纳米

长度度量单位

纳米

纳米（nanometer或nm）是英文nano的译名，最早表示的是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米(10亿分之一米)。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。后衍生出众多概念，如纳米技术、纳米材料、纳米科技等。[0][4][5]物质到纳米级以后，具有常规粗晶粒材料不具备的奇异特性和反常特性，如铜到纳米级就不导电;绝缘的二氧化硅、晶体等在20nm时开始导电；高分子材料加入纳米材料制成的刃具，比金刚石制品还坚硬等。[6]

纳米（nanometer或nm）是英文nano的译名，最早表示的是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米(10亿分之一米)。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。后衍生出众多概念，如纳米技术、纳米材料、纳米科技等。[1][5][6]

物质到纳米级以后，具有常规粗晶粒材料不具备的奇异特性和反常特性，如铜到纳米级就不导电;绝缘的二氧化硅、晶体等在20nm时开始导电；高分子材料加入纳米材料制成的刃具，比金刚石制品还坚硬等。[7]

利用纳米材料特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能，纳米材料被广泛应用于宇航电子、化工、冶金、军事、核工业、医学和生物工程等国民经济发展的许多领域。不仅在高科技领域有不可替代的作用，也为传统产业带来生机和活力。[7]

20世纪80年代，人类通过扫描隧道显微镜，第一次正式开启了对纳米尺度世界的科学观测与研究。[8]截至2023年，ASML Holding是唯一一家生产和销售用于芯片生产的EUV系统的公司，目标是5纳米和3纳米工艺节点。 [9][10]

纳米

纳米是英文nano的译名，是一种长度单位，原称毫微米，就是10的-9次方米(10亿分之一米)。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。具体的物质举例：人的头发一般直径为20-50微米。1纳米大体上相当于4个原子的直径。假设一根头发的直径为0.05毫米，把它径向平均剖成5万根，每根的厚度即约为1纳米。[1]

纳米技术

纳米科学与技术，有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：

第一种 ，1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。[1]

第二种，把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的”加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去。[1]

第三种，从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。[1]

纳米材料

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10-9m）的超细材料。其尺寸介于分子、原子与块状材料之间，通常泛指1～100nm 范围内的微小固体粉末。纳米材料是一种不同于晶态也不同于非晶态的第三类固体材料，它是以组成纳米材料的结构单元—晶粒、非晶粒、分离的超微粒子等的尺度大小来定义的。国际上将处于1～100nm 尺度范围内的超微颗粒及其致密聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称之为纳米材料，包括金属、非金属、有机、无机和生物等多种粉末材料。[5]

纳米科技

纳米科技是指在纳米尺度上（0.1～100nm）研究物质的特性和相互作用，并对这些特性加以利用的综合性跨世纪战略高新技术，其最终目标是直接以原子分子在纳米尺度及物质在纳米尺度上表现出的特性制造具有特定功能的产品，并使之微型化，实现生产方式的飞跃。它的发展大致经历了以下几个发展阶段：在实验室探索用各种手段制备各种纳米微粒，合成块体，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能；利用已挖掘出来的纳米材料的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。纳米科技研究领域包括单原子操纵与原子搬迁技术、纳米电子学与纳米电子技术、纳米生物学、纳米摩擦学、原子团簇科学和纳米材料科学等。[5]

历史沿革

1959年12月29日，美国物理学家诺贝尔奖得主理查德·费曼，他在一个题为《物质底层大有空间》的演讲中，首次提出了“纳米技术”的概念，并详细阐述了纳米级别的物质特性和应用。随后，纳米技术逐渐引起学术界和工业界的关注。[11]

1981 年，扫描隧道显微镜的发明，为纳米科技的发展提供了技术基础。[12]

1991年，碳纳米管的发现掀开了纳米利技研究的序幕，纳米科技迅速发展。[12]

20 世纪 90 年代后期，纳米技术出现了一系列突破性的发现，被视为 21 世纪科学技术发展的一种新兴主流技术。[12]

2001 年，美国启动“国家纳米技术计划”，确立的目标之一就是“支持负责任的纳米技术发展”。[13]

2012 年，中国纳米方面专利首度超越美国成为第一大专利优先申请国。[13]

2015年7月9日，美国国际商用机器公司(IBM)宣布研制出首个制程(即晶体管尺寸)为7纳米的测试芯片，突破了半导体行业的重要瓶颈。这一技术将使未来各种设备所使用的芯片性能更高、能耗更低、尺寸更小。[14]

2017年6月6日，IBM及其合作伙伴格罗方德(GlobalFoundries)和三星合作打造出了世界上第一个5纳米硅芯片。性能大幅提高的5纳米芯片将能够满足人工智能(AI)，虚拟现实和移动设备的未来需要。[15]

2018年10月，三星的7nm芯片工艺试产。[9]

台积电的5nm工艺在2019年上半年试产，到2020年开始量产，5nm工艺将使用极紫外线光刻(Extreme Ultra-Violet,EUV）技术。[9]

台积电为华为制造的5nm芯片
台积电为华为制造的5nm芯片

米原器

18世纪以前，世界各国各自规定长度单位,很不统一。1790年,法国科学院受法国国民议会委托,提出了“米制”的建议。建议获得批准后，把通过巴黎天文台的地球子午线长度的四千万分之一作为1米的长度，于1799年用铂金制成横截面积为(25.3x4.05)毫米的矩端面基准米尺.米尺两端面间的距离即为1米。此即为“档案米尺”也成“米原器”。[16]1927年第7届国际计量大会进一步明确规定了长度单位“米”的定义。[17]

86Kr波长长度单位

1952年，国际计量委员会设立米定义咨询委员会( 现称为“长度咨询委员会”)，研究新的米定义[18]。1960年，研究取得成果：86Kr原子橙黄谱线具有最窄和最对称的辐射谱线，能在最小扰动下产生，并可用其他方法测量。因此，在1960年第十一届国际计量大会上通过了米的新定义：“米的长度等于86Kr原子的2p10和5d5能级之间跃迁所对应的辐射在真空中的波长的1 650 763.73倍。[19]”，其复现不确定度可以达到2.7×10-8[20]。

激光波长长度单位

自1960年激光技术发展以来，激光具有方向性、单色性和光强度高等特点，使得它在测量长度时比SKr原子辐射谱线有着更大的优势。[21]1973年，米定义咨询委员会建议用碘或甲烷饱和吸收稳定的氦氖nǎi激光作为长度计量的副基准，其波长分别为682991398.1fm和3392231397.1m。1975年第十五届国际计量大会采纳了这一建议。1979年，米定义咨询委员会又推荐用碘稳定的0.612um氦氖激光和碘稳定的0.515pm氩yà离子激光作为长度测量的参考波长或工作标准，它们的波长值分别为514 673466.2m和611970769.8fm2[22]。 1984 年召开的国际计量大会上批准了米的新定义是：“米是光在真空中在(1/299 792458)s的时间间隔内所经路径的长度。”[23]

米的量子化定义

2018年11月16日，第26届国际计量大会（CGPM）通过了《修订国际单位制（SI）》的第一号决议。[24]米的新定义为[25]：“国际单位制中的长度单位，符号m。当真空中光速c以单位ms-1表示时，将其固定数值取为299792458来定义米，其中秒用Δv（Cs）定义。（The metre, symbol m, is the SI unit of length. It is defined by taking the fixed numerical value of the speed of light in vacuum c to be 299 792 458.when expressed in the unit m/s, where the second is defined in terms of ΔvCs.）[25]”

相关长度单位

为了方便单位换算，国际单位制引入了倍数单位的概念。倍数单位包括十进制的倍数和分数单位，由SI词头和SI基本单位组成。使用倍数单位可以扩大国际单位制的适用范围，使其能够适应各种场合和用途中量值大小的表达[26]。

下表中列出了用于构成十进倍数单位和分数单位的词头[27]。

表1 十进倍数单位和分数单位的词头[27]

中文词头英文词头符号数量级国际上启用时间
尧yottaY10241991
泽zettaZ10211991
艾exaE10181975
拍petaP10151975
太teraT10121960
吉gigaG1091960
兆megaM1061960
千kilok1031795
百hectoh1021795
十decada1011795
分decid10-11795
厘centic10-21795
毫millim10-31795
微microμ10-61960
纳nanon10-91960
皮picop10-121960
飞femtof10-151964
阿attoa10-181964
瓜zeptoz10-211991
么yoctoy10-241991

纳米材料

2022年6月，欧盟委员会公布了有关纳米材料定义的修订——旨在澄清并改进纳米材料的识别方式，以支持欧盟统一的纳米材料监管框架，并将应用于所有欧盟及成员国法规、政策或研究计划中。此次更新之后，欧盟将有望采用统一的纳米标准来协调所有部门的立法。具体变化如下：[28]

1、将纳米材料限定为“固体”颗粒，并规定颗粒的一个或多个外部尺寸在1nm-100nm之间。但满足以下条件的也可被认为是纳米材料：[28]

① 颗粒呈长条状，例如棒状、纤维状或管状，两个外部尺寸（直径）小于1nm，其他尺寸（长度）大于100nm；或者② 颗粒呈片状，一个外部尺寸（厚度）小于1nm，其他尺寸大于100nm。[28]

2、明确体积比表面积<6m2/cm3不应被认为是纳米材料。[28]

3、删除关于“体积比表面积>60m2/cm3的物质可被看作纳米材料”这一说法。[28]

4、删除“允许某些情况下阈值在1-50%的颗粒之间波动”的灵活性条款，仅保留50%的默认阈值。[28]

钴Co

在能源领域，纳米钴的应用主要体现在燃料电池催化剂和电池储能方面。纳米钴催化剂可以显著提高燃料电池的催化效率和稳定性，同时还可以降低催化剂的制造成本。此外，纳米钴还可以作为电池储能材料使用，其高比容量和高倍率性能可以显著提高电池的能量密度和充放电速度。[29]

在环保领域，纳米钴的应用主要体现在水处理和空气净化方面。纳米钴可以作为吸附剂和催化剂使用，有效去除水中的有机物和重金属离子等有害物质，同时还可以提高水处理的效率和效果。此外，纳米钴还可以作为空气净化剂使用，其高比表面积和活性可以显著提高空气净化效果。[30]

在航空航天领域，纳米钴的应用主要体现在结构材料和高性能传感器方面。由于纳米钴具有高强度、高韧性、耐高温等优点，可以作为结构材料用于制造航空航天器等装备中。[31]

铜Cu

纳米铜可以用作凝胶推进剂、燃烧活性剂、催化剂、吸附剂、抗菌剂等。[32][33][34]纳米铜具有超塑延展性，是一种纯净物。用纳米材料制成的用品具有很多奇特的性质。例如，纳米铜具有超塑延展性，在室温下可拉长50多倍而不出现裂纹。[35]纳米铜对细菌的生长抑制有优异的效果。[36]添加质量分数为1%纳米铜粉对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的生长有优异的抑制效果。[37]

铁Fe

纳米尺寸的铁粉具有较大的比表面积，表面活性高，具有优异的催化性能。其次，纳米高纯铁粉具有较好的磁性能，可用于制备磁性材料和磁性流体等。纳米高纯铁粉在多个领域具有广泛的应用前景。首先，它可以应用于催化领域，作为催化剂或催化载体，用于催化反应的加速和改善反应选择性。其次，纳米高纯铁粉还可以应用于电子材料领域，用于制备磁性材料、传感器和磁性存储介质等。此外，纳米高纯铁粉还可以应用于环境领域，用于水处理、废气处理和土壤修复等。另外，纳米高纯铁粉还可应用于生物医药领域，用于药物传递、磁性共振成像和癌症治疗等。[38][39][40][41]

镍Ni

纳米镍niè粉是一种重要的磁性金属材料,具有一系列独特的物理化学特性,在催化剂、磁性材料、导电浆料、电池材料及屏蔽材料等许多领域都有广泛的应用前景[42]

导电浆料，纳米镍粉配成镍电子浆料，代替银钯等贵金属电子浆料，大幅度降低成本。[43]

高效催化剂，纳米镍粉具有极强的催化效果，可用于有机物氢化反应、污染物的处理等。[44]

纳米金属自修复剂，添加至各种机械设备金属摩擦副润滑油中，实现金属摩擦已磨损部分自修复，节能降耗，提高设备使用寿命及维修周期。[45][46]

高性能电极材料，纳米镍粉粒径小，分散容易，比表面积大，催化活性高，导电能力好，加以适当工艺，能制造出具有巨大表面积的电极，大幅度提高放电效率。[47]

高效助燃剂，将纳米镍粉添加到火箭的固体燃料推进剂中可大幅度提高燃料的燃烧热、燃烧效率，改善燃烧的稳定性。[48]

锌Zn

高效催化剂。锌及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。[49][50]

金Au

金是一种贵金属材料，是化学性质最稳定的元素之一，金纳米颗粒不仅沿袭了其体相材料的稳定性，而且还具有特殊的理化性质，如良好的生物兼容性，独特的表面效应、小尺寸效应、量子效应、电磁效应等。因而金纳米材料应用在催化、微电子、生物传感、细胞成像、心脏补丁、光热治疗等研究领域。[51]

银Ag

纳米银在导电性、可见光透过性和稳定性方面均表现出了良好的特性,被广泛应用于柔性液晶显示器、触摸屏、薄膜晶体管、有机发光二极管和太阳能电池等柔性光电应用的开发与制造。[52]

纳米银是一种时间依赖型的抗菌剂,有不同程度的"抗生素后效应",对人源和动物源性多重耐药菌有杀菌作用。 [53]

纳米银具有优良的催化活性，可作为多种反应的催化剂。[54]

纳米银颗粒具有优异的抗氧化性能、优异的导电性能和导热性能,因而被广泛应用于制造印刷电子行业中的导电油墨和高功率器件封装互联的纳米银膏。[55]

纳米应用

纳米技术目前已经应用在光、磁功能材料、功能塑料、抗菌材料、储氢材料、催化剂、陶瓷等各种材料和技术中。[56]

高端制造

纳米技术的出现解决了机械制造产品加工精度从微米级提高到纳米级的问题。[4]

(一)电子束加工技术

电子束加工技术的基本原理是通过对电子进行加速提高其动能，然后借助于电子束的能量对工件进行冲击，从而使工件表面或内部的原子与原子之间由结合状态改变为分离状态，从而完成对工件的加工过程。具体而言，首先对电子进行加速，使其聚焦成很细、能量很大的束流，能够击进工件的表面，穿透层表面的原子，然后将动能转化为热能，使工件熔化和汽化，从而将其中的部分原子抽走，实现打孔、切割等工艺。[4]

(二)离子束加工技术

离子束加工技术的基本原理是通过对进行离子加速，将离子的动能直接传递并转化为工件原子的动能，使其能量大于原子间结合的能量，使其能够从工件表面逃逸出去，从而达到加工的目的。[4]

(三)激光束加工技术

激光束加工技术的基本原理是通过对光子的频率和和波长和调整，使其具务足够的能量熔化、汽化、去除工件的原子，从而达到加工的目的。[4]

生物领域

纳米技术在生物上的应用主要包含两个方面：利用新兴的纳米技术来解决生物学问题；利用生物大分子制造分子器件，模仿和制造类似生物体系中存在的大量的生物大分子，它们被费曼等看作是自然界的分子机器。具体应用有：（1）在纳米尺度上按照预定的对称性和排列制备具有生物活性的蛋白质、核糖核酸等；在纳米材料和器件中植入生物材料，使其兼具生物功能和其他功能，如生物仿生化学药品和生物可降解材料；（2）动植物的基因改善和治疗；（3）测定DNA的基因芯片等。[57]

同时，纳米技术还将在很多方面直接对农业的进步作出贡献，如基于分子工程的生物降解化学品可以用于给植物提供营养和保护植物免遭虫害；改良动物和植物基因；将基因和药物导入动物体中；以及基于纳米的排列测试技术用于DNA测试等。[57]

纳米武器

纳米武器，顾名思义，是指这种武器尺寸很小，肉眼是根本看不见纳米级的物体的。研究纳米级物质(包括分子、原子、电子)在100皮米(1皮米＝10-12米)～100纳米空间内的运动规律、内在运动特点，并利用这些特性制造特定功能产品(包括纳米武器在内)的高新尖技术，就是现在在科技界耳熟能详的纳米技术。爱因斯坦早就预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”当人类轰轰烈烈地飞入太空、登上月球、探索火星之际，人类同时也在静悄悄地深入物质内部，并在物质微粒间营造出一个崭新的微观王国。在这神奇奥妙的纳米天地里，一些见所未见、闻所未闻的“精灵”，如分子开关、原子制动器、单个电子晶体管等相继诞生了。[58]

医疗应用

纳米技术与药物治疗、介入性诊疗、基因治疗、远程诊疗等紧密联系，将使临床诊断、检测技术和治疗手段向微观、微型、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化方向发展。同时，纳米材料在人工组织器官、介入性治疗、药物载体、血液净化等众多方面，具有广泛的和诱人的应用前景。[59]

医疗纳米机器人构想图
医疗纳米机器人构想图

抗菌材料

抗菌材料的应用领域已经涉及医药卫生、食品发酵、日用化学、纺织纤维、塑料制品、金属制品陶瓷制品、造纸、建筑等行业。通常，纳米抗菌材料广义上指具有特征尺寸范围(1~100 nm)的新型抗菌材料，其制备过程主要是将纳米级抗菌剂引入到纳米级抗菌载体结构中,从而得到具有更佳抗菌功能的纳米材料。[60]

环保领域

环境保护是全球所需要面对的一大难题，在工业生产，日常生活等许多活动中会排放一些废物及垃圾，其中重（类）金属作为一类毒性高、难生物降解的优先污染物，对生态系统及人体健康具有极大威胁，因此必须采取有效技术对其进行处理。常见的处理方式主要包括吸附、沉淀、离子交换、膜分离等，但这些技术因成本高、去除效率低、反应后产生二次污染等问题限制了大规模应用。纳米零价铁（nZVI）作为一种广谱型环境功能材料被广泛应用于有机物、重金属、细菌等多种污染物的去除。[61]

航天领域

纳米材料作为一类新型材料，可以克服传统材料的不足。纳米材料独特的力学、光学、磁学、化学等性质，可以应用新的领域。应用纳米材料可以缩小航天器件的体积减轻质量及提高航天器的可靠性，降低航天器的成本，提高航天器的机动性、隐蔽性及可维修性等。纳米器件应用涉及多个方向发展，如，纳米机械惯性器件、纳米电机、纳米机器人及纳米卫星等技术。国外重点开展的项目包含：纳米陀螺、纳米加速度计、纳米传感器(星传感器、地球传感器、太阳传感器、隧道传感器、力传感器、温度传感器等)、纳米制导分系统等。[31]

纳米机器人

2020年，美国科学家又宣布一项重大科技突破：借助光声断层成像技术，实时控制纳米机器人，让它们准确抵达人体某个部位（比如肠癌病人的肠道肿瘤处），进而让纳米机器人实现药物递送，或进行智能微手术。[62]

纳米光学技术

2022年，陕西师范大学纳米光学团队实现重大突破，研究工作利用等离激元倾斜纳米光腔，首次将稀土离子f-f电子跃迁的荧光发射寿命从之前报道的微秒量级压缩至50纳秒以内，并获得了三个数量级的量子产率增强。同时，借助等离激元倾斜纳米腔的非对称结构以及手性光子局域态密度增强，发现了远场定向发射及可调手性上转换发光等新现象。[63]

长续航动力锂电池

2018年，中国科学院战略性先导科技专项“变革性纳米产业制造技术聚焦”团队6月13日在北京宣布，在长续航动力锂电池方面做出突破，专项开发的多款动力电池单体电芯能量密度达到300瓦时/千克以上，居世界先进水平，已供货30多家电池与电动汽车等企业并形成合作关系；在高能量密度锂离子电池新一代正负极材料、固态电池、锂硫电池、高水平动力电池失效分析技术方面，取得了大量原创成果。[64]

纳米绿色印刷

2018年，中国科学院战略性先导科技专项“变革性纳米产业制造技术聚焦”团队6月13日在北京宣布，突破国际上通行的感光制版技术思路，发展了纳米绿色印刷制版技术；突破传统版材电解氧化的工艺路线，建成世界上首条无电解氧化工艺的600万平方米纳米绿色版基示范线；突破水性油墨难以用于塑料包装印刷的国际难题，实现绿色水性塑料印刷油墨的关键技术突破；从源头解决了制版工艺高危废水排放、版基生产电解废液／废渣／VOC等排放的历史性难题，形成了包括“绿色版材、绿色制版、绿色油墨”在内的完整的绿色印刷产业链技术。[64]

纳米健康技术

2018年，中国科学院战略性先导科技专项“变革性纳米产业制造技术聚焦”团队6月13日在北京宣布，将“纳米健康技术”成功应用到体外诊断产品和纳米药物制剂开发领域中。具有完全自主知识产权的体外诊断关键技术。其中，炎症纳米微流控免疫检测芯片，将三种炎症标志物进行联合检测，能够快速区分细菌感染和病毒性感染，判断感染所处的阶段，为科学、有效使用抗生素提供依据。此外，研发新型的“肿瘤捕手”技术基于高亲和力磁颗粒—多肽纳米材料，实现了对循环肿瘤细胞的高效富集和检测。在药物研发方面，完成多项纳米药物制剂的初期研发工作，部分样品已进入临床审批环节。[64]

手性纳米材料的发现

2022年，国家纳米科学中心唐智勇课题组长期从事关于无机纳米材料以及组装体的手性光学性质与应用方面的研究工作，在贵金属纳米颗粒及其组装体的手性光学性质取得了系列研究进展，同时探索了无机手性纳米材料在生物医学以及信息加密中的应用。[65]

参考资料 65

  1. 参考 1
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  9. 台积电有望率先步入5nm时代 — 今日头条
  10. ASML:我们有五个EUV光刻机客户 — 网易
  11. Information on a small scale — 《物质底层大有空间》演讲
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  14. IBM研制出7纳米制程测试芯片 — 手机环球网
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  58. 神奇的纳米技术与纳米武器 — 中国新闻网
  59. https://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/ChlQZXJpb2RpY2FsQ0hJTmV3UzIwMjMwODMxEhhuanp5eWR4eGItc2hreGIyMDEzMDEwMTAaCG9xbDNrcGo4
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  62. 纳米机器人重大突破！没想到科技如此迅猛！ — 中国微米纳米技术学会-微信公众平台
  63. 《自然·光子学》发表文章！陕师大纳米光学团队实现重大突破！ — 今日头条
  64. 【人民日报】我国纳米核心技术取得重大突破 — 中国科学院
  65. 纳米科技新进展：从纳米自组装到手性纳米材料的发现 — 新华网
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