一、歷史背景
在20世紀(jì)90年代的科技報(bào)刊上，經(jīng)常出現(xiàn)“納米材料”和“納米技術(shù)”這種名詞。什么是“納米材料”呢？通俗一點(diǎn)說，就是用尺寸只有幾個(gè)納米的極微小的顆粒組成的材料。1納米為10億分之一米，用肉眼根本看不見。但用納米顆粒組成的材料卻具有許多特異性能。因此，科學(xué)家又把它們稱為“超微粒”材料和“21世紀(jì)新材料”。而納米材料并非完全是最近才出現(xiàn)的。最原始的納米材料在我國公元前12世紀(jì)就出現(xiàn)了，那就是中國的文房四寶之──墨，墨中的重要成分是煙。實(shí)際上，煙是由許多超微粒炭黑形成的，而制造煙和墨的過程中就包含了所謂的納米技術(shù)。
1984年，一位德國科學(xué)家格萊特（Gleiter）把一些極其細(xì)微的肉眼看不見的金屬粉末用一種特殊的方法壓制成一個(gè)小金屬塊，并對(duì)這個(gè)小金屬塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性能做了詳細(xì)的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種金屬竟然呈現(xiàn)出許多不可思議的特異的金屬性能和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。他制出的這種材料的特殊性在于，一般的物理概念認(rèn)為晶體的有序排列為物質(zhì)的主體，而其中的缺陷、雜質(zhì)是次要的，要盡力除去。格萊特把物質(zhì)碾成極小微粒再組合起來，實(shí)際上是把界面上的缺陷作為物質(zhì)的主體，由微小顆粒壓制成的金屬塊是一種雙組元材料，有晶態(tài)組元和界面組元，界面組元占50％，在晶態(tài)組元中原子仍為原來的有序排列，而在界面組元中，界面存在大量缺陷，原子的排列順序發(fā)生變化，當(dāng)把雙組元材料制到納米級(jí)時(shí)，這種特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì)就構(gòu)成了納米材料，由此開始了對(duì)納米材料及納米科學(xué)技術(shù)的研究。
1987年，德國和美國同時(shí)報(bào)道制備成功二氧化鈦納米陶瓷（顆粒大小為12納米），這種陶瓷比單晶體和粗晶體的二氧化鈦陶瓷的變形性能和韌性好得多。例如，納米陶瓷在180℃下能經(jīng)受彎曲變形而不產(chǎn)生裂紋，納米陶瓷零件即使開始時(shí)帶有裂紋，在經(jīng)受一定程度的彎曲變形后，裂紋也不會(huì)擴(kuò)大。1989年，美國商用機(jī)器公司（IBM）的科學(xué)家用80年代才發(fā)明的掃描隧道顯微鏡（STM）移動(dòng)氙原子，用它們拼成IBM三個(gè)字母，接著又用48個(gè)鐵原子排列組成了漢字“原子“兩字。1990年，首屆納米科學(xué)技術(shù)大會(huì)在美國成功舉行，標(biāo)志著一個(gè)把微觀基礎(chǔ)理論與當(dāng)代高科技緊密結(jié)合的新型學(xué)科──納米科學(xué)技術(shù)正式誕生了。1991年，IBM的科學(xué)家制成了速度達(dá)每秒200億次的氙原子開關(guān)。1996年，IBM設(shè)在蘇黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盤”，這種“算盤”的算珠只有納米級(jí)大小，由著名的“碳”巴基球C60制成。
二、發(fā)展現(xiàn)狀
納米技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀十分樂觀，世界各國紛紛制定發(fā)展納米科學(xué)技術(shù)的戰(zhàn)略，納米科技成為世界科技競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域。1981年日本就啟動(dòng)了第一個(gè)關(guān)于超細(xì)粒子的5年計(jì)劃，1992年，開始啟動(dòng)微型機(jī)械技術(shù)計(jì)劃，研制能進(jìn)入人體血管的微型機(jī)器人，還啟動(dòng)了“原子與分子終極利用技術(shù)”計(jì)劃，上世紀(jì)末又設(shè)立了納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技開發(fā)重點(diǎn)；美國也不甘落后，2001年在納米科學(xué)技術(shù)研究上投入50億美元，其中5億美元優(yōu)先實(shí)施新的“全國納米科技計(jì)劃”；德國建立了納米技術(shù)研究網(wǎng)，計(jì)劃投資5000萬美元建立一個(gè)科學(xué)中心，重點(diǎn)為納米技術(shù)研究；1994年，英國啟動(dòng)了第一個(gè)納米材料研究的5年計(jì)劃。
中國對(duì)納米科學(xué)技術(shù)也非常重視，中國科學(xué)院在2000年成立了由其所屬的20個(gè)研究所組成的中國科學(xué)院納米科技中心，開通了納米科技網(wǎng)站（http：//www．casnano．net．cn、http：//www．casnano．org．cn、http：//www．casnano．com．on），并在化學(xué)研究所建成納米科技樓。納米科技中心圍繞納米科技領(lǐng)域的重點(diǎn)問題和國家、院重大科技計(jì)劃，組織分布在不同領(lǐng)域不同單位的科技工作者，利用納米科技網(wǎng)站納米科技中心研究實(shí)體，實(shí)現(xiàn)有關(guān)科技信息、技術(shù)軟件和儀器設(shè)備的共享，在中科院知識(shí)創(chuàng)新工程中，將納米材料列入首批20個(gè)重大項(xiàng)目之一，支持力度為2000萬元人民幣。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在納米科學(xué)研究方面，中國論文總數(shù)（以2000年科學(xué)引文索引SCI為準(zhǔn)）繼美、日、德之后位于世界第4位，在碳納米管方面論文居世界第三。
隨著納米科技的發(fā)展，人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到，只要控制結(jié)構(gòu)顆粒的大小，就能制造出強(qiáng)度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米材料。納米材料無與倫比的特性，使它在無數(shù)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。
三、應(yīng)用前景
由于納米材料的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得納米材料在許多領(lǐng)域呈現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的特性，“納米材料”“納米技術(shù)”不再是科學(xué)家或?qū)嶒?yàn)室的專有詞匯，它已經(jīng)悄然進(jìn)入尋常百姓生活，滲透到衣、食、住、行等領(lǐng)域。因此，納米材料具有十分廣泛的應(yīng)用前景。
作為磁性材料的應(yīng)用 磁性超微粒由于尺寸小、具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高等特性，已被用做高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡等。用這樣的材料制作的磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。此外，磁性納米材料還可用做光快門，火光調(diào)節(jié)器、病毒檢測(cè)儀等儀器儀表，復(fù)印機(jī)墨粉材料以及磁墨水和磁印刷材料等。
作為傳感器材料及微電子器件材料的應(yīng)用 傳感器是超微粒的最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一，例如，用納米二氧化錫膜制成的傳感器，可用于可燃性氣體泄露報(bào)警器和濕度報(bào)警器。用金超微粒沉積在基板上形成的膜可用做紅外線傳感器，金超微粒膜的特點(diǎn)是可見至紅外整個(gè)范圍的光吸收率都很高。大量紅外線被金屬膜吸收后轉(zhuǎn)變成熱，由膜和冷接點(diǎn)之間的溫差可測(cè)出溫差電動(dòng)勢(shì)，因此可制成輻射熱測(cè)量器。
作為跨世紀(jì)的新材料，納米材料將用于下一步的微電子器件，使未來的電腦、電視、衛(wèi)星、機(jī)器人等的體積變得越來越小。例如，北京大學(xué)用單壁碳納米管做成了世界上最細(xì)、性能最好的掃描探針，獲得了精美的熱解石墨的原子形貌像；利用單壁短管作為場(chǎng)電子顯微鏡（PEM）的電子發(fā)射源，拍攝到過去認(rèn)為不可能獲得的原子像；復(fù)旦大學(xué)已經(jīng)研制出50納米的新材料，居國際領(lǐng)先地位，這些材料將用于制造電子器件中的極板、存儲(chǔ)器和導(dǎo)線。電子通訊方面，納米技術(shù)將使電子元件體積更小、速度更快、能耗更低，可以制造出存儲(chǔ)密度和運(yùn)算速度比現(xiàn)在大3至6個(gè)數(shù)量級(jí)的全頻道通訊工程和計(jì)算機(jī)用器件。1999年，美國喬治亞理工學(xué)院電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室主任王中林教授與其他科學(xué)家發(fā)明了電子秤，電子秤的發(fā)明打開了納米科學(xué)與技術(shù)的新研究領(lǐng)域，對(duì)生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究來說，它可以測(cè)量單個(gè)病毒或生物大分子的質(zhì)量，從而提供一種用質(zhì)量來判別病毒種類的新方法，開辟了在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)上有應(yīng)用前景的納米測(cè)量技術(shù)的新天地。
納米材料在催化方面的應(yīng)用 超微粒的表面有效活性中心多，這就為做催化劑提供了基本條件。在高分子聚合物的氫化和脫氧反應(yīng)中，納米銅粉催化劑有很高的活性和選擇性；在汽車尾氣凈化處理的過程中，納米銅粉作為催化劑可以用來部分代替貴金屬鉑和銠。
作為光學(xué)材料的應(yīng)用 納米微粒具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，使得用納米材料制備的光學(xué)材料在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在現(xiàn)代通訊和光傳輸方面占有極其重要的地位。用納米微粒做光纖材料可以降低光導(dǎo)纖維的傳輸損耗。納米微粒在紅外反射材料上的應(yīng)用主要是制成薄膜和多層膜來使用，有納米微粒制成的紅外膜有透明導(dǎo)電膜、多層干涉膜。例如，用納米二氧化硅和納米二氧化鈦微粒制成的多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，社在燈泡罩的內(nèi)壁，不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外反射能力。
在醫(yī)學(xué)、生物工程方面的應(yīng)用 納米技術(shù)引入現(xiàn)代醫(yī)學(xué)即形成了載藥納米微粒，納米微、粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑，即利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療等。日本大版科學(xué)家使用激光技術(shù)，用合成樹脂制成了迄今為止世界上最小的牛、他們這樣做是為今啟使用納米技術(shù)制造能在血管中移動(dòng)的“納米機(jī)器”做準(zhǔn)備，這是因?yàn)榕Ｓ泻芗獾募饨�，周身既有平滑部分，又有彎度很大的部分，�?duì)制作技術(shù)提出了挑戰(zhàn)，能完美選出“納米牛”，也就能造出各種各樣的納米機(jī)器。與此同時(shí)，大阪的科學(xué)家用同樣的方法造出了一個(gè)“納米彈簧”，科學(xué)家希望，這樣的彈簧能成為未來納米機(jī)器的部件。
復(fù)合材料的應(yīng)用 納米材料在復(fù)合材料的制各方面也有廣泛的應(yīng)用。例如把金屬的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中可大大改善材料的力學(xué)性能，將金屬超微粒摻入合成纖維中可防止帶靜電，在塑料中摻入金屬超微粒可不改變其強(qiáng)度而控制其電磁性質(zhì)等。超微粒也有可能作為梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷和金屬的復(fù)合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達(dá)1000℃的航天飛機(jī)隔熱材料，核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料等。據(jù)《科技日?qǐng)?bào)》報(bào)道，日本大阪大學(xué)研究人員最近把有機(jī)化合物“環(huán)糊精”與無機(jī)硅化合物結(jié)合在一起，加以燒結(jié)，制作出了具有新物質(zhì)特性的納米材料。如果再對(duì)這種有機(jī)──無機(jī)復(fù)合物質(zhì)進(jìn)行燒制，其中的碳和氫被燃燒掉后，就會(huì)在納米級(jí)別上合成氧化物陶瓷；而在氬等非活性氣體中，再提高溫度進(jìn)行燒結(jié)，這種復(fù)合物質(zhì)還能夠被制成碳納米管。
人們對(duì)納米材料的物理、化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究，目前納米材料的某些應(yīng)用已進(jìn)入了工業(yè)化的生產(chǎn)階段，但一些新的應(yīng)用領(lǐng)域還需要進(jìn)一步開拓。從國內(nèi)外納米材料的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用的形勢(shì)來看，納米材料的工業(yè)生產(chǎn)和廣泛的應(yīng)用正處在重大突破的前夕。在中國，尤其是以碳納米管為代表的準(zhǔn)一維納米材料及其陣列方面做了有影響的成果。
納米技術(shù)的發(fā)展對(duì)人類的生活產(chǎn)生了巨大影響，我們應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到，納米時(shí)代的到來還需要許多科學(xué)家的長(zhǎng)期不懈努力，有人曾擔(dān)心說：“納米時(shí)代一旦來臨，人類的正常生活將不復(fù)存在”，這正如法國科學(xué)院院土、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者喬治?夏伯克（Georses Charpark）博士在北京師范大學(xué)“教育報(bào)告會(huì)”上所說的：人們怕核武器，是因?yàn)槿藗儾涣私夂宋淦鳎?dāng)人們一旦掌握了核武器，就自然不怕核武器。同樣，當(dāng)人們掌握了納米技術(shù)，它就會(huì)按人類的意愿服務(wù)于人類。
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