纳米计算机与分子器件
根据穆尔定律，基于硅的微电子技术最迟将于2010年达到其物理极限，制造“更快、更小、 更冷”的纳米计算机是纳米科技发展的重要推动力。从现有的研究分类，纳米计算机主要有四 个层次：
①仍继承现在计算机的冯?偌依曼结构及其信息存储和处理的基本概念，如前所述，自 下而上，采用纳米加工技术和新的物理原理研制纳米计算机，充分利用微电子技术和纳电子技 术的研究成果，将量子效应的影响考虑到集成电路的设计中。在这种计算机中，可采用单电子 晶体管、纳米光电子器件来缩小体积，克服热力学障碍。
②采用量子特性作为信息存储和处理的基本单元研制全新概念的纳米计算机，这种计算 机也称为量子计算机。量子计算机的原理和构造与传统计算机截然不同，科学家几乎是从零 开始量子计算机的研究工作。目前演示的方法需要绝对低温并对单原子进行测控，有较大难 度。量子计算机的设计是直接针对某一特定运算程式，虽不能代替传统计算机的功能，但在大 量数据查询和复杂加密领域显示神威，运算速度是现有计算机的几亿倍。
③核酸分子计算机。1994年南加州大学的Adleman和威斯康星大学的Corn尝试用 DNA分子(脱氧核糖核酸)进行数字运算，并成功地解决了一个数学问题。目前来说，这种核 酸分子计算机只处在实验阶段，且只能解决特定的问题，但它有巨大的潜力、功能却是现在的 电子计算机不可比拟的，它的运算速度极快，“分子算法”是在每一单个的分子上并行工作的， 这就意味着它能在瞬间同时进行数千万亿次的运算，其几天的运算量就相当于计算机问世以 来世界上所有计算机的总运算量；它的存储容量非常大，1立方分米的DNA溶液可以存储 1万亿亿位二进制的数据，超过目前所有计算机的存储容量；它的能量消耗只有一台普通计算 机的十亿分之一。如此优越的计算机是激动人心的，但它离开发和实际应用还有相当大的距 离，尚存在很多现实性的技术难题需要解决。
生物分子计算机并不是要与电子计算机竞争，分子计算机的观念拓宽了人们对自然计算 现象的理解，特别是生物学基本算法的理解。核酸分子计算机的观念向现代计算机科学和数 学提出了挑战，它所蕴含的理念可能使计算方式发生进化，可能有助于寻找并学习人脑这种奇 妙的生物计算机的工作原理。
④完全采用分子器件的分子计算机。这种计算机的基础是制造出单个的分子，其功能与 三极管、二极管及今天的微电子电路的其他重要部件完全相同或相似。但目前面临的一个问 题是制造能够像晶体管一样工作的分子器件。
从目前的研究结果来看，与目前基于硅的传统微电子器件相比，分子器件至少有以下 优点：
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①突破硅电路的物理极限，体积最小，因而符合未来计算机“更小、更快、更冷”的要求。
②硅片是一种集合的功能，要依靠后加工，即光刻、掺杂等工艺，否则它不具备工作特性。 而有机分子器件的功能则是与生俱有的，大块材料切小到纳米尺寸，以至于小到1个分子，仍 具有原来的特性。
③目前研究的分子开关元件，通过两种不同状态的电流流动所测得的开/关比远大于 1 000，相比之下，固态器件中相类似的元件（即谐振隧道二极管）却只具有100左右的/开 关比。
④分子存储单元保持所存储的比特（电荷）的时间几乎达到了 10 min。而普通的硅动态 随机存取存储部件(DRAM)只能保留比特几毫秒的时间（为保持数据，必须由外部电路频繁 地刷新硅DRAM)。
纳米光电子器件
硅是微电子器件的主要材料，它具有其他半导体材料无可比拟的优越性。但硅又是一种 间接带隙的半导体，它的发光效率极低。纳米硅发光现象,为在硅片上实现光电集成打开了一个 新的思路，因为用光互联代替目前所采用的电互联，将大大改善集成电路的性能，提高计算机的 速度。因此硅纳米结构已经成为复兴硅大规模集成技术的最有兴趣和挑战性的研究方向。
事实上，今天的半导体光电子器件几乎都是基于在一个方向上具有纳米尺寸结构（量子 阱）的基础上的。原因是量子阱结构为光电子器件，特别是为激光器带来了更好的性能。
目前最重要的研究方向GaN纳米结构及其发光器件、自组装量子点结构、纳米光子器件、 硅基纳米结构、相干光电子器件和单分子、图簇场致发射器件等。这些领域的突破有可能带来 新一代的照明光源、支撑未来信息网络的高性能光电和光子器件以及未来微电子相兼容的新 型光电器件。
我国科学家几乎与国际上同步开展了基于纳米结构的光电研究，在自组装量子点结构及 其器件应用、固体微腔、硅基纳米人工改性等领域与国际水平相当。
纳米生物器件
生物系统虽很小，但它们异常复杂，又格外活跃。1977年麻省理工学院德雷克斯勒提出 了制造分子机器的设想，他认为将一些分子“装配”起来，模拟生物细胞中的分子活动，就能构 成像微型机器人一样的分子机器。
生物分子器件的优点是它们能够自我组装。分子自我组装就是在平衡条件下，分子自发 组合而成为一种稳定的、结构确定的、非共价键连接的聚集体、分子自组装在生命系统中普遍 存在，而且是各种复杂生物结构形成的基础。细胞本身就是“纳米技术大师”，它们在微观世界 里能极其精确地引导生化反应，将原子逐个地构建成复杂的结构，并能自我组装、自我复制、制 造物质，而这正是科学家梦想的通过纳米技术实现制造特定功能产品的希望所在。
科学家构想的第一代分子机器将是生物系统和机械系统的有机结合体，这种分子机器可 注入人体的各部位，作全身健康检查，并能疏通血管，治疗心脏血管疾病，杀死癌细胞；第二代
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生物分子机器是直接由原子、分子装配成的有各种特定功能的纳米尺度装置;第三代分子机器 将是含有生物计算机，可人机对话，并有自身复制能力的纳米装置。
尽管这些还都是科学家的设想，有些可能要等到几十年后才能实现，但毫无疑问，利用纳 米技术，生物传感器和新型成像技术的发展，能使医生对癌症和其他疾病进行早期检测和预 警。新型纳米分析工具的发展，将会促进细胞生物学和病理学的基础研究。根据已有的知识， 科学家希望在以下几个方向首先取得进展：纳米化工厂、生物传感器、生物分子计算机元件、生 物分子纳米机器人、纳米分子马达等。
纳米器件的研发将在一定的时间内沿着两条路线进行:其一，是目前微电子技术不断缩小 加工尺寸所可能导致的一些新的系统，如系统集成芯片（System On a Chip,简称为SOC)，为 此需要发展新的功能材料以及设计技术;其二，则是量子效应纳米器件，包括分子器件等。一 定时间后，两条路线可能将会合，形成纳米集成电路以及纳米计算机。