微观世界开始“可观”了——浅谈纳米技术以及宏观微观的概念 [复制链接]

第11版(科技园地)
专栏：科学杂谈

　　微观世界开始“可观”了
　　——浅谈纳米技术以及宏观微观的概念
　　石枫
近些年来，宏观、微观的名词用得广泛了，应当说是人们科学意识增强的表现。这两个名词是从物理学引来的，在社会范畴的使用大家都熟悉了，那末物理学上所谓宏观、微观是怎么一回事呢？
近代科学不仅在科学理论上而且用实验证明了原子、分子的存在，还发现了电子、质子、中子和其他基本粒子。但是，谁也没有直接看到过原子和分子。所谓微观世界其实是不“可观”的。直到本世纪８０年代初，扫描隧道显微镜的发明才使人们能直接观察原子和分子。　　　
按物理学的定义，宏观物体是指不必考虑它的原子结构而且尺寸大到肉眼能够看到的物体，而微观世界则不能不考虑各个原子核、电子、基本粒子之间的相互作用，当然是肉眼看不见的。微观与宏观大不相同。所谓微观粒子的行为，既表现为粒子，又表现为波（这叫“二象性”），而且微观世界的物质和能量不能任意分割，只能以“量子”为单位交换和转移，适用于宏观世界的经典物理的规律，对微观世界不再适用。
物理学上宏观与微观的区分，按尺度说大致以１０的负９次幂米为界。大家知道，１米的千分之一（１０的负３次幂米）叫毫米，１毫米的千分之一（１０的负６次幂米）叫微米，那末一微米的千分之一（１０的负９次幂米），即１０亿分之一米，就到了宏观世界与微观世界的交界了，它叫“纳米”。打个比方，假如把比例尺放大１万倍，１米就比珠穆朗玛峰还高，而１微米还不到一个指头宽，至于１纳米仍然看不见。　　　　
　　　　　
随着科学技术的进步，人们从射电望远镜看到宇宙的范围越来越大，超过了１００亿光年。与此同时，用显微镜可以看到越来越小的物体。８０年代初扫描隧道显微镜的发明是一大突破，获得了１９８６年诺贝尔物理学奖。它的水平分辨能力达到０．１纳米，高度分辨能力更在０．０１纳米以下。这就直接看到了分子和原子。图１是硫化钼晶体中两种原子的照片。到１９９０年又发明了在扫描隧道显微镜下直接排布原子和分子的方法。美国的ＩＢＭ研究实验室能用２８个一氧化碳分子在铂表面排布成一个小人（见图２），到１９９１年就能在镍表面快速地拾起和放下一个氙原子。这就创立了所谓“纳米科学技术”。　　　　
现代科学技术发展迅速，纳米科技已经有了明确的实用前景。掌握了按需要排布单个原子能力，显然可以制作高密度的数据储存器件，其储存密度将比目前的磁盘高１亿倍。上述随意拾起和放下一个原子的方法将导致单原子构成的开关器件。还有纳米刻蚀技术，图３就是中国科学院化学研究所用自己研制的扫描隧道显微镜在石墨表面刻出的“中国”二字，笔画宽约１０纳米。目前制造超大规模集成电路的技术，最细刻线是几分之一微米，即几百纳米。而在纳米技术实用化以后，将能在一张邮票大小的衬底上记下４００万页报纸刊登的内容。这将是信息技术新一轮的革命。　　　
我们说宏观、微观这两个术语在社会生活范围使用得越来越多是人们科技意识增强的表现，这是好事，但也带来一些误解。社会意义上使用的宏观、微观，当然不能等同于物理上的概念，社会领域至少不存在看不见的微观事物。物理学上讲的微观现象，大小在１０亿分之一米，宏观与微观区分了物质世界两个大的层次，而从社会意义上说也应当用来区分大的层次，例如，１０亿元的投放与１元钱的买卖。如果使用时把同一层次内局部和整体的关系叫做“微观”与“宏观”，在这个基础上再强调“微观搞活”，恐怕就会从认识上导致宏观失控。（附图片）
一、硫化钼的原子排列
　　二、分子排布的小人
　　三、纳米尺度上的“中国”