关键词：纳米材料；生物安全；应用
中图分类号：G301文献标志码：A文章编号：1674-9324（2012）09-0082-02
一、什么是纳米材料
纳米材料是处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称，根据物理形态划分，纳米材料大致可分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应等，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。1984年，德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议上，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。
二、纳米材料生物安全性问题的提出
进入21世纪以来，纳米科技发展迅猛，大规模生产的各种人造纳米材料已经在生活消费品和工业产品中广泛使用。据统计，纳米材料已经应用在近千种消费类产品中，来提高原有的功能或获得崭新的新功能，包括化妆品、食品、服装、生活日用品、医药产品等领域。然而，近年来的研究发现，由于小尺寸效应、量子效应和巨大比表面积等，纳米材料具有很强的“双刃剑”特性，即在提高原有材料功能同时也存在巨大的安全风险。例如，美国科学家让一组小鼠生活在含20纳米特氟隆颗粒的空气里，结果小鼠在4小时内全部死亡；而另一组生活在含120纳米特氟隆颗粒的空气里的小鼠，却安然无恙。仅仅尺寸改变，竟导致如此巨大的生物毒性变化。美国科学家还发现纳米颗粒可通过胎盘屏障由母体进入到胎儿体；碳纳米颗粒可经嗅觉神经直接进入动物脑部；一些人造纳米颗粒在很小剂量下也容易引起器官炎症，或导致大脑损伤，使机体产生氧化应急，随纳米尺寸减小生物毒性有增大的趋势。研究还发现，纳米颗粒非常容易进入细胞，它们对细胞的结构和功能产生什么影响？一些人工纳米结构具有自组装能力，它们在生物体内的不同微环境里，会自组装成不同的可蔓延生长的特殊结构，这些结构对生物大分子的结构和功能将产生什么影响？它们是否会干扰生命过程的正常进行？
三、纳米材料的生物安全性成为科学前沿问题
2005年12月，美国政府以世界“经济合作发展组织（OECD）”的名义，召集世界各国政府，在美国首都华盛顿召开了“人造纳米材料的安全性问题”圆桌会议，讨论如何采取措施，保障“人造纳米材料的安全性问题”。纳米安全性问题之所以引起各国政府和科学界的如此重视，是因为纳米材料的应用事关人体健康和安全，而“健康和安全”永远是国家的重大需求。纳米科技事关国家前沿科技的发展，美国国务院代表在华盛顿的“纳米安全会议”上说“保障纳米科技的健康可持续发展，是保持我们科技领先地位的国家战略”。纳米科技居于21世纪公认的前沿科技之首。因此，为纳米科技保驾护航，是国家层面的重要战略目标之一。同时，率先开展纳米材料的生物安全性研究，就有可能抢占先机，抓住在科学上取得重大突破的机遇：人造纳米结构或纳米颗粒与生命体相互作用过程是一个未知领域，存在许多新现象、新问题、新规律，无论对纳米科技的发展或者对理解生命过程本身都孕育着新的挑战和机遇。抢占先机，就意味着拥有取得重大突破的机会。
四、目前急需解决的难题
【关键词】纳米技术；纳米材料；纳米光电子器件；光通信
五十年前，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。材料科学在不断地向前发展，随之而来的光通信时代、量子时代带给人们的是更多的“不可思议”。预计纳米技术总的社会影响将大于硅集成电路，尤其在通信领域，它将使得光器件的体积微型化，功能大大提高，满足人类对信息的需求。
1、纳米科技为光通信带来的影响
纳米是一个微小的尺度单位，1纳米是十亿分之一米（10-9），大约是单个原子直径的4倍。纳米科技是指在原子分子层次上对物质精细的观测识别与控制的研究与应用，它将对于21世纪的信息科学、生命科学、分子生物学、新材料科学和生态系统可持续发展科学提供一个新的技术基础，这将引起一场产业革命，其深远的意义可与18世纪的工业革命相媲美，它涉及面十分广泛，包括物理学、化学、生物医学和材料等有关的领域。纳米科技中最具有生命力的、最代表纳米科技发展前途的、对未来新技术和产业可能带来革命性冲击的是未来的纳米器件。将来的纳米器件应该是高集成的、多功能的和智能化的。它应该将信息的探测（传感器）、运算（芯片）、传输（通信）和动作的执行诸功能集为一纳米结构。
纳米激光器的第一个重要应用很可能是芯片互联。过去，处理器速度一直是阻碍计算技术和电信技术发展的主要因素。但是，当处理器速度提高到一定程度时，互联就成了制约发展的因素。为此，半导体制造商采用铜互联取代了过去的铝互联。现在他们又在对光互联以及超低K值材料和碳纳米管进行实验。光互联能够提供足够的带宽，并能向最快的处理器提供数据。但是，考虑到尺寸和成本的因素，对于这种应用的激光器，要求将会非常苛刻。在板卡上可以采用VCSEL，同时使用保偏光纤也是降低成本的一种方法。在芯片中，激光器和波导都需要采用纳米技术制造。
另一个需要面对的难题是如何将光子和电子集成起来。这就促进了硅光子技术的发展。如果硅既可以用来处理光子，又可以用来处理电子，那么就可以将二者集成到一起。硅加工方面的深厚技术积累对推动光互联产品迅速进入市场将起到非常重要的作用。这一领域已引起最大的几家半导体公司的关注。英特尔已推出了硅调制器和激光器，最近IBM也宣布了一种在硅片上制作光路的方法。小公司同样不甘示弱，生产硅调制器的Luxtera就是其中的一个。
那么，纳米光子互联的市场到底有多大呢？这很难说。对于片上应用，激光器必须嵌入到芯片上，其价格将高于整个芯片的价格。但是一项针对板上应用的市场调查表明，纳米互联技术所带来的市场需求可能非常大。假设在一块板卡上有10个器件，如果要将这些器件互相连接在一起，那么就需要90个激光器来完成这项工作。目前每年售出的芯片板有上亿只，激光器的数量之大就不难想象了。与此同时，英特尔、摩托罗拉和IBM等公司认为网络发展中的下一个重大事件是光纳米传感器网络。但它距离商用还有待时日，因为纳米传感器的研发主要靠政府资助，目前已知应用仅限于国土安全和军事。
最后，纳米科技还可以帮助我们降低10Gbit/s和40Gbit/s网络的成本。随着FTTX的迅速发展，市场对低成本器件肯定会有需求。尽管一些新兴纳米光子公司在大谈降低现有网络技术的成本，但是纳米工程能否如他们所愿，就不得而知了。实际上，除非新技术具有无可比拟的绝对优势，否则设备制造商决不会在这上面冒风险。上述的量子点激光器就表明纳米科技并不总是集经济实用于一体的。
2、纳米技术在光通信中的应用
2.1应用于光通信中的纳米光电子器件
2.1.1整齐排列的交叉式纳米光缆线是一种“Y-形状”的氧化硅纳米光缆线，该纳米光缆线的直径为10nm，长度可达毫米级，线直而均匀并且是透明的，最重要的是该纳米光缆线在生长过程中自动由一根分叉成为两根，两根可以分叉成四根，依次继续分裂。
2.1.2纳米级导电纤维是一种仅有一个分子粗细的导电纤维，可谓世界上最细“电线”。它的直径仅3nm，中心部分具有良好导电性的丁二炔链，四周包覆着糖的衍生物，并作为绝缘层，防止漏电。
2.1.3纳米聚合体电子器件是一种将化学合成的纳米粒子和与其共扼的聚合体组合制成的二极管发光作用区，终于首次实现了具有应用价值的、转化效率达2%～3%的有机近红外发光二极管。
2.1.4新型纳米激光器提高电脑信息存储盆这种新型激光器实际上是以半导体硫化锅为原料制成的纳米线，直径仅为一万分之一毫米。研究人员将硫化锅纳米线安装在涂有硅材料的基底上，制成一个回路。
2.2纳米科技在光通信中的应用
2.2.1纳米激光器
纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。
2.2.2纳米光纤
将碳纳米管与聚乙烯醇（PVA）材料及水相混合，这样就使得聚乙烯醇材料能够将碳纳米管紧紧包裹住，从而将无数的单个碳纳米管捆绑在一起。这种最新材料的韧性比蛛死高4倍比用于制造防弹衣的凯夫拉尔纤维韧性强度高出了17倍。与同样重量的铁丝相比，新型纳米光纤材料的硬度是前者的2倍，韧性是前者的20。
2.2.3纳米光纤传感器
纳米光纤气体传感器的样机，的特点在于核心部件采用了体积小、重量轻的普通光纤和纳米光纤，耗电小、寿命长、不会中毒.除了一般条件下的用途外，适用于矿井井下的潮湿、强噪音、强振动、高粉尘的恶劣环境.该检测仪的适应性强，除了应用于瓦斯的检测外，简单改变发光二极管和光电检测管的工作波长，可以用于氢气、二氧化碳、一氧化碳、二氧化硫、水蒸气、硫化氢、氨气等多种用途。五十年前，硅材料的研制成功和硅晶体管的发明，导致了电子信息行业的一次大革命。材料科学在不断地向前发展，随之而来的光通信时代、量子时代带给人们的是更多的“不可思议”。预计纳米技术总的社会影响将大于硅集成电路，尤其在通信领域，它将使得光器件的体积微型化，功能大大提高，满足人类对信息的需求。
【参考文献】
[1]程开富.纳米电子/纳米光电子技术[J].飞通电子技术，2002（2）：76-80.
关键词：纳米；电子技术；现状；发展
进入第二十一世纪以来，专家们认识到，纳米技术将作为科学技术的领先优势，为纳米技术的深入研究，纳米电子技术可能带来革命性的突破，新技术的发展和应用。纳米电子元件的速率非常高，可用于高度集成的器件，且能耗低，具有一定的节能效果，现已广泛应用于信息技术领域，已成为信息技术产业的关键技术。目前，纳米电子技术的研究还不够深入，应用还不够，但纳米电子技术具有很强的应用潜力和较强的应用前景。目前，对纳米电子技术产品的研究主要包括纳米电子器件和纳米电子材料，这些产品不仅功能齐全，而且性能良好。
1纳米电子技术产生的概述
1.1纳米技术产生的背景
1.1.1微电子技术遇到挑战
20世纪有很多重大的发明，电子器件是其中对我们生活和工作最具有深远影响的发明之一。集成电路芯片的发展基木上遵循了摩尔定律，即每隔3年集成度增加4倍，特征尺寸缩小2倍微电子产业已沿着摩尔轨道运行了30余年。
21世纪微电子技术仍在快速发展，但是它遇到了严峻的挑战。随着电子元件尺寸的不断缩小，集成电路的集成度也要求越来越高，在未来若干年如何制造出具有更低功率消耗、更低成木、更小尺寸及更稳定更好性能的半导体芯片就成了摆在我们而前的当务之急。
1.1.2纳米电子技术的产生
为了能够产生较低的功耗，降低到木材，更小的尺寸和更稳定的半导体芯片的电子器件的性能更好的纳米器件和纳米电子技术应运而生。它解决了微电子技术的问题：纳米电子器件不仅是微电子器件的尺寸进一步减小，更重要的是他们的工作将取决于器件的量子特性，所以他们也被称为量子器件。它主要是通过对电子波相位的控制来实现一定的功能，因此，量子器件具有较高的响应速度和较低的功耗，将从根本上解决日益严重的功耗问题。
1.2纳米电子技术的定义
纳米电子技术是一种新的科学技术，作为现代物理学和先进工程技术相结合的产物，是基础研究和应用的产物，是纳米技术和电子技术的产物，其最终目的是实现人类可以根据自己的意志来进行单原子操纵，纳米电子产品包括纳米电子器件和电子材料。
2纳米电子技术的发展现状
2.1纳米电子材料的应用
目前大多数纳米材料包括：纳米硅薄膜、纳米硅材料以及纳米半导体材料。其中，纳米硅材料最具有技术优势，非常符合新世纪人类对电子技术的发展需求。硅电子材料的技术相较于其他材料的优势在于：
1.能耗低、准确可靠、运行时间较短、不易受外界的环境影响。
2.得益于科技的保证和不断地开发研究应用，使得其成本价钱有所降低。
3.由于其短距离的分子间距，使得硅电子材料在运行过程中，反应速度很快，这就从另一方面降低了材料能耗，提高工作效率。
2.2纳米电子元件的应用
纳米电子元件问世之前，电子元件经过了集成元件、超大规模集成元件两个发展历程，因此，纳米电子元件是在“两位前辈”的发展基础上开发出来的。
随着集成规模的不断扩大，电子元件的尺寸却要越做越小，要达到纳米尺寸的范围（0.1-100nm），例如刚刚面试的单电子晶体管，它的一个电子信号就代表了一位信息的数据，意思就是晶体管的尺寸要小到极致，从而颠覆了现代电子技术的高集成、高速度下，一定要高能耗的格局。
2.3纳米电子技术应用于现代科学
纳米电子技术的发展有助于细微部位的研究，而这些细微之处通过普通显微
镜是无法做到的，纳米电子技术的应用还能有助于纳米传感器的发明，通过纳米传感器可以观察到生化反应的各种不同的化学信息以及电化学信息。
纳米电子学作为新技术交叉口的生物医学和电子技术，具有极大的开发利用价值，其研究潜力是无限的。结合生物医学电子作为生物医学和电子的两大主题，在生物医学电子设备的集成和小型化方向的研究有很大的发展空间，本研究主要是基于微电子器件的发展，当器件的规模发展到原子或分子水平的大小，人们对于微小生物的研究将进入一个前所未有的新阶段。
3纳米电子技术的未来展望
3.1新型电子元器件
电子元器件技术将会在未来10至20年飞速发展，而市场对新型的电子元器件在不断提出要求，电子元器件技术将需要不断适应市场的要求，走向实用性。单电子器件、共振隧穿电子器件、纳米场效应晶体管、纳米尺度MOS器件、分子电子器件、自旋量子器件、单原子开关等新型信息器件的研究将不断取得突破，促使纳米电子技术向着延续、扩展摩尔定律和超越CMOS的方向发展，大规模纳米集成电路将初步实现，对数据存储和计算机发展等产生重大影响。
3.2石墨烯
石墨烯是质地坚硬且非常薄的一种纳米材料，它在常温下传递电子的速度，比一般导体都快。正是由于它具有这样的特点，对石墨烯的研究与开发更具意义。大家都知道，电子和原子碰撞会产生能量，这就是一般的导体释放能量的方式。但同时我们可以看到，这样释放能量的方式也是能量的浪费。可石墨烯不同于一般的导体，它具有异常的特性，使得能量不会在碰撞中耗损。据专家预计，2022年左右将研制成功性能优异的石墨烯材料和晶体管，并解决其互连和集成等技术问题；2030年左右可研制成功石墨烯系统芯片，并形成规模化生产。这将使碳基COMS取代长期占据集成电路主导地位的硅基CMOS，引发集成电路领域发生革命性的变化。
3.3碳纳米管
碳纳米管是一种一维的纳米材料，整体重量轻和完美的六边形构成是它的特点，由于它具有这样的特点也导致了它异于一般导体优势：良好的力学性能（金刚石的强度却又有极大的柔韧度）；良好的导电性能；良好的传热性能；良好的光学性能和储氢性能。碳纳米管在纳米电子方面有着非常重要的用途，是场效应晶体管和单电子器件的一种具有发展前途的重要材料，以实现集成电路高速且耗能低的目标。
3.4忆阻器
忆阻器顾名思义就是记忆电阻器，是继电阻器、电容器、电感元件之后的第四种电子元件。忆阻器是一种基于模拟信号的非线性动态纳米元件，可以构成交叉开关，且其材料可以与CMOS工艺兼容。忆阻器体积小、功率低、不受辐射影响，特别是用忆阻器实现的器件可兼有运算和存储功能，被认为是替代硅芯片、延续摩尔定律的有力竞争者。
4总结
纳米电子技术取得了飞速的发展，其影响力是深远的，所以在这个特殊的阶段，我们需要抓住这个好机会，集中优势力量，加强基础研究和应用研究，在纳米电子学、前沿捕捉纳米电子技术，我国的信息技术得到了更新和升级，加快了发展步伐。
面对上述的发展现状和未来前景，我们可以看到，它是一种具有巨大潜力、应用广泛、产品性能优良、符合人类未来需求的科学技术。如果它能应用于其他科学技术领域，将促进我国新一代信息技术的飞速发展。
参考文献：
[1]蒋鹏程.纳米电子技术的发展与趋势[J].科技展望，2015（11）.
[2]韩熙.纳米电子技术分析及发展分析[J].电子测试，2015（10）.
[3]余巧书.纳米电子技术的发展现状与未来展望[J].电子世界，2012，12：24-25.
[4]张鉴.纳米电子技术的发展与展望研究[J].中外企业家，2013，02：125.