La historia del desarrollo de la nanociencia
La escala máxima del mundo material que los humanos pueden estudiar ahora es de aproximadamente 65.438+ mil millones de años luz, que es el rango aproximado del universo que observamos. La escala más pequeña del mundo físico estudiada por los humanos es de aproximadamente 0,1 milla.
El llamado "nano" en nanotecnología se expresa como m en la unidad internacional y nm en el símbolo. En términos de átomos en física, el diámetro de un átomo es de 0,1 a 0,3 nm.
La nanotecnología se refiere a la ciencia y tecnología interdisciplinaria que estudia las propiedades e interacciones de átomos, moléculas y otras sustancias a escala nanométrica (entre 1 nanómetro y 100 nanómetros) y utiliza estas propiedades. Cuando el tamaño de la materia es tan pequeño como 1-100 nm, sus efectos cuánticos, su localización y sus enormes efectos de superficie y de interfaz provocan cambios cualitativos en muchas propiedades de la materia, presentando muchas propiedades que son diferentes de las de los objetos macroscópicos y de los elementos individuales aislados. Extraño fenómeno. El objetivo final de la nanotecnología es producir productos con funciones específicas directamente a partir de las nuevas propiedades físicas, químicas y biológicas de átomos, moléculas y sustancias a nanoescala.
En cuanto al origen de la nanotecnología, el famoso físico y premio Nobel Richard Feynman fue el primero en plantear cuestiones científicas y tecnológicas a escala nanométrica. En un famoso discurso de 1959, propuso que si los humanos pudiéramos procesar materiales y preparar dispositivos a escala atómica y molecular, tendríamos muchos descubrimientos nuevos e interesantes. Señala que necesitamos nuevos instrumentos miniaturizados para manipular nanoestructuras y determinar sus propiedades. La química se convertirá entonces en una cuestión de colocar los átomos uno por uno exactamente como uno desee. En 1974, Taniguchi utilizó por primera vez el término nanotecnología para describir el procesamiento fino. A finales de la década de 1970, el profesor Drexler del MIT defendió la investigación en nanotecnología, pero la mayoría de los científicos de la época se mostraron escépticos. ②
Aunque los principales científicos de la época no eran muy optimistas acerca de la nanotecnología, siempre se mostraron escépticos. Sin embargo, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la nanotecnología aparece gradualmente ante los científicos como el hibisco.
En la década de 1970, los científicos comenzaron a proponer ideas sobre la nanotecnología desde diferentes ángulos. Los científicos querían utilizar la nanotecnología para producir materiales químicos y biológicos que no se podían completar en ese momento, pero muchos científicos todavía tenían opiniones negativas. Piensan que la nanotecnología es sólo una tecnología que sólo puede imaginarse pero no puede realizarse. No fue hasta 1974 que el científico Donny Gucci utilizó por primera vez el término nanotecnología para describir el mecanizado de precisión. Desde entonces, la nanotecnología ha sido gradualmente reconocida por la gente.
En 1982, los científicos inventaron el microscopio de efecto túnel, que es una herramienta importante para estudiar nanómetros. Esta importante herramienta da origen a un mundo de moléculas con longitudes de 0,1 a 100 nanómetros, con el objetivo final de construir productos con funciones específicas directamente a partir de átomos o moléculas. Esta importante herramienta ha desempeñado un papel positivo en la promoción del desarrollo de la nanotecnología.
En julio de 1990 se celebró en Baltimore, EE.UU., la primera Conferencia Internacional de Nanotecnología, que marcó el nacimiento oficial de la nanotecnología. En 1991, los humanos descubrieron los nanotubos de carbono. Su masa es un sexto del mismo volumen del acero, pero su resistencia es 10 veces mayor que la del acero. El descubrimiento de esta tecnología ha convertido la nanotecnología en un tema candente para los científicos. El profesor Smalley, ganador del Premio Nobel de Química, cree que los nanotubos de carbono serán la primera opción para obtener la mejor fibra en el futuro y también se utilizarán ampliamente en cables ultramicro, interruptores ultramicro y circuitos electrónicos a nanoescala. En 1997, los científicos estadounidenses utilizaron con éxito un solo electrón para mover un solo electrón por primera vez. Se espera que en 20 años se desarrollen computadoras cuánticas con velocidades y capacidades de almacenamiento miles de veces mayores. En 1999, científicos brasileños y estadounidenses inventaron la "báscula" más pequeña del mundo mientras experimentaban con nanotubos de carbono, que podían pesar una milmillonésima de gramo de un objeto, equivalente al peso de un virus. Poco después, los científicos alemanes desarrollaron una báscula que; puede pesar átomos individuales, batiendo un récord establecido conjuntamente por científicos estadounidenses y brasileños.
③En 1999, la nanotecnología entró gradualmente en el mercado y la facturación anual de nanoproductos alcanzó los 50 mil millones de dólares estadounidenses. En los últimos años, algunos países han formulado estrategias o planes relevantes y han invertido mucho en aprovechar el terreno estratégico de la nanotecnología. Japón ha establecido un centro de investigación de nanomateriales y ha incorporado la nanotecnología al enfoque de investigación y desarrollo de su nuevo plan básico quinquenal de ciencia y tecnología; Alemania ha establecido una red de investigación de nanotecnología y Estados Unidos considera la nanotecnología como el núcleo de la próxima industria; revolución. La inversión del gobierno de Estados Unidos en investigación básica sobre nanotecnología aumentó de 65.438+160.000 dólares en 1997 a 497 millones de dólares en 2006, y la inversión también ha mantenido un crecimiento sustancial en los últimos años.
En resumen, el rápido desarrollo de la nanotecnología se produjo a finales de los años 1980 y principios de los 1990. A principios de la década de 1980, Feynman inventó algunos instrumentos importantes para la investigación en nanotecnología, como el microscopio de efecto túnel (STM), el microscopio de fuerza atómica (AFM) y otras tecnologías de manipulación y caracterización microscópica, que desempeñaron un papel muy activo en la promoción del desarrollo de la nanotecnología. efecto.
En la actualidad, la nanotecnología se ha convertido en una ciencia relativamente común en las ciencias humanas, pero el desarrollo de la nanotecnología apenas ha comenzado. En el futuro, la nanotecnología traerá muchos beneficios inesperados a la humanidad.
Según los materiales proporcionados por el Proud Research Institute de Japón, una predicción de Zabakers, una empresa de riesgo estadounidense conocida por su investigación sobre maquinaria molecular, cree que el desarrollo de la nanotecnología puede pasar por las siguientes cinco etapas:
En la primera etapa, el desarrollo se centra en el control preciso de materiales nanoestructurados con números atómicos inferiores a 100. Esto requiere el uso de técnicas de diseño y fabricación por computadora, así como equipos de fábrica existentes y electrónica de ultraprecisión. El tamaño actual del mercado es de aproximadamente 500 millones de dólares.
La segunda etapa es la producción de materiales nanoestructurados. En esta etapa, la fabricación de materiales nanoestructurados y nanocompuestos alcanzará niveles prácticos. Entre ellos, los nanomateriales orgánicos hechos de carbonato de calcio orgánico serán 3.000 veces más fuertes que los materiales monocristalinos inorgánicos. El tamaño del mercado en esta etapa oscila entre 5 mil millones y 20 mil millones de dólares.
En la tercera fase será posible producir grandes cantidades de sustancias nanoestructuradas complejas. Esto requiere sistemas avanzados de diseño/fabricación por computadora, tecnología de diseño de objetivos, tecnología de simulación por computadora y tecnología de ensamblaje. El tamaño del mercado en esta etapa puede alcanzar entre 654,38+000 mil millones y 6543,8+000 mil millones de dólares estadounidenses.
En la cuarta fase se implementarán nanocomputadoras. El tamaño del mercado en esta etapa alcanzará entre 200 mil millones y 1 billón de dólares estadounidenses.
En la quinta fase, los científicos desarrollarán componentes y dispositivos que permitan que las fuentes y procesos de energía sean autónomos, cuyo tamaño de mercado alcanzará los 6 billones de dólares.
Zebex cree que aunque el momento de llegada de cada etapa de la nanotecnología es muy incierto y difícil de predecir con precisión, es probable que la nanotecnología se desarrolle hasta la tercera etapa antes de 2010, y que las tecnologías que superen la "barrera del efecto cuántico" alcanzará el nivel práctico. ④
Creo que la nanotecnología traerá enormes beneficios a la humanidad en el futuro cercano. Es otro punto de interés científico y tecnológico perseguido por los países poderosos del mundo después de las computadoras y la tecnología genética. Porque el principal encanto de la nanotecnología reside en su capacidad de redefinir casi todas las altas tecnologías actuales de la humanidad. Con el lanzamiento gradual de la nanotecnología, la alta tecnología alienígena descrita en muchas novelas de ciencia ficción se ha vuelto extremadamente posible para la gente de la Tierra.
① Extraído de: Fundamentos de Física de Nanomateriales, Chemical Industry Press.
②Extraído de: Nanomateriales Electroquímica G. Holtz Science Press.
③Extraído de: Nanobiotecnología: conceptos, aplicaciones y perspectivas C.M. Nemeyer, Chad A.Mirkin, Ma Guanghui, Su Zhiguo Chemical Industry Press.
④Extraído de: Centro de Información de la Asociación China para la Ciencia y la Tecnología.