纳米技术是科学及工程中最有可能产生新突破的领域，并非单纯朝向小型化的进一步发展；它代表着一个引人注目的新的尺度——物质的性质将完全由量子力学所支配——

全球的科学家们正处在一次世界范围的纳米技术竞赛中，尝试着逐个原子地搭建出具有全新性能的材料。

这一新领域的潜在回报是巨大的。其目标是在原子、或纳米（10^-9米）水平上操控物质，造出具有全新分子组织的大结构。其结果将会改变材料和设备在未来的生产方法，并带来巨大的经济利益。例如，有可能合成出自然界没有的，由纳米级的、大小与成分精确控制的构件块装配而成的材料。它们可以再被组装成比普通材料轻而坚固，并可能还具有可编程特性的更大的结构。

发展与现状

很多年前，科学家们便预计到纳米规模上存在着一个完全未知的、由新规则所支配的领域。早在1959年，诺贝尔奖得主理查德 · 费因曼（Richard Feynman）就曾提出设想：认为如果材料和设备可以在原子/分子的规模上建造的话，便会带来激动人心的发现。但在80年代之前，用于测量和操纵纳米结构的仪器尚未发明。现在扫描隧道显微镜、原子力显微镜，以及近场显微镜已可以用来开始这一进程。同时，在过去的20年间，计算机的飞速发展打开了用精密的仿真技术来帮助科学家在纳米层面上探索材料性质的方便之门。

材料性质的传统理论仅适用于100纳米这一临界尺度以上。科学家们已发现，如果结构在某一维上达不到这一临界尺度，材料的性质便往往不能照常规理论解释。科学家们正试图弄懂在单个的原子/分子和成千上万的分子之间的中间地带上所发生的这些新奇现象。现已知道的是，纳米科学所处的尺度，正是材料的性质被决定，并可被设计、改造之处。以前在诸如硬盘涂层和药物制造等领域中的技术突破，已展示了纳米技术能革新价值数十亿美元的产业。近来一些关于物质组织结构的发现发明，譬如碳纳米管、分子发动机、量子节、分子开关等，则预示了未来发展的前景。

纳米材料的新奇特性

在分子水平上改良了物理、化学，以及系统性性能的新奇的纳米材料，从一开始便格外引人注目。某些特性激起了研究者的兴趣：

· 电子间、原子间的相互作用，为纳米尺度上的变化所影响。因此，在纳米水平上构造物质，应有可能控制其基本性质，如磁导率、介电常量、催化能力等，却不需改变其化学成分。

· 生命体系具有纳米规模的系统性组织，因此应可通过在细胞内部放置人工成分和组件的方法，来制造以新结构组织的材料。根据自然界的自组装方法，更多不会引起排斥的材料将由此产生。

· 纳米规模的元件具有很大的表面积，这应当使它们在作催化剂和吸收剂、电能传输，以及向人体细胞输送药物方面发挥理想效果。

· 在纳米水平上构建的材料，可以比具有同样化学成分的普通材料更坚硬且更具韧性。科学家们认为纳米级的微粒将小得不足以具有表面缺陷，又由于具有高表面能而更坚硬，因此适于制造坚固的合成材料。

· 有了小于显微结构量级的尺度，相互作用将发生得更迅速，也就有了更高的性能和更多的能量高效系统。

现有应用与前景

尽管构筑具有三维纳米结构的系统还只能是几年之后的事，但一些在一维上具有纳米结构的电子元件已经投入了市场。其中两种具有超点阵结构：高电子活动度晶体管（HEMT）和垂直空洞选择性发射体激光器（VCSEL）。HEMT产生于美国国防部超小电子设备研究计划。90年代，美国国防部高级研究计划局（DARPA）在雷达与通信系统的微波及毫米波集成电路中，曾将HEMT设备作为主要构件；VCSEL则是70年代由东京技术协会首先展示的。经DARPA的投资和AT&T（美国电话电报公司）的革新，VCSEL在90年代转化为商业产品，被应用到光纤数据通信中去。现在该市场价值大约1亿美元，而预计未来的3至5年内将增至超过10亿美元。

在纳米尺度上结合生物学、化学和物理学技术，已经研制出了廉价的传感器来探测生化制剂，如美国西北大学研制的纳米比色传感器已能成功地检测出炭疽和肺结核病毒。据报道，该传感器与目前的技术相比更简单，且造价仅为其十分之一。

展望未来，纳米技术有其不可替代的重要性，在诸多领域都有光辉的前景。美国半导体工业协会（SIA）为处理器、传感器、记忆存储和传输设备拟定了一条发展路线，预计到2010年，便会出现小到100纳米（0.1微米）的结构。这比完全采用纳米结构的装置大，而用传统方法则无法解决。

基于纳米技术的极微小晶体管与存储芯片，将使计算机的速度与效率成百万倍地增长：大规模存储将扩展到数兆兆的记忆容量，电消耗则降至几万分之一；通信带宽可增加成千倍，可折叠显示器的亮度可增至10倍。纳米技术所引发的信息技术硬件革命将毫不逊色于30年前用微电子器件取代真空管的那次革命。纳米技术前景的另一个例子是把生物与非生物融合到相互作用着的传感器和处理器中去。