一、铁钴什么是镍合纳米技术
纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的金镍金科学技术。纳米科学技术是钴合以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是空分现代科学（混沌物理、量子力学、离技介观物理、术视分子生物学）和现代技术（计算机技术、铁钴微电子和扫描隧道显微镜技术、镍合核分析技术）结合的金镍金产物，纳米科学技术又将引发一系列新的钴合科学技术，例如纳电子学、空分纳米材科学、离技纳机械学等。术视
纳米科学与技术，铁钴有时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。 1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世利用纳米技术将氙原子排成IBM
界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
编辑本段概念分类
从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。
编辑本段技术概述
1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力拼搏。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。
编辑本段发展历史
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。” 1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。理查德·费曼
著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想； 70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工； 1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用； 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生； 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等； 1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地； 1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机； 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。
编辑本段技术内容
纳米技术包含下列四个主要方面： 1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。⒉、纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。 3、纳米生物学和纳米药物学，如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（上面是老钱加注） 4、纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。
编辑本段研究应用
当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。 1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。 2、纳米技术带动了技术革命。 3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。 4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。 5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。 6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。
编辑本段测量技术
纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。一是光干涉测量技术，它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辩率，其测量方法有：双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F一P标准工具测量法等，可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。二是扫描探针显微测量技术(STM)，其基本原理是基于量子力学的隧道效应，它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子显徽镜(AFM)等。
编辑本段衰层物理力学性能的检测
各种材料的极薄表层的物理、化学、力学性能和材料内部的性能常有很大差异。而正是这极薄的表面材料在康擦磨损、物理、化学、机械行为中起着主导作用。反映在现在“信原子力显微镜——纳米测量技术
息时代”的新型“智能型”材料的出现，如计算机磁盘、光盘等，要求表层小但有优良的电、磁、光性能，而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。纳米级表层物理力学性能的检测方法主要是表层微力学探针检侧法，它是用纳米压痕的原理检测其力学性能的.其基本原理是利用金刚石针尖用极小的力在试件表面压出纳米级或微米级压痕，根据压痕的大小测出试件表层的显徽力学性能，即连续记录探针针尖加载逐步压人和卸载逐步退出试件表层的全过程的压痕深度变化。因其中包含试件表层的弹性交形，塑性变形、姗变、变形速率等多种信息，通过这些信息测出表层材料的多项力学性能。
编辑本段加工技术
纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。由于原于间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所孺要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，即所播的能t密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。近年来纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除：扫描隧道显徽技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。
编辑本段粒子制备
纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。
物理方法
应用纳米技术制成的服装真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。纳米技术应用——计算机磁盘
物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
化学方法
气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。应用纳米技术制成的服装
水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、拉度易控制。溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族化合物的制备。徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。
编辑本段材料合成
自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过10年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为“21世纪新材料”，具有许多特异性能。例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，snm的金粉熔点降低到830℃，因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。加人固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。
编辑本段纳米生物学
纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。
遗传物质DNA的研究
这方面的研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。
脑功能的研究
工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。
仿生学的研究
这是纳米生物学的热门研究内容。近年取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转纳米陶瓷
。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有3onm，转速可以高达15r/min，可在1μs内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现在人们正在探索设计一种能用电位差驭动的人工鞭毛马达驱动器。日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一步用于机器人。有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元，单元尺寸仅Inm，可组装成超小型计算机，仅有数微米大小，就能达到现在常用计算机的同等性能。在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。
编辑本段组装技术
由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到人们很大的重视。纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。近年来，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行lgG归生物大分子的组装过程中，首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势，目前同美、日、德等国位于国际第一梯队的前列。虽然现在中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地，纳米技术的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。
二、纳米技术的认识
理论含义
编辑
纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品[2]。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子制造物质的技术。
从迄今为止的研究来看，关于纳米技术分为三种概念：
第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。
第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。
第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。
利用纳米技术将氙原子排成IBM
主要内容
编辑
纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科学与技术主要包括：
纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。其中，纳米物理学和纳米化学是纳米技术的理论基础，而纳米电子学是纳米技术最重要的内容。
纳米纤维
1993年，第一届国际纳米技术大会(INTC)在美国召开，将纳米技术划分为6大分支：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学，促进了纳米技术的发展。由于该技术的特殊性，神奇性和广泛性，吸引了世界各国的许多优秀科学家纷纷为之努力研究。纳米技术一般指纳米级(0.1一100nm)的材料、设计、制造，测量、控制和产品的技术[3]。纳米技术主要包括：纳米级测量技术：纳米级表层物理力学性能的检测技术：纳米级加工技术；纳米粒子的制备技术；纳米材料；纳米生物学技术；纳米组装技术等。
纳米技术包含下列四个主要方面：
1、纳米材料：当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。
如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。
过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，像铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。
为什么磁畴变成单磁畴，磁性要比原来提高1000倍呢？这是因为，磁畴中的单个原子排列的并不是很规则，而单原子中间是一个原子核，外则是电子绕其旋转的电子，这是形成磁性的原因。但是，变成单磁畴后，单个原子排列的很规则，对外显示了强大磁性。
这一特性，主要用于制造微特电机。如果将技术发展到一定的时候，用于制造磁悬浮，可以制造出速度更快、更稳定、更节约能源的高速度列车。
2、纳米动力学：主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。
理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。
3、纳米生物学和纳米药物学：如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定dna的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，dna的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。
纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。（上面是老钱加注）
4、纳米电子学：包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。
历史沿革
编辑
纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。费曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求？他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”
70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；
1981年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；
1990年，
理查德·费曼
IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM三个字母。这证明费曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。现代制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想[4]。
1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；
1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；
1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用35个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；
1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在2017年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；
到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；
2001年，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地[5]。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”进行大力的发展与其相关产业的大力扶持。
应用领域
编辑
英特尔cpu
当前纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、微电子和计算机技术、医学与健康、航天和航空、环境和能源、生物技术和农产品等方面。用纳米材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米材料还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料[6]。
1、纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米=百万分之一毫米。
2、纳米技术带动了技术革命。
3、利用纳米技术制作的药物可以阻断毛细血管，“饿死”癌细胞。
4、如果在卫星上用纳米集成器件，卫星将更小，更容易发射。
5、纳米技术是多科学综合，有些目标需要长时间的努力才会实现。
6、纳米技术和信息科学技术、生命科学技术是当前的科学发展主流，它们的发展将使人类社会、生存环境和科学技术本身变得更美好。
7、纳米技术可以观察病人身体中的癌细胞病变及情况，可让医生对症下药。
测量技术
纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。
一是光干涉测量技术，它是利用光的干涉条纹来提高测量的分辨率，其测量方法有：双频激光干涉测量法、光外差干涉测量法、X射线干涉测量法、F一P标准工具测量法等，可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。
二是扫描探针显微测量技术(STM)，其基本原理是基于量子力学的隧道效应，它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。
用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等。
加工技术
纳米级加工的含意是达到纳米级精度的加工技术。
由于原子间的距离为0.1一0.3nm，纳米加工的实质就是要切断原子间的结合，实现原子或分子的去除，切断原子间结合所需要的能量，必然要求超过该物质的原子间结合能，即所播的能量密度是很大的。用传统的切削、磨削加工方法进行纳米级加工就相当困难了。
截至2008年纳米加工有了很大的突破，如电子束光刻(UGA技术)加工超大规模集成电路时，可实现0.1μm线宽的加工：离子刻蚀可实现微米级和纳米级表层材料的去除：扫描隧道显微技术可实现单个原子的去除、扭迁、增添和原子的重组。
粒子制备
纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。
应用纳米技术制成的服装
纳米技术应用——计算机磁盘
真空冷授法：用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、位度可控，但技术设备要求高。
物理粉碎法：透过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产晶纯度低，顺粒分布不均匀。
机械球磨法：采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
气相沉积法：利用金属化合物蒸汽的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。
沉淀法：把沉淀剂加人到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料.其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备载化物。
应用纳米技术制成的服装
水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。
溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低沮热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和11一VI族化合物的制备。
徽乳液法：两：互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在徽泡中经成核，聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和接口性好，11一VI族半导体纳米粒子多用此法制备。
水热合成法——高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得到纳米粒子。其特点是纯度高，分散性好，粒度易控制。
材料合成
自1991年Gleiter等人率先制得纳米材料以来，经过10年的发展纳米材料有了长足的进步。如今纳米材料种类较多，按其材质分有：金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等等。纳米材料是超徽粒材料，被称为“21世纪新材料”，具有许多特异性能。
例如用纳米级金属微粉烧结成的材料，强度和硬度大大高于原来的金属，纳米金属居然由导电体变成绝缘体。一般的陶瓷强度低并且很脆。但纳米级微粉烧结成的陶瓷不但强度高并且有良好的韧性。纳米材料的熔点会随超细粉的直径的减小而降低。例如金的熔点为1064℃，但10nm的金粉熔点降低到940℃，snm的金粉熔点降低到830℃，因而烧结温度可以大大降低。纳米陶瓷的烧结温度大大低于原来的陶瓷。纳米级的催化剂加入汽油中。可提高内燃机的效率。
加入固体燃料可使火箭的速度加快。药物制成纳米微粉。可以注射到血管内顺利进入微血管。
疾病诊断
当前常规的成像技术只能检测到癌症在组织上造成的可见的变化，而这个时候已经有数千的癌细胞生成并且可能会转移。而且，即使是已经可以看到肿瘤了，由于肿瘤本身的类别（恶性还是良性）和特征，要确定有效的治疗方法也还必须通过活组织检查。如果对癌性细胞或者癌变前细胞以某种方式进行标记，使用传统设备即可检测出来则更有利于癌症的诊断。
要实现这一目标有两个必要条件：某技术能够特定识别癌性细胞且能够让被识别的癌性细胞可见。纳米技术能够满足这两点。例如，在金属氧化物表面涂覆可特异识别癌性细胞表面超表达的受体的抗体。
由于金属氧化物在核磁共振成像（MRI）或计算机断层扫描（CT）下发出高对比度信号，因此一旦进入体内后，这些金属氧化物纳米颗粒表面的抗体选择性地与癌性细胞结合，使检测仪器可以有效地识别出癌性细胞。同样地，金纳米粒也可以用于增强在内窥镜技术中的光散射。纳米技术能够将识别癌症类别及不同发展阶段的分子标记可视化，让医生能够通过传统的成像技术看到原本检测不到的细胞和分子。
在人类与癌症的斗争中，有一半的胜利是得益于早期的检测。纳米技术使得癌症的诊断更早更准确，并可用于治疗监测。纳米技术也可以增强甚至完全变革对组织和体液中生物标志物的筛查。癌症与癌症之间，以及癌细胞与正常细胞之间由于各种分子在表达和分布上的差异而各不相同。随着治疗技术的进步，对癌症的多个生物标志物进行同时检测是确定治疗方案时所必须的。
纳米颗粒——例如能够根据它们本身大小发出不同颜色光的量子点——可以实现同时检测多种标记物的目的。包被有抗体的量子点发出的激发光信号可用于筛查某些类型的癌症。不同颜色的量子点可与各种癌症生物标记物抗体结合，方便肿瘤学家通过所看到的光谱区分癌细胞与健康细胞。
组装技术
由于在纳米尺度下刻蚀技术已达到极限，组装技术将成为纳米科技的重要手段，受到人们很大的重视。
纳米组装技术就是通过机械、物理、化学或生物的方法，把原子、分子或者分子聚集体进行组装，形成有功能的结构单元。组装技术包括分子有序组装技术，扫描探针原子、分子搬迁技术以及生物组装技术。分子有序组装是通过分子之间的物理或化学相互作用，形成有序的二维或三维分子体系。现在，分子有序组装技术及其应用研究方面取得的最新进展主要是LB膜研究及有关特性的发现。生物大分子走向识别组装。蛋白质、核酸等生物活性大分子的组装要求商密度定取向，这对于制备高性能生物微感膜、发展生物分子器件，以及研究生物大分子之间相互作用是十分重要的。在进行lgG归生物大分子的组装过程中，首次利用抗体活性片断的识别功能进行活性生物大分子的组装。这一重要的进展使得生物分子的定向组装产生了新的突破。
除以上几种组装外，在长链聚合物分子上的有序组装、桥连自组装技术、有序分子薄膜的应用研究等技术也有进展。采用纳米加工技术还可以对材料进行原子量级加工，使加工技术进人一个更加徽细的深度。纳米结构自组装技术的发展，将会使纳米机械、纳米机电系统和纳米生物学产生突破性的飞跃。
中国在纳米领域的科学发现和产业化研究有一定的优势。现代同美、日、德等国位于国际第一梯队的前列。虽然现代中国己经建立了一定数量的纳米材料生产基地，纳米技术的开发应用也已经兴起，并初步实现了产业化。纳米要实现大规模、低成本的产业化生产，还有许多的工作要做，只有依赖大量的资金和高科技投人才能换取高额的利润回报。
生物技术
纳米生物学是以纳米尺度研究细胞内部各种细胞器的结构和功能。研究细胞内部，细胞内外之间以及整个生物体的物质、能量和信息交换。纳米生物学的研究集中在下列方面。
DNA研究在形貌观察、特性研究和基因改造三个方面有不少进展。
脑功能的研究
工作目标是弄清人类的记忆、思维，语言和学习这些高级神经功能和人脑的信息处理功能。
仿生学的研究
这是纳米生物学的热门研究内容。现在取得不少成果。是纳米技术中有希望获得突破性巨大成果的部分。
世界上最小的马达是一种生物马达—鞭毛马达。能象螺旋桨那样旋转驱动鞭毛旋转
纳米陶瓷
。该马达通常由10种以上的蛋白质群体组成，其构造如同人工马达。由相当的定子、转子、轴承、万向接头等组成。它的直径只有3onm，转速可以高达15r/min，可在1μs内进行右转或左转的相互切换。利用外部电场可实现加速或减速。转动的动力源，是细菌内支撑马达的薄膜内外的氮氧离子浓度差。实验证明。细菌体内外的电位差也可驱动鞭毛马达。现代人们正在探索设计一种能用电位差驭动的人工鞭毛马达驱动器。
日本三菱公司已开发出一种能模拟人眼处理视觉形象功能的视网膜芯片。该芯片以砷化稼半导体作为片基。每个芯片内含4096个传感元。可望进一步用于机器人。
有人提出制作类似环和杆那样的分子机械。把它们装配起来构成计算机的线路单元，单元尺寸仅Inm，可组装成超小型计算机，仅有数微米大小，就能达到现代常用计算机的同等性能。
在纳米结构自组装复杂徽型机电系统制造中，很大的难题是系统中各部件的组装。系统愈先进、愈复杂，组装的问题也愈难解决。自然界各种生物、生物体内的蛋白质、DNA、细胞等都是极为复杂的结构。它们的生成、组装都是自动进行的。如能了解并控制生物大分子的自组装原理，人类对自然界的认识和改造必然会上升到一个全新的更高的水平。
衍生产品
编辑
机器人
纳米机器人是根据分子水平的生物学原理为设计原型，设计制造可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，也称分子机器人；而纳米机器人的研发已成为当今科技的前沿热点。
2005年，不少国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米机器人这种新科技的战略高地。《机器人时代》月刊日前指出：纳米机器人潜在用途十分广泛，其中特别重要的就是应用于医疗和军事领域。
每一种新科技的出现，似乎都包涵着无限可能。用不了多久，个头只有分子大小的神奇纳米机器人将源源不断地进入人类的日常生活。中国著名学者周海中教授在1990年发表的《论机器人》一文中就预言：到21世纪中叶，纳米机器人将彻底改变人类的劳动和生活方式。
雨衣伞
纳米雨衣伞是雨伞与雨衣的结合体，纳米雨伞收伞有三折伞和直杆伞的收伞形态（简单说，收伞时有长短两种选择）。纳米雨衣可由纳米雨伞转变而成，纳米雨衣又不同于一般的雨衣，因为纳米雨衣可以保证从头到脚绝对不湿。因为纳米材料，所以这雨伞可以一甩即干，雨伞转变为雨衣后，这雨衣也只需穿着时轻轻一跳也即可全干。
防水材料
2014年8月4日，澳大利亚运用新发明的布料，制成一款具有开创性的T恤衫，不管人们怎样尝试着浸湿它，此T恤都能保持良好的防水性能。
这件叫做“骑士”(The Cavalier)的白色T恤是百分之百棉质的。虽然表面看起来平淡无奇，但是其布料运用“疏水”纳米技术应用编织而成，使得这件T恤能够有效防止大部分液体和污渍的浸入。这种T恤可以用机器清洗，其防水功能最多可承受80次清洗。它的布料有天然自净功能，任何附着在上的污渍都能用水擦洗或冲干净。
和其他含有化学物质的防水应用不同，T恤仿照的是荷叶的自然疏水特点。此布料的发明对于餐馆和咖啡厅来说可能具有革命性的影响。此外，这种布料还可以运用在医疗行业或医院等地。
潜在危害
编辑
和生物技术一样，纳米科技也有很多环境和安全问题（比如尺寸小是否会避开生物的自然防御系统，还有是否能生物降解、毒性副作用如何等等）。
社会危害
纳米颗粒的危害
纳米材料（包含有纳米颗粒的材料）本身的存在并不是一种危害。只有它的一些方面具有危害性，特别是他们的移动性和增强的反应性。只有某些纳米粒子的某些方面对生物或环境有害，我们才面临一个真的危害[7]。
要讨论纳米材料对健康和环境的影响，我们必须区分两类纳米结构：
纳米尺寸的粒子被组装在一个基体、材料或器件上的纳米合成物、纳米表面结构或纳米组份（电子，光学传感器等），又称为固定纳米粒子。
“自由”纳米粒子，不管在生产的某些步骤中存还是直接使用单独的纳米粒子。
这些自由纳米粒子可能是纳米尺寸的单元素，化合物，或是复杂的混合物，比如在一种元素上镀上另外一张物质的“镀膜”纳米粒子或叫做“核壳”纳米粒子。
现代，公认的观点是，虽然我们需要关注有固定纳米粒子的材料，自由纳米粒子是最紧迫关心的。
因为，纳米粒子同它们日常的对应物实在是区别太大了，它们的有害效应不能从已知毒性推演而来。这样讨论自由纳米粒子的健康和环境影响具有很重要的意义。
更加复杂的是，当我们讨论纳米粒子的时候，我们必须知道含有的纳米粒子的粉末或液体几乎从来不会单分散化，而是具有一定范围内许多不同尺寸。这会使实验分析更加复杂，因为大的纳米粒子可能和小的有不同的性质。而且，纳米粒子具有聚合的趋势，而聚合的纳米粒子具有同单个纳米粒子不同的行为。
健康问题
纳米颗粒进入人体有四种途径：吸入，吞咽，从皮肤吸收或在医疗过程中被有意的注入（或由植入体释放）。一旦进入人体，它们具有高度的可移动性。在一些个例中，它们甚至能穿越血脑屏障。
纳米粒子在器官中的行为仍然是需要研究的一个大课题。基本上，纳米颗粒的行为取决于它们的大小，形状和同周围组织的相互作用活动性。它们可能引起噬菌细胞（吞咽并消灭外来物质的细胞）的“过载”，从而引发防御性的发烧和降低机体免疫力。它们可能因为无法降解或降解缓慢，而在器官里集聚。还有一个顾虑是它们同人体中一些生物过程发生反应的潜在危险。由于极大的表面积，暴露在组织和液体中的纳米粒子会立即吸附他们遇到的大分子。这样会影响到例如酶和其他蛋白的调整机制。
环境问题
主要担心纳米颗粒可能会造成未知的危害。
社会风险
纳米技术的使用也存在社会学风险。在仪器的层面，也包括在军事领域使用纳米技术的可能性。（例如，在MIT士兵纳米技术研究所[1]研究的装备士兵的植入体或其他手段，同时还有通过纳米探测器增强的监视手段。
在结构层面，纳米技术的批评家们指出纳米技术打开了一个由产权和公司控制的新世界。他们指出，就象生物技术的操控基因的能力伴随着生命的专利化一样，纳米技术操控分子的技术带来的是物质的专利化。过去的几年里，获得纳米尺度的专利像一股淘金热。2003年，超过800纳米相关的专利权获得批准，这个数字每年都在增长。大公司已经垄断了纳米尺度发明与发现的广泛的专利。例如，NEC和IBM这两家大公司持有碳纳米管这一纳米科技基石之一的基础专利。碳纳米管具有广泛的运用，并被看好对从电子和计算机、到强化材料、到药物释放和诊断的许多工业领域都有关键的作用。碳纳米管很可能成为取代传统原材料的主要工业交易材料。但是，当它们的用途扩张时，任何想要制造或出售碳纳米管的人，不管应用是什么，都要先向NEC或者IBM购买许可证。
三、我国的人工合成金刚石
沈才卿
作者简介：沈才卿，中宝协人工宝石专业委员会第一届副主任委员，第二、三届常务副主任委员兼秘书长，核工业北京地质研究院成矿模拟实验室高级工程师。
一、金刚石的性质
金刚石的化学成分是碳（C），可含有硼和氮等杂质。
结晶状态：晶质体。
晶系：等轴晶系，常见八面体、菱形十二面体、立方体等晶形，晶体常发育阶梯状生长纹、生长锥或蚀象。
常见颜色：①白色系列，无色至浅黄、浅褐；②彩色系列，深黄、褐、灰色，浅至深的蓝、绿、橙黄、粉红、红、紫红色，偶见黑色。
光泽：金刚光泽。
摩氏硬度：10。
密度：（3.52±0.01）g/cm3。
光性特征：均质体，偶见异常消光。
折射率：2.417。
双折射率：无。
色散率：0.044。
紫外荧光：长波下荧光从无至强均有，荧光颜色有蓝色、黄色、橙黄色、粉色等，短波较长波的荧光弱。
特殊性质：钻石热导率高于所有其他物质（最近人工合成的碳硅石除外），另外，发光性较特殊，将钻石置于日光下暴晒后，会发出淡青蓝色的磷光；在X射线照射下大多数发天蓝色或浅蓝色荧光，极少数不发荧光；在阴极射线下发蓝色或绿色光。
无论是天然金刚石还是人工合成金刚石，它们对所有的酸都是很稳定的，甚至在高温下酸也不能在金刚石晶体上显示出任何作用；但是，金刚石在碱、含氧盐类和金属等溶体中，很容易受浸蚀。由于金刚石的成分是碳，所以在纯氧中温度达到700～780℃可燃烧；在空气中不断加热至800～1000℃时也可燃烧；在真空中800～1700℃条件下，仅在结晶表面的薄层有石墨化，内部无变化；在惰性气体中，约1700℃以上时，整个结晶体迅速发生石墨化，最后成为石墨粉末，石墨化的开始温度随结晶体而异，在1600～1800℃之间。金刚石的熔化温度为（3700±100）℃。有缺陷的金刚石晶体，在加热时往往破裂，但结晶完好的金刚石晶体可以加热到1800～1850℃，且可急速冷却，此时它们不仅没有被破坏，反而由于消除了局部应力而使晶体得到强化。
最常见的金刚石晶体是八面体，其次是斜十二面体，真正的立方体是很少的。金刚石的硬度最高，却很容易裂开，它最容易沿晶体面网间距最大的（111）面裂开，这个面也称金刚石的“解理面”，著名的金刚石“库利南”原石重 3106.9克拉，就是利用金刚石的解理面劈成许多小块的。对于晶体完好、无可见缺陷的金刚石来说，将晶体劈开的压力在300～1000N/cm2之间。
二、金刚石的人工合成历史、方法和原理
1.人工合成金刚石的历史
1953年人工合成金刚石首次在瑞士 ASEA公司试验成功，但没有报道。1955年2月15日美国通用电气公司最先报道了人工生长金刚石获得成功的消息，取得了发明权。自此，世界各国纷纷进行人工合成金刚石的试验和开发，起初人们只能大量合成出细小的、质量不高的工业级金刚石，主要供工业方面应用。但人们一直在设法长出优质的金刚石大单晶。终于在1970年，美国通用电气公司宣布用晶种法、经过七天时间生长出了5～6mm的宝石级金刚石，晶体重量达1克拉左右。后来，他们致力于提高晶体生长速率的研究，只需几十小时就可生长出上述同样大小的金刚石。1992年，该公司合成出热导率比天然金刚石大2倍的超级金刚石，颗粒重量达到3克拉。南非 De Beers公司在20世纪70年代初能生长出宝石级金刚石，1987年生长出了11.14克拉的大单晶，是浅黄色、透明的宝石级八面体歪晶形金刚石，1990年又宣布生长出了14.3克拉的金刚石大单晶，资料表明，后来又合成出重30多克拉的黄—棕色金刚石晶体。前苏联科学院西伯利亚分院1990年宣布生长出了7.5mm，重1.5克拉的不同颜色的宝石级金刚石。他们是目前世界上唯一能将人工合成钻石（通常将加工好的金刚石称钻石）进入市场的国家。如今，俄罗斯与泰国的合资企业 Tairus公司生产人工合成钻石，既供裸钻又供镶嵌好的钻饰。据报道，美国向俄罗斯购买了人工合成宝石级金刚石的技术，因此，市场上也有美国生产的人工合成钻石。
2.我国的人工合成金刚石历史
我国的人工合成金刚石于 1963年获得成功，由于工艺比较成熟，还有专门生产设备的厂家，供求量又大，不少乡镇企业都能生产。据1998年统计，我国有大小人工合成金刚石厂3000家左右，年产量5亿克拉左右，但这些人工合成金刚石都比较小，只能作工业用，其质量属于工业级。对于大颗粒金刚石，曾于1974年由上海硅酸盐研究所用金属薄膜法生长出了优质金刚石大单晶，并于1977年生长出最大达4mm，重量达0.29克拉的含硼半导体金刚石大单晶，后于1985年又采用晶种法获得了直径3.2mm，重量为0.2克拉的优质人工合成金刚石大单晶。但直到现在，我国尚未进入商业生产人工合成宝石级金刚石的行列，也就是说，珠宝首饰市场上至今没有我国生产的人工合成钻石。据2002年年中的不完全统计，我国人工合成金刚石厂有4000～5000家，但生产单颗粒工业级人工合成金刚石的厂家只有450家左右，其他主要是生产聚晶金刚石或生产金刚石制品的。然而，这450家左右的人工合成工业级金刚石厂的产量较大，从消耗的原材料与触媒量估算（原材料与触媒的用量与人工合成金刚石的产量之间有一定的比例），我国人工合成工业级金刚石的年产量应当有12亿克拉左右，估算年生产能力可达15亿～20亿克拉。通过强强联合或兼并，我国目前年产量达2000万克拉人工合成工业级金刚石的厂有10家左右，最大的厂家可达年产量1亿～2亿克拉人工合成工业级金刚石。六面顶金刚石压机用的叶蜡石外形见图1，合成金刚石原料分选机见图2。
图1六面顶金刚石机用叶蜡石外形
3.我国人工合成工业级金刚石的优势与劣势
我国人工合成工业级金刚石年产达12亿克拉左右，但目前全世界年产人工合成工业级金刚石（除中国外）有7亿～8亿克拉，其中主要生产国及公司有：俄罗斯，年产 2亿克拉左右，美国，年产2亿克拉左右，De Beers公司年产2亿克拉左右，可见我国年产量的优势很大。但是，我国生产人工合成工业级金刚石的劣势也很大，主要差距有：①每一次合成金刚石产量（单产）的差距：国外达到单产600～700克拉；我国97%以上的人工合成工业级金刚石生产厂用的是六面顶金刚石压机，最少的单产仅10克拉左右，好的能达到单产30克拉左右，最好的能达到单产40克拉左右；二面顶金刚石压机单产较高，可达60克拉左右，可见与国外人工合成金刚石单产差距很大。②人工合成工业级金刚石质量的差距：人工合成工业级金刚石的质量主要有下列几方面：合成金刚石单颗粒抗压强度、晶体形态、热稳定性、抗冲击强度、粒度大小等，与国外主要生产国生产的人工合成工业级金刚石比，我国生产的人工合成工业级金刚石质量比较差。国内同类产品比较，二面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石的质量比六面顶金刚石压机生产的人工合成工业级金刚石质量好。③价格差距：我国出口的人工合成工业级金刚石以原料为主，每克拉平均销售价为10美分左右；国外的人工合成工业级金刚石原料平均售价70～80美分，最高售价可达1～2美元。价格是由产品质量决定的，这也印证了我国生产人工合成工业级金刚石的质量较差的评价。④设备的差距：国外以二面顶金刚石压机为主要生产设备，其压力相当于6000～10000t，合成腔的体积大，所以单产高；我国有97%的人工合成金刚石是用六面顶金刚石压机生产的，其优点是投资低，技术难度不高；但缺点是合成压腔小，单产低，质量差；对于二面顶金刚石压机来说，其压力比六面顶金刚石压机大，但压力相当于2500吨，比国外的二面顶金刚石压机的压力小很多，合成腔也比国外的小，所以单产比较低。我们能把压力提高吗？！难。据说主要是国内生产的相当于6000吨压力用的合成腔材料质量达不到要求。目前，国内已有单位从国外引进相当于6000吨压力的金刚石压机用以生产高质量的人工合成工业级金刚石。
图2合成金刚石原料分选机
4.我国人工合成金刚石的最新进展
1）在20世纪90年代，原国家建材部人工晶体研究所，曾用化学气相沉淀法（CVD）法生长出2mm厚、5mm边长的黑色金刚石戒面供应市场。据北京航空航天大学陈汴琨教授介绍，2006年我国某单位已能用此法生长出厚1mm左右，面积100cm2左右，重量为150克拉的金刚石块体，只不过价格还偏高，这样一块金刚石原料的价格在1万元人民币左右。
2）2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原 CO2合成金刚石”研究中，实现了在440℃的低温条件下，以CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。陈乾旺教授和同事们自行研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的CO2作原料，使用金属Na作为还原剂，在440℃和80MPa的条件下，经过12h的化学反应，终于将CO2还原成了金刚石。目前，已能生长出1.2mm的金刚石，有望达到宝石级，CO2转化金刚石的产率达8.9%,X射线衍射及拉曼光谱的分析结果都证实，这些合成的颗粒就是金刚石，它无色、透明，可与天然金刚石媲美。该工艺重复性很好，用其他碳源和还原剂也取得了成功，有关结果已申请国际专利。
5.人工合成金刚石的原理
众所周知，金刚石的化学成分与石墨相同，都是碳（C），但石墨很软，金刚石很硬，区别在于石墨为六方结构，金刚石为立方结构。要把石墨的六方结构转化成金刚石的立方结构，条件很苛刻，需2700℃温度和12.5GPa的压力。这样高的温度和压力给生产设备的制造带来相当大的困难，且转化率不高。后来人们采用了过渡族金属元素铁、钴、镍、铬、锰等组成的“触媒剂”，便可以在1200℃和4GPa下使石墨转化成金刚石。石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图见图3。
图3石墨在触媒作用下转变成金刚石的结构简图
比较转变前后的结构变化，可以看出石墨层间距缩小了大约1.3×10-10m。石墨层中的相邻原子分别相对于层平面垂直方向向上和向下位移了大约2.5×10-10m，变成相距为5.0×10-11m的双层。双层中原子间以共价键连接形成了扭曲的六边形格子，原子间距伸长为1.54×10-10m。这样，上双层的下次层与下双层中的上次层的原子彼此完全对应，且亦相距1.54×10-10m。只要原来的自由 2Pz电子成对地集中到这些相对应的原子对间形成键长为1.54×10-10m的垂直共价键，就可以变成金刚石的结构。这种转变方式显然要比把石墨中的碳原子拆散，再重新组成金刚石的转变容易得多。目前，世界各国的人工合成工业级金刚石都采用此方法，操作时采用一片高纯石墨片，一片金属触媒片交互重叠组装后放入专用装置中，再在二面顶或六面顶金刚石压机中进行合成（图4）。但我国至今没有生产宝石级合成金刚石（通常认为要达到 5mm大小的晶体）的厂家，几乎全部是工业级合成金刚石和金刚石产品深加工企业。
图4两面顶金刚石压机及产品
对于宝石级大颗粒金刚石的人工合成，一般采用金刚石作晶种，用金刚石粉代替石墨作碳源，生长腔的中间温度比两端高，必须采用金属触媒剂。晶种触媒法生长宝石级金刚石的两种不同合成腔结构如图5。
图5合成宝石级金刚石的两种不同合成腔结构
其生长工艺过程如下：腔体中部（热区）放置金刚石粉（或光谱纯石墨与金刚石粉的混合物），用镍铁（1:1）合金为触媒剂，金刚石晶种安放在两端冷区，在高温超高压条件下（5.5GPa,1300～1400℃之间），原料区的碳源迅速溶解于熔融触媒金属液中，在温度梯度30～50℃的推动下，热区中的碳向冷区的金刚石晶种方向扩散，在温度的降低过程中必然出现部分过饱和浓度的碳，这些碳沉积在金刚石晶种上，从而使晶种不断长大成金刚石大晶体，直到碳源消耗完为止。若在原料中人为加入某些杂质，就可以使金刚石着色，如加入氮（通过加入少量的钛吸附氮元素）可获得黄色或绿色；加入硼则可获得蓝色，并具有半导体性质；加入足够量的钛可使合成钻石变成无色；加入一定量的铁也可使合成钻石获得近于无色的合成钻石。在这里，触媒剂既起溶解碳的作用，又起加快金刚石生长的催化剂作用。
6.人工合成金刚石方法面面观
人工合成金刚石的方法很多，上面说的两种方法是最常用的方法。因不同的用途还有不同的方法，随着科学技术的发展也发明了一些新的合成方法，总共有数十种，下面介绍5种：
（1）爆炸法
利用烈性炸药爆炸时产生的高温高压使石墨转化成金刚石，但由于保持温度和压力的时间很短，所以形成的金刚石颗粒很小，平均粒度不到10μm，最大粒度约40μm，最佳情况下，每千克炸药能合成 60克拉金刚石微粉，产品适宜制造研磨膏，也可作为聚晶金刚石的原料。此法的最大优点是便宜、投资少、单次产量高（可达500克拉）。
（2）液中放电法
将含有触媒金属的石墨电极及空心圆筒石墨（或金属）作成两电极，浸在低蒸发热的液体介质中（如四氯化碳），空心圆筒电极与石墨电极同轴，当接通很大的电流电压时，两电极间产生火花放电，使液体产生冲击波，形成高温高压区，石墨可转化成金刚石。此法可获得0.5mm的金刚石微粉，主要缺点是产量不高。
（3）常压高温合成法
也称CVD法，这是在常压下合成金刚石的方法。此法用含碳的甲烷气体或酒精浓度的白酒作原料，在常压下经加热分解出碳原子（等离子体），在电场的作用下，游离的碳原子在金刚石籽晶表面上沉积生长出金刚石，也可以在非金刚石表面镀金刚石微粒。用这个方法生长的金刚石原来速度很慢，颗粒很细，常用于表面镀膜，例如在导弹头上用此法镀金刚石薄层。近年来，国际上对此法的研究获得了技术上的突破，生长速度大大提高，已能生长出 10克拉以上的大单晶金刚石，成为各国竞相开发的热门工艺，我国也在迎头赶超。
（4）常压真空合成法
在真空炉中放入触媒金属，再撒上石墨粉，然后抽真空加热，在900℃下恒温10h，可用于钻头和磨料的工业级金刚石就在加热的混合物中结晶析出，经过分离即可使用。
（5）还原二氧化碳合成金刚石
2003年8月14日，《宝玉石周刊》刊登了“我成功在440℃下合成金刚石”的消息。中国科学技术大学陈乾旺教授领导的研究组在关于“低温还原CO2合成金刚石”研究中，实现了在 440℃的低温条件下，以 CO2为碳源成功地合成了250μm的大尺寸金刚石，首次实现了从 CO2到金刚石的逆转变，在国际学术界引起极大反响。
三、人工合成金刚石的用途和前景
人工合成金刚石有着广泛的用途。
1）我们常见的地质勘探用金刚石钻头，切割石头和道路的金刚石锯片（图6）。加工宝石用的金刚石磨盘、金刚石微粉抛光膏，金刚石拉丝模等等都少不了金刚石，并且用量是很大的，据1975年统计资料，全世界每年金刚石用量为12.5亿克拉，其中绝大部分用的是人工合成金刚石。
图6人工合成金刚石制的锯片
除此之外，人工合成金刚石在高科技和国防工业上也有很大的用处。
2）利用金刚石的高导热性，可以用来作固体微波器件及固体激光器件的散热片，为制造微型雷达和通讯设备创造了有利条件。
3）利用Ⅱa型金刚石的半导体特性，及耐高温与散热、高硬度和抗腐蚀等优良性能，可以做金刚石整流器、金刚石三极管、金刚石温度计等，在宇宙航行中可大显身手。
4）厨具革命：在日用消费品领域，各种厨具的表面可镀上合成金刚石膜，这样，钻石的低摩擦系数使食物更不易粘在锅底；钻石的高硬度使厨具不会轻易遭到损坏等。
5）无油轴承：在现有的轴承表面镀上合成金刚石膜，可大大降低摩擦系数，不用油且不易损坏，同时可保护轴承免遭海水的腐蚀。
6）钻石窗：钻石对可见光及红外光等光谱范围内的电磁辐射是完全透明的，对高速雨滴及尘埃具有较强的抵抗力，又可迅速传导由于空气摩擦而产生的热量，这些特性使钻石在航天探测中具有重要意义。如1978年，美国先锋号宇宙探测器在对金星进行的探测中，就安装了钻石窗，由于金星的大气压是地球的近100倍，因此当探测器在金星的大气层中下降时，钻石窗既能承受巨大的热量和压力，又能使金星大气层中的红外线穿过钻石窗而不被吸收，从而使探测器能成功地测量到金星大气中的红外辐射。当时的这一钻石窗是从一块宝石级天然金刚石上切下来的，现在可以用CVD方法人工合成出类似或更大直径的钻石窗了。
7）超级计算机应用：采用数字集成电路的大型计算机的运算速度取决于信号在各块芯片之间的传送速度，人们采用了三维多芯片模块，但信号在芯片之间的高速传送会释放出大量的热量，以前用液氮来解决，现在采用芯片直接安放在高纯度的合成金刚石膜上进行散热，可大大提高超级计算机的运算速度。
由此可见，人工合成金刚石对工业的发展、科学技术的发展和国防工业的发展具有重要作用。从这里，我们也看到了人工合成金刚石或钻石的前景非常广阔。
参考文献
沈才卿，吴国忠.1994.人造宝石学.北京：中国地质大学出版社.
郭永存等.1984.金刚石的人工合成与应用.北京：科学出版社.
何雪梅，沈才卿.吴国忠.1997.宝石的人工合成与鉴定.北京：航空出版社.
何雪梅，沈才卿.2005.宝石人工合成技术.北京：化学工业出版社.
张蓓莉等.1997.系统宝石学.北京：地质出版社.
《宝玉石周刊》（报纸）2003年8月14日.
参考资料:电池黑粉回收
