納米是英文namometer的音譯，是物理學中的計量單位。1納米是1米的十億分之壹；相當於45個原子排列在壹起的長度。通俗地說，相當於頭發粗細的十分之壹。就像毫米和微米壹樣，納米是壹個尺度的概念，沒有物理內涵。當物質達到納米尺度，大約是1-100納米，物質的性質會突然發生變化，出現特殊的性質。這種具有不同於原來的原子、分子和宏觀物質的特殊性質的材料，被稱為納米材料。如果只是納米尺度的材料，沒有特殊性質，就不能稱之為納米材料。以往人們只關註原子、分子或宇宙空間，往往忽略了這個實際上大量存在於自然界的中間場，而之前並沒有意識到這個尺度範圍的表現。日本科學家是第壹個真正認識到其特性並引用納米概念的人。他們在20世紀70年代通過蒸發制備超微離子，發現壹種導電導熱的銅銀導體制成納米尺度後，失去了原有的性質，既不導電也不導熱。磁性材料也是如此，比如鐵鈷合金。如果做成20-30納米左右的尺寸，磁疇就會變成單磁疇，其磁性會比原來高1000倍。20世紀80年代中期，人們正式將這類材料命名為納米材料。
在充滿活力的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的快速發展必然對材料提出新的要求，元器件的小型化、智能化、高集成度、高密度存儲和超高速傳輸對材料的需求越來越少。航空航天、新型軍事裝備和先進制造技術對材料性能的要求越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術。新產品的創新將是未來10年社會發展、經濟振興和國力增強最具影響力的戰略研究領域，納米材料將是發揮重要作用的關鍵材料之壹。納米材料和納米結構是新材料領域最具活力的研究對象，對未來的經濟和社會發展有著非常重要的影響，也是納米技術應用最活躍、最接近的領域。近年來，在納米材料和納米結構方面取得了令人矚目的成就。例如，存儲密度為每平方厘米400克的磁性納米棒陣列量子盤、低成本、發光波段可調的高效納米陣列激光器、低價格、高能量轉換的納米結構太陽能電池和熱電轉換元件、用作軌道炮和鋼軌的耐燒蝕高強高韌納米復合材料的問世，充分顯示了其在國民經濟新支柱產業和高技術領域的巨大應用潛力。正如美國科學家估計的那樣，“這種人們肉眼看不到的微小物質，很可能會給各個領域帶來壹場革命。”納米材料和納米結構的應用將為如何調整國民經濟支柱產業布局、設計新產品、形成新產業和改造傳統產業註入高科技含量提供新的機遇。研究納米材料和納米結構的科學意義在於，它開辟了人們認識自然的新境界，是知識創新的源泉。由於納米結構單元的尺度(1 ~ 100 μm)相當於物質中的許多特征長度，如電子的德布羅意波長、超導的相幹長度、隧穿勢壘的厚度和鐵磁性的臨界尺寸，因此納米材料和納米結構的物理化學特性不同於微觀的原子和分子，也不同於宏觀的物體，從而提高了人們探索自然和創造知識的能力。在納米材料領域發現新現象、認識新規律、提出新概念、建立新理論，將為構建納米材料科學體系的新框架奠定基礎，也將極大地豐富納米物理、納米化學等新領域的研究內涵。在世紀之交，高韌性納米陶瓷和超強納米金屬仍然是納米材料納米結構設計領域的重要研究課題，異質、異質和不同納米元素(零維納米顆粒、壹維納米管、納米棒和納米線)的組合。納米尺度元素的表面改性已成為納米材料研究的新熱點，人們可以根據自己的意願更自由地合成具有特殊性能的新材料。利用新的物理性質、新的原理和新的方法設計納米結構器件，對傳統的納米復合材料進行改性，正在孕育新的突破。1形狀和趨勢研究納米材料的制備和應用研究中產生的納米技術很可能成為下世紀頭20年的主導技術，從而帶動納米產業的發展。世紀之交，世界上所有先進國家都從未來發展戰略的角度重新安排了對納米材料的研究。在世紀之交的關鍵時刻，迎接新的挑戰，抓住納米材料和柏樹結構項目，迅速組織科技人員圍繞國家確定的目標進行研究，是十分重要的。納米材料誕生的國家這些年所取得的成就以及在各個領域的影響力和滲透力壹直備受矚目。20世紀90年代，納米材料研究的內涵不斷擴大，領域逐漸拓寬。壹個突出特點是基礎研究和應用研究緊密聯系，實驗室成果轉化速度出乎意料，基礎研究和應用研究都取得了重要進展。美國已成功制備出晶粒尺寸為50urn的納米cu材料，硬度比粗晶cu高5倍。晶粒尺寸為7urn的鈀的屈服應力是粗晶粒鈀的5倍。高強度金屬間化合物的塑化壹直備受人們關註，晶粒的納米化為解決這壹問題帶來了希望。根據納米材料的發展趨勢及其在世紀高技術發展中的重要地位，世界發達國家政府正在部署10至15納米技術的研究計劃。1998，美國國家基金會(NSF)邀請全國科技界對納米功能材料的合成、加工和應用進行招標，作為重要的基礎研究項目。納米技術也是美國darpa(國家高級技術研究部)幾個項目中的重要研究對象。近年來，日本為納米技術的研究制定了各種計劃，如ogala計劃、erato計劃和量子功能器件的基本原理和器件利用研究計劃。1997年納米技術投資128萬美元。德國科技部幫助聯邦政府制定了從1995到2010和15發展納米技術的計劃。英國政府在納米技術的研究上投入了大量資金；1.997西歐投資1.2億美元。據1999年7月8日《自然》雜誌最新報道，納米材料的應用潛力已經引起了白宮的關註。美國總統克林頓親自過問納米材料和納米技術的研究，決定加大投入，未來三年經費支持從2.5億美元增加到5億美元。這表明，納米材料和納米結構的研究熱潮將在下壹個世紀長期持續發展。2國際趨勢與發展戰略1999年7月8日，《自然》(Nature)雜誌(400卷)發布了壹條題為“美國政府計劃加大投資支持納米技術崛起”的重要消息。在這篇文章中，報道了美國政府在三年內將納米技術研究的投資從2.5億美元增加到5億美元。克林頓總統將於明年2月向國會提交壹項支持納米技術研究的法案供批準。為了加速美國納米材料和技術的研究，白宮采取臨時緊急措施，將資助強度從原來的654.38美元+9700萬美元提高到2.5億美元。美國《商業周刊》8月19日報道，265438+10年前美國政府決定將納米技術研究列為重點領域之壹，美國《商業周刊》將納米技術列入21世紀可能取得重要突破的三個領域(另外兩個是。白宮在20世紀即將結束的關鍵時刻突然對納米材料和技術如此重視，原因有二:壹是德國科技部對201996年納米技術的市場做了壹個預測，估計達到14400億美元，美國試圖在這樣壹個誘人的市場中占據相當大的份額。美國基礎研究負責人威廉姆斯說:納米技術的原創應用遠遠超過計算機行業。白宮戰略規劃辦公室也認為納米材料是納米技術最重要的部分。《自然》的報道中特別提到，美國在納米結構組裝體系和高比表面積納米粒子的制備合成方面引領了世界潮流，在納米功能塗層的設計和改性以及納米材料在生物技術中的應用方面居世界首位，納米尺寸的組件和納米固體也要與日本壹爭高下。1999年7月，美國加州大學洛杉磯分校和惠普公司成功研制出100urn芯片，美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學在1998年成功制備出量子盤。這個盤是由磁性納米棒組成的納米陣列體系，100 bit/s大小的密度達到了109 bit/。1988年，法國人首先發現巨磁電阻效應。到1997年，美國已經出了基於巨磁電阻的納米結構器件，在磁存儲、磁記憶、計算機讀寫頭等方面將有重要的應用前景。近日，美國柯達公司的研究部門成功研究出壹種兼具顏料和分子染料功能的新型納米粉末，有望給彩色橡膠印刷帶來革命性的變化。納米粉體材料很有可能在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性方面為傳統行業和產品註入新的高科技含量，在未來市場中將占據重要份額。納米材料在醫學上的應用研究也引起了人們的關註。正是這些研究讓白宮意識到納米材料和技術將占據重要的戰略地位。第二個原因是納米材料與技術領域是知識創新和技術創新的源泉。新規律、新原理的發現和新理論的建立為基礎科學提供了新的機遇，美國計劃壟斷該領域基礎研究的“老大”地位。3國內研究進展我國納米材料的研究始於20世紀80年代末。“八五”期間，“納米材料科學”被列入國家攀登計劃。國家自然科學基金委員會、中國科學院和國家教委分別組織了8個重大和重點項目，組織相關科技人員在納米材料各個分支領域開展工作。國家自然科學基金也資助了20多個項目，國家“863”新材料主題也啟動了納米材料高技術創新研究。1996之後，納米材料的應用研究出現了可喜的跡象。隨著地方政府和部分企業家的介入，我國納米材料研究進入了基礎研究帶動應用研究的新局面。目前，我國有60多個研究群體，600多人從事納米材料的基礎和應用研究。其中，較早承擔國家重大基礎研究項目和開展納米材料研究工作的單位有:中國科學院上海矽酸鹽研究所、南京大學。中國科學院固體物理研究所、金屬研究所、中國科學技術大學物理研究所、中國科學院化學研究所、清華大學、吉林大學、東北大學、Xi交通大學、天津大學、青島化工學院、華東師範大學、華東理工大學、浙江大學、中國科學院大連化學物理研究所、長春應用化學研究所、長春物理研究所、光敏化學研究所等也開展了納米材料的基礎和應用研究。10年來，我國納米材料基礎研究取得了顯著的重要研究成果。許多物理和化學方法被用來制備金屬和合金(晶態、非晶態和納米晶)的氧化物、氮化物、碳化物和其他化合物的納米粉末，並建立了相應的設備來控制納米顆粒的尺寸，制成了納米薄膜和塊體。在納米材料的表征、聚集體的成因與消除、表面吸附與脫附、納米復合粒子與粉體的制備等方面有所創新，取得重大進展。高密度、形狀復雜、性能優越的納米陶瓷已經研制成功。納米氧化鋁晶粒在拉伸疲勞過程中應力集中區出現超塑性變形，這在國際上尚屬首次。在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應、自旋波振動等方面取得創新成果；在國際上首次發現納米類鈣鈦礦顆粒的磁轉變超過金屬GD。設計並制備了壹種新型納米復合氧化物體系，其在中紅外波段的吸收率可達92%，並已應用於紅外熱纖維中。發展了壹種通過非晶完全晶化制備納米合金的新方法。在完全致密的納米合金中發現了反常的hall-petch效應。近年來，我國在功能納米材料研究方面取得了巨大成就，引起了國際關註。首先是大面積定向碳納米管陣列的合成:化學氣相法高效制備純碳納米管的技術。該技術合成的納米管孔徑基本壹致，約20 μm，長度約100 μm，納米管陣列面積達到3mm±3mm，其定向排列度高，碳納米管間距為100 μm。這種大面積定向碳納米管陣列在平板顯示器的場發射陰極中具有重要的應用前景。本文發表於美國《科學》雜誌65438-0996期。二是超長碳納米管的制備:首次大批量制備了長度為2 ~ 3 mm的超長定向碳納米管陣列。這種超長碳納米管比現有的碳納米管長1 ~ 2個數量級。這壹成果已經發表在8月出版的英國《自然》雜誌上，1998。英國《金融時報》以“碳納米管進入漫長階段”為題介紹了長納米管方面的工作。第三，氮化物納米棒的制備:以碳納米管為模板，成功制備了直徑為3 ~ 40 μm、長度為微米量級的壹維納米棒，並提出了碳納米管限制反應的概念。這壹成果被1998評為中國十大科技新聞之壹。第四，矽襯底上碳納米管陣列的成功研制促進了碳納米管在場發射平面和納米器件中的應用。第五，成功制備了壹維納米線和電纜。這篇研究論文在65438-0998年於瑞典舉行的第四屆國際納米會議上宣讀後，許多外國科學家給予了高度評價。第六，用苯熱法制備納米氮化微晶；發現了非水溶劑熱合成技術，首次在300℃左右制備出粒徑為30 μm的氮化鋅微晶。氮化鉻(crn)、磷化鈷(cop)和硫化銻(sbs)納米晶也是由苯合成的，論文發表在Science雜誌1997。第七，催化熱解制得納米金剛石；以四氯化碳和鈉為原料，在高壓釜中中溫(70℃)催化熱解制備了納米金剛石粉末。論文發表在1998的《科學》雜誌上。美國雜誌《化學與工程新聞》也發表了壹篇題為《稻草變黃金——四氯化碳制成的鉆石(cc14)》的文章，受到了高度評價。中國在納米材料和納米結構方面的研究是在65，438+00年的工作基礎上積累起來的。在八五基礎上，初步形成了幾個納米材料研究基地。上海矽酸鹽研究所、南京大學、固體物理研究所、金屬研究所、中國科學技術大學物理研究所、清華大學和中國科學院化學研究所組成了我國納米材料和納米結構基礎研究的重要單位。無論從研究對象的視角和基礎，還是成果的學術水平和適用性，都為我國納米材料研究在國際上贏得壹席之地，推動我國納米材料研究的發展，培養高水平的納米材料研究人才做出了貢獻。對納米材料基礎研究和應用研究的銜接，加快成果轉化也有重要作用。目前和今後，這些單位仍是我國納米材料和納米結構研究的中堅力量。在過去的65，438+00年中，中國建立了多種制備納米材料的物理和化學方法，開發了65，438+00多種制備納米材料的裝置，包括氣體蒸發、磁控濺射、激光誘導cvd和等離子體加熱氣相合成，並開發了化學沈澱法、溶膠-凝膠法、微乳液水熱法、非水溶劑合成法和超臨界液相合成法。近年來，根據國際納米材料研究的發展趨勢，制備納米結構的許多方法(如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、MCM-41等。特別是自組裝和分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔向內生長等。，並成功制備了多種準壹維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進壹步研究納米結構和準納米材料的物理性質，促進其在納米結構器件中的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價方法基本完備，達到90年代末國際先進水平。綜上所述，八五期間，我國在納米材料研究方面取得了壹批創新成果，形成了壹支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占據了壹席之地，應用開發研究也出現了新的局面，為我國納米材料研究的持續發展奠定了基礎。在過去的10年中，中國科技人員在國內外學術期刊上發表了2400多篇關於納米材料和納米結構的論文，居世界第五位。其中碳納米管和納米團簇在1998歐洲文獻信息交流大會上德國馬普學會固體研究所的壹份研究報告中報道，中國科技人員發表的論文比德國多，居世界第三位，並多次召開納米材料和納米結構國際會議。到目前為止，納米材料研究已獲得1項國家自然科學獎和2項國家發明獎。院部級自然科學壹、二等獎3項，發明壹等獎3項，科技進步特等獎1項；申請專利79項，其中發明專利占50%，官方授權發明專利6項，成果轉化發明專利6項。近年來，中國納米技術工作者在國際上發表了壹些有影響的學術論文，引起了國際同行的關註和好評。在Nature和Science上發表了6篇關於納米材料和納米結構制備的論文，以及近20篇學術論文(Phys. Rev .列特，J. Ain。化學。SOC。)影響因子在6以上，365，438+0影響因子在3以上。sci和ei收錄的文章占發表論文總數的59%。1998年6月在瑞典斯德哥爾摩舉行的第四屆國際納米材料大會上，中國在納米材料方面的研究得到了高度評價，指出中國近年來在納米材料制備方面取得了令人振奮的成就。在大會總結中，選擇了8個納米材料研究方法較好的國家在閉幕式上發言，中國繼美國、日本、德國、瑞典之後在大會上發言。
4納米產業發展趨勢
(1)信息產業中的納米技術:信息產業不僅在國外發揮著重要作用，在中國也是如此。2000年，中國信息產業創造了5800億元人民幣的GDP。納米技術在信息產業中的應用主要表現在三個方面:①網絡通信、寬帶網絡通信、納米結構器件、芯片技術和高清數字顯示技術。因為無論通信、集成還是顯示器件都需要原始器件，美國已經開始研制，現在有單電子器件、隧穿電子器件、自旋電子器件，已經在實驗室研制成功，可能在2001年進入市場。②光電子器件、分子電子器件、巨磁電子器件國內還很落後，但這些原始器件進入市場還需要10年。所以中國要提前65，438+05到20年研究這些方面。③網絡通信中關鍵納米器件的研究水平，如激光器、濾波器、諧振器、微電容、微電極等。，在國內並不落後，在安徽省也是存在的。④變阻器、非線性電阻等。可以通過添加氧化鋅納米材料進行改性。
(2)環境產業中的納米技術:納米技術是降解空氣中20 nm汙染物和水中200 nm汙染物的不可替代的技術。要凈化環境，必須使用納米技術。現在我們已經成功制備了壹種可以降解甲醛、氮氧化物和壹氧化碳的設備，可以將空氣中的有害氣體從10ppm以上降低到0.1ppm，設備已經進入實際生產階段。光催化納米材料結合多孔珠已成功用於降解汙水中的有機物，對其他傳統技術難以降解的有機汙染物如苯酚也有很好的降解效果。近年來，許多公司致力於將光催化等納米技術移植到水處理行業來改善水質，已初見成效；稀土氧化鈰和貴金屬的納米組合技術在汽車尾氣處理裝置的改造上也非常有效。最近，控制淡水湖泊藻類汙染的初步研究在實驗室中取得了成功。
(3)能源和環境保護中的納米技術:合理利用傳統能源和開發新能源是我國當前和今後壹個時期的重要任務。在傳統能源的合理利用方面，主要有清潔劑和助燃劑，可以使煤充分燃燒，燃燒時自我循環，減少硫的排放，不需要任何輔助裝置。此外，還有利用納米技術改進汽油和柴油的添加劑。實際上是壹種液體小分子可燃團簇物質，具有助燃和凈化作用。國外發展新能源進展很快，就是把不可燃氣體變成可燃氣體。目前國際上主要在研發能量轉換材料，中國也在做，包括太陽能轉換成電能，熱能轉換成電能，化學能轉換成電能。
(4)納米生物醫藥:這是中國入世後最具潛力的領域。目前，國際制藥工業正面臨壹個新的決策，即在納米尺度上發展制藥工業。納米生物醫藥是從動植物中提取必要的物質，然後在納米尺度上進行組合，使療效最大化，這恰恰是中醫的思路。提取精華後，利用人體可吸收的糖、澱粉等少數骨架，使其高效釋放並靶向藥物。采用納米技術可以改善傳統藥物的性能。
(5)納米新材料:納米新材料雖然不是最終產品，但很重要。根據美國人的計算，到265438+30年代，汽車中40%的鋼鐵和金屬材料將被輕質高強度材料取代，這樣可以節省40%的汽油，減少40%的co2排放。僅此壹項每年就將為美利堅合眾國創造1000億美元的社會效益。此外，還有各種功能材料。玻璃透明度好，但重量大。用納米粒子對其進行改良，使其更輕，使這種材料不僅具有機械性能，還具有其他功能，如變色蓄光、反射各種紫外線和紅外線、吸收蓄光等。
(6)納米技術對傳統產業的改造:對於中國來說，是納米技術切入傳統產業，將納米技術與各領域技術相結合的最佳時機。首先是家電、輕工、電子行業。合肥美菱集團從1996開始研發納米冰箱。折疊式pvc磁性冰箱門封不發黴，采用抗菌塗層。裏面的果盤是由納米材料制成的。輕工業、電子和家用電器的發展可以帶動塗料、材料、電子元器件等行業的發展。其次是紡織品。人造纖維是化纖和紡織工業的發展趨勢。中國紡織要想在入世後占據有利地位，現在就必須全方位應用納米技術和納米材料。去年關於保溫被和保溫服的電視宣傳中提到了納米技術的應用，納米技術具有抗靜電、阻燃等特殊功能。當納米導電材料組裝到裏面，人體就可以在1.654，38+0.000伏的高壓下屏蔽。在這方面，納米技術在紡織工業中的應用前景廣闊。第三是電力行業。用納米技術改造20萬伏和110000伏變壓傳輸瓷瓶，可以全方位提高110000伏瓷瓶的抗電擊能力，釉面不結霜，其他綜合性能非常好；第四，建材行業的塗料和塗料，包括各種陶瓷釉料和油墨，在納米技術的介入下，可以提升產品性能。
1999年8月20日，美國《商業周刊》對生命科學與生物技術、納米科學與納米技術、從其他星球獲取能量進行了預測和評價，並指出這是人類進入21世紀的新挑戰和新機遇。諾貝爾獎獲得者勞雷爾曾說:70年代重視微米的國家，現在都成了發達國家，現在重視納米技術的國家，下壹個世紀很可能成為先進國家。挑戰嚴峻，機遇難得。我們必須更加重視納米技術的研究，重視納米技術與其他領域的交叉，加快知識創新和技術創新，為21世紀中國經濟騰飛打下堅實的基礎。
編者按:激動人心的納米時代已經到來，人們的生活將立即發生巨大變化。但是，我們也應該清醒地認識到，目前市場上真正成熟的納米材料並不多。中科院院士白春禮院士認為，“真正的納米時代還沒有到來，我們正滿懷信心地迎接納米時代的到來。”
白春禮說，“人類進入納米技術時代的重要標誌是納米器件的發展和應用水平。”納米技術發展到今天，離納米時代的到來還有多遠？白春禮說，“納米研究還有很多基礎研究，納米尺度上還有大量理論問題需要研究。納米技術的發展水平和50年代的計算機技術差不多。人類最終進入納米時代還需要30到50年。50年後，納米技術可能會像今天的計算機技術壹樣普及。”
對於納米技術，科學的態度是腳踏實地地積極參與並推動這壹前沿技術的健康發展，不做商業炒作，也不做科學投機。