科学网—最后的物理学
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2026-5-2 16:26
| 系统分类: 科研笔记
最后的物理学---纳米科学
张武昌2026年5月2日 周六
引子
1492年，哥伦布发现新大陆。
大约1590年，显微镜由荷兰眼镜制造商汉斯·李普希和扎卡里亚斯·詹森共同发明制作。
1795年，法国正式定义了“ 米 ”作为地球子午线长度的千万分之一，而毫米作为米的派生单位，也随之诞生。
1867年，"微米"一词由法国物理学家查尔斯·雷纳德在引入科学界。微米源自希腊语单词“mikros”，意为小。雷纳德的意图是创建一个可以普遍用于测量小距离的标准化单位，被定义为一百万分之一米，或0.001毫米。
1914年，“纳米”的概念由 理查德· 齐格蒙迪 （1925 年诺贝尔化学奖获得者）提出。他是第一个使用显微镜测量颗粒（例如金胶体）大小的人，因此创造了纳米一词来表征颗粒大小。
1 m=10^3 mm(millimeter(毫米)=10^6 um(micron微米)=10^9 nm(nanometer纳米)=10^12 pm(picometer 皮米\微微米)
光学显微镜划分宏观世界和微观世界
人眼可直接分辨的最小物体尺寸约为10~50微米，人眼的极限分辨率由视网膜上视锥细胞的间距和光学衍射限制决定。黄斑区视神经细胞直径约为0.001~0.003毫米，通常取0.006毫米作为分辨率参考值，对应的视角约为1角分（1/60度）。在25厘米的明视距离下，这意味着人眼可以分辨相距约0.1毫米（100微米）的两个物体。
小于100微米，就需要显微镜才能看见，显微镜叫microscope，所以用显微镜看见的东西被称为微观物体microscopic，所以对宏观世界和（广义）微观世界的划分开始于1590年左右。
原子的尺度和微（观）物理
按照常理，人们对物体的了解应该从大及小，逐渐从光学显微镜主导的 0.1-100微米向更小尺度发展。
但是1897年电子的发现和后来射线的发现使得科学一下从0.1微米以上进入到0.1纳米以下。从此， 微观物理 横空出世，微观物理的英文词为 microphysics ，没有scopic，所以原意是微物理，不是微观物理，主要是原子尺度以小的particle的性质研究，注意这个particle在这个语境中翻译成中文是粒子(微观粒子)。与此相对的尺度（大于原子尺度）的物理自然而然为宏观物理。原子尺度以上的particle则被翻译成颗粒。
量子力学建立之后，人们对原子结构的认识是核内质子加中子，核外电子分为不同的层级和能级，每个能级最多放两个电子，原子的大小就是电子云的大小。
随着原子序数的增加，静电吸引力会将电子云吸引向原子核，电子云变小，原子变小。当原子序数继续增加，电子层级增加，原子就会突然变大，在同一层级内，随着原子序数增加，原子继续变小。
由此类推，在元素周期表内，在同一周期内左侧的原子大，右侧的原子小。在同一列内，下面的原子大。总体来看，第二号元素氦的原子最小，半径为31 皮米，第一号元素氢的原子半径为37皮米，直径为80 皮米（0.08 纳米）。金的原子半径为128皮米，直径为0.26纳米，1纳米含有5个金原子。
平均而言，原子的直径大约为100皮米，0.1 纳米（10^-10米）。
0.1纳米即10^-10米，这个长度有一个专有称呼为埃米（Ångstrom，符号为Å），用于描述原子和分子尺度。
埃米或简称埃虽然和原子的英文词atom相近，便于记忆。但是它们两者的一致只是一个巧合。埃米的名称起源于1868年，那时候还不知道原子的大小。瑞典物理学家 Anders Jonas Ångström（1814–1874）是最早成功测量电磁波长的科学家，曾将1000条太阳光谱线的波长做了测量，1868年发表的《关于太阳光谱的研究》一文，并制作了波长表，所用的单位就是10-8厘米，即“埃”。为纪念埃斯特朗的功绩，1907年，在巴黎举行的国际太阳协会上确定了这一长度单位作为光的波长单位，定义为在温度15℃、760mm汞柱的大气压下，镉红线波长的1/6438.4969为1埃（Å）。
由此可见，1纳米大约有10个原子的长度，1 um大约有10 000个原子的长度。1mm 大约有 10 000 000个原子。
分子的尺度
小分子通常是指相对较小的化合物，通常由几个到几十个原子组成，长度约为几个纳米。
大分子（Macromolecule）由大量原子或较小分子等重复的结构单元通过共价键连接而成，又称高分子或高聚物，由德国化学家赫尔曼·施陶丁格（Hermann Staudinger）于1920年首次提出，专指超过1000个原子组成的化合物。
自然界中的最大分子是生物体内的生物大分子，人类细胞中最长的DNA分子约有2.5亿个碱基对，相邻碱基对间距0.34纳米（相当于一个原子），拉直后长度可达8.5厘米，质量约为2×10^-16千克。蛋白质的分子大小通常在几千到数百万道尔顿（Da），空间尺寸约2-20纳米。某些植物如小麦的DNA分子甚至接近10亿个碱基，分子量可达近一万亿。
实验室中人工合成的PG5高分子是目前已知最大的人工分子之一，是一个细长的长条状，长条直径约10纳米（相当于100个原子），分子中包含约1500万个碳原子和4000万个氢原子，总分子量高达2亿。
如果将通过共价键交联的材料如橡胶轮胎视为单一分子（广义大分子），其质量可达数吨，例如世界上最大的橡胶轮胎“泰坦”重达5.67吨。虽然这种定义较宽泛，但也体现了分子在体积和质量上的极限潜力。
从理论上，如果将通过共价键连接的原子无限扩展，可以构建极其巨大的分子。例如，一个由10^77个亚甲基（—CH2—）组成的大环，其周长约1.33×10^43亿光年，半径约4.23×10^42亿光年，总质量约2.338×10^51千克。在这种尺度下，分子仍可存在而不会因自身引力坍缩，因为碳原子间的共价键远强于引力作用。
分子之间的距离
分子间的作用力（主要是范德华力）使得分子（含单原子分子）堆叠堆积形成物质，分子堆积后造成的分子间距是由分子间作用力决定的。气体分子间相互作用力较小，对分子的束缚能力很小，因此分子间距离很大，大约为1纳米（大于原子的直径）。固体分子间作用力很强，分子只能在某个平衡位置附近做小幅的热振动，不能自由移动，分子间距离的约为0.1 纳米（注意氢原子直径为0.08纳米，可以穿越固体）；液体介于二者之间，与固体更为接近。乙醇的分子间距为0.3-0.5纳米，液态石油的分子间距为04-0.6纳米，甘油的分子间距为0.45纳米，液氮的分子间距为0.35纳米，夜溴的分子间距为0.32-0.38纳米，液苯的分子间距为0.42纳米，液态二氧化硫分子间距为0.38纳米。
分子束研究开启纳米科学和技术
从广义讲，物质就是不同大小的particle，比原子小的particle称为粒子，比原子大的particle叫颗粒。从原子到分子到颗粒到小行星到行星到恒星到星系在物理学上都可以称为（简化）为颗粒。
肉眼看到的最小尺度为0.1毫米，大于这一尺度为宏观，小于这一尺度为（广义）微观。
光学显微镜看到的最小尺度为0.1微米（100纳米），0.1 微米-0.1 毫米之间的尺度称为（狭义）微观，这一尺度的颗粒称为微米颗粒。
1930年代，透射电子显微镜发明，才使得按照常理的从大到小的发展规律得以延续，开始纳米尺度的研究，分子束研究因为斯特恩盖拉赫实验的成功称为单分子研究领域的重要技术支撑。
至此（1930年代），物理学的尺度从宏观向微观方向进入到0.1微米尺度，从微观向宏观方向进入到原子尺度（0.1纳米），0.1 纳米-100 纳米之间的尺度称为纳观nanoscopic，在单一维度上大约为1-1000个原子，这一尺度的颗粒为纳米颗粒，这一尺度上的研究为纳米科学。
物理学研究从分子束的单原子研究和电子显微镜两个方向向纳米科学合拢，进入到最后的物理学。
分子由单个分子堆叠成包含单分子，2分子，3分子，------n分子的particle。 在此过程中，分子间的作用力导致分子之间形成不同的空间结构和尺度（size），因此在从1个分子到n个分子的连续谱上，物质的性质是不同的。
根据Becker (1986)的论文，1956年，Becker等人在分子束研究中发现了多个分子组成的颗粒，虽然这一现象对以产生单分子为目的的分子束研究是不利的，但是科学家迅速发现这是研究多分子粒子的重要手段，开始了多分子颗粒研究的新方向。
E.W. Becker, On the history of cluster beams , in: F. Trager, G. zu Putlitz (Eds.), Proceedings of the International Symposium On Metal Clusters– 1986, Springer-Verlag, Berlin, 1986, p. 1.
1966年，美国无机化学界的权威Cotton教授提出这些多分子的颗粒称为团簇 (cluster)，他定义团簇为具有金属-金属键的多核化合物。后来徐光宪院士把团簇定义为“以三个或三个以上的有限原子直接键合组成多面体或确定点多面体骨架为特征的分子或离子”。卢嘉锡院士（曾任中国科学院院长）翻译"clusters"为原子簇，"cluster compound"为原子簇化合物，而"transition metal cluster"则指过渡金属簇合物。
到目前为止,对于团簇的定义和范围，还没有一个全面、统一的概括，尤其是团簇的分子之间是共价键还是范德华力还没有一致的看法。
团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太小，用小块固体描述又显得太大，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。因此，人们把团簇看成是介于原子、分子与宏观固体物质之间的物质结构的新层次， 是各种物质由原子分子向大块物质（bulk matter, bulk mass）转变的过渡状态。
团簇科学研究的基本问题是弄清楚团簇如何由原子、分子一步一步演化而成，以及随着这种演化，团簇的结构和性质如何变化，具体当尺寸多大时，过渡成宏观固体。在这一过程中，10个原子以下的团簇与原子端和宏观颗粒的区别最大，称为 纳米团簇 。纳米团簇（Nanocluster）：由数个至数百个原子或分子组成，尺寸通常小于3 nm，粒径可小至0.5 nm，接近电子的费米波长，因此表现出明显的量子化行为和荧光特性。团簇的物理和化学性质随原子数目变化而非连续变化，属于原子/分子与固体之间的过渡状态。
大于纳米团簇（尺寸在1-100 nm）的固态颗粒称为（狭义）纳米颗粒（Nanoparticle），通常由大量原子组成，表现出连续的尺寸依赖性物理性质，如表面能、磁性和光学特性。纳米颗粒体积较大，稳定性高，一般不显示荧光。
现代 纳米技术是 1965 年诺贝尔物理学奖获得者 理查德· 费曼 (Richard Feynman) 的智慧结晶。 1959 年在加州理工学院的美国物理学会会议上，他发表了题为“底部有很多空间” 《There's Plenty of Room at the Bottom》的演讲，介绍了在原子水平上操纵物质的概念。
1974年，在费曼的演讲将近 15 年后，日本谷口纪夫教授（Norio Taniguchi）率先使用“nano-technology”“纳米技术”来描述发生在纳米量级的半导体工艺。他主张纳米技术包括一个原子或一个分子对材料的加工、分离、固结和变形。
纳米技术的黄金时代始于 1980 年代，
1981年，格尔德·宾宁（Gerd Binnig）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明了研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope,STM），为我们揭示了一个可见的原子、分子世界，对纳米技术发展产生了积极促进作用，1986年Binnig和Rohrer也因此被授予诺贝尔物理学奖；
1985年9月，克罗托Kroto、斯莫利Smalley和科尔Curl提出了一种全碳分子，这是除了石墨和金刚石之外的碳的第三种同素异形体，这一发现于1985年11月14日以《C60：巴克明斯特富勒烯》为题发表在《自然》杂志上，标志着富勒烯的神秘面纱被揭开，并获1996诺贝尔化学奖。
1986 年，麻省理工学院 (MIT) 的 Eric Drexler 使用了 Feynman 的“底部有很多空间”和谷口在提出的纳米技术术语，出版图书“创造的引擎：即将到来的纳米技术时代”，提出了纳米级“组装器”的想法，它能够构建自身和其他任意复杂项目的副本。
1990年，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，这标志着纳米科学技术的正式诞生。
1991年，饭岛澄男教授在《自然》杂志上宣布观察到纳米碳管，由此开拓出一维纳米材料的全新研究领域，为推动纳米科技的发展作出了巨大贡献。
此后，纳米科学方向又有几个诺贝尔奖。
2007诺贝尔物理学奖：纳米级多层膜——巨磁阻GMR
2010诺贝尔物理学奖：亚纳米级单层碳原子——石墨烯Graphene
2014诺贝尔物理学奖：纳米级多层膜技术——蓝色发光二极管LED
现在，分子束外延技术成为原子级制造的主要技术，分子束外延（MBE）是一种在超高真空条件下，通过原子或分子束逐层生长单晶薄膜的精密外延技术，可实现原子层级的厚度和组分控制。
我国在原子级制造方面也有战略布局。2024年以来，国家层面密集出台相关政策，原子级制造被列为未来制造的重点领域。
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