2.纳米科技概念的提出和发展
前面我讲了纳米科技的定义，以及它的意义，下面我简单回顾一下纳米概念的提出和发展。
最早提出纳米尺度上的科学和技术问题的是一个美国著名的科学家叫作彼得曼。他也是诺贝尔奖获得者，搞物理的。1959年他在美国加州理工学院作了一个很著名的演讲中提出：“如果人类能够在原子、分子的尺度上来加工材料、制备装置，我们将有许多激动人心的新发现。我们需要新型的微型化仪器来操纵纳米结构并测定其性能。那时，化学将变成根据人们的意愿逐个地准确放置原子的问题。”我们现在高中都学化学，化学都有化学反应，你们在做化学实验中，会在化学试剂当中滴入PH值等染色剂，搅拌一下看它变了颜色没有，但你看不到原子、分子，有化学反应要写出化学方程式。化学能够根据我们的意愿，把两个原子放在一起组成一个新的分子，这个时候会给我们带来什么。他讲在2000年，人们在回顾历史的时候，他们会不会因为直到1959年才有人知道能用原子、分子可以来制造机器而感到惊讶，2000年刚刚告别我们，我们进入2001年，到了一个新世纪，我们现在也想用原子、分子来制造机器，我们做了些努力，但还远远没有达到这一点。但只有能直接用原子、分子制造机器了，这正是纳米科技发展的最终目的。
1974年，Taniguchi最早使用纳米技术(Nanotechnology)一词描述精细机械加工。但他用这一词汇时概念很窄，精度还很不够，他希望用纳米这个词来描绘精细机械加工。70年代后期、麻省理工学院德雷克斯勒教授提倡纳米科技的研究，并于1979年他在斯坦福大学建立了第一个纳米科技的研究小组，但当时多数主流科学家对此持怀疑态度。认为纳米太悬了，那么小，看不到，摸不着，为什么大家会不相信呢？原因是什么呢？关键是那时的观测工具不具备，就是对原子、分子的尺度还不太了解。当初，在原子分子诞生之初，大家都知道物质世界是由原子、分子组成的，有元素周期表，但是人家问你，你看到原子、分子了没有，那你看不到怎么在原子、分子上观察操纵原子、分子的梦想呢？你要让我们相信世界是由原子、分子构成的，那你就要让我看到原子、分子，要是看不到怎么研究呢？
纳米科技的迅速发展是在80年代末、90年代初。很大的原因在于80年代初发明了一个新的工具，就是纳米科技研究的重要仪器--扫描隧道显微镜(SM)、原子力显微镜(AFM)这些都是微观表征和操纵技术，它们对纳米科技的发展起到了非常积极促进的作用。这个扫描探测显微技术包括SPM、AFM，他们是纳米技术的“眼睛”和“手”。
所谓“眼睛”就是用这些新的观测手段我可以直接地观察到原子、分子以及研究它们的相互作用和有关特性。所谓“手”就是这个技术不仅仅是可观察原子，还可操作单个的原子，构造纳米的结构，提供了一个非常微小实验室。扫描隧道显微镜的发展极大地促进了纳米技术的成熟。这是显微镜原理示意图（见屏幕图），这是一个针尖，下面是量子的表面，量子表面是由原子和原子核组成，这个针尖与量子表面的距离要调得小于1个纳米，这个时候针尖和量子之间会产生隧道电流即量子效应。这个隧道电流就是说，针尖和量子表面还有一段绝缘层，它不接触，按宏观理论讲，它不导电，但这个绝缘层非常小，小于1个纳米的时候，电子就会通过针尖，穿过绝缘层，穿到表面，这就属于隧道效应，大家会看到绝缘层在动，实际上没有动，是电子波形使然。针尖和量子层之间小于1个纳米时会产生隧道电流，这隧道电流与针尖和量子之间距离是非常有关系的，针尖和量子层每增加0.1个纳米，电流就减少一个数量级，针尖和量子层之间减少0.1纳米，隧道电流就会增加一个数量级。所以，我们就通过控制针尖和量子层之间产生的隧道电流永远恒定不变，即控制针尖在扫描时针尖与量子表面的距离永远不变，针尖就随着表面的起伏而起伏，如果我们把针尖与量子表面之间的距离调整变了，针尖随着表面起伏而起伏，通过扫描，我们就可以记录表面原子层。这样经过三个扫描就可以得到表面原子，这个道理很简单，但做起来却不容易。首先针尖和表面的距离要小于1个纳米，我刚才也讲了1个纳米是万分之一毫米的距离，也是一根头发丝的十万分之一，这么小是距离你根本看不见，你怎么调它避免针尖和它不撞上这是第一个，第二个是你要从针尖看到表面的原子，量子与针尖的距离很小，如果针尖宽度很大，不尖你们不能看到表面原子。第三个是针尖扫描的时候，针尖与针尖之间距离的要还应稳定性至少要优于0.001个纳米，如果针尖的稳定性不优于0.001个纳米，你就不可能测定出0.001个纳米的数量级。但是你要优于这么高的基数之间还要扫描，精度还要控制住稳定，你想如何控制。地面哪怕几个微米的震动都不行，更不用说外面的噪音，所以要做到有效的屏蔽外界的噪音。即使这么不容易，SPM隧道扫描镜还是克服了这些技术难题。
这个图就是用我们自己做的扫描镜来观察到的表面原子，这是硅子的表面原子图（见屏幕图），硅的表面这是起的一个个亮包就是硅原子，没有鼓起的地方就没有原子。所以你看到原子的一粒粒排列，你就知道是怎么样的。
刚才看到的是原子，这是分子，是有机分子碳氢的分子图，由四个空心环构成一个棒。还有一个呢，一个原子，如果它的表面上（吸）（漆）过了，但它表面上并不是很稳定，尤其在室温下，它表面在不停的动，但不管这个原子怎么动，你是看不到的，它动作的非常快。如果用上原子扫描镜就能观察到原子的运动，怎么观察呢，我连续采集三张图，把这三张图就象放动画一样放出来，通过比较三张图上原子的不同位置就可观察到原子的运动，这个图的扫描范围就是铂在室温下的运动，每一个亮点就是一个原子，原子表面的运动范围的10-15个纳米之间，采集一张图是13秒钟，所以一般你不仅要观察原子，还要观察原子的运动。一般还可以操纵原子，这是美国科学家把一个原子一个个针尖移到一个位置，再把一个原子移到一个位置，一个一个的排，排成这么个形状，就像一个足球场一样，这里边是电子波。在实验中你看不到波也看不到它的形状，实际上这个波，你还可以操纵它，还可以刻写，就像我们用钢笔、铅笔写字一样，铅笔字在纸上留下一个黑印就是铅笔芯里面的石墨没了留下了大量的原子就吸在纸上了，如果笔尖很细，写出来的字就很小，这是刻写的“离离原上草，一岁一枯荣，野火烧不尽，春风吹又生”，这是世界上最小的唐诗一个字大概一个微米，这些字你永远看不见，得用显微镜来看。所以说扫描隧道显微镜是对纳米科技研究非常重要的一个工具。1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩与第五届国际扫描隧道显微学会议同时举办，《纳米技术》与，《纳米生物学》这两种国际性期刊也相继问世。一门崭新的科学技术--纳米科技从此得到科技界的广泛关注，第一届纳米科技会议在美国的巴尔的摩举行。1993年在莫斯科召开了第二届纳米科技会议，第三届是94年在美国丹佛尔举行。第四届96年在北京举行，第五届98年在英国伦敦伯明翰举行。第六届2000年在波士顿举行。开了六届纳米国际会议。
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