纳米科技及纳米材料应用进展
在人类步入21世纪之际，科学技术发展的潮流对社会的发展、生存环境改善及人体健康的保障都将作出更大的贡献。新的世纪里，信息科学技术和生命科学技术是科学技术发展的主流，它们的发展将使这些科学技术逐步走向更好、更快、更强和更加对环境友好的境地。一种非常普遍的观点认为，信息和生命科学技术能够进一步发展的共同基础是纳米科学技术。
纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1nm = 10-3 μm = 10-6 mm = 10-9 m。在晶体学和原子物理中还经常使用埃(Å)作单位，1Å = 10-10m，所以1nm = 10Å。氢原子的直径为1Å，所以1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。由此可知，纳米是一个极小的尺寸，但从微米进入到纳米代表人们认识上的一个新的层次。纳米正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，也是物理学、化学、材料科学、生命科学以及信息科学发展的新领地。纳米材料中包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。通俗地说，纳米材料一方面可以被当作一种“超分子”，充分地展现出量子效应；而另一方面也可以被当作一种非常小的“宏观物质”，以致于表现出前所未有的特性。纳米技术和纳米材料集中体现了小尺寸、复杂构型、高集成度和强相互作用以及高比表面积等现代科学技术发展的特点，它们是将量子力学效应工程化或技术化的最好场合之一。
纳米科学技术是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接 *** 纵和安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。纳米科技进展
纳米科学技术是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接 *** 作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究尺寸在0.1nm～100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
在纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当，这时电子不能被看成处在外场中运动的经典粒子，电子的波动性在输运过程中得到充分的展现：纳米体系在维度上的限制，也使得固体中的电子态，元激发和各种相互作用过程表现出与三维体
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系十分不同的性质，如量子化效应、非定域量子相干、量子涨落与混沌、多体关联效应和非线性效应等等。对这些新奇的物理特性的研究，使得人们必须重新认识和定义现有的物理理论和规律，这必将导致新概念的引入和新规律的建立，如纳米尺度上的能带、费米能级及逸出功将意味着什么? 另外，在纳米化学中，对表面的化学过程，如原子簇化合物的研究对吸附质/载体系统的电子性质和对基底表面结构的影响；在纳米生物学中，除了对细胞、膜、蛋白和DNA的微观研究外，还要解决人工分子剪裁并进行分子基因和物种的再构；在纳米电子学中，电阻的概念已不是欧姆定律；在纳米力学中，机械性质如d性模量、d性系数、摩擦和粗糙概念亦有质的变化。作为纳米科技中的一个重要领域的纳米加工学，也将以崭新的方式进行原子 *** 纵和纳米尺度加工并进行纳米器件的加工和组装，并进一步研究器件的特性及运行机理。
纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学。
这7个分支是相对独立的。隧道显微镜在纳米科技中占有重要的地位，它贯穿到7个分支领域中，以扫描隧道显微镜为分析和加工手段所做工作有一半以上。应当指出的是：由于电子学在人类的发展和生活中起了决定性的作用，因此在纳米科技时代，纳米电子学也将继续对人类社会的发展起更大的作用。因此在纳米科技的各个分支学科的研究中，应当重视纳米电子学的研究，特别是利用扫描隧道电子显微镜(STM)的相关技术进行超高密度信息存储的研究。
纳米材料的种类
纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。它包含了三个层次，即：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。
1. 纳米微粒
纳米微粒是指线度处于1～100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称。纳米微粒的形态并不限于球形，还有片状、棒状、针状、星状、网状等。一般认为，微观粒子聚合体的线度小于1nm时，称为簇，而通常所说的微粉的线度又在微米级。纳米微粒的线度恰好处于这两者之间，所以又被称作超微粒。
纳米微粒大多数为理想单晶，但当尺寸增大到60nm时，可以观察到孪晶界、层错和位错等的出现。纳米微粒也可呈非晶态或各种亚稳相。构成纳米微粒的成分可以是金属或者金属氧化物、非金属氧化物或其他多种化合物。 2
2. 纳米固体
纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。这几种形态的纳米固体又称作纳米结构材料。
纳米块状材料通常是指由表面清洁的纳米微粒经高压形成的三维凝聚体。纳米薄膜则是指二维的纳米固体，纳米薄膜又可分为两类：一种是由纳米粒子组成的薄膜；另一种是在纳米微粒间有较多的孔隙、无序原子或其他材料的薄膜，如纳米微粒镶嵌在另一种基体材料中的颗粒膜就属此类。当材料的线度只在二维方向上被限制在纳米量级时，就形成了纳米纤维，也叫一维纳米材料或一维量子线。
按照纳米固体中纳米微粒结构形态的不同，可将其分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶体。包含的纳米微粒为晶态的纳米固体就是纳米晶体。在显微结构上，它有两种组元：一种是晶体组元，其原子位于晶粒内格点上；另一种是界面组元，原子位于晶粒间的界面上。它们都达到了纳米量级尺度，因而又有纳米微晶材料的说法。只是短程有序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体称为纳米非晶体，而将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中时，就可以得到纳米准晶材料。
根据纳米固体组成材料相数的多少，纳米固体可以分为纳米相材料和纳米复合材料。由单相纳米微粒构成的纳米固体通常称为纳米相材料，如纳米氧化物等。由不同材料的纳米微粒或两种及两种以上固相的纳米微粒，至少在一个方向上以纳米级尺寸复合而形成的纳米固体称为纳米复合材料。有三种类型：第一种是0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒复合而成的纳米固体。第二种是0-2复合，即把纳米微粒分散到二维的薄膜材料中。它又可分为均匀弥散和非均匀弥散两种形式。前者指纳米微粒在薄膜中均匀分布，人们可根据需要控制纳米微粒的粒径及粒间距；后者指纳米微粒随机混乱地分散到薄膜基体中。第三种是0-3复合，即把纳米微粒分散到常规的三维固体中。除此之外，还有一些其它的类型，如多层结构的2-2型复合材料等。
3. 纳米组装体系
由人工组装合成的纳米结构材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，使整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。 3
纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。目前对纳米阵列体系的研究，集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二维体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性以及与基体的界面耦合产生了一些新的效应，也使其成为研究热点。
纳米材料的特异性能
纳米结构材料的特性是由所组成微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。在一定条件下，这些因素中的一个或多个可能起作用。因此，人们想要创造纳米结构材料，就要着眼于具有决定意义的因素。
纳米微粒是由有限数量的原子或分子组成的、保持原来物质的化学性质并处于亚稳状态的原子团或分子团。当物质的线度减小时，其表面原子数的相对比例增大，使单原子的表面能迅速增大。进入纳米尺度时，此种形态的变化反馈到物质结构和性能上，就会显示出奇异的效应，这里介绍几种最基本的物理效应。
1. 小尺寸效应
纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。人们把纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
(1) 特殊的光学性质
当黄金(Au)被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂变成铂黑，金属铬变成铬黑。金属纳米颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，大约几千纳米的厚度就能完全消光。利用这个特性，纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
(2) 特殊的电学性质
介电和压电特性是材料的基本物性之一。纳米半导体的介电行为(介电常数、介电损耗)及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同，主要表现在以下几个方面。
第一，纳米半导体材料的介电常数随测量频率的减小呈明显上升趋势，而相应的常规半导体材料的介电常数较低，在低频范围内上升趋势远远低于纳米半导体材料。第二，
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在低频范围，纳米半导体材料的介电常数呈现尺寸效应，即粒径很小时，其介电常数较低，随粒径增大，介电常数先增加然后下降，在某一临界尺寸呈极大值。第三，介电常数温度谱及介电常数损耗谱特征：纳米TiO2半导体的介电常数温度谱上存在一个峰，而在其相应的介电常数损耗谱上呈现一损耗峰。一般认为前者是由于离子转向极化造成的，而后者是由于离子弛豫极化造成的。第四，压电特性：对某些纳米半导体而言，其界面存在大量的悬键，导致其界面电荷分布发生变化，形成局域电偶极矩。若受外加压力使偶极矩取向分布等发生变化，在宏观上产生电荷积累，从而产生强的压电效应，而相应的粗晶半导体材料粒径可达μm数量级，因此其界面急剧减小(<0.01％)，从而导致压电效应消失。
(3) 特殊的磁性
人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在纳米级磁性颗粒，使这类生物能在地磁场中辨别方向，具有回归本领。磁性纳米颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。
通过电子显微镜研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为20nm的磁性氧化物颗粒。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。利用超微粒子具有高矫顽力的性质，已做成高储存密度的磁记录粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等，利用超顺磁性人们研制出应用广泛的磁流体，用于密封等。在医学上可用作药剂的载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，有利于提高药效。
(4) 特殊的热学性质
在纳米尺寸状态，具有减少了空间维数的材料的另一种特性是相的稳定性。当人们足够地减少组成相的尺寸的时候，由于在限制的原子系统中的各种d性和热力学参数的变化，平衡相的关系将被改变。固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时变得尤为显著。如块状的金的熔点为1064℃，当颗粒尺寸减到10nm时，则降低为1037℃，降低27℃，2nm时变为327℃；银的常规熔点为690℃，而超细银熔点变为100℃，因此银超细粉制成的导电浆料可在低温下烧结。这样元件基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料替代。采用超细银粉浆料，可使膜厚薄均匀，覆盖面积大，既省料质又高。
100～1000nm的铜、镍纳米颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵重金属。纳米颗粒
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熔点下降的性质对粉末冶金工业也具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的纳米镍颗粒后，可以使烧结温度从3000℃降低到1200℃～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。
(5) 特殊的力学性质
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱。原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。
纳米材料的尺寸被限制在100nm以下，这是一个由各种限域效应引起的各种特性开始有相当大的改变的尺寸范围。当材料或那些特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内时，特性就会改变。
美国学者报道CaF2纳米材料在室温下可大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬3～5倍，至于金属-陶瓷复合材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分广阔。在临床上主要用于人工器官制造等方面。纳米颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
纳米材料的制备
随着世界各国对纳米科技的重视和大规模的投入，纳米科技正蓬勃发展，作为纳米科技的基础，各种纳米材料如雨后春笋般涌现。纳米材料的形态和状态取决于纳米材料的制备方法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。所以，国内外科学家一直致力于研究纳米材料的合成与制备方法，纳米制备技术也一直是纳米科学领域内的一个重要研究课题。
理论上，任何能够制备出无定型超微粒子和精细结晶的方法都可以用来制备纳米材料。但是事实上，许多方法合成制备出的纳米材料都是结构松散、易团聚的纳米超细微粒，这样只可得到纳米粉体。如果要获得纳米固体材料，必须将纳米颗粒压实才可得到致密的块材。因此，材料的压制工艺也是纳米制备技术的重要部分。
纳米材料的制备技术不仅包括纳米粉体、纳米块体及纳米薄膜制备技术，还包括纳米高分子材料的制备技术，纳米有机-无机材料的杂化技术，纳米元器件制备技术，纳米胶囊制备技术和纳米组装技术等，一般地，纳米材料制备方法可分为：物理法，化学法和综合法。
物理法是最早采用的纳米材料制备方法，这种方法是采用高能耗的方式，“强制”材料“细化”得到纳米材料，例如，惰性气体蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法等。物理法制备纳米材料的优点是产品纯度高，缺点是产量低、设备投入大。
化学法采用化学合成方法，合成制备纳米材料，例如，沉淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶-凝胶法等，这类制备方法的优点是所合成纳粹米材料均匀、可大量生产、设备投入小，缺点是产品有一定杂质、高纯度难。同样还有化学气相法，例如，加热气相化学反应法、激光气相化学反应法、等离子体加强气相化学反应法等。
综合法是指在纳米材料制备中结合化学物理法的优点，同时进行纳米材料的合成与制备，例如，超声沉淀法，激光沉淀法以及微波合成法等。这类方法是把物理方法引入化学法中，提高化学法的效率或是解决化学法达不到的效果。
也有人按所制备的体系状态进行分类，分为气相法、液相法和固相法。
气相法是直接利用气体或利用各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法分为气体中蒸发法，化学气相反应法，化学气相凝聚法和溅射法等。
液相法是指在均相溶液中，通过各种方式使溶质和溶剂分离，溶质形成形状、大小一定的颗粒，得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗粒的方法。液相法典型的有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法等。 9
固相法是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法。固相法有热分解法、溶出法、球磨法等。
纳米粉体的合成、无机的纳米-微米和纳米-纳米复合材料、无机-有机纳米复合材料的制备等内容。
纳米粉体的合成
纳米粉体的制备方法大致分为物理和化学方法。
1．物理制备方法
(1) 传统粉碎法
传统粉碎法是用各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超微粉。此法由于具有成本低、产量高以及制备工艺简单易行等优点，在一些对粉体的纯度和粒度要求不太高的场合仍然适用。目前此法工业应用较多，尤其适用于制备脆性材料的超微粉。几种较为突出的超微粉碎机有：球磨机、高能球磨机、塔式粉碎机和气流磨等。1988年Shingu等人报道了用该法制备纳米晶材料，其原理是把软合金化的元素粉末混合，在高能球磨机中长时间运转，将回转机械能传递给金属粉末，并在冷态下反复挤压和破碎，使之成为弥散分布的超微粉。
(2) 惰性气体冷凝法制备纳米粉体
惰性气体冷凝法是制备清洁界面纳米粉体的主要方法之一，该方法是由德国Gleiter和美国Siegel等人发展起来的。该方法主要是将装有待蒸发物质的容器抽至10-6 Pa高真空后，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原子，随惰性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮下、收集，即得到纳米粉体。用此粉体最后在较高压力下(1GPa～5Gpa)压实，即得到固体纳米材料。一般可获得大于70％～90％理论密度的固体材料。如果采用多个蒸发源，可同时得到复合粉体或化合物粉体。颗粒尺寸可以通过蒸发速率和凝聚气的压力来进行调控。
其他方法如电子束蒸发法、激光剥离法、DC或RF溅射法等，这些方法主要用来制备纳米薄膜，也被用来生产纳米金属和陶瓷。
2．化学制备方法
(1) 湿化学法制备纳米粉体
湿化学法较简单，易于规模生产，特别适合于制备纳米氧化物粉体。主要有沉淀法、
水热法、乳浊液法等。以氧化锆为例，在含有可溶性阴离子的盐溶液中，通过加入适当的沉淀剂(OH-、CO3-、C2H42-、SO42-)使之形成不溶性的沉淀，经过多次洗涤，再将沉淀物进行热分解，即可获得氧化物纳米粉体。但此法往往易得到硬团聚体，会对以后的制备工艺特别是致密烧结带来困难。研究表明，可通过控制沉淀中反应物的浓度、pH值以及冷冻干燥技术来避免形成硬团聚，以获得颗粒分布范围窄、大小为15nm～25nm的超细纳米粉。这里我们只对几种比较典型的方法进行说明。
纳米材料制备方法分类
纳米材料
类别
物理法
化学法
综合法
纳米粉体
惰性气体沉积法
蒸发法
激光溅射法
真空蒸镀法
等离子蒸发法
球磨法
爆炸法
喷雾法
溶剂挥发法
沉淀法
化学气相凝聚（CVC）法
水热法
相转移法
溶胶-凝胶法
辐射化学合成法
纳米膜材料
惰性气体蒸发法
高速粒子沉积法
激光溅射法
溶胶-凝胶法
电沉积法
还原法
超声沉淀法
纳米晶体和
纳米块
球磨法
原位加压法
固相淬火法
非晶晶化法
激光化学反应法
无机-有机杂
化纳米材料
共混法
原位聚合法
插层法
辐射化学反应法
纳米高分子
材料
天然高分子法液中
干燥法
乳液法
超微乳液法
悬浮法
纳米微囊
超声分散法
注入法
薄膜分散法
冷冻干燥法
逆向蒸发法
高分子包覆法
乳液法
高分子包覆-超声
分散法
注入-超声分散法
纳米组装材料
纳米结构自组织合成
纳米结构分子自组织合成
模板法合成
溶胶-凝胶法
化学气相沉积法
电化学沉积法
纳米材料诱人的应用前景使人们对这一崭新的材料科学领域和全新研究对象努力探索，扩大其应用范围，使它为人类带来更多的利益。 如有疑问你可以在百度搜一搜OK
在2002年7月份，曾在几年前宣布摩尔定律死刑的这一定律的创始人戈登·摩尔接受了记者的采访。不同的是，这次他表现得很乐观，他表示：“芯片上晶体管数量每18个月增加二倍的速度虽然目前呈下降趋势，但随着纳米技术的发展，未来摩尔定律依然会继续生效。”
看来，摩尔本人也把希望寄托在了纳米技术上。下面就让我们来看看纳米技术怎样制造纳米芯片。
20世纪可以说是半导体的世纪，也可以说是微电子的世纪，微电子技术是指在半导体单晶材料(目前主要是硅单晶)薄片上，利用微米和亚微米精细结构技术，研制由成千上万个晶体管和电子元件构成的微缩电子电路(称为芯片)，并由不同功能的芯片组装成各种微电子仪器、仪表和计算机。芯片也可以看做是集成电路块。
集成电路块由小规模向大规模发展的历程，可以看做是一个不断向微型化发展的过程。20世纪50年代末发展起来的小规模集成电路，它的集成度(一个芯片包含的元件数)为10个元件；20世纪60年代发展成中规模集成电路，集成度为1000个元件；20世纪70年代又发展了大规模集成电路，集成度达到10万个元件；20世纪肋年代更发展了特大规模集成电路，集成度超过100万个元件。就在1988年，美国国际商用机器公司(1BM)已研制成功存储容量达64兆的动态随机存储器，集成电路的条宽只有0 .35微米。
目前实验室研制的新产品为0?25微米，并向0?1微米进军。到2001年已降到0?1微米，即100纳米。这将成为电子技术史上的第四次重大突破。今天，芯片的集成度已进一步提高到1000万个元件。如果芯片的技术再往上攀一层，集成电路的条宽再缩小，将会出现一系列物理效应，从而限制了微电子技术的发展。
科学家为了冲破这个阻碍，为了解决这个困难，已经提出纳米电子学的概念。这一现象说明了：随着集成电路集成度的提高，芯片中条宽越来越小，因此对制作集成电路的单晶硅材料的质量要求越来越高，哪怕是一粒灰尘也可能毁掉一个甚至几个晶体管，这也是为什么摩尔本人几年前宣判摩尔定律“死刑”的原因。
据有关专家预测，在21世纪，人类将开发出微处理芯片与活细胞相结合的电脑。这种电脑的核心元件就是纳米芯片。芯片是电脑的关键器件。同时也是生命科学和材料科学的发展核心内容，科学家们正在开发生物芯片，包括蛋白质芯片及DNA芯片。
所谓的蛋白质芯片，就是用蛋白质分子等生物材料，通过特殊的工艺制备成超薄膜组织的积层结构。例如把蛋白质制备成适当浓度的液体，使之在水面展开成单分子层膜，再将其放在石英层上，以同样方法再制备一层有机薄膜，即可得到80～480纳米厚的生物薄膜。这种薄膜由两种有机物薄膜组成。当一种薄膜受紫外光照射时，电阻上升约40％左右，而用可见光照射时，又恢复原状。而另一种薄膜则不受可见光影响，但它受到紫外光照射时，电阻便减少6％左右。
据了解，日本三菱电机公司把两种生物材料组合在一起，制成了可以光控的新型开关器件。并且这种器件深受人们的喜爱。这种薄膜为进一步开发生物电子元件奠定了实验基础，并为以后的发展创造了良好的条件。
这种蛋白质芯片，体积小、元件密度高，据测每平方厘米，可达1015～1016个，比硅芯片集成电路高上万倍，表明这种芯片制成的装置其运行速度要比目前的集成电路快得多。
由于这种芯片是由蛋白质分子组成的，在一定程度上具有自我修复能力，即成为一部活体机器，因此可以直接与生物体结合，如与大脑、神经系统有机地连接起来，可以扩展脑的延伸。
有人设想，将蛋白质芯片植入大脑，将会出现奇迹。那么如果视觉先天缺陷或后天损伤是否可以得到修复，使之重现光明呢？
虽然目前生产与装配上述分子元件还处于探索阶段，而且天然蛋白质等生物材料不能直接成为分子元件，必须在分子水平上进行加工处理，但这种生物芯片的前途是光明的，它将会给人类带来一份厚重的礼物。世界上一些大公司，如日立、夏普等都看好生物芯片的前景，十分重视这项研究工作。
人的大脑约有140亿个神经细胞，掌管支配着思维、感觉及全身的活动。虽然电脑已面世多年；但其精细程度和人脑相比，仍然差一大截。
为了使电脑早日具有人脑的功能和效率，科学家近年致力研究开发人工智能电脑，并已取得不少进展。人工智能电脑是以生物芯片为基础的。生物芯片有多种，血红蛋白集成电路就是新型的生物芯片之一。
美国生物化学家詹姆士·麦克阿瑟，首先构想把生物技术与电子技术结合起来。他根据电脑的二进制工作原理，发现血红蛋白也具有类似“开”和“关”的双稳态特性。比如当改变血红蛋白携带的电荷时，它会出现上述两种变化，这就有可能利用生物的血红蛋白构成像硅电子电路那样的逻辑电路。麦克阿瑟利用生物工程的重组DNA技术，制成了血红蛋白“生物集成电路”，使研制“人造脑袋”取得了突破性进展。从这次事件以后，生物集成电路的研究便逐步展开。
美国科学家在硅晶片上重组活细胞组织获得成功。它具有硅晶片的强度，又有生物分子活细胞那样的灵活和智能。德国科学家所研制成的聚赖氨酸立体生物晶片，在1立方毫米晶片上可含100亿个数据点，运算速度更达到10皮秒(一千亿分之一秒)，比现有的电脑都要快近100万倍。
DNA芯片又称基因芯片，DNA是人类的生命遗传物质脱氧核糖核酸的简称。因为DNA分子链是以ATGC(A-T、G-C)为配对原则的，它采用的是叫做“在位组合合成化学”和微电子芯片的光刻技术或者用其他方法，将大量特定顺序的·DNA片段，有序地固化在玻璃或者硅片上，从而构成储存有大量生命信息的DNA芯片。
DNA芯片，是近年来在高新科技领域出现的具有时代特征的重大技术创新，它孕育着一个极为广阔的前景。
每一个DNA就是一个微处理器。DNA的存储量是很大的，每克DNA可以储存上亿个光盘的信息。并且DNA计算速度是超高速的，理论上计算，它的运算速度每小时可达1015次数，是硅芯片运算速度的1000倍。不过，目前的主要难点是解决DNA的数据输出问题。
DNA芯片有可能将人类的全部约8万个基因集约化地固定在1平方厘米的芯片上。在与待测样品的DNA配对后，DNA芯片即可检测出大量相应的生命信息。例如寻找基因与癌症、常见病、传染病和遗传疾病的关系，进一步研究相应药物。
目前已知有6000多种遗传病与基因相关，还有些是环境对人体的影响，例如花粉过敏和对环境污染的反应等都与基因有关。据了解，到目前为止，已有200多个与环境影响相关的基因，这些基因的全面监测，对生态、环境控制及人类健康均有重要意义。
DNA芯片技术既是人类基因组研究的重要应用课题，又是功能基因研究的崭新手段。例如单核苷酸的多态性，是一个非常重要的生命现象，科学家认为，人体的多样性和个性取决于基因的差异，正是这种单核苷酸多态性的表现，如人的体形、长相与500多个基因相关。通过DNA芯片，原则上可以断定人的特征，甚至脸形、长相、外貌特点，生长发育差异等。
“芯片巨人”英特尔公司于2000年12月公布，英特尔公司用最新纳米技术研制成功30纳米晶体管芯片。新型芯片的运算速度已达到目前运算速度最快芯片的7倍。它能在子d飞行30厘米的时间内运算2000万次，或在子d飞行25毫米的时间内运算200万次。
晶体管门是计算机芯片进行运算的开关，新芯片是以3个原子厚度的晶体管“门”为基础，比目前计算机使用的180纳米晶体管薄很多。要制造这种芯片的障碍就要控制它产生的热量。因为芯片的运行速度越快，产生的热量就越多。过多的热量会使制造计算机芯片所用的材料受到损坏。英特尔公司经过了长期的研究，解决了这一问题。这种原子级晶体管是用新的化学合成物制成的，这种新材料可以使芯片在运行时温度不会过高。这种芯片的出现将为研制模拟以人的方式，这就可以为和人进行交流的电脑创造也优越的条件。英特尔公司说，他们开发出的这种迄今世界上最小最快的晶体管，厚度仅为30纳米。英特尔公司称，用这种新处理器制造的产品投放到市场，这就将为芯片行业的发展打开了另一道黄金之门。
英特尔公司的一位工程师说：“30纳米晶体管的研制成功使我们对硅的物理极限有了新看法。硅也许还可以使用15年，此后会有什么材料取代硅，这将是难以预测的事情。”他又说：“更小的晶体管意味着更快的速度，而运行速度更快的晶体管是构筑高速电脑芯片的核心模块，电脑芯片则是电脑的‘大脑’。”英特尔公司预测，利用30纳米晶体管设计出的电脑芯片可以使“万能翻译器”成为现实。比如说英语的人到中国旅游，通过随身携带的翻译器，可以将英语实时翻译成中文，在机场、旅馆或商店不会有语言障碍。
在安全设施方面，这种芯片可以使警报系统识别人的面孔。此外，将来用几千元人民币就可以买一台高速台式电脑，其运算能力可以跟现在价值上千万元的大型主机媲美，慢慢地将会渗透到我们的生活中。
单位面积上晶体管的个数是电脑芯片集成度的标志，晶体管数量越多，说明集成度越高，随之处理速度就越快。30纳米晶体管将开始出现在用0?07微米技术产品上，目前英特尔公司使用的是0?18微米技术，而1993年的“奔腾”处理器使用的是0?35微米技术。在芯片上“刻画”电路，0?07微米技术用的是超紫外线光刻技术，这将比2001年最先进的深紫外线光刻技术更为先进。如果在纸上画线，深紫外线光刻使用的是钝铅笔，而超紫外线光刻使用的是削尖了的铅笔。
晶体管越来越小的好处主要有两方面：一是可以用较低的成本提高现有产品性能；二是工程师可以设计原来不可能的新产品。
这两个好处正是推动半导体技术发展前进的动力，因为企业提高了利润，就有可能在研发上投入更多。
看来，纳米技术的确可以延长摩尔定律的寿命，这也正是摩尔本人和众多技术人员把目光放到纳米技术之上的原因所在。希望在不久的将来，这一高技术将在人间问世。
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