纳米技术的起源篇1

军火商麦库伦将一种本来用于治疗癌症的纳米机器人改造成了武器，这些被称为“纳米虫”的纳米机器人一旦接触金属物体，就会利用这些材料进行自我复制，无限增殖，只有操作者发出特别信号才能让它们停止。军方从麦库伦公司里买走了4枚未被激活的“纳米虫”导弹，途中却被来历不明的恐怖分子劫走，并准备用它袭击艾菲尔铁塔！正邪大战一触即发，“纳米虫”蜂拥而出，整个城市的钢铁建筑、桥梁、汽车都被淹没、被吞噬……我们就从“纳米虫”讲起，说说在这部电影中大出风头的纳米技术吧。

微观尺度与“纳米虫”

“纳米”曾经被翻译成“毫微米”，顾名思义，就是1微米的千分之一，1纳米等于十亿分之一米。在0.1～100纳米尺度内加工物质的技术，就被称为纳米技术。许多精密仪器都需要在这个尺度内进行加工。比如导弹上的陀螺转子，如果重心偏离其轴心100纳米，命中时就会偏离目标10千米！所以，纳米技术最初起源于人类精细加工的需要。

影片中的“纳米虫”，正式名称叫“纳米电机系统”。和汽车这样的机器一样，它也由动力系统、执行系统等构成，实为一台微型机器。一台“纳米电机系统”能做的事很少，但几亿台放在一起，就造成了电影里吞食天地一般的后果。

“纳米虫”是金属制造的，它们在吞噬金属后，再用金属来复制更多的自己。那么为什么银幕上的“纳米虫”没有呈现金属光泽，反而像一团绿色的云雾呢？原来，许多金属原子和离子按照金属键结合成金属晶体，形成了金属的基本结构，只有金属晶体才具有金属光泽。而“纳米虫”的直径就和大的晶体差不多，它相当于直接把金属原子和离子拆散制造出的机器，完全打破了微观的晶体结构，所以无法呈现金属光泽。

微观领域的纳米技术

电影中讲到，“纳米虫”原本并非用作攻击武器，而是治疗癌症的纳米机器人。事实上，这也是目前纳米技术的主要研究方向之一。医生做治疗癌症手术的一大难题就是无法将病灶切除干净，留下的癌细胞会再次扩散。纳米机器人只有细胞大小，几千万纳米机器人也装不满一个针管，它们可以进入癌症病人体内，一个个辨认出癌细胞并加以清除。

在纳米这个尺度上，机器制造和运行的规律就完全改变了。生物细胞直径有几百纳米，而原子直径是0.1纳米。所以，纳米技术已经进入了真正的微观领域。

以构成生物身体的细胞为例，它可以从周围环境里摄取物质和能量，转化成自己的一部分，一个细胞就相当于化工厂、零件制造厂、组装厂的总和。如果人类能制造出细胞大小的机器，就能让它们像生物那样，自己从外界转换物质和能量。举一个有趣的例子：人类可以运用劈山填海的力量，制造的机器能超越音速、跨越太阳系，却造不出一只活苍蝇。这是因为，人类制造机器是“从大到小”的过程――对原材料进行切割、加工、拼装、打磨；大自然孕育生命则是“从小到大”的过程――从肉眼看不到的生殖细胞开始，靠加工转换周围环境里的能量和原料，一点点生长。就像影片里的“纳米虫”，它被发射到巴黎后，正是以破坏的形式反映了纳米机器的制造过程。它们就像活的一样，吞噬周围的金属为己所用，进行爆发式的增殖。

目前科学家已经制造出人造骨骼、人造心脏，不过它们都是用“死材料”制造出的“死机器”。如果能制造出有活性的纳米机器人，再用它们拼装成肌肉、骨骼甚至神经元，就等于制造出活的肌体。这也是纳米医疗技术的重要方向。

影片里提到的纳米机器人自我复制技术，目前仍然在研究中。科学家们希望利用这种技术研制出矿冶机器人，把它们撒到矿山，便会自动从矿石中分解出金属。普通冶炼厂需要高温和巨大的容器，这是因为冶炼厂只能从宏观上改变物质形态，而纳米机器人能够在分子水平上直接改变物质。

总之，用纳米技术冶炼原料、制造机器，看上去不再是把机器“造出来”，而是让机器“长出来”。目前，纳米级的机器仍然是精密仪器，需要使用光刻机这类昂贵的设备才能制造。一旦纳米机器可以自己“长”出来，成本就会大大下降了。

History and Future

人类科技水平提高的一个重要标志，就是加工对象的尺度越来越小。在农业手工业时代，因为只能凭借肉眼来观察目标，最小只能加工毫米级的对象。在蒸汽机革命时代，人类开始加工亚毫米尺度的对象。到了1870年开始的电气化时代，人类能够加工微米水平的对象。

纳米技术的起源篇2

纳米技术与宇宙飞船

在未来20年内，利用纳米技术的新兴产业将会大大改变我们的生活方式。纳米技术包括制造只有几纳米大的微小机器或机器人的技术。一纳米只有一米的十亿分之一。这些纳米机器能够操控原子，制造原子层次的复合材料。由于能进行自我复制，由微小机器或机器人制造的产品价格将非常低廉。

纳米机器最大的用途或许是用来修复合成材料，当材料出现细微裂缝时，纳米机器能通过吸收周围的分子对裂缝进行修补。如果由新型合成材料制成的宇宙飞船的外壳出现了裂缝，被释放出去的纳米机器人就会通过收集宇宙飞船周围的分子来修补裂缝。

科学家们在运用纳米技术之前必须学会如何操控原子。接下来的挑战就是如何为这些纳米机器人编制程序，以便让它们执行特殊任务。

能自我修复的材料

宇宙飞船壳体的损坏常常起源于壳体表面出现的肉眼看不见的微小裂缝。这些细小裂缝还常常隐匿于材料外表下面，因此发现它们就更加困难了。这些肉眼看不见的裂缝一旦形成就会越裂越大，直到材料撕裂。要想阻止这些细小裂缝继续扩大，科学家们就必须使用能觉察伤口并能立即进行自我修复的新型材料。这种自我修复能力能大大延长宇宙飞船的寿命。目前，科学家们已研究出3种新型自我愈合材料：

合成材料： 这是一种由多种材料合成的新物质，成分较为复杂。

胶囊式愈合剂：这是一种能黏合合成材料细微裂纹的胶水。这种胶水被密封在遍布整个合成材料的微小气泡中，每立方英寸合成材料中大约有100～200个气泡胶囊。

催化剂：为了迅速聚合，愈合剂必须与催化剂结合在一起使用。催化剂与愈合剂在发挥作用之前必须保持相互隔绝的状态，直到裂缝出现需要它们进行修复时。

当合成材料出现细微裂缝后，缝隙会渐渐延伸和扩展，不断扩大的裂缝将会撕裂微型胶囊，这样，愈合剂就被释放出来。愈合剂顺着裂缝流出去，最终会不可避免地与催化剂汇合在一起，从而进入聚合过程。聚合过程将会把裂缝黏合在一起。自我修复合成材料在进行自我修复后能达到原来强度的75％。

这种可自我修复的合成材料的市场前景可能远远超出了宇宙飞船的使用范围。国防工程、沿海石油勘探、电子、生物医学等产业每年对这种合成材料的需求量可达2 000多万吨。自我愈合材料还将会应用于我们的日常生活中，像聚合合成材料电路板、人造关节、桥梁支撑物和网球球拍等都适合使用这种材料。

电子系统的自我修复

在远距离太空旅行中，维护飞船上的计算机和电子系统的安全与维护飞船外壳的安全同样重要。目前，美国航天局正在研制一种具有自我修复能力的新型飞行系统。它能够监测电子系统，并能在故障刚发生时纠正系统错误。这种可自我修复的飞行系统将首先用于飞机上，然后再用于宇宙飞船上。

根据美国航天局航空安全计划，研究人员正在研制这种自我修复计算机系统。这种能对操作系统故障进行维修和控制的系统能够在故障发展成不可挽回的事故之前察觉，并阻止事故的发生。计算机安全管理系统将会监测至关重要的部件，阻止并减少事故的发生，提高飞行人员处理故障的能力，减少故障发生时飞行员的工作量。控制故障管理系统包括新型探测和预警装置、显示板、飞行员提示和指导装置，以及当故障发生时阻止事故扩大的控制方法等。这种系统既可用在飞机上，也能用在太空船上。

纳米技术的起源篇3

一、反向等同原则的起源及现状

（一）反向等同原则的起源

反向等同原则是在美国司法实践中确立起来的，最初见于美国最高法院判决的Westinghouse v. Boyden Power Brake Co.案。本案中，法院认为Boyden的装置已经为Westinghouse专利的字面范围所覆盖，但即便如此，法院拒绝判定侵权成立， “被控侵权物即便不在权利要求的字面范围内，侵权指控仍然有可能成立，反过来也一样。专利权人可以证明被控侵权物落入了权利要求的字面范围，但如果被控侵权物在原理上已经发生了重大改变，使得专利权利要求的字面范围与专利权人的实际发明之间出现了脱节，那么被控侵权物就不在专利权的保护范围之内，没有侵犯专利权。”该表述也成为了反向等同原则最初的雏形。

（二）反向等同原则的发展及现状

1、联邦最高法院的确认

在著名的Graver Tank & Mfg. Co. v. Linde Air Products Co.案中，反向等同原则的观点首次得到了美国联邦最高法院的确认，“等同原则的适用并不总是有利于专利权人，有些时候也会不利于专利权人。当一项装置与发明在原理上存在较大变化，采用实质不同的方式，实现了与发明相同或基本相同的功能时，即使该装置落入了专利权利要求的字面范围，被控侵权行为人仍然可以凭借等同原则来限制权利要求的范围，用以击败专利权人的侵权指控。”

这里我们可以看出，反向等同原则与等同原则其实是密不可分的，如果说等同原则的目的在于惩罚那些“形不是而神是”的被控侵权物的话，那么反向等同原则的目的就在于保护那些“形是而神不是”的被控侵权物。

第二，为反向等同原则的适用提供了强有力的判例依据，在Graver案后，许多地区法院和上诉法院都在其判例中认可了反向等同原则的适用，其中最为知名的是1976年美国索赔法院审理的Leesona Corp. v. United States案，该案中，法院认为，“若要证明侵权成立，仅仅在字面程度上（相同）是不够的经过比对，被控侵权设备没有通过与专利设备实质相同的方式，为了与其同样的目的而实现实质相同的功能，因此，侵权并不成立”。

2、联邦巡回上诉法院的态度

联邦巡回上诉法院（CAFC）在其审结的Tate Access Floors， Inc. v. Interface Architectural Res.， Inc.案中，对反向等同原则的适用提出了质疑，“Graver案后，国会在适用112条时，其对说明书、实施例、功能性限定特征等的要求与反向等同原则最广泛的含义是一致的，尽管本院承认存在以该原则为依据对字面侵权提出的抗辩，但对于久未适用的这样一种例外，我们很难确定其可以再次被使用。”

但是，CAFC并没有否认反向等同原则作为一向有效的法律原则存在的可能性，有学者指出，“该原则在联邦巡回上诉法院受到了冷遇，不过这种情况可能正在变化。”此外，虽然专利法规定权利要求要确保充分公开，但这个要求通常依赖该发明的科技领域的知识状态，不可预测领域的发明较传统领域对公开的要求更高。有人认为，“公开之详尽，从未要求达到对大量制造所请求的发明给予指导的程度，专利制度的目的并不是向相竞争的制造者提供免费的制造数据及制造图纸。”并且，允许以功能性限定权利要求的存在使得这种充分公开即便通过了专利审查，在之后技术的发展过程中就不可避免的会有权利要求范围超过说明书涵盖实际发明范围的情况出现。

二、反向等同原则的内涵与本质

（一）事实问题：技术进步带来的影响

专利法的根本目的是为了通过授予排他性的权利来鼓励技术的创新和发展，对于新兴领域的产业而言更是如此，因为在这类产业中，技术的飞速发展使得原有专利技术特征的内涵和外延都发生了巨大的、甚至是实质性的变化，技术特征的范围也不断扩张，在后出现的新技术往往会落入原有专利权利要求的字面范围。要想避免新技术过早“夭折”，则需要在其产生初期通过专利法提供充分的庇护，反向等同原则即是有效的方法之一。这里，笔者以纳米技术为例对反向等同原则适用进行说明。

纳米技术是一门应用科学，其目的在于研究纳米规模下物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用，因为物质在纳米尺度，会和它们在宏观时有很大的不同，宏观上要达到的高效稳定的质量，都不只是进一步的微小化而已。

此外，与传统机械相比，纳米器械有着完全不同的运行规则。例如，如果不改变其原有的机构和技术特征，仅仅将传统产品进行复制性的微缩制造，显然没有脱离现有技术的范围，从而无法满足专利法对于新颖性的要求。但有的学者认为，在纳米技术下，如果这种微缩制造产生的产品采取了极为微小的度量标准，从而其导致内部结构、排列等物理规则已发生了显著的改变，则可适用反向等同原则以避开在先技术的保护范围，康奈尔大学的研究者所研发的一款“纳米吉他”就是其中一种：

首先，该款吉他的弦由激光拉制而成，大约只有100个原子的宽度，其可以产生高于人类听力所及频率十七倍的音色。与此相应，如果在这之前存在一种普通的六弦乐器，其权利要求十分广泛，且并未对器械的大小有所提及，权利人很有可能宣称上述“纳米吉他”与其产品是相同的，也就是说，利用纳米技术制成的器械所应用的技术方案是有可能与传统的同类产品专利形成字面等同的。

其次，这种纳米级的器械制造者在设计过程中必须要考虑到较之于传统器械不同的特点，这些特点往往都是非常突出的。例如，不可思议的微小尺寸，电子结构、传导性能、灵敏程度、熔点以及机械性能等都显著区别于与其相同的在先产品。同时，这种将器械纳米化趋势已经在机械领域扩张开来，一份由国家科学基金会制定的社会纳米技术发展报告显示，“纳米化不仅仅是一个微缩过程，更是一种可以产生质的变化的技术。”

出于以上两点原因，有学者指出，“当被控侵权装置与发明的权利要求存在明显不同时，尽管其完全落入权利要求的保护范围之内，对其发明者不侵权的判决也许更为公平”。

（二）法律问题：权利要求的限缩解释

我们知道，专利权保护范围的确定是以权利要求的内容为准，但现实中无论是技术方案简单亦或复杂，仅仅依靠权利要求书的文字表述是远远不够的，尤其对于发明和实用新型而言，都需要对权利要求的具体含义进行进一步的解释。当权利人的权利要求的字面范围与专利权人的实际发明之间出现脱节时，即发明内容不足以支持权利要求，权利要求的范围相对于发明申请日时的发明技术过于宽泛，权利要求书不能成为一个比说明书描述得更广泛的发明。

正是基于上述原因，与等同原则对权利要求扩张解释，以利于充分保护权利人的利益相对应，反向等同原则对权利要求进行限缩解释，为那些本不应该遭受侵权指控的人提供依据起到了重要作用。例如，美国虽然允许以功能性限定技术特征的方式来书写权利要求，但同时也要求对该类权利要求的解释不能覆盖所有能够实现该功能或者效果的具体实施方式，而只能被解释为覆盖了说明书中所记载的具体实施方式及其等同物。有学者进一步指出，“事实上，只有从具体的实施例出发，才能对于宽泛的权利要求的解释起到限定性的作用，而反向等同原则正是将关注点放在了具体的实施例上，这就为解释权利要求的范围提供了明确的语境，这样一来，对于权利要求的解释将更加精准，专利权人也不会享受到那些本不应该被赋予的利益。

三、反向等同原则适用的原因及可能性

（一）功能性限定权利要求

1、功能性限定权利要求的特点

一般来说，产品专利的权利要求应由反映该产品结构或者组成的技术特征组成，方法专利的权利要求则由反映实施该方法的具体步骤和操作方式的技术特征组成。而如果一项权利要求中采用了零部件或者步骤在发明中所起的作用、功能或者所产生的效果来限定发明，则成为功能性限定特征。笔者在上文中曾提到，反向等同原则的重要功能之一就是为权利要求提供限缩性的解释，而针对功能性权利要求，我们更应该适时地适用该原则，以说明书的记载为准来缩小解释权利要求范围，使得发明人得到的报酬（保护范围）与发明公开的技术内容相适应，即将功能性权利要求的保护范围合理限制在所属领域的普通技术人员根据说明书的即在容易实施的技术范围内。

2、司法实践中的应用

当权利要求中采用多个功能性限定特征时，则需要从整体上考虑被控侵权技术与专利技术的差别。在1988年美国联邦巡回上诉法院审理的Texas Instrument Inc. v. U.S. International Trade commission案中，被告美国国际贸易委员会认为，就单个技术特征而言，对比技术特征都是等同的，但从整体上来看，被控侵权物与发明之间的区别是巨大的，前者对该种微型电子计算器的改进已经超出了原告专利公开的技术范围，故驳回了原告对被控侵权人提出的控告，原告不服，上诉至美国联邦巡回上诉法院。

上诉法院在审理过程中首先指出，对于功能性限定权利要求中的特征，应仅仅解释为覆盖了说明书中记载的具体实施方式及其等同物，并进行了详细的技术比对：尽管从字面上看权利要求1中所述的每一个功能性限定特征在被控侵权人的计算器中都被采用了，而且就单个而言，可以认为两者实现每一功能所采用的具体方式都是等同的，但如果将被控侵权人的计算器作为一个整体，就可以发现它与专利发明之间的区别是显著的，并同时指出，反向等同原则也许成为不等同原则更好，当权利要求的字面范围远大于说明书所公开的技术内容的合理范围时，被告就可以要求法院适用该原则。

（二）从属专利的强制许可

在讨论这一点之前，我们需要做一个假定：既然在反向等同原则适用的案例当中，被控侵权技术往往有了飞跃性的进步，较之于涉案专利有了实质变化，那么该种技术方案很有可能在现实中也被授予了专利权。由于其包含了在先专利所有的技术特征，与在先专利达到了字面相同的程度，那么，实施后专利则不得不侵犯前专利，这就为强制许可的适用创造了条件。

虽然强制许可被学界视为当垄断存在时防止专利权滥用的一种有效方法，且于技术进步是有利的，但由于触及到一些占据市场支配地位的大型工业集团的利益，其在适用时往往会遭到他们的强烈反对，这也使得现有的知识产权体系对其采取了较为排斥的态度。

有人可能会对此表示担心，认为适用反向等同原则会削弱对在先专利权利人的保护力度，因为毕竟他们往往是某一类技术的最初创造者，为什么不能让他们也享有在后技术创造者的成果呢，就在后的技术一并享有专利呢？这里，仍以之前提到的纳米技术为例进行说明：

首先，对于纳米技术的持有者而言，其在研发的过程中投入了巨大的成本，他们拥有该种技术的专家以及升级了的设备，较之于那些仍依赖传统技术的在先权利人而言，主打新兴纳米技术的企业已经具有了实施这些技术的能力，因此更适合作为新技术下一步发展的主导力量。

第二，在专利法范围内赋予纳米技术更宽松的发展环境不一定就会损害到传统产业的商业利润。上文中提到的“纳米吉他”即是如此，只要人们没有完全摒弃原有的传统吉他，总会有对于原有更便于操作的产品的需求者。因此，在先产品的制造者不必担心在后制造者进入市场带来的威胁，因为他们自会占据一个合适的地位。

第三，如果像某些人建议的那样，将在后技术所获得的专利也授予在先技术持有人，使其成为该类技术的垄断者，则会违背专利体系的本质功能。因为授予专利的目的是为了鼓励发明者进一步的创新，但事实上，对于传统吉他的制造者来讲，其关注的重点不在于纳米技术的应用上，授予其有关纳米吉他的专利除了能够为其带来一笔意外的财富外，并不能对其就传统产品进行发明再创造提供额外的动力。

综上，无论是强制许可亦或交叉许可，其虽然是防止前专利垄断技术的方法，但其实施多少掺入了政策性的考虑，适用上也离不开国家行政权力的保障，故而与专利诉讼中的侵权判定关系不大，有学者曾对强制许可适用的类型做过总结，“专利失灵”便是其中的一种。而如果引入反向等同原则，法院至少可以不必动用强制力来保证强制许可的实施。

等同原则：

纳米技术的起源篇4

[中图分类号] R445.9[文献标识码]A [文章编号] 1005-0515(2010)-9-220-01

纳米( nanometer, nm)是一个长度单位, 即十亿分之一米( 1× 10- 9m)。纳米技术(Nanotechnology) 是指在 0.1～ 100 nm空间尺度上操纵原子和分子对材料进行加工, 制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科[1-2]。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科,在 20 世纪 90 年代获得了开创性的进展,研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米技术的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点, 谁能在这一领域取得领先, 谁就能占据 21 世纪科学的制高点。随着纳米技术的发展, 纳米电子学、 纳米生物学、 纳米材料学、 纳米医学等分支学科也相继建立和发展起来。尤其重要的是这些学科正在发生相互融合、 相互渗透[3- 4]。

纳米技术与医学的结合形成了新兴边缘学科--纳米医学, 纳米生物医学是纳米科技和生物医学结合的产物, 是纳米科技的一个核心领域, 即在分子水平上利用分子工具和人体相关的知识, 从事疾病的检测、诊断、 治疗、预防和保健等。生物医学起源于诊断, 没有很好的诊断就不可能有很好的预防和治疗。目前随着科技的发展, 生物医学诊断得到了前所未有的发展, 各种检验诊断手段、仪器已是各式各样, 在其迅猛发展的过程中纳米材料起到了关键作用。正是纳米技术在医学检测和诊断中的应用使人们在分子水平上对疾病有了更深的认识,更好的维护和提高了人类的健康水平 。

1纳米探测技术在医学检测和诊断的应用

纳米探针是一种探测单个活细胞的纳米传感器,探头尺寸仅为纳米量级,当它插入活细胞时,可探知会导致肿瘤的早期DNA损伤,而且纳米探针据不同的诊断和检测目的, 将其植入并定位于体内不同部位, 或随血液在体内运行, 随时将体内各种生物信息反馈于体外的记录装置。该技术有着很高的灵敏性,可在含有 10 个原子/分子的1 cm3气态物质中, 在单个原子或分子层次上准确获取其中1个。医生可通过检测人的唾液、血液、 粪便和呼出气体等, 发现人体中只有亿万分之一的各种疾病或带病游离分子, 用于肿瘤细胞的诊断与治疗。

扫描探针显微镜目前已经用于人体多种正常组织和细胞的超微形态学观察 ,而且可以在纳米水平上揭示肿瘤细胞的形态特点。通过寻找特异性的异常结构改变 ,以解决肿瘤诊断的难题。另一种新型的纳米影像学诊断工具 - - 光学相干层析术(OTC)已研制成功。OTC的分辨率可达纳米级 ,较 CT 和核磁共振的精密度高出上千倍 ,并且它不会像 X线、 CT、 磁共振那样杀死活细胞。

2纳米生物芯片在医学检测和诊断的应用

纳米生物芯片与传统的生物芯片相比, 纳米生物芯片具有以下几个特点:(1)采用微电子,高产而成本低;(2)高度敏感性;(3)减少了样品的数量;(4)使用纳米尺度上的固定方法, 可以自主组装。这类型的生物芯片可以在血流中探测病毒、 细菌和异常细胞。 能即时发现病毒和细菌的入侵, 并予以歼灭。也可以沿血液流动并跟踪镰状细胞贫血患者的红细胞和感染了病毒的细胞。目前, 电场作用下自动寻址的细胞芯片已研究成功, 既可用于基因功能研究与蛋白质亚细胞定位, 又可用于监测基因与蛋白质的瞬间表达[5]。

3纳米细胞检疫器 ( 纳米秤) 在医学检测和诊断的应用

纳米秤又称纳米细胞检疫器,能称量10-9g的物体,即相当于1个病毒的质量。利用它可发现新病毒, 可定点用于口腔、 咽喉、食管、 气管等开放部位的检疫。

4纳米传感器在医学检测和诊断的应用

纳米材料用于生物传感器是由 Alarie 和 Vo- Dinh 等人[6]于 1996年提出的。纳米生物传感器利用其细小的尖端(仅为纳米量级)插入活细胞内, 而又不干扰细胞的正常生理过程, 以获取活细胞内多种反应的动态化学信息、 电化学信息及反映整体的功能状态, 以便深化对机体生理及病理过程的理解, 例如利用纳米生物传感器可以探知会导致肿瘤的早期 DNA损伤等; 此外, 纳米生物传感器和新的成像技术还能对疾病进行早期的检测和治疗[7]。

5纳米金属在医学检测和诊断的应用

PCR 技术发展至今, 不仅仅是实验室的“宠儿” ,而是已经成为了诊断、治疗、科研开发等等各个生命科学领域的“必杀锏”。但是经过近二十年的发展, PCR 技术依然存在这样或那样的问题, 比如准确性, 利用 PCR 技术来诊断疾病, 假阴性、假阳性等现象屡见不鲜。造成这一问题的原因一般认为是由于在体外复制过程中缺少在 DNA复制过程中担任“检测师”的 SSB蛋白[8]。

解思深院士及来自中科院上海应用物理研究所以及上海交大的研究人员应用纳米技术升级了 PCR 技术, 完成了“点金术”: 他们将几千个直径为 0.3 纳米的金原子堆积在一起, 做成一个个直径约几或十几纳米的纳米金球, 加入 PCR反应, 结果发现纳米金减少了 PCR 复制过程中的出错率, 并且提高了复制的速度和效率, 这一研究获得了国际同行的认可。通过应用纳米技术 ,在DNA 检测时 ,可免去传统的 PCR扩增步骤 ,快速、 准确 ,易实现检测自动化。这是一项新颖且重要的方法, 它为分子生物学中最为重要的标准方法 PCR 开拓了进一步改进的途径, 具有较大应用价值[8]。

6磁性纳米材料在医学检测和诊断的应用

纳米磁性颗粒在生物检测上的应用是仅次与荧光材料。各种磁性生物探针, 磁性跟踪材料都已发展到了实用阶段。洪霞等选用葡聚糖包覆超顺磁性的 Fe3O4 纳米粒子, 通过葡聚糖表面的醛基化实现与抗体的偶联, 制得了 Fe3O4 /葡聚糖/抗体磁性纳米生物探针, 在组装有第二抗体和抗抗体的全层析试纸上进行的层析实验表明该探针完全适用于快速免疫检测的需要, 达到了层析免疫检测的目的[9]。

7纳米吸附材料在医学检测和诊断的应用

实验表明,做细胞分离的试剂聚乙烯吡咯烷酮可将表面包覆单分子层的直径 30 纳米粒子均匀分散到含有多种细胞的聚乙烯吡咯烷酮胶体溶液中, 通过离心可以使所需要的细胞分离。杨箐等撰文对聚合物纳米粒子在基因治疗中的应用作了探讨, 证明了纳米聚合物粒子具有很好的吸附包覆作用, 并已应用到动物型基因治疗的实验研究[10]。美国科学家把某种纳米颗粒 “粘”在生物分子上, 然后利用纳米颗粒的发光特性研究生物分子的活动情况。比人体细胞小得多的纳米颗粒可以被送进人的组织、 器官内, 用光线从人体外部向内进行照射, 体内的纳米颗粒也会发光, 这样就可以达到追踪病毒的效果。另外, 纳米材料其他很多特性在生物医学检验中越来越多的被应用, 如比利时的德梅博士等制备出多种对各种细胞器敏感程度和亲和力差异很大的金纳米粒子-- 抗体复合体纳米材料, 与细胞器结合后在光镜和电镜下很容易分辨各种细胞内结构。

随着人们对疾病防治及保健概念的转变 ,医学实验诊断技术也必然向着相应的方向发展。纳米技术与生物医学的结合, 为医学界提供了全新的思路, 纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限, 尤其是在生物医学方面还需大量临床试验予以证实,使得纳米材料在生物安全性方面的应用有待进一步提高。同时由于相关技术的不断突破 ,必然促使纳米医学实验诊断技术加速发展。随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用, 医学检验和诊断将变得节奏更快、 效率更高、更准确。

参考文献

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[4] 张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[M] . 北京:科学出版社, 2001.

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[6] Alarie JP, Vo Dinh T. Antibody based submicrion biosensor forbenzo[a]pyrene DNA aduct[J]. Polycydic Aromat comp, 1996, 8:45-52.

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[8] 言民, 唐雪云,冼燕娥,等. “金”对人体是否具有医学和美容价值 [J].医疗保健器具,2006,7:42-45.

[9] 洪霞, 郭薇, 李军, 等.Fe3O4 /葡聚糖 /抗体磁性纳米生物探针的制备和层析检测[J] .高等学校化学学报, 2004, 25(3): 445.

纳米技术的起源篇5

【关键词】计算机；科学与技术；发展趋势

20世纪第一台计算机的出现，标志着人类将使用机器来进行数据计算，经过几十年的努力，计算机的成本大大降低，运算速度越来越快，性能越来越好，计算机的体积大大缩小，计算机程序越来越复杂，应用领域也越来越广泛，它们减少了人们所付出的时间，极大的方便了人们的工作与生活，更成为国家综合国力的象征。随着知识经济的不断深入，计算机的发展趋势不仅继续深化，而且节奏加快。经过多年的发展，计算机的应用领域从单一化走向多元化。在现阶段，计算机科学与技术参与了社会的生产和生活的众多领域，在提升人们生活的同时，为社会的发展起到了重要的作用。

一、计算机科学与技术快速发展原因

（一）第一台计算机ENIAC诞生于美国，由于成本高、体积大、运行速度慢等原因，所以计算机没有得到推广与应用。随着时间的推移，在经济与科学技术的铺垫下，计算机得到缓慢发展，到70年代以后，计算机经过四个阶段的发展，市场相对稳定下来，有了较小的体积，较完善的操作系统，价格适宜，收到人们的欢迎。

（二）计算机的发展要追溯于“二战”时期，对信息的紧迫需要、加工和处理，减少了创造的障碍，使得资源可以促进了计算机的研发运用。随着计算机的发展，其运算速度不断加快，存储功能不断增强，使其在教育、经济以及其他各个方面迅速普及。

（三）各个国家、各个企业之间的经济竞争与技术竞争也是推动计算机迅速发展的原因之一。在当今国际社会形势下，对机制的选择和把握与计算机技术的发展密切相关，因为它可能直接影响到各方机制选择的正确性。在这种情况下，围绕计算机技术的若干选择判断依据和机制及其影响要素在同时发挥作用，选择的环境常常是敏锐的和稳定的，这也是计算机技术迅速发展的一个原因。

（四）科学家在研究计算机相关技术方面的实验中，获得了大量的理念和设计灵感，经过实践的检验，从而带来新的计算机设计理念，促进计算机技术的进步。

（五）经常连续不断地创造性活动是推动计算机考苏发展的原因之一，其本质是对大量信息进行处理的现实需求的推动之下的计算机相关的科学理论的不断更新和发展。

（六）信息共享是计算机科学与技术发展的基础，也就是说这种共享信息的建立，推动了全球所有国家对计算机科学与技术的开发与研究，在此基础上创新活动可以获得全面的资料与技术的支持，缩短研发周期，提高研究质量。

（七）新一代的技术与其他领域结合，又为了满足其需求不断地研发更新，慢慢的计算机技术成为人们生活生产及其他行业生产中重要的工具，间接与直接的促进了各个行业科学技术的发展，成为科学技术发展的基础。

二、计算机科学与技术的发展趋势

（一）智能化的超级计算机。面对大量复杂的数据计算时，普通的计算机及服务器很难完成或无法完成，这时智能计算机由于其强大的配置，多种处理器的共同作用就可以轻松完成。智能化计算机是指设计结构独特并采用平行的处理技术，对计算机这种多个数据及指令可以同时处理和分析的一种超级计算机。超级计算机在高尖端领域中，可以进行数据分析或者进行模型推演，使一些实验通过计算机的模拟就可以运行，这在很大程度上节约了时间和成本。在生活中，由于智能计算机灵活的系统，功能变得更加人性化、合理化、大众化等，可以为人们的生活和工作提供方便。例如，动画片中绚丽夺目的效果是通过超级计算机制作的。

（二）随着硅芯片技术的发展，近年来硅技术的发展潜力已接近极限。因此，新型的量子计算机、光子计算机以及纳米计算机进入人们的视线，成为人们追逐的对象。根据摩尔定律，计算机的架构与技术每隔几年就会发生一次大的飞跃，对人们的生活产生很大的影响。

（1）量子计算机的出现。量子计算机是按照量子力学原理对大量的数据进行存储、运算、分析和处理的物理型装置，它起源于对可逆计算机的研究。这种计算机开与关的状态是通过激光脉冲改变一种链状分子聚合物来体现的。与传统计算机相比，量子计算机存储的数据量非常大，其运算速度是传统计算机的十亿倍。除此之外，量子计算机在安全性及安保体系等方面的优良性能也远远高于传统计算机。

（2）光子计算机的研发。与传统计算机相比，光子计算机是利用光子进行计算，用光子代替传统计算机通过电子进行计算、传输和存储。光子计算机以光子为硬件，其运算方式是通过光子计算，不同的波长代表不同的数据，能快速处理复杂度高、计算量大的任务。光子计算机的运算速度呈上升趋势。

（3）纳米技术在高尖端领域中的应用越来越广泛，而纳米计算机是由纳米技术于计算机技术相结合而研制的。纳米元件具有体积小、质地优良、导电性强等特点，把纳米技术运用于计算机的研发中，就是在研发计算机芯片时加入纳米元件，把电动机、处理器以及传感器等部件集中在芯片上组成一个系统，可以完全替代传统的硅芯片。由于纳米级芯片组成的纳米计算机能耗非常小，几乎可忽略不计，且在性能上远远高于现有的计算机。纳米计算机的这种低造价高性能的优势是计算机发展的重要趋势，未来纳米计算机将主宰计算机市场，成为计算机市场的主力军。

三、结束语

计算机的发展趋势无处不在，从第一代计算机的问世到现代计算机的广泛应用，计算机已经经历了60多年的发展，因其低成本高效率的特点受到越来越多用户的青睐，最为明显的趋势就是网络化以及向各领域的渗透，这种趋势在国际上被称为“无处不在的计算”。未来的计算机也会像现在的马达一样，出现在每个家庭的各种电器中，成为社会发展中一个必不可少的重要工具。

参考文献

[1]蔡芝蔚.计算机技术发展研究[J].电脑与电信，2008（2）.

[2]文德春.计算机技术发展趋势[J].科协论坛（下半月）， 2008（5）.

[3]张瑞.计算机科学与技术的发展趋势探析[J].制造业自动化，2010（8）.

纳米技术的起源篇6

关键词：凝聚态物理学；固体物理学；基本概念

中图分类号：O469 文献标识码：A

一、凝聚态物理学的起源和发展

1.凝聚态物理学的起源

凝聚态物理学的前身是固体物理学，固体物理学的研究对象是固体，包括它的物理性质、微观结构、各种内部运动以及彼此之g的关系。固体物理学的一个重要的理论基石为建立在单电子近似的基础上的能带理论，于1928年由布洛赫研究提出，周期结构中波的传播是能带理论的核心概念，基本建立了固体物理学的理论范式。

2.凝聚态物理学的发展

凝聚态物理学诞生于19世纪70年代，在19世纪80至90年代之间逐步发展，最终取代固体物理学这个概念。凝聚态物理学的诞生弥补了当时固体物理学研究存在的不足之处。

凝聚态物理学从微观的角度研究凝聚态物质的物理性质、结构和各种运动以及彼此之间的关系。凝聚态物理学的理论基础是相互作用多粒子理论，与固体物理学相比，凝聚态物理学的研究除了扩大研究对象范围，还有一些概念的迁移和发展。

二、凝聚态物理学的理论基础

凝聚态物理学以固体物理学研究为基础，L・朗道和P・安德森这两位科学家对凝聚态物理学的发展具有重要的影响。L・朗道提出了凝聚态物理学的主要的理论范式即对称性破缺，并引入序参量和元激发，使之普遍化。P・安德森在研究著作中强调了对称破缺和元激发的重要性，并补充提出了广义刚度、重正化群等理论。

三、凝聚态物理学的研究内容

凝聚物理学主要研究物质的微观结构与物理性质的相互关系，研究内容较为广泛。

1.固体电子论

电子在固体中的行为是固体物理学长期研究的对象，也是凝聚态物理学的主要研究内容，电子在固体中的运动相互作用大小不同，主要包括三个区域：弱关联区，形成半导体物理学的研究理论基础；中等关联区，形成铁磁学的研究理论基础；强关联区，主要涵盖对象是电子浓度非常低的不良金属，其研究尚未得出圆满结论。

2.宏观量子态

低温物理学的研究也是凝聚态物理学产生的基础，金属和合金中存在超导现象这一成果对凝聚态物理学的发展影响巨大。超导现象是规范对称性破缺的结果，宏观量子态的概念、超导微观理论等的出现填补了超导研究的空白，玻色-爱因斯坦凝聚的实现将极低温下的稀薄气体也纳入凝聚态物理学的研究范围，但是仍有一些学科问题需要研究佐证，比如非常规超导体的机制仍未得到确定的解释。

3.纳米结构与介观物理

纳米技术研究的是在0.1～100纳米的尺度里电子、原子和分子内的特性和运动规律。纳米科技将人类的研究视角转向微观世界，纳米技术的研究和应用对于人类社会生活具有开创性的意义，现在也是物理学研究的一个热点方向。

4.软物质物理学

软物质是介于液态与固态之间的物质状态，被称为复杂液体。软物质是凝聚态物理学的延伸研究学科，软物质只要受到极小的外界刺激就会产生明显反应，从而具有显著的实用效果。

四、凝聚态物理学的发展方向

量子力学作为凝聚态物理学的理论基础已基本成熟，但是由于凝聚态物理学的实际研究中涵盖较多的微观粒子体系，使研究具有复杂性，新的物质结构、物理现象的产生也对凝聚态物理学的研究提出了挑战。凝聚态物理学研究中不断与生物、化学等学科在实验技术和理论概念上发生交叉渗透，将会对人类社会发展所需要的新能源、新材料和信息技术的发展起到推动作用。

参考文献：

[1]冯 端，金国钧.凝聚态物理学中的基本概念[J].物理学进展，2000（1）：1-21.

纳米技术的起源篇7

【关键词】微机械；微机械加工技术；超微机械加工；光刻加工

随着微纳米技术的不断发展，以本身形状尺寸微小或操作尺度极小为特征的微机械已成为人们在微观领域认识和改造客观世界的一种高新技术。微机械由于具有能够在狭小空间内进行作业，而又不扰乱工作环境和对象的特点，在航空航天，精密仪器，生物医学等领域有着广阔的应用潜力，且是实现纳米技术（ Nanotechnology ） 的重要环节，因而受到人们的高度重视，被列为21世纪关键技术之首。

1.微机械的特征

微机械在美国常称为微型机电系统；在日本称作微机器；而在欧洲则称作微系统。

微机械按其尺寸特征可以分为1-10mm 的微小型机械，1nm-1mm的微机械，以及1nm-1mm的纳米机械。而制造微机械常采用的微细加工又可以进一步分为微米级微细加工（micro-fabricat ion），亚微米级微细加工（sub-micro-fabrication） 和纳米级微细加工（ nano-fabrication） 等。概括起来，微机械具有以下几个基本特点：

1.1 体积小、精度高、重量轻。其体积可小至亚微米以下，尺寸精度达纳米级，重量可轻至纳克。

1.2 性能稳定、可靠性高。由于微机械的体积甚小，几乎不受热膨涨，噪声和挠曲等因素影响，具有较高的抗干扰性，可在较差的环境下进行稳定的工作。

1.3 能耗低、灵敏性和工作效率高。微机械所消耗的能量远小于传统机械的十分之一，但却能以十倍以上的速度来完成同样的工作，如5mm×5mm×0.7mm 的微型泵的流速是比其体积大得多的小型泵的1000倍，而且机电一体化的微机械不存在信号延迟问题，可进行高速工作。

1.4 多功能和智能化。微机械最终要达到集传感器、执行器和电子控制电路为一体的目标，特别是应用智能材料和智能结构后，更易于实现微机械的多功能化和智能化。

1.5 适于大批量生产、制造成本低廉。微机械采用与半导体制造工艺类似的方法生产，可以象超大规模集成电路芯片一样一次制成大量的完全相同的部件，制造成本比之传统机械加工大大降低。

2.微细加工的工艺方法

2.1 超微机械加工

超微机械加工是指用精密金属切削和电火花、线切割等加工方法，制作毫米级尺寸以下的为机械零件，是一种三维实体加工技术，多是单件加工，单件装配，费用较高。微细切削加工适合所有金属、塑料及工程陶瓷材料，主要切削方式有车削、铣削、钻削等。

2.2 光刻加工

光刻技术主要应用在微电子中。它一般是对半导体进行加工，需要一个有部分透光部分不透光的掩模板，通过曝光、显影、刻蚀等技术获得和掩模板一样的图形。先在处理过后的半导体上涂上光刻胶，然后盖上掩模板进行曝光，其中透光部分光刻胶的化学成分在曝光过程中发生了变化，之后进行显影，将发生化学变化的光刻胶腐蚀掉，裸露出半导体，之后对裸露出的半导体进行刻蚀，最后把光刻胶去掉就得到了想要的图形。光刻技术在微电子中占有很大的比重，比如微电子技术的进步是通过线宽来评价的，而线宽的获得跟光刻技术有很大的关系。

3.微细加工技术的尖端应用

3.1 搬迁原子

1990年，美国圣何塞IBM阿尔马登研究所科学家用STM将镍表面吸附的氙原子逐一移动，最终以35个氙原子排成IBM三个字母。每个字母高5nm，原子间的最短距离为1nm。这一成果开创了人类单原子操纵研究的先河，表明人类不仅可以用SPM观察、测量试样表面上的原子、分子结构，而且可以根据人的意志随意加工制造出原子级的人工结构。将原子、分子进行重新组装、排列成一定的形状，是一种典型的“从下至上”构筑物质结构的最终极形式。1埃0.1纳米。

3.2 微机器人

微机器人（Micro-Robot）是相对比较完备的微型电子机械系统（MEMs）的代表。微机器人的应用主要集中在工业领域、医学领域及基础学科研究领域，在移动或处理微组织，区分细胞，DNA分析，运用STM或AFM操纵样品等各项研究方面，微机器人都发挥着重要作用。在生物医疗方面，微机器人可辅助进行细胞区分等辅助诊断以及眼部、脑部微纫手术。

4.微细加工的重要地位和趋势

微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术，激光微孔加工、水射流微细微细加工技术是精密加工技术的一个分支，面向微细加工的电加工技术，激光微孔加工、水射流微细切割技术等等在发展国民经济，振兴我国国防事业等发面都有非常重要的意义，这一领域的发展对未来的国民经济、科学技术等将产生巨大影响，先进国家纷纷将之列为未来关键技术之一并扩大投资和加强基础研究与开发。所以我们有理由有必要加快这一领域的发展和开发进程。

随着20世纪80年代后期微机械、微机电系统这一门新兴交叉学科的兴起，微细加工技术作为获得微机械、微机电系统的必要手段，得到了快速的发展。微细加工技术起源于平面硅工艺，但随着半导体器件、集成电路、微型机械等技术的发展与需求，微细加工技术已经成为一门多学科交叉的制造系统工程和综合高新技术，广泛应用于医疗、生物工程、信息、航空航天、半导体工业、军事、汽车等领域，给国民经济、人民生活和国防、军事等带来了深远的影响，被列为21世纪关键技术之一。现代制造技术的发展有两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，另一个就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。

未来微机械和微细加工技术的研究仍然要立足于微观理论基础的研究和微细加工技术的探讨开发上。随着人们对微观世界的深入了解和掌握，微细加工技术手段必将发展向更高的层次，促进人类社会通往更高层次的文明时代。

参考文献：

[1]尚广庆，孙春华.纳米切削加工模型的研究[M].北京出版社.

[2]林滨，韩雪松，于思远等.天津大学学报[J].天津出版社.

[3]傅惠南，李锻能，王成勇.纳米机械加工与材料表面性质研究[M].湖北出版社.

纳米技术的起源篇8

一、21世纪物理学的几个活跃领域

蒸蒸日上的凝聚态物理学

自从80年代中期发现了所谓高临界温度超导体以来，世界上对这种应用潜力很大的新材料的研究热情和乐观情绪此起彼伏，时断时续。这种新材料能在液氮温区下传导电流而没有阻抗。高临界温度超导材料的研究仍是今后凝聚态物理学中活跃的领域之一。目前，许多国家的科学工作者仍在争分夺秒，继续进行竞争，向更高温区，甚至室温温区超导材料的研究和应用努力。可以预计，这个势头今后也不会减弱，此外，高临界温度的超导材料的机械性能、韧性强度和加工成材工艺也需进一步提高和解决。科学家们预测，21世纪初，这些技术问题可以得到解决并将有广泛的应用前景，有可能会引起一场新的工业革命。超导电机、超导磁悬浮列车、超导船、超导计算机等将会面向市场，届时，世界超导材料市场可望达到2000亿美元。

由不同材料的薄膜交替组成的超晶格材料可望成为新一代的微电子、光电子材料。超晶格材料诞生于20世纪70年代末，在短短不到30年的时间内，已逐步揭示出其微观机制和物理图像。目前已利用半导体超晶格材料研制成许多新器件，它可以在原子尺度上对半导体的组分掺杂进行人工“设计”，从而可以研究一般半导体中根本不存在的物理现象，并将固态电子器件的应用推向一个新阶段。但目前对于其他类型的超晶格材料的制备尚需做进一步的努力。一些科学家预测，下一代的电子器件可能会被微结构器件替代，从而可能会带来一场电子工业的革命。微结构物理的研究还有许多新的物理现象有待于揭示。21世纪可能会硕果累累，它的前景不可低估。

近年来，两种与磁阻有关的引起人们强烈兴趣的现象就是所谓的巨磁阻和超巨磁阻现象。一般磁阻是物质的电阻率在磁场中会发生轻微的变化，而巨磁和超巨磁可以是几倍或数千倍的变化。超巨磁现象中令人吃惊的是，在很强的磁场中某些绝缘体会突变为导体，这种原因尚不清楚，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样。目前，巨磁和超巨磁实现应用的主要障碍是强磁场和低温的要求，预计下世纪初在这方面会有很大的进展，并会有诱人的应用前景。

可以预计，新材料的发展是21世纪凝聚态物理学研究重要的发展方向之一。新材料的发展趋势是：复合化、功能特殊化、性能极限化和结构微观化。如，成分密度和功能不均匀的梯度材料；可随空间时间条件而变化的智能材料；变形速度快的压电材料以及精细陶瓷材料等都将成为下世纪重要的新材料。材料专家预计，21世纪新材料品种可能突破100万种。

等离子体物理与核聚变

海水中含有大量的氢和它的同位素氘和氚。氘既重氢，氧化氘就是重水，每一吨海水中含有140克重水。如果我们将地球海水中所有的氘核能都释放出来，那么它所产生的能量足以提供人类使用数百亿年。但氘和氚的原子核在高温下才能聚合起来释放能量，这个过程称为热核反应，也叫核聚变。

核聚变反应的温度大约需要几亿度，在这样高的温度上，氘氚混合燃料形成高温等离子体态，所以等离子体物理是核聚变反应的理论基矗1986年美国普林斯顿的核聚变研究取得了令人鼓舞的成绩，他们在TFTR实验装置上进行的超起动放电达到20千电子伏，远远超过了“点火”要求。1991年11月在英国卡拉姆的JET实验装置上首次成功地进行了氘氚等离子体聚变试验。在圆形圈内，2亿度的温度下，氘氚气体相遇爆炸成功，产生了200千瓦的能量，虽然只维持了1.3秒，但这为人类探索新能源——核聚变能的实现迈进了一大步。这是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚变反应距实际应用还有相当大的距离，技术上尚有许多难题需要解决，如怎样将等离子加热到如此高的温度？高温等离子体不能与盛装它的容器壁相接触，否则等离子体要降温，容器也会被烧环，这就是如何约束问题。21世纪初有可能在该领域的研究工作中有所突破。

纳米技术向我们走来

所谓纳米技术就是在10[-9]米（即十亿分之一米）水平上，研究应用原子和分子现象及其结构信息的技术。纳米技术的发展使人们有可能在原子分子量级上对物质进行加工，制造出各种东西，使人类开始进入一个可以在纳米尺度范围，人为设计、加工和制造新材料、新器件的时代。粗略的分，纳米技术可分为纳米物理、纳米化学、纳米生物、纳米电子、纳米材料、纳米机械和加工等几方面。

纳米材料具有常规材料所不具备的反常特性，如它的硬度、强度，韧性和导电性等都非常高，被誉为“21世纪最有前途的材料”。美国一研究机构认为：任何经营材料的企业，如果现在还不采取措施研究纳米材料的开发，今后势必会处于竞争的劣势。

纳米电子是纳米技术与电子学的交叉形成的一门新技术。它是以研究纳米级芯片、器件、超高密度信息存储为主要内容的一门新技术。例如，目前超高密度信息存储的最高存储密度为10[12]毕特／平方厘米，其信息储存量为常规光盘的10[6]倍。

纳米机械和加工，也称为分子机器，它可以不用部件制造几乎无任何缝隙的物体，它每秒能完成几十亿次操作，可以做人类想做的任何事情，可以制造出人类想得到的任何产品。目前采用分子机器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽机、微型汽车、微型发电机、微型马达、微型机器人和微型手术刀。微型机器人可进入血管清理血管壁上的沉积脂肪，杀死癌细胞，修复损坏的组织和基因。微型手术刀只有一根头发丝的百分之一大小，可以不用开胸破腹就能完成手术。21世纪的生物分子机器将会出现可放在人脑中的纳米计算机，实现人机对话，并且有自身复制的能力。人类还有可能制造出新的智能生命和实现物种再构。

“无限大”和“无限斜系统物理学

“无限大”和“无限斜系统物理学是当今物理学发展的一个非常活跃的领域。天体物理和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直到对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为本世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型已经成功地解释宇宙观测的最新结果。如宇宙膨胀，宇宙年龄下限，宇宙物质的层次结构，宇宙在大尺度范围是各向同性等重要结果。可以说具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了一定的基矗但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到解决，暴胀宇宙论也并非十全十美，事实上想一次就能得到一个十分完善的宇宙理论是很困难的，这还有待于进一步的努力和探索。

“无限大”系统物理学还有两个比较重要的问题是“类星体”和“暗物质”。“类星体”是1961年发现的，一个类星体发出的光相当于几千个星云，而每个星云相当于1万亿个太阳所发出的光，所以对类星体的研究具有十分重大的意义。60年代末，科学家们发现一个编号为3C271的类星体，一天之内它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世纪去解决。“暗物质”是一种具有引力，看不见，什么光也不发射的物质。宇宙中百分之九十以上的物质是所谓的“暗物质”，这种“暗物质”到底是什么？我们至今仍不清楚，也有待于下世纪去解决。

原子核物理和粒子物理学则属于“无限斜系统物理学的范畴，它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对粒子的研究。粒子主要包括强子（中子、质子、超子、л介子、K介子等）、轻子（电子、μ子、τ轻子等）和媒介子（光子、胶子等）。强子是对参与强相互作用粒子的总称，其数量几乎占粒子种类的绝大部分；轻子是参与弱相互作用和电磁相互作用的，它们不参与强相互作用；而媒介子是传递相互作用的。目前，人们已经知道参与强相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”组成的，但是至今不能把单个“夸克”分离出来，也没有观察到它们可以自由地存在。为什么“夸克”独立不出来呢？还有一个不能解释的问题是“非对称性”，目前我们已有的定理都是对称的，可是世界是非对称的，这是一个有待于解决的矛盾。寻找独立的夸克和电弱统一理论预言的、导致对称性自发破缺的H粒子、解释“对称”与“非对性”的矛盾，是21世纪粒子物理学研究的前沿课题之一。

从表面上看“无限大”系统物理学与“无限斜系统物理学似无必然的联系。其实不然，宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构，即可观察的宇宙范围；而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限斜微观区域的现象。其实宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性。预计21世纪“无限大”系统物理学将会与“无限斜系统物理学结合得更加紧密，即宏观宇宙物理学和微观粒子物理学整体联系起来。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的典范，实际上该模型是在粒子物理学中弱电统一理论的基础上建立起来的。可以预计，这种结合对科技发展和应用都会产生巨大的影响。

二、跨世纪科学技术的发展趋势

科学技术能否取得重大突破的关键取决于基础科学的发展。所以，首先必须重视基础科学的研究，不能忽视更不能简单地以当时基础科学成果是否有用来衡量其价值。相对论和量子力学建立时好像与其他学科和日常生活无关，直到20世纪中期相对论和量子力学在许多科学领域中引起深刻的变革才引起人们的足够重视。可以说，20世纪几乎所有的重大科技突破，像原子能、半导体、激光、计算机等，都是因为有了相对论和量子力学才得以实现。可以说，没有基础科学就没有科学技术、社会和人类的发展。

20世纪重大科技成果的成功经验证明，不同学科间的互相交叉、配合和渗透是产生新的发明与发现，解释新现象，取得科学突破的关键条件之一。例如，核物理与军事技术的交叉产生了原子弹；半导体物理与计算技术的交叉产生了计算机。可以预计，21世纪待人类掌握核聚变能的那一天，一定是核物理、等离子体物理、凝聚态物理和激光技术等学科的交叉和配合的结果。这也是21世纪科学技术的发展趋势之一。

跨世纪科学技术发展的另一个趋势是“极端化”研究。所谓“极端化”研究，包含两方面内容，一是要创造或克服某些实验的“极端化”条件才能有所突破。例如，有时实验需要超低温、超高温、超真空、超高压、超细、超净等工作条件，有时又需要克服温度、湿度、重力、磁场等环境的影响。二是科学技术研究已深入到接近“极限”与冲破“极限”才能有所突破的艰难时期。例如，高温超导临界温度Tc的提高，每提高一点都是非常困难的。