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纳米技术

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纳米技术(nanotech)是在原子、分子和超分子尺度上对物质进行处理的技术。对纳米技术最早、最宽泛的定义是[1]指通过精确操纵原子和分子来制造大规模产品的特殊技术手段，现在也被称为分子纳米技术。国家纳米技术计划随后对纳米技术进行了更广义的描述，该计划将纳米技术定义为在至少一维尺度下对1至100纳米的物质进行处理。这个定义反映了这样一个事实，即在这个量子领域尺度上量子力学效应是至关重要的，因此这个定义从一个特定的技术目标转变为在一个包含所有类型研究和技术的范畴内，对于低于给定尺寸阈值物质的特定性质进行处理。因此，常见的是看到复数形式的“纳米技术”和“纳米级技术”，指的是对尺寸这一共同特征宽领域的研究和应用[2]。

纳米技术按尺寸定义通常非常广泛，包括表面科学、有机化学、分子生物学、半导体物理、储能[3][4] ，微制造[5]， 分子工程等各种科学领域[6]。相关的研究和应用同样多样化，从传统器件物理的扩展到基于分子自组装的全新方法[7]，从开发纳米级尺寸的新材料到直接控制原子尺度的物质。

科学家们目前正在讨论纳米技术的未来影响。纳米技术可能能够创造出许多能够广泛应用的新材料和新设备，如纳米医学、纳米电子学、生物材料能源生产和消费品。另一方面，纳米技术引起了许多与任何新技术相同的问题，包括纳米材料的毒性和环境影响[8]，及其对全球经济的潜在影响，以及对各种世界末日情景的猜测。这些担忧引发了倡导团体和政府之间关于是否有必要对纳米技术进行特别监管的争论。

1 起源编辑

著名物理学家理查德·费曼在1959年的演讲中首次讨论了植入纳米技术的概念，他在演讲中描述了通过直接操纵原子进行合成的可能性。“纳米技术”一词最初是由诺里欧·谷口在1974年使用的，尽管在那时它并不广为人知。

纳米材料尺寸的比较

受费曼概念的启发，埃里克·德雷克斯勒(K. Eric Drexler)在他1986年的著作《创造的引擎:纳米技术的未来时代》中使用了“纳米技术”一词，该书提出了纳米级“组装器”的想法，这种组装器能够利用原子控制来制造自身和其他任意复杂事物的副本。同样在1986年，德雷克斯勒共同创建了前瞻研究所(他现在不再隶属于该研究所)，以帮助提高公众对纳米技术概念和含义的认识和理解。

因此，纳米技术在20世纪80年代作为一个领域的出现，是通过德雷克斯勒的理论和公共工作的融合，这一融合发展和普及了纳米技术的概念框架， 同时高可见度的实验进展，吸引了对物质原子控制前景的更多广泛关注。自20世纪80年代流行高峰以来，大多数纳米技术都涉及到用少量原子制造机械设备的几种方法的研究。

20世纪80年代，两大突破引发了纳米技术在现代的发展。首先，1981年扫描隧道显微镜的发明实现了前所未有的单个原子和键的可视化，并在1989年成功地用于操纵单个原子。该显微镜的开发者格尔德·宾宁和海因里希·罗雷尔在1986年获得了诺贝尔物理学奖[9][10]。宾尼格，夸特和格伯也在那一年发明了类似的原子力显微镜。

巴克明斯特富勒烯C60，也称为足球烯，是富勒烯碳结构的代表成员。富勒烯家族的成员是纳米技术领域的主要研究对象。

其次，富勒烯是1985年由哈里·克罗托、理查德·斯马利和罗伯特·柯尔发现的，他们一起获得了1996年诺贝尔化学奖[11][12]。C60最初没有被描述为纳米技术；该术语用于相关石墨烯管(称为碳纳米管，有时称为巴克管)的后续工作，这暗示了纳米电子和器件的潜在应用。碳纳米管的发现很大程度上归功于1991在日本电气公司的饭岛澄男，而饭岛澄男因此获得了2008年首届卡维利纳米科学奖。

在21世纪初，该领域获得了越来越多的科学、政治和商业关注，这也导致了争议和进步。围绕纳米技术的定义和潜在含义出现了争议，皇家学会关于纳米技术的报告就是例证。分子纳米技术倡导者所设想的应用的可行性受到了挑战，这在德雷克斯勒和斯马利于2001年和2003年的公开辩论中达到了高潮[13]。

同时，基于纳米技术进步的产品商业化开始出现。这些产品仅限于纳米材料的大量应用，不涉及物质的原子控制。一些应用包括使用银纳米粒子作为抗菌剂的银纳米平台、基于纳米粒子的透明防晒剂、使用二氧化硅纳米粒子的碳纤维增强以及用于防污纺织品的碳纳米管。

各国政府开始推动和资助纳米技术的研究，例如在美国，国家纳米技术计划正式确定了纳米技术的基于尺寸的定义，并通过欧洲研究和技术发展框架计划建立了对纳米技术研究的资助。

到21世纪中期，新的严肃的科学研究开始蓬勃发展。出现了一些项目来制作纳米技术路线图[14][15]，这些路线图以原子级精确控制物质为中心，并讨论现有的和预计的能力、目标和应用。

2001年至2004年间，60多个国家创建了纳米技术研发(R&D)政府项目。

纳米技术研发方面的企业支出超过了政府资金，其中大部分资金来自美国、日本和德国的企业。1970年至2011年间，在纳米技术研发领域申请最多智能专利的五大组织是三星电子(2578项第一专利)、新日铁(1490项第一专利)、IBM(1360项第一专利)、东芝(1298项第一专利)和佳能(1162项第一专利)。1970年至2012年间发表纳米技术研究论文最多的五大组织是中国科学院、俄罗斯科学院、法国国家科学研究中心、东京大学和大阪大学

2 基本概念编辑

纳米技术是分子尺度的功能系统工程。这包括当前的工作和更先进的概念。从最初的意义上来说，纳米技术指的是利用正在开发的技术和工具制造完整、高性能产品的自下而上的项目构建能力。

一纳米是十亿分之一米，即10-9米。相比之下，典型的碳-碳键长度，或分子中这些原子之间的间距，在0.12-0.15纳米的范围内，而一个脱氧核糖核酸双螺旋的直径约为2纳米。另一方面，最小的细胞生命形式支原体属细菌的长度约为200纳米。按照惯例，纳米技术被认为是1到100纳米的尺度范围，符合美国国家纳米技术倡议所使用的定义。下限由原子的大小决定(氢原子最小，约为纳米动力学直径的四分之一)，因为纳米技术必须由原子和分子构建其器件。上限或多或少是任意的，但是大约在较大结构中未观察到的现象开始变得明显的尺寸以下，并且可以在纳米器件中使用[16]。这些新现象使纳米技术不同于仅仅是等效宏观设备的小型化版本的设备；这种装置规模较大，属于微型技术的范畴[17]。

从另一个角度来说，一纳米到一米的相对大小就像大理石到地球的大小一样[18]。或者换句话说:一纳米是一个普通人把剃刀举到脸上所花费的时间里，他的胡子所增长的数量[18]。

纳米技术中使用了两种主要方法。在“自下而上”的方法中，材料和设备是由分子组件构成的，这些组件通过分子识别原理进行化学上的自我组装。在“自上而下”的方法中，纳米物体是由没有原子级控制的较大实体构成的[19]。

在过去的几十年里，纳米电子学、纳米力学、纳米光子学和纳米离子学等物理领域发生了演变，为纳米技术提供了基础科学基础。

2.1 从大到小:材料的视角

在干净的金(100)表面上重建的图像，使用扫描隧道显微镜可视化。组成表面的单个原子的位置是可见的。

随着系统规模的减小，一些现象变得明显。这些包括统计力学效应以及量子力学效应，例如“量子尺寸效应”，其中固体的电子性质随着颗粒尺寸的大幅度减小而改变。从宏观到微观，这种效应并没有发挥作用。然而，当达到纳米尺寸范围时，量子效应会变得显著，通常在100纳米或更小的范围，即所谓的量子领域。此外，与宏观系统相比，许多物理属性(机械、电气、光学等)会发生变化。一个例子是表面积与体积之比的增加改变了材料的机械、热和催化性能。 在纳米尺度、纳米结构材料和具有快速离子传输的纳米器件上的扩散和反应通常被称为纳米离子学。纳米系统的力学性质是纳米力学研究的热点。纳米材料的催化活性也开启了它们与生物材料相互作用的潜在风险。

缩小到纳米尺度的材料与宏观尺度的材料相比可以表现出不同的性能，从而实现独特的应用。例如，不透明物质可以变成透明的(铜)；稳定的材料会变成可燃物(铝)；不溶性物质可能变成可溶性物质(金)。像金这样的物质，在正常尺度下是化学惰性的，在纳米尺度下可以作为强力的化学催化剂。对纳米技术的着迷很大程度上源于物质在纳米尺度上展现的量子和表面现象[20]。

2.2 简单到复杂:分子视角

现代合成化学已经发展到可以将小分子制备成几乎任何结构的地步。这些方法如今被用于制造各种有用的化学品，如药品或商业聚合物。这种能力提出了将这种控制扩展到下一个更大水平的问题，寻求将这些单个分子组装成超分子组件的方法，该组件由许多以明确定义的方式排列的分子组成。

这些方法利用分子自组装和/或超分子化学的概念，通过自下而上的方法自动排列成一些有用的构象。分子识别的概念尤其重要:由于非共价分子间作用力分子可以被设计成有利的特定的构型或排列。沃森-克里克碱基配对规则是这一点的直接结果，就像酶靶向单一底物的特异性，或者蛋白质本身的特异性折叠一样。因此，两个或多个组件可以被设计成互补的和相互吸引的，这使得它们成为更复杂和有用的整体。

这种自下而上的方法应该能够并行生产器件，并且比自上而下的方法便宜得多，但是随着所需组件的尺寸和复杂性的增加，这种方法可能会不堪重负。大多数有用的结构需要复杂且热力学上不可能的原子排列。然而，生物学中有许多基于分子识别的自组装的例子，最显著的是沃森-克里克碱基配对和酶-底物相互作用。纳米技术面临的挑战是，除了自然构建之外，这些原则是否还能用于设计新的构建。

2.3 分子纳米技术:长期观点

分子纳米技术，有时称为分子制造，描述了在分子尺度上运行的工程纳米系统(纳米机器)。分子纳米技术尤其与分子组装机相关联，分子组装机是一种利用机械合成原理一个原子一个原子地制造出所需结构或器件的机器。生产性纳米系统背景下的制造与用于制造纳米材料(如碳纳米管和纳米粒子)的传统技术没有关系，应该明确区分开来。

当“纳米技术”一词由埃里克·德雷克斯勒(当时他不知道诺里欧·谷口更早的用法)独立创造和推广时，它指的是基于分子机器系统的未来制造技术。前提是传统机器部件的分子尺度生物类比证明了分子机器是可能的:通过生物学中发现的无数例子，我们知道可以生产复杂的、随机优化的生物机器。

人们希望纳米技术的发展能够通过一些其他的方式，也许是利用仿生原理，来实现他们的构想。然而，德雷克斯勒和其他研究人员[21]提出，先进的纳米技术，尽管最初可能是通过仿生手段实现的，但最终可能是基于机械工程原理，即基于这些部件(如齿轮、轴承、电机和结构部件)机械功能的制造技术，这种技术将使可编程的位置组装成为原子规格[22]。德雷克斯勒的《纳米系统》一书中分析了样本设计的物理和工程性能。

一般来说，在原子尺度上组装设备是非常困难的，因为人们必须将原子定位在具有相当大小和粘性的其他原子上。卡罗·蒙特马格诺提出的另一种观点是未来的纳米系统将是硅技术和生物分子机器的混合体[23]，理查德·斯马利认为机械合成是不可能的，因为机械操纵单个分子很困难。

这导致了2003年美国化学学会出版物《化学工程新闻》中的换文[24]。尽管生物学清楚地证明分子机器系统是可能的，但非生物分子机器今天还处于婴儿期。劳伦斯伯克利实验室和加州大学伯克利分校的亚历克斯·泽特尔博士和他的同事是非生物分子机器研究的领导者[1]。他们已经构建了至少三种不同的分子装置，它们的运动是通过改变电压从桌面控制的:纳米管纳米马达、分子致动器[25]，和纳米机电弛豫振荡器[26]。

1999年，康奈尔大学的何和李进行了一项表明位置分子组装是可能的实验。他们使用扫描隧道显微镜将单个一氧化碳分子移动到位于扁平银晶体上的单个铁原子上，并通过施加电压将一氧化碳化学结合到铁上。

3 当前研究编辑

轮烷的图形表示，用作分子开关。

这种 四面体[1]是一种人工设计的纳米结构，是在纳米技术领域制造的。四面体的每条边都是一个20碱基对的脱氧核糖核酸双螺旋，每个顶点都是一个三臂结点。

一种富勒烯C60的旋转视图。

这个装置将能量从量子阱的纳米薄层转移到它们上面的纳米晶体，使得纳米晶体发射可见光[2]。

3.1 纳米材料

纳米材料领域包括开发或研究因纳米尺度而具有独特性质的材料的子领域[27]。

  • 界面和胶体科学已经产生了许多可用于纳米技术的材料，例如碳纳米管和其他富勒烯，以及各种纳米粒子和纳米棒。具有快速离子传输的纳米材料也与纳米离子和纳米电子学相关。
  • 纳米材料也可以用于批量应用；目前纳米技术的大多数商业应用都是这种类型的。
  • 在将这些材料用于医疗应用方面取得了进展。
  • 纳米柱等纳米材料有时被用于太阳能电池，以同传统硅太阳能电池进行竞争。
  • 开发半导体纳米粒子用于下一代产品的应用，如显示技术、照明、太阳能电池和生物成像；看量子点。

  • 纳米材料的最新应用包括一系列生物医学应用，如组织工程、药物输送和生物传感器[28][29][30][31]。

3.2 自下而上的方法

这些方法试图将较小的组件排列成更复杂的组件。

  • DNA纳米技术利用沃森-克里克碱基配对的特异性，用脱氧核糖核酸和其他核酸构建明确的结构。
  • 来自“经典”化学合成(无机和有机合成)领域的方法也旨在设计具有明确形状的分子(例如双肽)。
  • 更通俗地说，分子自组装寻求使用超分子化学的概念，特别是分子识别的概念，使单分子组分自动排列成一些有用的构象。
  • 原子力显微镜的尖端可以用作纳米级的“写头”，在一个叫做蘸笔纳米光刻的过程中，将一种化学物质以所需模式沉积在表面上。这项技术适合纳米光刻的更大的子领域。
  • 分子束外延允许自下而上的材料组装，最显著的是通常用于芯片和计算应用、叠层、门控和纳米线激光器的半导体材料。

3.3 自上而下的方法

他们试图通过使用更大的设备来指导他们的组装来制造更小的设备。

  • 许多源自制造微处理器的传统固态硅方法的技术现在能够产生小于100纳米的产品，属于纳米技术的定义。市场上已有的基于巨磁电阻的硬盘符合这种描述[32]，原子层沉积(ALD)技术也是如此。彼得·格林伯格和艾尔伯·费尔因发现巨磁阻和对自旋电子学领域的贡献而获得2007年诺贝尔物理学奖[33]。
  • 固态技术也可用于制造被称为纳米机电系统（或NEMS）的器件，这些器件与微机电系统（或MEMS）相关。
  • 当同时施加合适的前体气体时，聚焦离子束可以直接去除材料，甚至沉积材料。例如，这种技术通常用于制造低于100纳米的材料切片，用于透射电子显微镜分析。
  • 原子力显微镜针尖可以用作纳米级的“写头”来沉积抗蚀剂，然后通过蚀刻工艺以自上而下的方法去除材料。

3.4 功能方法

这些方法寻求开发所需功能的组件，而不考虑它们是如何组装的。

  • 用于合成各向异性超顺磁性材料如最近出现的磁性纳米链的磁性组件[34]。
  • 分子尺度电子学致力于开发具有有用电子性质的分子。然后这些可以用作纳米电子器件中的单分子组件[34]。
  • 合成化学方法也可以用来制造合成分子马达，例如所谓的纳米马达。

3.5 仿生方法

  • 仿生学或仿生学寻求将自然界中发现的生物方法和系统应用于工程系统和现代技术的研究和设计。生物矿化是该研究系统的一个例子。
  • 生物纳米技术是生物分子在纳米技术中的应用，包括病毒和脂质组件的应用[35][36] 。纳米纤维素是一种潜在的大规模应用。

3.6 推测性的

这些子领域试图预测纳米技术可能会产生什么发明，或者试图提出一个议程，让研究沿着这个议程前进。这些研究通常着眼于纳米技术的大局，更强调其社会影响，而不是如何实际创造这些发明的细节。

  • 分子纳米技术是一种计划性的方法，它包括以精确控制的、确定性的方式操纵单个分子。这比其他子领域更具理论性，它提出的许多技术超出了当前的能力。
  • 纳米机器人的核心是在纳米尺度上运行的一些功能自给自足的机器。纳米机器人有望应用于医学[37][38][39]，但是做这样的事情可能不容易，因为这种装置有几个缺点。[40]然而，创新材料和方法学的进展已经得到证明，一些专利被授予用于未来商业应用的新型纳米制造装置，这也逐步有助于使用嵌入式纳米生物电子学概念纳米机器人的发展[41][42]。
  • 生产性纳米系统是“纳米系统的系统”，它将是复杂的纳米系统，为其他纳米系统生产原子级精确的部件，不一定使用新的纳米涌现特性，而是熟知的制造基础。由于物质的离散(即原子)性质和指数增长的可能性，这一阶段被视为另一场工业革命的基础。美国国家纳米技术计划的建筑师之一米哈伊尔·洛可提出了纳米技术的四种状态，这四种状态似乎与工业革命的技术进步平行，从被动纳米结构发展到主动纳米器件，再到复杂纳米机器，最终发展到生产性纳米系统[43]。
  • 可编程物质寻求通过信息科学和材料科学的融合来设计其性质可以容易地、可逆地和外部控制的材料。
  • 由于纳米技术这一术语的流行和媒体曝光，皮米技术和费米技术这两个词被创造出来与之相似，尽管它们很少被非正式地使用。

3.7 纳米材料的维度

纳米材料可分为0D、1D、2D和3D纳米材料。维度在决定纳米材料的物理、化学和生物特征方面起着重要作用。随着维度的降低，表面积与体积之比增加。这表明与3D纳米材料相比，尺寸较小纳米材料具有更高的表面积。近年来，二维(2D)纳米材料被广泛用于电子、生物医学、药物递送和生物传感器应用。

4 工具和技术编辑

典型的原子力显微镜设置。尖端锋利的微加工悬臂被样品表面的特征所偏转，很像留声机，但尺寸要小得多。激光束从悬臂的背面反射到一组光电探测器中，允许测量偏转并组装成表面图像。

现代有几个重要的发展。原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)是启动纳米技术的扫描探针的两个早期版本。还有其他类型的扫描探针显微镜。虽然在概念上类似于马文·明斯基在1961年开发的扫描共焦显微镜和卡尔文·夸特(Calvin Quate)及其同事在20世纪70年代开发的扫描声学显微镜(SAM)，但较新的扫描探针显微镜具有高得多的分辨率，因为它们不受声音或光波长的限制。

扫描探针的尖端也可以用来操纵纳米结构(这一过程称为位置组装)。面向特征的扫描方法可能是在自动模式下实现这些纳米操作的有前景的方法[44][45]。然而，由于显微镜扫描速度低，这仍然是一个缓慢的过程。

各种纳米光刻技术也得到了开发，例如光学光刻、x光光刻、蘸笔纳米光刻、电子束光刻或纳米压印光刻。光刻是一种自上而下的制造技术，将大块材料的尺寸减小到纳米级图案。

另一组纳米技术包括用于制造纳米管和纳米线的技术，用于半导体制造的技术，例如深紫外光刻、电子束光刻、聚焦离子束加工、纳米压印光刻、原子层沉积和分子气相沉积，还包括分子自组装技术，例如采用二嵌段共聚物的技术。这些技术的前身先于纳米技术时代，是科学进步发展的延伸，而不是以创造纳米技术为唯一目的的技术，也是纳米技术研究的结果[46]。

自上而下的方法预计纳米器件必须分阶段一件一件地构建，就像制造制成品一样。扫描探针显微镜是表征和合成纳米材料的重要技术。原子力显微镜和扫描隧道显微镜可以用来观察表面和移动原子。通过为这些显微镜设计不同的尖端，它们可以用于在表面雕刻结构，并帮助引导自组装结构。例如，通过使用面向特征的扫描方法，原子或分子可以利用扫描探针显微镜技术在表面上移动[44][45]。目前，大规模生产既昂贵又耗时，但非常适合实验室实验。

相反，自下而上的技术是一个原子接一个原子或一个分子接一个分子地构建或生长更大的结构。这些技术包括化学合成、自组装和定位组装。双偏振干涉测量法是一种适用于自组装薄膜表征的工具。自下而上方法的另一种变化是分子束外延（即MBE）。在20世纪60年代末和70年代，贝尔电话实验室的研究人员像约翰·阿瑟，卓以和和阿特·戈萨德开发并实施了分子束外延作为一种研究工具。分子束外延制造的样品是发现分数量子霍尔效应的关键，1998年诺贝尔物理学奖就是以分数量子霍尔效应获得的。分子束外延允许科学家们建立原子级精确的原子层，并在此过程中建立复杂的结构。分子束外延对于半导体研究很重要，它也被广泛用于为新兴自旋电子学领域制作样品和器件。

然而，基于响应性纳米材料的新型治疗产品，如超变形、应力敏感的转移小体囊泡，正在开发中，并已在一些国家获得批准供人类使用[47]。

研究与开发

由于潜在应用的多样性(包括工业和军事)，政府已经在纳米技术研究上投资了数十亿美元。2012年之前，美国利用其国家纳米技术计划投资了37亿美元，欧盟投资了12亿美元，日本投资了7.5亿美元。2001年至2004年间，60多个国家创建了纳米技术研发(R&D)项目。2012年，美国和欧盟分别在纳米技术研究上投资21亿美元，其次是日本，投资12亿美元。2012年全球投资达到79亿美元。R&D公司在纳米技术研究上的支出超过了政府资助，2012年为100亿美元。R&D最大的企业支出者来自美国、日本和德国，共占71亿美元。

按专利分列的顶级纳米技术研究组织(1970-2011年)
等级 组织 国家 首批专利
1 三星电子 韩国 2，578
2 新日铁和住友金属 日本 1，490
3 美国国际商用机器公司 美国 1，360
4 东芝 日本 1，298
5 佳能公司 日本 1，162
6 日立 日本 1，100
7 加州大学伯克利分校 美国 1，055
8 松下 日本 1，047
9 惠普 美国 880
10 TDK 日本 839
按科学出版物分列的顶级纳米技术研究组织(1970-2012年)
等级 组织 国家 科学出版物
1 中国科学院 中国 29，591
2 俄罗斯科学院 俄罗斯 12，543
3 国家科学研究中心 法国 8，105
4 东京大学 日本 6，932
5 大阪大学 日本 6，613
6 东北大学 日本 6，266
7 加州大学伯克利分校 美国 5，936
8 西班牙国家研究委员会 西班牙 5，585
9 伊利诺伊大学 美国 5，580
10 麻省理工学院 美国 5，567

5 应用编辑

纳米技术的主要应用之一是纳米电子学领域，场效应晶体管由长度约为10纳米的小纳米线制成。这是对这种纳米线的模拟。

纳米结构为这个表面提供了超疏水性，让水滴沿着斜面滚下来。

用于光脉冲信息超快速传输的纳米线激光器

截至2008年8月21日，新兴纳米技术项目估计，超过800种制造商确定的纳米技术产品已经公开上市，新的产品以每周3-4个的速度投放市场[48]。该项目将所有产品列在一个公众可访问的在线数据库中。大多数应用仅限于使用“第一代”被动纳米材料，包括防晒霜、化妆品、表面涂层、和一些食品中的二氧化钛；用于生产壁虎胶带的碳同素异形体；食品包装、服装、消毒剂和家用电器中的银；防晒剂和化妆品、表面涂料、油漆和户外家具清漆中的氧化锌；氧化铈作为燃料催化剂[48]。三星开始生产10纳米多级单元(MLC) NAND闪存

进一步的应用使网球使用寿命更长，高尔夫球飞得更直，甚至保龄球也变得更耐用，表面更硬。裤子和袜子已经被注入了纳米技术，这样它们可以穿的更久 ，让人们在夏天保持凉爽。绷带被注入银纳米粒子，以加快伤口愈合[48]。得益于纳米技术，视频游戏机和个人电脑可能会变得更便宜、更快，并且包含更多的内存[49]。此外，利用光构建片上计算结构，例如片上光量子信息处理和皮秒信息传输[50]。

纳米技术可能有能力使现有的医疗应用更便宜，更容易在全科医生的办公室和家里使用[51]。汽车正在用纳米材料制造，因此未来它们可能需要更少的金属和燃料来运行。[52]

科学家现在转向纳米技术，试图开发废气更清洁的柴油发动机。铂目前被用作这些发动机的柴油发动机催化剂。催化剂是清除废气颗粒的物质。首先使用还原催化剂从氮氧化物分子中提取氮原子以释放氧气。接下来，氧化催化剂氧化碳氢化合物和一氧化碳，形成二氧化碳和水[53]。铂用于还原和氧化催化剂[54]。然而，使用铂是低效的，因为它昂贵且不可持续。丹麦公司创新基金(InnovationsFonden)投资DKK 1500万英镑，利用纳米技术寻找新的催化剂替代品。该项目于2014年秋季启动，目标是最大化表面积，最大限度减少所需材料量。物体倾向于最小化它们的表面能；例如，两滴水会结合形成一滴水并减小表面积。如果暴露在废气中的催化剂表面积最大化，则催化剂的效率最大化。这个项目的团队致力于创造不会融合的纳米粒子。每次优化表面时，都会节省材料。因此，产生这些纳米颗粒将提高所得柴油机催化剂的效率，进而产生更清洁的废气，并降低成本。如果成功，该团队希望减少25%的铂用量[55]。

纳米技术在快速发展的组织工程领域也有着突出的作用。在设计支架时，研究人员试图模拟细胞微环境的纳米级特征，引导其分化为合适的谱系[56]。例如，当创建支架来支持骨骼生长时，研究人员可能会模仿破骨细胞吸收坑[57]。

研究人员已经成功地使用了基于基因折纸的纳米机器人，该机器人能够执行逻辑功能，实现蟑螂的靶向药物输送。据说这些纳米机器人的计算能力可以提升到康懋达64的计算能力[58]。

纳米电子学

商业纳米电子半导体器件制造始于20世纪10年代。2013年，南韩海力士开始商业化大规模生产16纳米工艺，台积电开始生产16纳米场效应晶体管工艺，三星电子开始生产10纳米工艺。台积电于2017年开始生产7纳米制程，三星于2018年开始生产5纳米工艺。2019年，三星宣布了到2021年商业化生产3纳米砷化镓场效应晶体管工艺的计划。

纳米电子半导体存储器的商业化生产也始于2010年代。2013年，南韩海力士开始大规模生产16纳米NAND闪存，三星开始生产10纳米多级单元(MLC) NAND闪存。2017年，台积电开始使用7纳米工艺生产SRAM存储器。

6 含义编辑

纳米毒理学研究表明，一个令人关切的领域是纳米材料的工业规模制造和使用对人类健康和环境的影响。出于这些原因，一些团体主张纳米技术由政府监管。其他人反驳说，过度监管会扼杀科学研究和有益创新的发展。公共卫生研究机构，如国家职业安全与健康研究所，正在积极开展纳米粒子暴露对健康潜在影响的研究[59][60]。

一些纳米粒子产品可能会产生意想不到的后果。研究人员发现，袜子中用来减少脚臭的抑菌银纳米颗粒会在洗涤过程中释放出来[61]。这些颗粒随后被冲入废水流，可能会破坏细菌，而细菌是自然生态系统、农场和废物处理过程的重要组成部分[62]。

社会纳米技术中心对美国和英国风险认知的公开讨论发现，参与者对纳米技术用于能源应用比对健康应用更积极，健康应用带来了道德和伦理难题，如成本和可用性。

专家们，包括伍德罗·威尔逊中心新兴纳米技术项目主任大卫·雷盖斯基，已经证实[63]成功的商业化依赖于充分的监督、风险研究策略和公众参与。加州伯克利市目前是美国唯一监管纳米技术的城市[64]；马萨诸塞州剑桥市2008年考虑颁布类似的法律[65]，但最终放弃了[66]。关于纳米技术的研究和应用，纳米技术的保险性存在争议[67]。如果没有国家对纳米技术的监管，人们认为有必要为潜在的损害提供私人保险，以确保负担不会隐性社会化。在接下来的几十年里，纳米技术的应用可能包括容量更高的计算机、各种活性材料和细胞规模的生物医学设备[68]。

6.1 健康和环境问题

一段关于纳米技术对健康和安全影响的视频

纳米纤维被用于多个领域和不同的产品，从飞机机翼到网球拍，无所不包。吸入空气中的纳米粒子和纳米纤维可能导致许多肺部疾病，例如纤维化[68]。研究人员发现，当老鼠吸入纳米颗粒时，颗粒会沉积在大脑和肺部，这导致炎症和应激反应的生物标志物显著增加，纳米颗粒通过氧化应激诱导无毛小鼠皮肤衰老[69][70]。

加州大学洛杉矶分校公共卫生学院的一项为期两年的研究发现，食用纳米二氧化钛的实验鼠显示，基因和染色体损伤在某种程度上“与人类所有的大杀手有关，即癌症、心脏病、神经疾病和衰老”[71]。

最近发表在《自然纳米技术》杂志上的一项主要研究表明，某些形式的碳纳米管——纳米技术革命的典型代表——如果吸入足够的量，可能会像石棉一样有害。苏格兰爱丁堡职业医学研究所的安东尼·西顿(Anthony Seaton)为这篇关于碳纳米管的文章撰稿，他说，“我们知道其中一些可能会导致间皮瘤。因此，这些材料需要非常小心地处理。[72]”在政府没有具体规定的情况下，保尔和里昂(2008)呼吁在食品中排除工程纳米粒子[73]。一篇报纸文章报道说，一家油漆厂的工人患上了严重的肺病，他们的肺部发现了纳米颗粒[74][75][76][77]。

7 管理编辑

人们呼吁对纳米技术进行更严格的监管，与此同时，关于纳米技术对人类健康和安全的风险的争论也越来越多[78]。关于谁负责纳米技术的监管，存在着激烈的争论。一些监管机构目前(在不同程度上)覆盖了一些纳米技术产品和工艺——通过将纳米技术“栓接到”现有法规——这些制度中存在明显的差距[79]。戴维斯(2008)提出了一个管理路线图，描述了解决这些缺陷的步骤[80]。

由于缺乏评估和控制纳米粒子和纳米管消除相关风险的监管框架，利益相关者将其与牛海绵状脑病(“疯牛病”)、沙利度胺、转基因食品[81]、核能、生殖技术、生物技术和石棉沉滞症相提并论。伍德罗·威尔逊中心新兴纳米技术项目首席科学顾问安德鲁·梅纳德博士得出结论认为，人类健康和安全研究资金不足，因此目前对纳米技术相关的人类健康和安全风险了解有限[82]。因此，一些学者呼吁更严格地应用预防原则，推迟市场批准，加强标签，并对某些形式的纳米技术提出额外的安全数据开发要求[83][84]。

《皇家学会报告》[85]确定了纳米粒子或纳米管在处置、销毁和回收过程中被释放的风险，并建议“属于生产者责任延伸制度(如报废条例)的产品制造商公布程序，概述如何管理这些材料以尽量减少可能的人类和环境暴露”(第十三页)。

社会纳米技术中心发现，人们对纳米技术的反应因应用而异——参与公共讨论的人对能源纳米技术比对健康应用更积极——这表明，任何公众对纳米监管的呼吁可能因技术部门而异[85]。

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