纳米技术及纳米材料的研究应用和发展趋势

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纳米技术及纳米材料的研究应用和发展趋势

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摘要:介绍了国内外纳米技术及纳米材料的研究与应用现状，并对纳米技术及纳米材料的研究方向和发展趋势进行了论述。

关键词:纳米技术;纳米材料;应用;发展趋势

0引言

在充满生机的21世纪，信息、生物、能源、环境、制造和国防技术的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。纳米材料的使用古已有之。据研究，我国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。我国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚地了解而已。一般认为，纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1～100 nm，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。纳米科技的迅速发展将极大地促进科学技术的重大发展和革新，引发信息技术、生物技术、生态环境技术等领域的技术革命和跨越式发展,并将可能带动下一次的工业革命。纳米科技将可能与生物技术一道促进新兴产业的发展，是未来高技术产业的制高点和国民经济的动力源泉。因此，纳米科技的发展将在21世纪对社会、经济、国家安全以及人们的生活和生产方式带来巨大的影响。

1纳米材料研究的现状及应用

自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，至今已有20多年的历史，但真正成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点是在20世纪80年代中期以后。纳米材料从内涵和特点方面大致可划分为三个阶段。

第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研究在20世纪80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相材料。

第二阶段（1990~1994年）人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料。有一段时间纳米微粒与纳米微粒复合、纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物性的探索成为纳米材料研究的主导方向。

第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正在成为纳米材料研究的新的热点。国际上，把这类材料称为纳米组装材料体系或者称为纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元,在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。纳米颗粒、丝、管可以是有序或无序地排列。

如果说第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定的随机性，那么第三阶段研究的特点更强调人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性。著名诺贝尔奖获得者、美国物理学家费曼曾预言“如果有一天人们能按照自己的意愿排列原子和分子，那将创造什么样的奇迹”。就像目前用STM操纵原子一样，人工地把纳米微粒整齐排列就是实现费曼预言，创造新奇迹的起点。美国加利福尼亚大学洛伦兹伯克力国家实验室的科学家在《自然》杂志上发表论文，指出纳米尺度的图案材料是现代材料化学和物理学的重要前沿课题。可见，纳米结构的组装体系很可能成为纳米材料研究的前沿主导方向。

1.1纳米电子学、光电子学和磁学

纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍认为是70 nm左右。目前国际上最窄线宽已为130 nm，在十年以内将达到极限。如果将硅器件做得更小，电子会通过绝缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25 nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管、纳米碳管作引线和分子电线。

新概念器件的形成,单原子操纵是重要的方式。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。

利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance, TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40 nm的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域。

1.2纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒,都在1～100 nm的尺度范围，纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其他的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就像一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。

为了使学生满足企业要求，具备岗位所需的职业能力，必须转变传统教学方式。对汽车运用与维修技术专业课程的教学改革来说，可以尝试从汽车检测与维修技能竞赛入手，在课程教学中融入技能竞赛的思想和内容，将“教”“学”“做”“训”“考”融为一体，让学生在学习的过程中，既要动脑掌握丰富的理论知识，又要动手学会各种设备的操作技能。

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有:利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技，将直接应用于临床诊断、药物开发和人类遗传诊断。生物芯片植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。

纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，可以不被用于生物体，而被用于其他纳米技术或微制造。

1.3在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如，纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系，对化学、生物、核武器的纳米探测系统，提高常规武器的打击与防护能力，完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗,按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99%，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2～7 GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物、铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

1.4纳米陶瓷的补强增韧

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一。

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性，是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。20世纪90年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道，用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度在1 GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350～600 MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1 300℃氩气中退火2 h后强度提高到1.5 GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得α-Si3N4微米晶与α-SiC纳米晶复合陶瓷材料。这种材料具有良好的高温抗氧化性能，可在1 600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1 200～1 300℃）。德国科研人员最新进展是，通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-BC-N陶瓷的使用温度进一步提高到2 000℃。这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料。

1.5纳米技术在其他方面的应用

纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用。纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高100倍。用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在5 nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。

小型化本身并不代表纳米技术，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”(top down)尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”(bottom up)的方法来构建纳米器件。目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术。日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧，使功能性微器件的制备有了新的突破。另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1~2 nm的单层场效应晶体管。这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要的一步。这方面的工作现在还仅限于实验室研究阶段。

2纳米材料的发展趋势

2.1加强控制工程的研究

在纳米材料制备科学和技术研究方面一个重要的趋势是加强控制工程的研究,这包括颗粒尺寸、形状、表面、微结构的控制。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应同时在起作用，对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分，是有利的作用还是不利的作用更难以判断，这不但给某一现象的解释带来困难，同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响，如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响，这都是控制工程研究亟待解决的问题。

近两年，纳米材料控制工程的研究主要有以下几个方面:一是纳米颗粒的表面改性，通过纳米微粒的表面做异性物质和表面的修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度;二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态（连续分布还是孤立分布）来控制量子尺寸效应和渗流效应；三是通过设计纳米丝、管等的阵列体系（包括有序阵列和无序阵列）来获得所需要的特性。

2.2近年来引人注目的几具新动向

1）纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头

日本Nippon钢铁公司闪电化学阳极腐蚀方法获得6H多孔碳化硅，发现了蓝绿光发光强度比6H碳化硅晶体高100倍。多孔硅在制备过程中经紫外辐照或氧化也发蓝绿光。含有Dy和Al的SiO2气凝胶在390 nm波长光激发下发射极强的蓝绿光，比多孔Si的最强红光还高出1倍多。250 nm波长光激发出极强的蓝光。

2）巨电导的发现

美国霍普金斯大学的科学家在SiO2-Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象。当金颗粒的体积百分比达到某临界值时，电导增加了14个数量级。纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后，电导增加8个数量级。

3）颗粒膜巨磁电阻尚有潜力

1992年，纳米颗粒膜巨磁电阻发现以来，一直引起人们的关注。美国布朗大学的科学家最近在4K的温度下,几个特斯拉的磁场，R/R上升到50%。目前这一领域研究追求的目标是提高工作温度，降低磁场。如果在室温和零点几特斯拉磁场下，颗粒膜巨磁阻能达到10%，那么就接近适用的目标。目前，国际上科学家们正在这一领域努力。

4）纳米组装体系设计和制造有新进展

美国加利福尼亚大学化学工程系成功地把纳米AU颗粒组装到DM的分子上，形成纳米晶分子组装体系。美国利用自组装技术将几百支单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”，这种索具有金属特性，室温下电阻率小于10－4W/cm。将纳米三碘化铅组装到尼龙（nylon－11）上，在X射线照射下具有强的光电导性能，利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

4结语

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为第五次推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术。纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术，已是不以人的意志为转移的客观规律。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据有利地位。