纳米纳米复合材料的哲学思考

纳米纳米复合材料的哲学思考

1纳米粒子材料的研究人类对物质的理解可分为两个层次：一是宏观，另一是微观。人们对宏观物质的研究已经很深入,研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究,到20世纪60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1~100nm,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年著名的美国物理学家RichardFeynman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大量的可能的特性。”1984年Gleiter首次采用气体冷凝的方法,成功地制备了Fe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倍,密度仅为钢的1/6,是很有前途的增强剂。因其导电性超过铜,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入了一个新时代,而人们对客观世界的认识又前进了一大步。2rpericlus和纳米固体的表征纳米材料分为纳米粒子(NanometerParticles)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介观系统的建立在实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微粉,一般在1~100nm之间,是肉眼和一般显微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,金属超微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深入细致的研究。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:未来信息技术的重要组成部分所谓纳米技术是指在纳米尺度下对物质进行制备、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合性技术体系。早在60年代,东京大学的久保良吾(KUBO)就提出了有名的“Kubo效应”,认为金属超微粒子中的电子数较少,而不遵守Fermi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。70年代末80年代初,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入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年代微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,必将引起一次微电子革命,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,探微索隐,入木三分,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入一个崭新的时代。3纳米和纳米技术带来的哲学思考和激励3.1纳米科学与材料学的相互渗透,是纳米技术发展的必然选择。现代科学中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。“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微镜STM)相结合的产物。1981年瑞士IBM苏黎士实验室的Bening和Muller发明了具有原子显像能力的扫描隧道显微镜(STM),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。短短几年间,STM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,STM不仅是一个观察手段,而且成为可以调整原子的工具。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,使得每一门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,深刻地影响着整个科学世界和现实世界的图景。3.2坚持“小就是大,少就是多”,实行纳米计算机“三大”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。许多新材料开发的思路,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“既此又彼”的大门,这是一种历史的进步。大与小、多与少之间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。日本东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,电子计算机会进入到“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”,但它是一种合理的“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纳米储氢技术的应用“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,又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100万种,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新型材料尤其是合成复合材料打开了大门。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年代中期的麻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,提出要用原子建造机器,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年被一个惊人的消息所鼓舞,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这个著名商标,而日本科学家则实现了将硅原子堆成一个“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等。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建新的分子,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年第一部环境科学著作《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入了这场环保斗争,希望通过新材料的研制和开发助其它学科一臂之力。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,并能提供一种代替碳氢化合物燃料的清洁能源,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微镜(STM)已经得到了不少有关DNA的清晰图象,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,若利用纳米粒子研制成纳米机器人(nanorobot),注入人体血管内,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维纳米互通的应用前景与研究方向今天,RichardFeynman以及那位叫德雷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