納米材料的概念、納米效應(yīng)及前沿進(jìn)展

納米材料的概念、納米效應(yīng)及其前沿進(jìn)展主要內(nèi)容：第一部分納米材料的概念第二部分納米效應(yīng)第三部分納米技術(shù)的應(yīng)用第四部分納米材料的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域第五部分納米技術(shù)的安全性評(píng)估第一部分納米材料的概念納米材料是指顆粒/晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料。一般為100~102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子；二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長(zhǎng)程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。材料的某一維、二維或三維方向上的尺度達(dá)到納米范圍（1－100nm）尺寸，可將此類材料稱為納米材料：三維尺寸達(dá)到納米級(jí)的，稱為零維材料，如納米顆粒；二維尺寸達(dá)到納米級(jí)的稱為一維納米材料，如納米管、線、納米條帶；一維尺寸達(dá)到納米級(jí)的稱為二維納米材料，如superlattice(quantumwell),thinfilms

。另外還有納米孔洞材料1990年7月在美國(guó)召開的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。第二部分納米效應(yīng)小尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)，德布羅意波長(zhǎng)，超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或與磁場(chǎng)穿透深度相當(dāng)或更小時(shí)，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性出現(xiàn)異常。如光吸收顯著增加，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變，金屬熔點(diǎn)降低，增強(qiáng)微波吸收等。舉例：利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱型飛機(jī)等。應(yīng)用：體積效應(yīng)（數(shù)量巨大）高密度磁記錄吸波材料磁流體……

舉例：熔點(diǎn)、硬度、顏色等Ag：熔點(diǎn)670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃

所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色

量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)；并且納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，使得能隙變寬的現(xiàn)象，被稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。在納米粒子中處于分立的量子化能級(jí)中的電子的波動(dòng)性帶來了納米粒子的一系列特殊性質(zhì)，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)等。不同的半導(dǎo)體材料，其量子尺寸是不同的，CdS：5-6nm，PbS：18nm，TiO2：10nm。

量子尺寸效應(yīng)：能帶從連續(xù)變?yōu)殡x散，Eg能隙變寬現(xiàn)象Eg尺寸幾個(gè)納米(<5nm)納米材料的表面效應(yīng)：是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。納米材料的比表面大，相比于塊狀材料，納米材料表面排列的原子數(shù)目與內(nèi)部原子數(shù)目之比明顯增高。由于表面原子的鍵合狀態(tài)與內(nèi)部原子不同，鍵態(tài)失配，因而出現(xiàn)非化學(xué)平衡，故納米材料的化學(xué)活性較強(qiáng)。粒徑/nm原子數(shù)/個(gè)表面原子所占比例/%202.5×10510103×1042054×1034022.5×1028013099納米粒子的粒徑與表面原子的關(guān)系應(yīng)用：利用表面的領(lǐng)域高效催化劑精密光學(xué)器件拋光材料高效阻燃劑……

量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)對(duì)納米半導(dǎo)體粒子的光學(xué)特性有很大的影響，而且導(dǎo)致納米半導(dǎo)體粒子擁有一些新的光學(xué)性質(zhì)（下面將分別討論4種情況）。寬頻帶強(qiáng)吸收。如ZnO、TiO2、Fe2O3等納米半導(dǎo)體化合物粒子，對(duì)紫外光有強(qiáng)吸收作用。而微米級(jí)的對(duì)紫外光幾乎不吸收。這些納米氧化物對(duì)紫外光的吸收主要因?yàn)樗鼈兊陌雽?dǎo)體性質(zhì)，在紫外光的照射下，電子被激發(fā)，由價(jià)帶向?qū)кS遷而引起的。吸收帶邊的移動(dòng)現(xiàn)象。與塊體材料相比，納米粒子的吸收邊普遍有“藍(lán)移”現(xiàn)象，即吸收帶向短波方向移動(dòng)。例如：銳鈦型TiO2的紫外光區(qū)的吸收邊為393nm，而粒徑為30nm的，其紫外光區(qū)吸收邊為385nm，吸收邊藍(lán)移了8nm。吸收帶邊藍(lán)移的解釋：通常半導(dǎo)體粒子尺寸效應(yīng)與其激子波爾半徑相近時(shí)，隨著粒子尺寸的減少，半導(dǎo)體粒子的有效帶隙增加，其相應(yīng)的吸收光譜和熒光光譜發(fā)生藍(lán)移，從而在能帶中形成一系列分離的能級(jí)。一些納米粒子如CdS、ZnO、Cd3As2等的量子尺寸效應(yīng)可以用下式描述：E（r）：納米半導(dǎo)體粒子的吸收帶隙Eg（r=∞）：體相半導(dǎo)體粒子的吸收帶隙，r粒子半徑h：Plank常數(shù)，e：電子所帶電荷量：粒子的折合質(zhì)量電子的有效質(zhì)量空穴的有效質(zhì)量有限的里德伯量量子限域能（藍(lán)移）電子-空穴對(duì)庫(kù)侖的作用能（紅移）納米材料的體積效應(yīng)：由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。久保理論是針對(duì)金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費(fèi)米面附近的電子狀態(tài)看作是受尺寸限制的簡(jiǎn)并電子態(tài)，并進(jìn)一步假設(shè)它們的能級(jí)為準(zhǔn)粒子態(tài)的不連續(xù)能級(jí)，并認(rèn)為相鄰電子能級(jí)間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關(guān)系為：δ=4EF/3N∝V-1∝1/d3

其中N為一個(gè)金屬納米粒子的總導(dǎo)電電子數(shù)，V為納米粒子的體積；EF為費(fèi)米能級(jí)

隨著納米粒子的直徑減小，能級(jí)間隔增大，電子移動(dòng)困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。

量子限域效應(yīng)：正常條件下，納米半導(dǎo)體材料界面的空穴濃度比常規(guī)材料高得多。當(dāng)納米粒子的粒徑小于激子波爾半徑時(shí)，電子運(yùn)動(dòng)的平均自由程縮短，并受粒徑的限制，空穴約束電子很容易形成激子。導(dǎo)致電子和空穴波函數(shù)的重疊，這就容易產(chǎn)生激子吸收帶。隨著粒徑的減少，重疊因子（在某處同時(shí)發(fā)現(xiàn)電子和空穴的概率）增加，也即是激子濃度越高。在能隙中靠近導(dǎo)帶底形成一些激子能級(jí)，就會(huì)產(chǎn)生激子發(fā)光帶。納米材料的激子發(fā)光很容易出現(xiàn)，而且激子發(fā)光帶的強(qiáng)度隨著粒徑的減少而增加并藍(lán)移，這就是量子限域效應(yīng)。納米粒子的光學(xué)效應(yīng)：當(dāng)納米顆粒的粒徑小到一定值時(shí)，可在一定波長(zhǎng)的光激發(fā)下發(fā)光。粒徑小于6nm的Si在室溫下可發(fā)射可見光。6001000800波長(zhǎng)/nm不同粒徑的納米Si在室溫下的發(fā)光光譜d1d2d3粒徑：d1d2

d3納米半導(dǎo)體粒子表面經(jīng)過化學(xué)修飾后，粒子周圍的介質(zhì)可以強(qiáng)烈地影響其光學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)為吸收光譜和熒光光譜的紅移。介電限域效應(yīng)：納米材料的介電限域效應(yīng)較少被注意到，實(shí)際樣品中，粒子被空氣、聚合物、玻璃或溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無機(jī)半導(dǎo)體低。光照射時(shí)，由于折射率不同而產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域、納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比輻照光的光強(qiáng)增大了。就稱為介電限域效應(yīng)。這種局部的場(chǎng)強(qiáng)增強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響，對(duì)于無機(jī)-有機(jī)雜化（hybrid）材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過程和動(dòng)力學(xué)有重要的影響。庫(kù)侖阻塞效應(yīng)和隧穿效應(yīng)絕緣層電極電極00+e-e（a）（b）-e/2+e/2（c）+e/2-e/2（d）（a）表示兩個(gè)電極都未帶電荷，（b）表示有一個(gè)電子從一電極到了另一電極，電極兩邊分別帶一個(gè)正電荷和負(fù)電荷，系統(tǒng)能量增加了，如果沒有外加能量，不可能有一個(gè)電荷從一個(gè)電極穿過隧道到另一電極，這就是“庫(kù)侖阻塞”改變系統(tǒng)原始狀態(tài)（c）兩個(gè)電極分別各帶+e/2和-e/2的電荷，此時(shí)若有一個(gè)電子通過隧道從一個(gè)電極到另一個(gè)電極，系統(tǒng)就變?yōu)椋╠）的狀態(tài)，系統(tǒng)的總能量沒有變化，這就是“隧穿效應(yīng)”第三部分納米技術(shù)的應(yīng)用納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，韌性、強(qiáng)度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制，納米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國(guó)材料學(xué)家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個(gè)納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的塑性形變。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等在納米量級(jí)的水平上。納米陶瓷的基本成分與傳統(tǒng)陶瓷無太大區(qū)別，但其宏觀性質(zhì)卻發(fā)生了很大變化，不僅保持了原來絕熱好的特點(diǎn)，而且致密化速度快、燒結(jié)溫度低，具有十分優(yōu)異的強(qiáng)度、硬度、韌性、彈性模量和抗高溫蠕變性能，使之可以機(jī)械加工、彎曲，而且耐高溫。據(jù)報(bào)道，納米級(jí)氧化鋯（ZrO2）粉料可以在1250℃的溫度下燒結(jié)成陶瓷，比傳統(tǒng)燒結(jié)溫度低400℃，密度可達(dá)到理論密度的98%以上，且具有400%的塑性形變。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團(tuán)聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點(diǎn)。舉例：美國(guó)空軍正在研究將納米陶瓷用于制作飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈的發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)途徑。這種發(fā)動(dòng)機(jī)不僅能夠滿足在惡劣環(huán)境下正常工作的需求，而且具有功率大、安全性好、航速高，節(jié)省能源；在應(yīng)用納米技術(shù)研制的陶瓷基復(fù)合材料方面，已用碳纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料試制出燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，而且熱力學(xué)性能極好，目前美國(guó)空軍正在研究將其用于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的可行方案。同時(shí)，用納米陶瓷制作的航天器、飛機(jī)的防護(hù)層、坦克的防護(hù)裝甲，其抗穿甲能力可以提高4～5倍。納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用納米電子學(xué)是納米技術(shù)的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應(yīng)來設(shè)計(jì)并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結(jié)構(gòu)組裝體系。納米電子學(xué)的最終目標(biāo)是將集成電路進(jìn)一步減小，研制出由單原子或單分子構(gòu)成的在室溫能使用的各種器件。具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學(xué)的發(fā)展起到了關(guān)鍵的作用。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運(yùn)動(dòng)在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應(yīng)，而在軸向上則不受任何限制。具體實(shí)例：清華大學(xué)的范守善教授利用碳納米管，將氣相反應(yīng)限制在納米管內(nèi)進(jìn)行，從而生長(zhǎng)出半導(dǎo)體納米線。從一種“超順排”碳納米管陣列中拔出一束碳納米管時(shí)，碳納米管可以自組織成一條連續(xù)的長(zhǎng)線在抽絲的過程中，陣列中的碳納米管則通過范德耳爾力互相連接起構(gòu)成連續(xù)的純碳納米管線另外：在1997年，范守善項(xiàng)目組還制備出了GaN納米線。1998年該科研組與美國(guó)斯坦福大學(xué)合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長(zhǎng)，它將大大推進(jìn)碳納米管在場(chǎng)發(fā)射平面顯示方面的應(yīng)用。其獨(dú)特的電學(xué)性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導(dǎo)線材等領(lǐng)域。目前，利用納米電子學(xué)已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍(lán)三基色可調(diào)諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應(yīng)制成的超微磁場(chǎng)探測(cè)器已經(jīng)問世。早在1989年，IBM公司的科學(xué)家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動(dòng)了氙原子，并利用它拼成了IBM三個(gè)字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個(gè)電子晶體管，它通過控制單個(gè)電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)完成特定功能，即一個(gè)電子就是一個(gè)具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細(xì)量子線結(jié)構(gòu)技術(shù)，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關(guān)功能的量子點(diǎn)陣列。目前，美國(guó)已研制成功尺寸只有4nm具有開關(guān)特性的納米器件，由激光驅(qū)動(dòng)，并且開、關(guān)速度很快。2007年8月IBM展示單原子存儲(chǔ)、分子開關(guān)美國(guó)威斯康星大學(xué)已制造出可容納單個(gè)電子的量子點(diǎn)。在一個(gè)針尖上可容納這樣的量子點(diǎn)幾十億個(gè)。利用量子點(diǎn)可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領(lǐng)域?qū)@得廣泛應(yīng)用。此外，若能將幾十億個(gè)量子點(diǎn)連結(jié)起來，每個(gè)量子點(diǎn)的功能相當(dāng)于大腦中的神經(jīng)細(xì)胞，再結(jié)合MEMS（微電子機(jī)械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。納米電子學(xué)立足于最新的物理理論和最先進(jìn)的工藝手段，按照全新的理念來構(gòu)造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學(xué)將成為對(duì)世紀(jì)信息時(shí)代的核心。目前納米電子學(xué)的幾大難題納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動(dòng)過程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似于計(jì)算機(jī)的邏輯開關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。美國(guó)南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”，使人們對(duì)生物材料的信息處理功能和生物分子的計(jì)算技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。雖然分子計(jì)算機(jī)目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。在整個(gè)光循環(huán)過程中，細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機(jī)制和用作三維存儲(chǔ)器的潛能。通過調(diào)諧激光束，將信息并行地寫入細(xì)菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲(chǔ)器可提供比二維光學(xué)存儲(chǔ)器大得多的存儲(chǔ)空間。目前的一些進(jìn)展美國(guó)錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器。此外，他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲(chǔ)裝置。2005年2月惠普的一群研究人員公布了他們的研究成果：設(shè)計(jì)出一種“crossbarlatch”鎖存，能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯運(yùn)算這種現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的基本操作。來自網(wǎng)站消息：/article/2005/0202/A20050202388330.shtml成功與挑戰(zhàn)在過去幾年分子計(jì)算機(jī)的概念已經(jīng)從一個(gè)科學(xué)上的幻想逐漸變成現(xiàn)實(shí)中的事實(shí)，自從10年前Adleman在science雜志上發(fā)表他開創(chuàng)性的工作以來，DNA分子計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)有活力的，快速發(fā)展的領(lǐng)域。Science近期對(duì)這些做了簡(jiǎn)短的回顧，并在同期發(fā)表一個(gè)關(guān)于DNA分子計(jì)算機(jī)的重要工作，下文是對(duì)該工作的評(píng)論。納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用納米技術(shù)的發(fā)展，使微電子和光電子的結(jié)合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。但是要獲取高分辨率圖像，就必需先進(jìn)的數(shù)字信息處理技術(shù)?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)，將光調(diào)制器和光探測(cè)器結(jié)合在一起的量子阱電光效應(yīng)器件，將為實(shí)現(xiàn)光學(xué)高速數(shù)學(xué)運(yùn)算提供可能。目前的一些進(jìn)展美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Paul等發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個(gè)狀態(tài)上，而低音廊效應(yīng)則使光子受到約束，直到所產(chǎn)生的光波累積起足夠多的能量后透過此結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是激光器達(dá)到極高的工作效率，而能量閾則很低。麻省理工學(xué)院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個(gè)一個(gè)地送入激光器中，每個(gè)原子發(fā)射一個(gè)有用的光子，其效率之高，令人驚訝。除了能提高效率以外，無能量閾納米激光器的運(yùn)行還可以得出速度極快的激光器。由于只需要極少的能量就可以發(fā)射激光，這類裝置可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)開關(guān)。已經(jīng)有一些激光器能夠以快于每秒鐘200億次的速度開關(guān)，適合用于光纖通信。由于納米技術(shù)的迅速發(fā)展，這種無能量閾納米激光器的實(shí)現(xiàn)將指日可待。2005年5月，位于美國(guó)紐約的IBM研究中心在《科學(xué)》雜志上發(fā)表了其最新研究成果：在納米管的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中探測(cè)到了光。這就是說，使碳納米管發(fā)光的理想將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。

IBM此次發(fā)表的科研成果，展示的光信號(hào)發(fā)射器是一個(gè)直徑為1.4納米的單納米管，實(shí)驗(yàn)所探測(cè)到的是1.5微米的光，正好與目前光纖網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的光波一致。Avouris表示，如果使用體積較大或較小的納米管，還可以產(chǎn)生其他顏色（意味著不同波長(zhǎng)）的光束。IBM獲得此項(xiàng)成果并非偶然，早在2001年，藍(lán)色巨人首家開發(fā)出能夠大量制造碳納米管晶體管的技術(shù)，而在這之前，雖然研究人員早就找到了將碳納米管裝配成晶體管的方法，但只能將碳納米管逐個(gè)處理，無法大量獲得。納米碳管在場(chǎng)發(fā)射特性方面最被平面顯示業(yè)界看好，一般都公認(rèn)這種新材料可以在傳統(tǒng)十分之一的電場(chǎng)下發(fā)射出過去千倍以上強(qiáng)度的電子束。目前的電視都是利用電子槍向屏幕發(fā)射電子來成像，如果使用具有高度定向性的單壁碳納米管作為電子發(fā)送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，還可以縮短電子到屏幕之間的距離，使得制造更薄的壁掛電視成為可能。在產(chǎn)業(yè)界，最早投入納米碳管CNT-FED的是韓國(guó)的三星電子與美國(guó)的Motorola，其中三星電子在1999年已經(jīng)展示了4.5吋彩色的CNT-FED。2001年，日本的伊勢(shì)電子工業(yè)成功試制了在發(fā)射極使用碳納米管（CNT）的14.5英寸大畫面彩色FED（FieldEmissionDisplay，場(chǎng)發(fā)射式顯示器）、其亮度高達(dá)1萬cd/m2；日本雙葉電子工業(yè)在2003年的"NanoTech2003"上，展示了由該公司開發(fā)的采用碳納米管（CNT）的FED面板。太陽(yáng)能光電幕墻玻璃是一種集發(fā)電、隔音、隔熱、安全、裝飾功能于一身的新型建材目前，世界上最大的太陽(yáng)能屋頂光電系統(tǒng)安裝在新慕尼黑貿(mào)易展覽中心。該系統(tǒng)由7812塊西門子單晶硅組件組成方陣，每塊功率130W，總?cè)萘砍^IMW，所發(fā)電力與20KV電網(wǎng)相聯(lián)，每年能發(fā)電100萬KWH，足夠340戶德國(guó)家庭使用。我國(guó)于2002年開發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光電幕墻產(chǎn)品，并成功首次應(yīng)用在位于深圳高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園區(qū)的方大集團(tuán)科技中心大廈工程中，其采用的光電幕墻有效面積為93.8平方米，設(shè)計(jì)峰值發(fā)電功率10.3千瓦，建筑標(biāo)高97米，是我國(guó)第一幢光電幕墻建筑。納米技術(shù)在化工領(lǐng)域的應(yīng)用納米粉體粒徑小，比表面積大，可以作為化工催化劑的載體。半導(dǎo)體光催化特性半導(dǎo)體光催化機(jī)理光催化原理及應(yīng)用TiO2光催化反應(yīng)過程如下：TiO2+hνe+h+h++H2OOH+H+e+O2

O2-+H+HO2HO2+HO2

H2O2+O2H2O2+O2-OH-+OH+O2在TiO2表面生成的OH和O2-基團(tuán)的氧化能力較強(qiáng)，有機(jī)物和細(xì)菌有機(jī)物可被其氧化分解為CO2和H2O。納米TiO2光催化劑應(yīng)用納米TiO2光催化降解有機(jī)污染物納米TiO2光催化殺菌納米TiO2光催化自潔納米TiO2光催化室內(nèi)環(huán)境治理我們實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的TiO2光觸媒材料與國(guó)內(nèi)同類光觸媒噴霧劑場(chǎng)降解甲醛能力比較對(duì)比測(cè)試試樣日光燈照24小時(shí)甲醛降解率（甲醛初始濃度1.6-2ppm左右）CSC11.11%DAX53.01%盈喜38.02%項(xiàng)目組開發(fā)納米TiO2光催化劑49.47%德國(guó)P2543.37%納米材料紫外屏蔽特性含0.05%的金紅石納米TiO2粉體的紫外可見光吸收和透射譜圖紫外屏蔽織物純棉織物加入TiO2紫外屏蔽劑的織物化妝品—防曬納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線添加納米TiO2復(fù)合粉體納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用研究人員發(fā)現(xiàn)，生物體內(nèi)的RNA蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15~20nm之間，并且生物體內(nèi)的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動(dòng)。如果將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個(gè)部位，作為監(jiān)測(cè)和診斷疾病的手段?？蒲腥藛T已經(jīng)成功利用納米SiO2微粒進(jìn)行了細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。另外，利用納米顆粒作為載體的病毒誘導(dǎo)物已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展，現(xiàn)在已用于臨床動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，估計(jì)不久的將來即可服務(wù)于人類。研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們?cè)O(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對(duì)身體各部位進(jìn)行檢測(cè)、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久的將來，被視為當(dāng)今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學(xué)研究發(fā)生一次革命第四部分納米材料的一些熱點(diǎn)研究領(lǐng)域納米組裝體系的設(shè)計(jì)和研究納米陣列體系介孔與納米顆粒復(fù)合體系和納米顆粒膜納米鑲嵌體系納米核殼結(jié)構(gòu)目的是根據(jù)需要設(shè)計(jì)新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標(biāo)是為納米器件的制作進(jìn)行前期準(zhǔn)備。如高亮度固體電子顯示屏，納米晶二極管，真空紫外到近紅外特別是藍(lán)、綠、紅光控制的光致發(fā)電和電子發(fā)光管等都可以用納米晶作為主要的材料，國(guó)際上把這種材料稱為“量子”納米晶，目前在實(shí)驗(yàn)室中已設(shè)計(jì)出的納米器件有Si-SiO2的發(fā)光二極管，Si摻Ni的納米顆粒發(fā)光二極管，用不同納米尺度的CdSe做成紅、綠、藍(lán)光可調(diào)諧的二極管等。納米陣列體系的研究目前主要集中在金屬納米結(jié)構(gòu)或半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列的二維體系。介孔與納米組裝體系和顆粒膜主要設(shè)計(jì)思想是利用小顆粒的量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)，根據(jù)需要對(duì)材料整體性能進(jìn)行剪裁、調(diào)整和控制達(dá)到常規(guī)不具備的奇特性質(zhì)，這方面的研究是一個(gè)引人注目的前沿領(lǐng)域。納介孔復(fù)合體系特點(diǎn)：既有納米小顆粒本身的性質(zhì)，同時(shí)通過納米顆粒與基體的界面隅合，又會(huì)產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。整個(gè)體系的特性與基體的孔洞尺寸，比表面以及小顆粒的體積百分比數(shù)有密切的關(guān)系。可以通過基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個(gè)體系表現(xiàn)為納米顆粒的特性；也可以通過空隙的連通，利用滲流效應(yīng)使體系的整體性質(zhì)表現(xiàn)為三維塊體的性質(zhì)。目前，這種體系按支撐體的種類可劃分為：無機(jī)介孔和高分子介孔復(fù)合體兩大類。小顆粒可以是：金屬、半導(dǎo)體、氧化物、氮化物、碳化物。按支撐體的狀態(tài)也可分為有序和無序介孔復(fù)合體。核殼結(jié)構(gòu)核心是金屬、半導(dǎo)體或者氧化物晶粒，殼的組成很廣泛，根據(jù)各種功能不同進(jìn)行選擇。常用的半導(dǎo)體核殼結(jié)構(gòu)：CdSe@ZnS,

CdSe@ZnSe,

andCdSe@CdS，Core@shell金屬@金屬型核殼結(jié)構(gòu)，可以獲得具有不同光學(xué)性能的金屬納米晶，Au@Ag，Ag@Au，F(xiàn)e@Au，Au@Pd等金屬@氧化物型，或者氧化物@氧化物，氧化物@金屬XiangdongFeng,ZhongLinWang等，ConvertingCeriaPolyhedral

Nanoparticlesinto

Single-Crystal

Nanospheres，9JUNE2006VOL312

SCIENCE高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成對(duì)納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金重點(diǎn)放在大幅度提高材料的強(qiáng)度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無位錯(cuò)或低位錯(cuò)密度區(qū)域使其達(dá)到高硬度、高強(qiáng)度。納米結(jié)構(gòu)銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍，屈服強(qiáng)度高12倍；對(duì)納米陶瓷材料，著重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的復(fù)合材料，斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍，原因是這類納米陶瓷龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面提供了高擴(kuò)散的通道，擴(kuò)散蠕變大大改善了界面的脆性。納米添加使傳統(tǒng)材料改性三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm納米三氧化二鋁，熱穩(wěn)定性提高了2——3倍，熱導(dǎo)系數(shù)提高10％——15％。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強(qiáng)，壽命提高。添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性。納米材料添加到其他材料中都可以根據(jù)需要，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾吞砑恿窟_(dá)到材料改性的目的，應(yīng)用前景廣闊。納米涂層材料的設(shè)計(jì)與合成主要的研究聚集在功能涂層上，包括傳統(tǒng)材料表面的涂層、纖維涂層和顆粒涂層，在這一方面美國(guó)進(jìn)展很快。80nm的二氧化錫及40nm的二氧化釹、20nm的三氧化二鉻與樹脂復(fù)合可以作為靜電屏蔽的涂層，80nm的BaTiO3可以作為高介電絕緣涂層，40nm的Fe3O4可以作為磁性涂層，80nm的Y2O3可以作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高，用于紅外窗口材料。近年來人們根據(jù)納米顆粒的特性又設(shè)計(jì)了紫外反射涂層，各種屏蔽的紅外吸收涂層、紅外涂層及紅外微波隱身涂層，在這個(gè)方面的研究逐有上升的趨勢(shì)；目前除了設(shè)計(jì)所需要的涂層性能外，主要的研究集中在噴涂的方法，大部分研究尚停留在實(shí)驗(yàn)室階段，日本和美國(guó)在靜電屏蔽涂層、絕緣涂層工藝上有所突破，正在進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的階段。納米顆粒表面修飾和包覆的研究主要是針對(duì)納米合成防止顆粒長(zhǎng)大和解決團(tuán)聚問題進(jìn)行的，有明確的應(yīng)用背景。已成功地在ZrO2納米顆粒表面包覆了Al2O3，在納米Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有機(jī)包覆，TiO2表面的有機(jī)和無機(jī)包覆都已在實(shí)驗(yàn)室完成。包覆的小顆粒不但消除了顆粒表面的帶電效應(yīng)，防止團(tuán)聚，同時(shí)，形成了一個(gè)勢(shì)壘，使它們?cè)诤铣蔁Y(jié)過程中（指無機(jī)包覆）顆粒不易長(zhǎng)大。有機(jī)包覆使無機(jī)小顆粒能與有機(jī)物和有機(jī)試劑達(dá)到浸潤(rùn)狀態(tài)。這為無機(jī)顆粒摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)研究工作，推動(dòng)了納米復(fù)合材料的發(fā)展。第五部分納米技術(shù)的安全性評(píng)估問題由于納米結(jié)構(gòu)所具有的特殊物理、化學(xué)性質(zhì)，有關(guān)納米材料和納米技術(shù)的研究已成為當(dāng)今科學(xué)的前沿?zé)狳c(diǎn)。納米技術(shù)一旦滲入生物學(xué)領(lǐng)域?qū)⒀杆俑淖冝r(nóng)業(yè)和醫(yī)學(xué)的面貌，人類生活方式也將在納米技術(shù)與信息技術(shù)、認(rèn)知科學(xué)和生物技術(shù)的結(jié)合中迅速出現(xiàn)革命性的變革，同時(shí)，種種跡象已經(jīng)表明納米物質(zhì)具有與常規(guī)物質(zhì)完全不同的毒性，在人類健康、社會(huì)倫理、生態(tài)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展等方面將會(huì)引發(fā)諸多問題，納米技術(shù)必將會(huì)取代基因技術(shù)成為最受爭(zhēng)議的應(yīng)用技術(shù)，影響遍及農(nóng)業(yè)發(fā)展、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療、制藥、國(guó)防、服裝等很多方面。我國(guó)目前有29種納米材料在進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)，還有數(shù)種納米材料可在實(shí)驗(yàn)室大規(guī)模合成，納米材料對(duì)環(huán)境及人民健康的影響已是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。納米技術(shù)存在的安全性評(píng)估問題與疾病有關(guān)的納米顆粒污染早已存在大氣可吸入顆粒物污染已成為大氣環(huán)境污染的突出問題，并日益引起各國(guó)高度重視。除大氣環(huán)境污染外，局部的工作環(huán)境內(nèi)也存在納米顆粒污染，如由于吸收了電焊過程中產(chǎn)生的含金屬納米顆粒的廢氣，電焊工人患帕金森癥的幾率大大高于普通人。由吸入長(zhǎng)時(shí)間吸入粉塵而造成的矽肺早已存在。在納米粉體的生產(chǎn)和制造過程中，同樣存在這樣的問題。若非濕法等生產(chǎn)方式，納米顆粒會(huì)在生產(chǎn)過程中飛散在空氣中，人長(zhǎng)期吸入這些含有粉塵的空氣，就會(huì)有得矽肺的潛在可能性。納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)中存在未知風(fēng)險(xiǎn)科學(xué)家正努力將納米技術(shù)運(yùn)用到仿生學(xué)，設(shè)想研制出僅由數(shù)千個(gè)原子組成、微小得幾乎看不見的納米機(jī)器人，它們可以非常靈活地在細(xì)胞之間工作，能撿起和移動(dòng)肉眼看不見的顆粒?？茖W(xué)家希望納米機(jī)器人能在血液、尿液和細(xì)胞介質(zhì)中工作，不僅可以捕捉和移動(dòng)單個(gè)細(xì)胞，而且能夠移動(dòng)和重新安排人體細(xì)胞中的原子排列順序，使其按照新的指令發(fā)揮功能。納米技術(shù)甚至可能仿照生命過程的各個(gè)環(huán)節(jié)制造出各種各樣的微型機(jī)器人，比如讓它們?cè)谘苤胸?fù)責(zé)清除血管壁上沉積物，進(jìn)入組織間隙清除癌細(xì)胞等。但是，由此是否會(huì)引發(fā)相應(yīng)的負(fù)反應(yīng)至今尚沒有任何機(jī)構(gòu)開展研究，存在諸多未知的風(fēng)險(xiǎn)。納米技術(shù)在藥物中存在未知風(fēng)險(xiǎn)近年來，出現(xiàn)了藥物納米化的趨勢(shì)，當(dāng)藥物到達(dá)納米級(jí)的時(shí)候，性質(zhì)會(huì)發(fā)生什么樣的變化，這是未知的。只是有報(bào)道說藥效提高了多少，吸收率有多好，但是大多沒有針對(duì)納米材料的特性深入開展安全性方面的研究，并提到可能的毒性有多少。另外，某些藥物納米化技術(shù)也可能存在潛在問題，如植物類藥物采用激光法粉碎，會(huì)把化學(xué)鍵打斷，然后生成自由基，下一步自由基重新組合，又生成其它的物質(zhì)，這種新生成的物質(zhì)是原本在藥物中不存在的，也許會(huì)是有毒的，需要我們通過大量的實(shí)驗(yàn)，考察該方法是否會(huì)產(chǎn)生有毒的物質(zhì)，是否對(duì)人體有潛在的危害性。納米技術(shù)在日常生活用品中的潛在風(fēng)險(xiǎn)添加納米材料的化妝品、聚酯類啤酒瓶等產(chǎn)品，直接與人體接觸，納米顆粒作用于人體，其長(zhǎng)期使用存在的問題是未知的，有待深入的研究。拿防曬霜為例，2003年一項(xiàng)研究表明很多產(chǎn)品中使用的二氧化鈦納米微粒可以進(jìn)入皮膚甚至細(xì)胞，并在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生自由基，破壞原有的基因，其長(zhǎng)期使用的安全性是值得我們進(jìn)行評(píng)估的。又如加入納米顆粒的婦女衛(wèi)生巾，具有極強(qiáng)的抗殺細(xì)菌作用。但是，這些與人體接觸的材料有多少納米顆粒會(huì)脫落，而這些脫落的納米顆粒的粒徑是多少，有多少會(huì)進(jìn)入人體，并且多大的粒徑是相對(duì)安全的，進(jìn)入人體的納米顆粒是如何代謝的，它對(duì)人體會(huì)產(chǎn)生什么樣的作用，所有這一切的答案都需要進(jìn)行深入的研究來解答。對(duì)于上面提到問題的一些研究進(jìn)展幾組科學(xué)家在2003年3月美國(guó)化學(xué)會(huì)舉行的年會(huì)上報(bào)告了納米顆粒對(duì)生物可能存在的作用。其中，紐約羅切斯特大學(xué)（RochesterUniversity）醫(yī)學(xué)和牙科學(xué)院的毒物學(xué)家Oberdorster發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)在含有直徑為20納米的“特氟龍”塑料（聚四氟乙烯）顆粒的空氣中生活了15分鐘的實(shí)驗(yàn)鼠會(huì)在隨后4小時(shí)內(nèi)死亡；而暴露在含直徑120納米顆粒（相當(dāng)于細(xì)菌的大小）的空氣中的對(duì)照組則安然無恙，并沒有致病效應(yīng)。在另一項(xiàng)研究中，該研究小組發(fā)現(xiàn)用碳13和錳制作的納米顆粒能夠進(jìn)入