图书前言

简单说来,纳米只不过是一个普通的长度单位,就如同我们日常生活中所熟悉的千米和厘米一样。但是纳米所标记的长度之微小,的确是一般人以前所不太熟悉的。纳米中的纳字,译于英文的nano,而nano又是由希腊文的nanos演变而来。nanos本意为矮小或矮小的。1纳米相当于1米的10亿分之一(10-9米)。形象地说,1纳米大约相当于一粒细沙长度的100万分之一,或可说为人的一根头发的10万分之一。香烟雾气中的一粒微尘大小约为1000纳米。而在1纳米的长度上挤挤挨挨也只能排列不到10个原子。如果把一个原子放大到一个苹果那么大,那么用同样的放大倍数可将这个苹果放大到整个地球那么大。这么小的尺寸当然无法用肉眼辨认,甚至用最好的光学显微镜也力有未逮。

有人会问,这种小不点的尺寸与我们的生活有什么关系呢?答案是非常有关系,尤其是在今后的年代更是如此。纳米效应的神奇首先体现在材料物理性能的改变。当物体小到只有纳米尺寸时,物质的许多物理特征如力学、热学、电子学特性都会大大改变。有一个简单的比喻是,由1立方毫米的玻璃可推知整座玻璃山的性能,但当玻璃尺寸小到纳米时,一切却都不同了。纳米材料的应用前景是显而易见的。例如,在医药工业方面,除了已经发现将某些药粉颗粒减小到纳米尺度可以改善疗效外,还可在纳米药物颗粒中掺入磁性物质后包在生物大分子之中,再利用外加磁场导航,将药物精确地传导至目标区域。此外科学家们还设想制造纳米机器人并与人体生物系统相结合,可使纳米机器人游走于人体血管网络中,疏通血栓,清除血管壁脂肪沉淀,杀死癌细胞等。在材料科学与工程领域,科学家们正在尝试各种技术革新或发明,以图制造出只有数纳米或几十纳米大小的构件,并由它们构成具有特定功用的纳米电路。

例如,现在已可用仅数纳米粗细的碳管制成电子仪器及计算机中必不可少的晶体管,在仅针尖大小的空间中就可排列高达10万个这种纳米晶体管。美国英特尔公司在2001年6月宣布采用与当今电脑芯片中相同的物理结构和材料制成尺寸仅20纳米的晶体管。如果用这种晶体管做成计算机,将能在眨眼的时间进行10亿次运算,也就是说在高速子弹穿越1英寸距离的时间内能完成400万次运算。而仅在一年之后的2002年8月,英特尔公司推出的Pentium 4(奔腾4)电脑芯片,在116平方毫米的面积上排有5500万个晶体管,时钟速度高达前所未有的每秒钟28亿次(2.8GHz)。制作这种芯片所用光刻技术已达130纳米精度。而到2005年之后,更可预期小于90纳米精度的技术将大规模投入使用。届时,芯片速度会进一步提高,而尺寸则继续减小。可以想像,用这种纳米技术芯片和其他纳米元件制成的微型计算机,不仅尺寸可以小到肉眼几不可辨,其运行速度和效率也比现代的普通计算机提高数百万倍,而能耗却可大幅降低到目前计算机能耗的几十万分之一。

在机械工程方面,现在已可用纳米技术制成只有数纳米大的齿轮并能进行啮合传动(图0-1是计算机模拟的用纳米碳管和苯环制成的纳米齿轮)。有了这些基本的组成单位,便可在将来制成纳米机器人、纳米探测器、纳米电子仪器,甚至各类微型武器,例如可放在孩子们口袋中的航空母舰及飞机等。这种设想虽然听起来有些疯狂,但随着世界各国对纳米技术及科学的大规模资金及人力的投入,一些幻想的实现已经不再成为疑问了。当今许多国家纷纷行动起来抢占纳米技术的战略高地。日本已把纳米技术列入新的5年科技基本计划的研发重点;德国把纳米技术上升为新世纪科研创新的战略领域;在美国,政府方面于2000年底推出的每年投资5亿美元的国家纳米技术计划,更被视为一次新的工业革命的核心。实际上2004年美国在这方面的投资已达8.5亿美元,而且21世纪纳米科技研发已在2003年12月被总统签字成为法律,以保证从2005年起的4年中这项国家科技发展战略能够获得足够的资金。我国政府已在2004年拨款2.5亿元人民币建设国家纳米中心,现已投入使用。一时间,“纳米热”遍及全球,新名词、新概念、新现象乃至新物质在世界各地不断涌现,以纳米技术和科学为领军的又一次产业革命已经隆隆启动。可以说,匪夷所思的纳米技术势必成为今后几十年科技发展的先锋。

当然,纳米世界虽然前景诱人,但一切梦想的实现还需要脚踏实地地从纳米技术的研发开始。纳米技术的含义很广,可简单地概括为制造具有纳米尺寸的材料(尺度小于100纳米)并进一步将纳米材料单元组合成微型仪器的技术。显然,在整个纳米技术创新过程中,如果不能够看到这些纳米尺寸的物质,则一切设想都是空谈,纳米应用也将成为纸上谈兵。著名物理学家、1965年诺贝尔物理学奖得主费曼(Richard P. Feynman)早在20世纪50年代就指出:“如果我们能最终发展出对我们所做的和要做的物质进行原子水平观察的能力,那将对解决化学和生物问题有巨大助益。而我相信这一能力的实现是不可避免的。”可见在当前的纳米革命中为了实现操纵纳米世界的目的,放大纳米物质并且将清晰的纳米世界呈现在人们眼前,成为现代纳米技术发展中不可或缺的基础环节。清晰的纳米世界,说起来只有七个字,但这七个字中包含了人类足足五千多年的艰苦而漫长的突破自身视觉极限的努力。从对光的基本认知,玻璃对光的折射而产生的放大作用,放大镜的发明,光学显微镜的开发与完善,电子显微镜的诞生及电子显微术的发展,直到既可观察原子又可移动原子的扫描隧道显微镜的问世,一再体现了人类对不可知的微观世界的不懈探索精神。本书将对这一激动人心的历史进程进行初步探讨。全书以突破微米分辨极限的光学显微镜、打破纳米分辨极限的电子显微镜,以及既可观察又可操纵原子的扫描隧道显微镜的发明及发展道路为主线,兼对物理原理、应用范围及其他相关的发明作简单介绍,力图使读者对这部分历史有一个较为系统的了解。限于作者的时间、精力以及知识范围,不可能在此涉猎到所有相关内容,敬请读者见谅。

书名《清晰的纳米世界》,是指显微镜的分辨率的一种境界。不过严格说来,现代显微镜早已更上一层楼,进入了更小的“埃”(十分之一纳米)的分辨领域。之所以仍使用“纳米”一词,主要是因当前纳米之风正盛,读者对纳米的概念均有或多或少的了解,便于从书名了解本书的主旨。

笔者于1986年在中国科技大学理论物理专业毕业后,经钱临照先生推荐到中国科学院金属研究所,在导师郭可信先生的带领下进入电子显微学领域。在将近二十年的潜心磨炼中,亲眼目睹了电子显微镜从笨重、机械和手动调节发展到当代的精巧电子控制和全功能化的发展过程。在由衷地赞叹人类智慧之伟大的同时,也对整个显微镜的发展历史产生了浓厚的兴趣。在广泛收集了各方面资料后,终于利用三年的业余时间完成此书。

本书为了兼顾科学普及、科学史两个方面,对有关科学内容的描述力求简明扼要,浅显易懂,使非专业人士并具初中以上学历者均可看懂。书后附详细的参考文献和中英文重要人名对照表,便于深入阅读。

感谢妻子蒋娟帮助誊写稿件等的全力支持,也感谢父母多年来对作者事业及生活方面的无比关怀;感谢清华大学出版社宋成斌编辑在本书出版过程中的通力合作;还要特别感谢郭可信先生对本人踏入电子显微学领域的启蒙、引领和大力提携,以及热情地为本书作序并提出了许多宝贵的意见和建议。最后,谨以此书告慰笔者最为尊敬和怀念的外公钱临照先生,他在电子显微学和科学史方面的不懈努力精神对我等后辈是一种永远的激励。