纳米武器的原理和特点
第二节 纳米武器的原理和特点
1．纳米武器的原理
美国兰德公司和国防研究所在对未来技术进行充分的研究后认为。纳米技术将是“未来驱动军事作战领域革命”的关键技术。为什么纳米技术如此受宠?纳米武器的原理是什么?与传统武器相比，纳米武器到底具有哪些特点?
纳米武器就是将纳米技术运用到武器装备上，纳米武器的超性能就是纳米技术的神奇，纳米技术就是纳米武器的原理。
像砖瓦是建造楼房的基础材料一样，纳米微粒是构建纳米设备最基础的部分。因此，要想搞清纳米武器的来龙去脉就有必要弄清纳米微粒的特性。纳米微粒具有尺寸小、相对表面大;而随着粒径的不断减小，其表面会急剧变大，从而引起表面原子数的迅速增加等特性。在很大的比表面积的情况下，就使得处于表面的原子数越来越多，由此大大增强了纳米粒子的活性。大比表面积带来的纳米粒子活性，会出现一些新特性。如金属在空气中不会燃烧，而金属纳米粒子在空气中会燃烧;无机材料的纳米粒子在大气中会吸附气体，并与气体进行反应。
1993年，美国贝尔实验室在研究硒化镉的实验中发现:随着颗粒尺寸的减小，物体的颜色会由红色变为绿色，尺寸再减小的话又会由绿色变为蓝色。一些科学家就把这种发光带或吸收带由长波长移向短波长的现象称为“蓝移”;尺寸减小，能隙加宽发生蓝移的现象称为量子尺寸效应。1994年，美国加利福尼亚的伯克利实验室利用量子尺寸效应制备出了一种硒化镉可调谐的发光管。这种发光二极管就是通过控制纳米硒化镉的颗粒尺寸，来达成在红、绿、蓝光之间的变化。纳米颗粒的这种神奇功能使其在微电子学和光电子学中的地位变得极为突出。
由于纳米微粒和纳米固体具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应，使得纳米微粒和纳米固体呈现出许多奇特的物理、化学性质，甚至出现一些“反常现象”，因而迄今尚有许多领域未被人们充分认识。如金属通常为良导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现绝缘性;金属铂呈化学惰性，但制成纳米微粒后却成为活性极好的催化剂;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电;陶瓷在常温下很脆，而纳米陶瓷确有良好的韧性，等等。由于小尺寸和表面效应使得纳米微粒表现出极强的光吸收能力。金属的纳米微粒光反射能力显著下降，通常低于1%，具有这种能力的纳米微粒可以制作吸收可见光的隐身涂料。
正是由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，以及宏观量子隧道效应等特点，从而导致了纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子，这就使得它具有广阔的应用前景。
大量的研究、试验证明:纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。所谓烧结温度，是指把粉末先加压成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合，密度接近于材料的理论密度。鉴于其颗粒小，纳米微粒表面能高，表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，以及活性大和纳米微粒体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所增加的内能较多。这就使得纳米微粒熔点急剧下降。
鉴于纳米微粒尺寸小、表面能高，压制成块后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面小的孔洞收缩。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化的目的，也就是说烧结温度降低。举例来说，常规的氧化铝烧结温度是在热力学温度在1973～2073K，而纳米氧化铝只须在1423～1673K之间烧结，致密度可达99%以上。
奇异的磁特性是纳米微粒的另一个重要特性，主要体现在它的超顺磁性或高的矫顽力上。纳米微粒尺寸小到一定的临界值时，就进入了超顺磁状态。例如四氧化三铁的粒径为16纳米时，就进入超顺磁性。超顺磁性的起因在于小尺寸时，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向上，磁化方向将呈现超起伏，结果导致超顺磁性的出现。
纳米微粒的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征量相差不多。例如大的比表面使处于表面态的原子、电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同质的大块物体所不具备的新的光学特性。其中，有以下几个最突出的特性:
(1) 很强的吸收率。众所周知，大块金属都有不同颜色的光泽，表明不同的部位对可见光范围各种颜色(波长)的反射和吸收能力各不相同。当尺寸减小到纳米量级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，例如铂钠米粒子的反射率仅为1%，而金钠米粒子的反射率小于10%。这种对可见光的低反射率、强吸收率特性导致粒子变黑。
(2) 普通的蓝移现象。纳米微粒比起大块材料来，其吸收带普遍存在“蓝移”现象，也就是说吸收带移向短波方向。有关专家利用这种“蓝移”现象来设计一些波段可以控制的新型光吸收材料，致使纳米微粒可以凸显其长。(https://www.daowen.com)
(3) 新现的发光现象。在微电子学中，硅一直占据着“霸主”的地位，但美中不足的是硅不是好的发光材料。多年来，有关专家一直致力于使灰色的硅变得鲜艳夺目。非晶硅的出现及它在光电转换效率的提高上所发挥的单晶硅无法比拟的作用，使“闪光”的硅变为现实。非晶硅层管发出的光强度较弱的红外荧光人眼无法看见，但确实证明了灰色的硅由于原子状态的改变是可以“闪光”的。这一发现使硅如虎添翼，可望成为新世纪的有着重要应用前景的光电子材料。
事实证明，纳米微粒与颗粒尺寸的依赖关系极强。对同一种纳米材料，当颗粒达到纳米级时，它的电阻、电阻温度系数就都发生了变化。我们知道，银是优异的良导体，而粒径10～15纳米的银微粒电阻却突然升高，完全失去了金属的特性，变成了非导体。
一般情况下，纳米微粒为球形或类球形。但也有不少纳米微粒呈其他形状。例如镁的纳米微粒呈6角条状或6角等轴形，银的纳米微粒具有5边形、10面体形状。由于大的比表面所具有大的表面能和表面张力，使纳米颗粒的结构常常发生很大的畸变。
2．纳米武器的特点
以上介绍了纳米武器的原理——纳米技术与纳米材料，现在让我们来看看纳米武器的性能特点:
(1) 隐身性强。它们体积极小，根本无法探测，所以生来就具有隐身性，不易被发现。用量子器件取代大规模的集成电路，可使机器人控制系统的重量和功耗缩小成千倍。用纳米技术制造的微型机器人，其体积只有昆虫般大小，却能像士兵一样执行各种军事任务。由于这些微型机器人隐蔽性强，它们可以长期潜伏在敌方关键设备中。平时相安无事，战时则可群起而攻之，令人防不胜防。
(2) 武器装备系统超微型化。纳米技术使武器的体积、重量大大减小，使目前车载机载的电子战系统浓缩至可单兵携带，隐蔽性更好，安全性更高。用量子器件取代大规模的集成电路，可使武器系统的重量和功耗减小至千分之一。纳米技术可以把现代作战飞机上的全部电子系统集成在一块芯片上，也能使目前需车载机载的电子战系统缩小至可由单兵携带，从而大大提高电子战的覆盖面。用纳米技术制造的微型武器，其体积只有昆虫般大小，却能像士兵一样执行各种军事任务。
(3) 高度智能化。量子器件的工作速度比半导体器件快1000倍，因此，用量子器件取代半导体器件，可以大大提高武器装备控制系统中的信息获取、传输、存储和处理能力，并能大大提高侦察监视精度。采用纳米技术，可使现有雷达在体积缩小至数千分之一的同时，其信息获取能力提高数百倍;能够把超高分辨率的合成孔径雷达安放在卫星上，进行高精度对地侦察……纳米技术还可以使武器表面变得更“灵巧”。利用可调动态特性的纳米材料作武器的蒙皮，可以察觉极细微的外界“刺激”。用纳米材料制造潜艇的蒙皮，可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的变化，并及时反馈给中央计算机，最大限度地降低噪声、节约能源;能根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷，使潜艇及时做规避机动。用纳米材料做军用机器人的“皮肤”，可以使之具有比真人的皮肤还要灵敏的“触感”，从而能更有效地完成军事任务。
(4) 以神经系统为主要打击目标。与传统的武器不同，纳米武器以打击敌方的神经系统为主要打击目标，这是现代战争的特点和纳米武器的优势所决定的。信息技术的发展使战争形态发生了根本的变化，一方面，打击手段不断智能化精确化;另一方面，打击目标也从传统的工业生产设施转向信息系统。纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方的神经系统必然是纳米武器的首选目标，通过纳米武器所散发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。
(5) 便于大量使用。用纳米技术制造的微型武器系统，一般来说，几乎没有用肉眼看得见的硬件单元的连接，省去了大量线路板和接头，因此与其他的小型武器相比，纳米武器实现了武器系统集成化生产，使武器装备成本降低、可靠性提高，同时使武器装备研制、生产周期缩短。而运用也十分方便，用一架无人驾驶飞机就可以将数以万计的微机电系统探测器空投到敌军可能部署的地域或散布在天空中，十分容易地掌握敌人动向。而利用纳米技术生产出的纳米卫星重量小于0.1千克，一枚“飞马座”级的运载火箭一次即可发射数百颗乃至数千颗卫星，覆盖全球，完成侦查和信息转发任务。正因如此，美国战略研究所的一位科学家说:“道理很简单，如果美国十几艘航空母舰毁了四五艘，可能会重创美国军力。如果以这笔钱来发展袖珍武器，那么我们可以以量取胜，毁了一百艘袖珍舰艇或飞机，也无关痛痒。”
(6) 难以根除。它们不仅体积小，数量多，而且能够“钻”进任何角落和缝隙中，不但极难发现，就是发现了也很难把它们根除，它们就像妖魔附身，永远也不能完全摆脱，具有极高的杀伤力和心理威慑力。
正因为如此，不少军事专家宣称，由纳米技术的发展而导致的武器装备的这种微型化将在军事作战领域内引发一场真正的革命。五角大楼的武器专家预计，5年内将有第一批由这种微型武器组成的“微型军”服役，10年内可望大规模部署。
21世纪可能是成千上万种纳米武器的天下，航空母舰、轰炸机或导弹都将不是它们的对手。在未来的战场上，天上是黑压压的“蜜蜂战机”机群，地面是数不胜数的“蚂蚁大军”。数以万计的重量不足100克的微型卫星在完成对地球的全球监视信息转发;“间谍草”无处不在，使军事保密措施无能为力;“苍蝇”和“黄蜂”将敌方电子信息系统炸得体无完肤，“信息高速公路”无法通过……纳米武器将作为新概念武器中最有特色的一员，在未来战场上以“微”胜“巨”，独领风骚。