物理实验设计能力内涵的认识.doc

物理实验设计能力内涵的认识生物科学技术、信息科学技术和纳米科学技术将是下一世纪内科学技术发展的主流。究竟纳米科学研究什么内容，它会给人类社会带来什么好处呢？本刊将带您去邀游神奇的纳米世界。纳米科学是研究在千万分之一米（10-7）到10亿分之一米（10-9）内，原子、分子和其他类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工被称为纳米技术。在本世纪内，人们花了很大的力气把大千世界内各种物质的运动都还原到原子、分子的运动和性质这一层面上。用原子、分子去勾画出大千世界中的各种物质形态也取得了巨大的成功。例如，从分子结构和运动的观点来研究生物，形成了分子生物学；在原子光谱研究的基础上发明了激光；以固体电子论为基石构建了大规模集成电路；以光在固体中传播为启迪发明了光纤通讯。可以说，由原子、分子（尺寸约10-10米）为出发点，认识和改造宏观世界取得了巨大的成就。现在人们可以合成各种药物、制造出各种转基因的食品。克隆羊的出现是最为突出的代表作。同时，以大规集成电路为基础发展起来的电脑、网络更是大大地推动了科学技术的发展，甚至改变了人们的生活方式，网上购物使得女士们足不出户就可遍游一些著名的百货公司。但是，在人们企图将现代的科学技术再推进一步时，却遇到了极大的障碍，这主要是因为人们在认识上存有盲区，或者说人类知识的大厦上存在一个裂缝。在这一裂缝的一边是以原子、分子为主体的微观世界，而在另一边是人类活动的宏观世界。两个世界之间不是一般人所想像的那样直接而简单的联结，而是存在一个过渡区纳米世界。也就是说，几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质。有时这种“组合”被称为“超分子”或“人工分子”以相别于正常的原子、分子。这种“超分子”往往具有人们意想不到的性质。但是，当这些“超分子”继续长大或以通常的方式聚集成大块材料时，原有奇特的性质又会失去，真像是一些长不大的孩子。另外，人们还发现在这一崭新的世界里，电子、原子运动的规律完全不同。譬如说当我们把大规模集成电路中元件的数目继续增加，设想把元件中电极做到几个纳米粗细，几十个纳米长，就可以把芯片的运行速度和内存都提高几万倍。但是，实际上这一方面很难用现在流行的技术来实现；另一方面即使做成了这样的器件，电于在这样小的元件中运动的规律也不一样了，所有的芯片需要按照新的原理来设计。对这种由数量不多的电子、原子或分子组成的体系中新规律的认识和如何操纵或组台它们，成为当今纳米科学技术的主要问题之一。