” ， 在 一个位置上抓起一个原子（图9a），移动到另一个预先 一个位置上抓起一个原子（ 设计好的位置上，再放下该原子（ 设计好的位置上，再放下该原子（图9b）。重复这样的 步骤， 依格勒将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM 35个氙原子排布成了世界上最小的 步骤 ， 依格勒将 35 个氙原子排布成了世界上最小的 IBM 商标（ 10） 实现了人类另一个幻想——直接操纵单 商标（图10），实现了人类另一个幻想 直接操纵单 个原子。原理上这也是实现了费曼的设想： 个原子。原理上这也是实现了费曼的设想：按人的意愿 排布一个个原子来构建纳米器件。依格勒博士进一步操 排布一个个原子来构建纳米器件。 纵单个铁原子排布成一个圆圈——量子栅 ， 见图 8 ； 图 量子栅， 纵单个铁原子排布成一个圆圈 量子栅 见图8 中的“波浪”体现了在此量子栅中电子密度分布的起伏。 中的“波浪”体现了在此量子栅中电子密度分布的起伏。 人类迈向纳米技术的征途真正开始了。 人类迈向纳米技术的征途真正开始了。 图9a 图9 单原子操纵示意图图9b 世界上最小的IBM IBM商标 图10 世界上最小的IBM商标 2.5 第一届国际纳米科技会议 ——纳米科技诞生的标志 纳米科技诞生的标志 2.5.1 第一届国际纳米科技会议会址巴尔的摩 在依格勒博士操纵单原子的文章发表后的 下一年，1990年在美国东海岸的巴尔的摩召 下一年，1990年在美国东海岸的巴尔的摩召 开第二届国际STM 会议的期间， STM会议的期间 开第二届国际 STM 会议的期间 ， 召开了第一 届 国 际 纳 米 科 学 技 术 （ Nanometer Scale Science and Technology）会议，中科院原子 ）会议， 核所李民乾教授很荣幸地参加了这次标志着 核所李民乾教授很荣幸地参加了这次标志着 纳米科技正式诞生的会议（ 11） 纳米科技正式诞生的会议（图11）。 图11 照片左边的玻璃大厦即开会地点 采用“ 2.5.2 采用“NANO1”图案 图案 会上美、 英等国提出了各国发展纳米科技计划。 会上美、日、英等国提出了各国发展纳米科技计划。 虽然只有半天的会议日程，但会议给人以深刻的印象： 虽然只有半天的会议日
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