納米材料概述課件

走進(jìn)納米世界第一節(jié)、概述第二節(jié)、納米材料的結(jié)構(gòu)與性能第三節(jié)、納米材料的製備方法第四節(jié)、納米材料與納米技術(shù)的應(yīng)用第五節(jié)、發(fā)展與展望第一節(jié)概述一、納米科技的誕生二、納米技術(shù)與納米材料的概念三、納米材料的分類四、納米科技研究的重要性一、納米科技誕生1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·費(fèi)曼在《在底部還有很大空間》的一次講演中指出，從石器時(shí)代開始，人類所有的技術(shù)革新都與把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)，而從物理學(xué)的規(guī)律來(lái)看，不能排除從單個(gè)分子甚至原子出發(fā)而組裝製造物品的可能性。費(fèi)曼憧憬說(shuō)：“如果有一天可以按人的意志安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？”他預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器製作更小的機(jī)器，最後將變成根據(jù)人類意願(yuàn)，逐個(gè)地排列原子，製造“產(chǎn)品”，這是關(guān)於納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。七十年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。費(fèi)曼——納米科技之父

原子排成的“原子”字樣納米技術(shù)的迅速發(fā)展是在20世紀(jì)80年代末、90年代初。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具－－掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)誌著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文名字、1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之後，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國(guó)”二字，標(biāo)誌著我國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域佔(zhàn)有一席之地。原子構(gòu)成萬(wàn)物的小小原子，究竟小到什麼程度？中國(guó)古代有位叫公孫龍的說(shuō)過(guò)：“一尺之棰，日取其半，萬(wàn)世不竭?！?/p>

如果確實(shí)有這樣的工具，能一直截下去的話，那麼，一尺木棍每天截去一半，到第三天只剩八分之一尺；第十天只剩1千零二十四分之一尺；到第三十天，剩下十億分之一尺，這時(shí)木棍已經(jīng)比纖維分子還?。坏降谌?，只剩下四十億分之一尺，相當(dāng)於原子大小了。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，不同的原子，大小也不同。原子的直徑一般是一億分之一釐米。一個(gè)最小的細(xì)菌裏面大約可以容納20億個(gè)原子。氫原子的直徑為1埃?；瘜W(xué)家常常自豪地說(shuō)：“化學(xué)是一門在原子分子水準(zhǔn)上研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、變化規(guī)律和應(yīng)用的科學(xué)?！钡钦嬲翱匆姟痹雍头肿訁s是20世紀(jì)80年代後期的事，距離道爾頓提出原子論的時(shí)間差不多有2個(gè)世紀(jì)。原子小於光的波長(zhǎng)，單個(gè)原子對(duì)光是透明的。光學(xué)顯微鏡怎麼改進(jìn)都不可能看到原子。十個(gè)氫原子緊密排列——1nm顆?！古仪颉厍?/p>

怎樣看見和操縱原子？

納米世界的眼和手—掃描隧道顯微鏡（STM）

掃描隧道顯微鏡為我們揭示了一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進(jìn)作用。STM是20世紀(jì)80年代世界十大科技成就之一。掃描隧道顯微鏡掃描隧道顯微鏡是80年代初期發(fā)展起來(lái)的新型顯微儀器，能達(dá)到原子級(jí)的超高解析度。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細(xì)微的尺度──即納米尺度（1nm=10-9m）上實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)表面精細(xì)加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子。一門新興的學(xué)科──納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。

20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家G．Binnig和H．Roher發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。

這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠即時(shí)地觀測(cè)到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。

掃描隧道顯微鏡科學(xué)家使用STM觀測(cè)物質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)

STM具有空間的高解析度(橫向可達(dá)0.1nm，縱向可達(dá)0．01nm)，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它的基本原理是基於量子隧道效應(yīng)和掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的針尖(針尖頭部為單個(gè)原子)去接近樣品表面，當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí)(＜1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子雲(yún)發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會(huì)通過(guò)針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流。通過(guò)控制針尖與樣品表面間距的恒定並使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可把表面的資訊；(表面形貌和表面電子態(tài))記錄下來(lái)。由於STM具有原子級(jí)的空間解析度和廣泛的適用性，國(guó)際上掀起了研製和應(yīng)用STM的熱潮，推動(dòng)了納米科技的發(fā)展。

STM針尖掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖納米算盤C60每10個(gè)一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。矽表面納米皇冠StructureofSodiumChlorideImagesofNaClobtainedusingScanningTunnelingMicroscopeAFM彌補(bǔ)STM的局限

有人發(fā)現(xiàn)利用探針針尖與表面之間的各種相互作用，可以用來(lái)分析高解析度成像。1986年賓尼戈等人發(fā)明了利用鐳射檢測(cè)針尖與表面相互作用進(jìn)行表面成像的分析儀器。該儀器稱為原子力顯微鏡（ATM）。STM與ATM共同構(gòu)成了現(xiàn)今稱之為掃描探針顯微鏡（SPM）的兩大主體技術(shù)。AFM又彌補(bǔ)了STM的局限，使被測(cè)試樣擴(kuò)大到非導(dǎo)電領(lǐng)域。

原子力顯微鏡（atomicforcemicroscope簡(jiǎn)稱AFM)：

利用針尖與樣品表面原子間的微弱作用力來(lái)作為回饋信號(hào)，維持針尖——樣品間作用力恒定，同時(shí)針尖在樣品表面掃描，從而得知樣品表面的高低起伏。原子間作用力的檢測(cè)主要由光杠桿技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果探針和樣品間有力的作用，懸臂將會(huì)彎曲。為檢測(cè)懸臂的微小彎曲量（位移），採(cǎi)用鐳射照射懸臂的尖端，四象限探測(cè)器就可檢測(cè)出懸臂的偏轉(zhuǎn)。通過(guò)電子學(xué)回饋系統(tǒng)使彎曲量保持一定，即控制掃描管Z軸使作用於針尖——樣品間的力保持一定。在掃描的同時(shí)，通過(guò)記錄回饋信號(hào)就可以得到樣品表面的形貌。目前除了隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）以外，還有近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡（NSOM）、側(cè)面力顯微鏡（IFM）、磁力顯微鏡（MFM）、極化力顯微鏡（SPFM）……已有二十多個(gè)品種。但大量還處在實(shí)驗(yàn)室的產(chǎn)品研發(fā)階段。由於它們都是用探針通過(guò)掃描系統(tǒng)來(lái)獲取圖像，因此這類顯微鏡統(tǒng)稱為掃描探針顯微鏡（SPM）。二、納米技術(shù)與納米材料的概念過(guò)去，人們只注意原子、分子或者宏觀物質(zhì)，常常忽略納米這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域大量存在於自然界，只是以前沒有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度範(fàn)圍的性能。

納米材料其實(shí)並不神密和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動(dòng)物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的。人工製備納米材料的實(shí)踐也已有1000年的歷史，中國(guó)古代利用蠟燭燃燒之煙霧製成碳黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的人工納米材料。另外，中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層經(jīng)檢驗(yàn)也已證實(shí)為納米SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜。蜜蜂、海龜不迷路----體內(nèi)用納米磁性微粒（相當(dāng)於生物羅盤）。二、納米技術(shù)與納米材料的概念納米就在我們身邊納米（nm）實(shí)際上是一種長(zhǎng)度單位，1納米僅等於十億分之一米，人的一根頭髮絲的直徑相當(dāng)於6萬(wàn)個(gè)納米。納米小得可愛，卻威力無(wú)比，它可以對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，併發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性?？茖W(xué)家們說(shuō)，納米這個(gè)“小東西”將給人類生活帶來(lái)的震憾，會(huì)比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的電腦技術(shù)更深刻、更廣泛、更持久。1m=1000mm1mm=1000μm1μm=1000nm空間尺度的劃分

宇觀(Cosmoscopic)遙觀(Remotesensoscopic)宏觀(Macroscopic)顯微觀(Optico-microscopic)介觀(Mesoscopic)或納米觀(Nanoscopic):1~100nm微觀(Microscopic)皮米觀(Picosopic)飛米觀(Fentoscopic)亞飛米觀(Subfentoscopic1.納米技術(shù)

納米科技是90年代初迅速發(fā)展起來(lái)的新的前沿科研領(lǐng)域。它是指在1--100nm尺度內(nèi)，研究電子、原子和分子運(yùn)動(dòng)規(guī)律、特性的高新技術(shù)學(xué)科。其最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子、分子，製造出具有特定功能的產(chǎn)品。注意——單純的某一納米材料若沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，還不能稱為納米技術(shù)。如香煙的煙灰粉末或自然土壤中存在的納米粉末，雖然它們也能夠達(dá)到一百個(gè)納米以內(nèi)的尺度，但是，因?yàn)樗鼈儧]有特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能表現(xiàn),所以這些材料還不能稱為納米技術(shù)。

2.納米材料納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成,一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域。納米材料可分為兩個(gè)層次：納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子是指粒子尺寸為1-100nm的超微粒子，納米固體是指由納米超微粒子製成的固體材料。而人們習(xí)慣於把組成或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100納米以下的長(zhǎng)度尺寸稱為納米材料。

三、納米材料的分類1.按結(jié)構(gòu)：零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料，如納米粒子、原子團(tuán)簇等一維納米材料：有兩維處?kù)都{米尺度的材料，如納米線納米管二維納米材料：在三維空間有一維在納米尺度的材料，如超薄膜三維納米材料（納米固體材料）：指由尺寸小於15nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序後所生成的緻密性固體材料。納米固體材料的主要特徵是具有巨大的顆粒間介面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方釐米將含1019個(gè)晶界，從而使得納米材料具有高韌性。掃描隧道顯微鏡下的納米團(tuán)簇納米顆粒型材料也稱納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由於尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同於常規(guī)固體的新特性。用途：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶矽和精密光學(xué)器件拋光材料、微晶片導(dǎo)熱基與佈線材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌製劑等。奇妙的碳納米管1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管。這是石墨中一層或若干層碳原子捲曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。這樣的材料很輕，但很結(jié)實(shí)。它的密度是鋼的1/6，而強(qiáng)度卻是鋼的100倍。如果用碳納米管做繩索，是惟一可以從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。

碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。

碳納米管尺寸儘管只有頭髮絲的十萬(wàn)分之一，但它的導(dǎo)電率是銅的1萬(wàn)倍，它的強(qiáng)度是鋼的100倍而重量只有鋼的六分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點(diǎn)是已知材料中最高的。納米碳管的細(xì)尖極易發(fā)射電子。用於做電子槍，可做成幾釐米厚的壁掛式電視屏，這是電視製造業(yè)的發(fā)展方向。

把碳納米管用作轉(zhuǎn)子的納米馬達(dá)

然而，碳納米管作為一種新型材料被發(fā)現(xiàn)至今已有十餘年，卻尚未得到工業(yè)應(yīng)用。超高的成本使國(guó)際市場(chǎng)90％高純度的碳納米管價(jià)格高達(dá)1000－2000美元／克，一般純度的碳納米管價(jià)格也在60美元／克，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出黃金的價(jià)格。

我國(guó)清華—南風(fēng)納米粉體產(chǎn)業(yè)化工程中心，一直致力於碳納米管在工業(yè)化生產(chǎn)上的科技攻關(guān)，是目前世界上已知生產(chǎn)規(guī)模最大的碳納米管生產(chǎn)基地。

多孔納米線納米膜材料納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。納米固體材料

納米固體材料通常指由尺寸小於15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序後所生成的緻密型固體材料。Fe-B納米棒納米材料分類2.按組成可分為：金屬納米材料半導(dǎo)體納米材料有機(jī)和高分子納米材料複合納米材料：無(wú)機(jī)粒子與有機(jī)高分子複合材料，無(wú)機(jī)半導(dǎo)體的核殼結(jié)構(gòu)納米材料分類3.按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料納米材料分類4.按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)藥材料納米敏感材料納米儲(chǔ)能材料納米材料分類5.按化學(xué)組分可分為：納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子納米複合材料四、納米科技研究的重要性

納米科技與基因工程和智能科技一起被稱為“21世紀(jì)高科技三劍客”，在21世紀(jì)初正式登上世界經(jīng)濟(jì)舞臺(tái).納米科技的興起,孕育了一個(gè)新的經(jīng)濟(jì)模式------納米經(jīng)濟(jì)的誕生.錢學(xué)森(1991)：“我認(rèn)為，納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)是下一階段科技發(fā)展的重點(diǎn)，會(huì)是一次技術(shù)革命，從而將在21世紀(jì)又是一次產(chǎn)業(yè)革命?！奔{米科技研究的重要性2004年1月12日，由中國(guó)科學(xué)院主辦的528名院士投票評(píng)選出來(lái)的2003世界十大科技新聞揭曉。其中，排名第一的新聞就是科學(xué)家研製出世界最小的納米電動(dòng)機(jī)。二十一世紀(jì)納米技術(shù)將推動(dòng)資訊、醫(yī)學(xué)、自動(dòng)化及能源科學(xué)的迅速發(fā)展，在未來(lái)的二十至三十年內(nèi)，納米技術(shù)將在三個(gè)方面對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深刻的影響：一、社會(huì)生產(chǎn)途徑；二、人類生活方式；三、人們思維模式。所以，納米技術(shù)的出現(xiàn)，標(biāo)誌著人類社會(huì)在發(fā)展進(jìn)程中正邁向一個(gè)新的臺(tái)階。

傳統(tǒng)化學(xué)的研究對(duì)象通常包含著天文數(shù)字的原子或分子，例如，1克水包含了約3.346*1022個(gè)水分子；因此通常所測(cè)得的體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)都是大量粒子的平均行為。實(shí)際上，熱力學(xué)規(guī)律成立的前提條件就是由大量粒子組成的體系；那麼，當(dāng)研究對(duì)象變成納米尺度的物質(zhì)，納米尺度的微觀世界，變成一個(gè)原子或一個(gè)分子時(shí)，是否還會(huì)遵循我們從課本上學(xué)到的傳統(tǒng)理論和規(guī)律呢？第二節(jié)、納米材料的特性

納米尺度的物質(zhì)與宏觀物質(zhì)一樣嗎？第二節(jié)、納米材料的特性水可能是我們最熟悉的東西，我們每天都離不開水，我們知道油水是不相溶的，無(wú)論宏觀尺度上的水和微觀尺度上的水都是和油不相溶的，你沒有辦法把它混在一起。但是如果到了納米尺度上，也就是說(shuō)在這個(gè)微觀世界裏，它就能夠溶，並且溶得非常好，成為熱力學(xué)的穩(wěn)定相。不管它溫度變化也好，振動(dòng)也好，裏頭加一點(diǎn)化學(xué)原料也好，它都能夠是穩(wěn)定的。第二節(jié)、納米材料的特性從通常的關(guān)於微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，納米級(jí)這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）後，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。納米材料的特性1.表面效應(yīng)

2.小尺寸效應(yīng)

3.量子尺寸效應(yīng)

4.宏觀量子隧道效應(yīng)1.表面效應(yīng)

表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同,存在許多懸空鍵,並具有不飽和性,因而極易與其他原子相結(jié)合而趨於穩(wěn)定,所以,具有很高的化學(xué)活性.利用這一特性可制得具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)係直徑/nm1510100原子總數(shù)N30400030000300000表面原子百分比9940202表面效應(yīng)納米顆粒的表面效應(yīng)—活性超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會(huì)產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。如要防止自燃，可採(cǎi)用表面包覆或控制氧化速度，使其緩慢氧化生成一層極薄而緻密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會(huì)有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。2.小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

小尺寸效應(yīng)

特殊的光學(xué)性質(zhì)—顏色特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)黃金被細(xì)分到小於光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時(shí)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑變成鉑黑。由此可見，金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低於1%，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。也有可能?yīng)用於紅外敏感原件、紅外隱身技術(shù)等。小尺寸效應(yīng)

超微納米顆粒的不穩(wěn)定性超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒（直徑2nm）進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體、二十面體等），它既不同於一般固體，有不同於液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了沸騰狀態(tài)，尺寸大於10nm後才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。小尺寸效應(yīng)

納米微粒的熔點(diǎn)降低納米微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)粉體低得多。由於顆粒小，納米微粒的表面能高，表面原子數(shù)多，這些原子近鄰配位不全，納米微粒間是一種非共價(jià)相互作用，活性大，納米粒子熔化時(shí)所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒的熔點(diǎn)急劇下降。例如，大塊鉛的熔點(diǎn)為00K，而20nm球形鉛的熔點(diǎn)低於288K，金的熔點(diǎn)通常是１０００多攝氏度，而晶粒尺度為３納米的金微粒，其熔點(diǎn)僅為普通金的一半

3.量子尺寸效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，吸收光譜向短波方向移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。對(duì)於宏觀物體包含無(wú)限個(gè)原子，N→∞，於是δ→0，即宏觀物體的能級(jí)間距幾乎為零；而納米微粒包含的原子數(shù)有限，N值很小，能級(jí)間距將發(fā)生分裂，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性不同，從而產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。例如，溫度為1K時(shí)，直徑小於14nm的銀納米顆粒會(huì)變成絕緣體。4.宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小於勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。經(jīng)典理論和量子理論的差別第三節(jié)納米材料的製備技術(shù)為了研究納米科學(xué)和應(yīng)用納米科學(xué)的研究成果，首先要能按照人們的意願(yuàn)在納米尺寸的世界中自由地剪裁、安排材料，這一技術(shù)被稱為納米加工技術(shù)。納米材料的製備科學(xué)在當(dāng)前的納米技術(shù)研究中佔(zhàn)據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。人們一般將納米材料的製備方法劃分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。納米材料的製備技術(shù)實(shí)際上，一方面納米加工技術(shù)是納米科學(xué)的重要基礎(chǔ)，另一方面納米加工技術(shù)中包含了許多人們尚未認(rèn)識(shí)清楚的納米科學(xué)問(wèn)題。比如說(shuō)，一般認(rèn)為物體之間相互運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力主要來(lái)源於物體表面的不平整性，即物體表面越光滑，它們之間的摩擦力就越小。在納米世界裏，材料表面很小，相互之間距離很近，以至於使兩塊材料表面上的原子會(huì)發(fā)生化學(xué)鍵合而產(chǎn)生對(duì)相互運(yùn)動(dòng)的阻力。因此，在納米世界內(nèi)，所有的加工都必須在原子尺寸的層面上考慮。一、物理方法1真空冷凝法

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然後驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。2物理粉碎法

通過(guò)機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分佈不均勻。3機(jī)械球磨法

採(cǎi)用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)?、合金或複合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分佈不均勻。二、化學(xué)方法1.化學(xué)沉澱法

共沉澱法

均勻沉澱法

多元醇沉澱法

沉澱轉(zhuǎn)化法2.化學(xué)還原法水溶液還原法多元醇還原法氣相還原法碳熱還原法3.溶膠－凝膠法

溶膠－凝膠法廣泛應(yīng)用於金屬氧化物納米粒子的製備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠，再製成凝膠，經(jīng)乾燥納米材料熱處理後制得所需納米粒子。

溶膠－凝膠法可以大大降低合成溫度。用無(wú)機(jī)鹽作原料，價(jià)格相對(duì)便宜。

4.水熱法

水熱法是在高壓釜裏的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，採(cǎi)用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶。水熱技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn)，一是其相對(duì)低的溫度，二是在封閉容器中進(jìn)行，避免了組分揮發(fā)。水熱條件下粉體的製備有水熱結(jié)晶法、水熱合成法、水熱分解法、水熱脫水法、水熱氧化法、水熱還原法等。近年來(lái)還發(fā)展出電化學(xué)熱法以及微波水熱合成法。前者將水熱法與電場(chǎng)相結(jié)合，而後者用微波加熱水熱反應(yīng)體系。與一般濕化學(xué)法相比較，水熱法可直接得到分散且結(jié)晶良好的粉體，不需作高溫灼燒處理，避免了可能形成的粉體硬團(tuán)聚。

5.溶劑熱合成法

用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì)，採(cǎi)用類似水熱合成的原理製備納米微粉。非水溶劑代替水，不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用範(fàn)圍，而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng)，包括製備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。苯由於其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu)，是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑，最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù)，溶劑加壓熱合成技術(shù)可以在相對(duì)低的溫度和壓力下製備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。6.微乳液法

微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油類(通常為碳?xì)浠衔?組成的透明的、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液中，微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒，其大小在幾至幾十個(gè)納米間，這些微小的“水池”彼此分離，就是“微反應(yīng)器”。它擁有很大的介面，有利於化學(xué)反應(yīng)。這顯然是製備納米材料的又一有效技術(shù)。與其它化學(xué)法相比，微乳法制備的粒子不易聚結(jié)，大小可控，分散性好。運(yùn)用微乳法制備的納米微粒主要有以下幾類：(1)金屬，如Pt，Pd，Rh，Ir[84]Au,Ag,Cu等；(2)硫化物CdS，PbS，CuS等；(3)Ni,Co,Fe等與B的化合物[；(4)氯化物AgCl，AuCl3等；(5)鹼土金屬碳酸鹽，如CaCO3，BaCO3，SrCO3；(6)氧化物Eu2O3，F(xiàn)e2O3，Bi2O3及氫氧化物Al(OH3)等。微乳液法制備Fe2O3示意圖7.範(fàn)本合成法

利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙作為範(fàn)本進(jìn)行合成。結(jié)構(gòu)基質(zhì)為多孔玻璃、分子篩、大孔離子交換樹脂等。例如將納米微粒置於分子篩的籠中，可以得到尺寸均勻，在空間具有週期性構(gòu)型的納米材料。Herron等將Na-Y型沸石與Cd(NO3)溶液混合，離子交換後形成Cd-Y型沸石，經(jīng)乾燥後與N2S氣體反應(yīng)，在分子篩八面體沸石籠中生成CdS超微粒子。南京大學(xué)採(cǎi)用氣體輸運(yùn)將C60引入13X分子篩與水滑石分子層間，並可以將Ni置換到Y(jié)型沸石中去，觀察到C60Y光致光譜由於Ni的摻入而產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象。9.電解法

此法包括水溶液電解和熔鹽電解兩種。用此法可制得很多用通常方法不能製備或難以製備的金屬超微粉，尤其是負(fù)電性很大的金屬粉末。還可製備氧化物超微粉。採(cǎi)用加有機(jī)溶劑於電解液中的滾筒陰極電解法，製備出金屬超微粉。滾筒置於兩液相交界處，跨於兩液相之中。當(dāng)滾筒在水溶液中時(shí)，金屬在其上面析出，而轉(zhuǎn)動(dòng)到有機(jī)液中時(shí)，金屬析出停止，而且已析出之金屬被有機(jī)溶液塗覆。當(dāng)再轉(zhuǎn)動(dòng)到水溶液中時(shí)，又有金屬析出，但此次析出之金屬與上次析出之金屬間因有機(jī)膜阻隔而不能聯(lián)結(jié)在一起，僅以超微粉體形式析出。用這種方法得到的粉末純度高，粒徑細(xì)，而且成本低，適於擴(kuò)大和工業(yè)生產(chǎn)。第四節(jié)納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用由於納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖?、光、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高緻密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。一、陶瓷增韌陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的介面，介面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。納米陶瓷二、磁性材料方面的應(yīng)用

１．巨磁電阻材料

2．新型的磁性液體和磁記錄材料三、納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其製備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒於作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10～15倍。1．金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上，例如納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團(tuán)，致使雙鍵很難打開，若加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開雙鍵變得容易，使氫化反應(yīng)順利進(jìn)行。2．半導(dǎo)體納米粒子的光催化

半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直引起人們的重視，原因在於這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利用太陽(yáng)光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國(guó)、日本利用這種方法對(duì)海上石油洩露造成的污染進(jìn)行處理。採(cǎi)用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中製成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。3．納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化

金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。提高熱燃燒效率:將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，可使燃燒效率提高100倍；納米炸藥比常規(guī)炸藥性能提高千百倍.四、納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用

納米微粒由於小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)係。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性製成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)於這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。下麵簡(jiǎn)要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。1．紅外反射材料高壓鈉燈以及各種用於拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69％轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒製成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力。2.隱身材料

由於納米微粒尺寸遠(yuǎn)小於紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。某些幾十納米厚的固體薄膜的吸收效果與比它厚1000倍的現(xiàn)有吸波材料相同，美國(guó)研製的納米隱身塗料超黑粉對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99%。美國(guó)F117隱形轟炸機(jī)機(jī)美國(guó)B2隱形轟炸機(jī)3、

用於製造微型武器利用納米技術(shù)可以把感測(cè)器、電動(dòng)機(jī)和數(shù)字智能裝備集中在一塊晶片上，製造出幾釐米甚至更小的微型裝置。在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，將出現(xiàn)能像士兵那樣執(zhí)行軍事任務(wù)的超微型智能武器裝備。據(jù)報(bào)導(dǎo)，美國(guó)研製的小型智能機(jī)器人，大的像鞋盒子那麼大，小的如硬幣，它們會(huì)爬行、跳躍甚至可飛過(guò)雷區(qū)、穿過(guò)沙漠或海灘，為部隊(duì)或數(shù)千公里外的總部收集資訊。微型機(jī)電武器還可用於敵我識(shí)別、探測(cè)核污染和化學(xué)毒劑、無(wú)人偵察機(jī)等。4、用於製造微型衛(wèi)星和納米衛(wèi)星由於納米技術(shù)、微電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，一些國(guó)家發(fā)射的衛(wèi)星正向小型化方向發(fā)展。1993年，美國(guó)航空航太公司就提出了納米衛(wèi)星(重約0.1—10千克)的概念。1999年，英國(guó)、美國(guó)、瑞典各發(fā)射了一顆納米衛(wèi)星。專用微型積體電路取代現(xiàn)在衛(wèi)星上使用的有關(guān)系統(tǒng)，使微型衛(wèi)星、納米衛(wèi)星體積小、重量輕；生存能力強(qiáng)，即使遭受攻擊也不會(huì)喪失全部功能；研製費(fèi)用低，不需大型實(shí)驗(yàn)設(shè)施和跨度大的廠房；易發(fā)射，不需大型運(yùn)載工具發(fā)射，一枚小型運(yùn)載火箭即可發(fā)射千百顆，再按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)地球表面的覆蓋。五、納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的作用

隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會(huì)迅速來(lái)臨，拓展人類利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。1．納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用納米技術(shù)可以製成非常好的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小於0.01％。因而，在燃煤中可加入納米級(jí)助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級(jí)催化劑用於汽車尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無(wú)需進(jìn)行尾氣淨(jìng)化處理。2．納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)用

污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由於傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問(wèn)題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來(lái)，變害為寶。一種新型的納米級(jí)淨(jìng)水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通淨(jìng)水劑三氯化鋁的10~20倍。3．納米TiO2與環(huán)境保護(hù)

由於納米TiO2除了具有納米材料的特點(diǎn)外，還具有光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演極其重要的角色。（1）降解空氣中的有害有機(jī)物對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結(jié)果表明，光催化劑可以很好地降解這些物質(zhì)，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100％。其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。納米TiO2的光催化劑也可用於石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠區(qū)周圍空氣品質(zhì)。（2）降解有機(jī)磷農(nóng)藥有機(jī)磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來(lái)的農(nóng)藥品種，占我國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)量的80％，它的生產(chǎn)和使用會(huì)造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來(lái)催化降解可以得到根本解決。（3）處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來(lái)處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能，最終能使有機(jī)物完全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用前景。（4）解決石油污染問(wèn)題在石油開採(cǎi)運(yùn)輸和使用過(guò)程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類物質(zhì)廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問(wèn)題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。（6）高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死後，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋放出的有毒複合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場(chǎng)所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。（7）自潔作用納米TiO2由於其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防汙、防霧、易洗、易幹等特點(diǎn)。我國(guó)新近研製成功一種具備自動(dòng)清潔功能，可以自動(dòng)消除異味、殺菌消毒的“納米自潔淨(jìng)玻璃”?！凹{米自潔淨(jìng)玻璃”是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線的作用下可分解沉積在玻璃上的汙物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。被稱之為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀念，利用納米技術(shù)解決污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。六、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。生物分子是很好的資訊處理材料，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(guò)程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類似於電腦的邏輯開關(guān)，利用該特性並結(jié)合納米技術(shù)，可以此來(lái)設(shè)計(jì)量子電腦。到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子電腦組件。科學(xué)家們認(rèn)為：要想提高集成度，製造微型電腦，關(guān)鍵在於尋找具有開關(guān)功能的微型器件。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)製作出了光導(dǎo)“與”門，利用發(fā)光門製成蛋白質(zhì)記憶體。此外，他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研製模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)路和聯(lián)想式存儲(chǔ)裝置。納米電腦的問(wèn)世，將會(huì)使當(dāng)今的資訊時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和資訊處理的能力提高上百萬(wàn)倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。如果有一種超微型鑷子，能夠鉗起分子或原子並對(duì)它們隨意組合，製造納米機(jī)械就容易多了?？茖W(xué)家用DNA（去氧核糖核酸）製造出了一種納米級(jí)的鑷子。利用DNA基本元件堿基的配對(duì)機(jī)制，可以用DNA為“燃料”

控制這種鑷子反復(fù)開合。七、納米科技在其他方面的應(yīng)用1.醫(yī)學(xué)使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，並在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布製造具有特定功能的藥品。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，並通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體後可主動(dòng)搜索並攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。納米機(jī)器人

採(cǎi)用納米大分子：“生物部件”與小分子無(wú)機(jī)物晶體結(jié)構(gòu)組合，採(cǎi)用納米電子學(xué)控制裝配成納米機(jī)器人，將會(huì)給人類醫(yī)學(xué)科技帶來(lái)深刻的革命，使現(xiàn)在許多的疑難病癥得到解決。這些分子機(jī)器人以光感應(yīng)器作開關(guān)，從溶解在血液中的葡萄糖和氧氣中獲得能量，並按編制好的程式探體內(nèi)物體，以醫(yī)師預(yù)先編制的程式進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，吞噬病毒和組織破碎細(xì)胞，殺死癌細(xì)胞，監(jiān)視體內(nèi)的病變等。納米機(jī)器人還可以用來(lái)進(jìn)行人體器官修復(fù)工作，如修復(fù)損壞的器官和組織，做整容手術(shù)，進(jìn)行基因裝配工作，從基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安裝在基因中，使機(jī)體恢復(fù)正常功能。在血管中運(yùn)動(dòng)的納米機(jī)器人，它正在使用納米切割機(jī)和真空吸塵器來(lái)清除血管中的沉積物檢查體內(nèi)疾病

重慶科研人員開發(fā)的“OMOM膠囊內(nèi)鏡系統(tǒng)”估計(jì)三年內(nèi)可以上市。該醫(yī)生長(zhǎng)得像一顆膠囊，把它吞進(jìn)肚裏，消化道內(nèi)的情景就可以像放電影一樣在電腦螢?zāi)簧弦荒苛巳?.家電

用納米材料製成的納米材料多功能塑膠，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰箱、空調(diào)外殼裏的抗菌除味塑膠。

3.電子電腦和電子工業(yè)

可以從閱讀硬碟上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前晶片上千倍的納米材料級(jí)記憶體晶片都已投入生產(chǎn)。電腦在普遍採(cǎi)用納米材料後，可以縮小成為“掌上電腦”。

4.紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2複配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可製成殺菌、防黴、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用於製造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

5.機(jī)械工業(yè)

採(cǎi)用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉塗層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

納米齒輪6、納米科學(xué)技術(shù)

在精細(xì)化工方面的應(yīng)用

一、粘合劑和密封膠

國(guó)外已將納米材料如納米SiO2作為添加劑加入到粘合劑和密封膠中，使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性都大大提高。其作用機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料，使之具有親水性，將它添加到密封膠中很快形成一種矽石結(jié)構(gòu)，即納米SiO2形成網(wǎng)路結(jié)構(gòu)掏膠體流動(dòng)，固體速度加快，提高粘接效果，由於顆粒尺寸小，更增加了膠的密封性。

二、塗料在各類塗料中添加納米SiO2可使其抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地提高，塗料的品質(zhì)和檔次自然升級(jí)。因納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料（即抗老化），加之其極微小顆粒的比表面積大，能在塗料乾燥時(shí)很快形成網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，同時(shí)增加塗料的強(qiáng)度和光潔度。三、各種助劑橡膠

納米Al2O3粒子加入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性。納米SiO2可以作為抗紫外輻射、紅外反射、高介電絕緣橡膠的填料。添加納米SiO2的橡膠，彈性、耐磨性都會(huì)明顯優(yōu)於常規(guī)的白炭黑作填料的橡膠。

塑膠

納米SiO2對(duì)塑膠不僅起補(bǔ)強(qiáng)作用，而且具有許多新的特性。利用它透光、粒度小，可使塑膠變得更緻密，可使塑膠薄膜的透明度、強(qiáng)度和韌性、防水性能大大提高。在有機(jī)玻璃生產(chǎn)時(shí)加入納米SiO2可使有機(jī)玻璃抗紫外線輻射而達(dá)到抗老化的目的；在有機(jī)玻璃中添加納米Al2O3既不影響透明度又提高了高溫衝擊韌性。四、化妝品納米微粒與樹脂結(jié)合用於紫外線吸收，如防曬油、化妝品中普遍加入納米微粒。如納米TiO2、ZnO、SiO2等。一定粒度的銳鈦礦型TiO2具有優(yōu)良的紫外線遮罩性能，而且質(zhì)地細(xì)膩，無(wú)毒無(wú)臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。第五節(jié)、現(xiàn)狀與展望納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集於一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代，納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域，在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，並有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。納米材料是近幾年來(lái)最受關(guān)注的新材料之一，其重要意義越來(lái)越為人所認(rèn)識(shí)。已有人預(yù)言“本世紀(jì)五十年代重視微米技術(shù)的國(guó)家，現(xiàn)在都取得了很大的發(fā)展，同樣，現(xiàn)在重視納米科技的國(guó)家，將在二十一世紀(jì)獲得高速發(fā)展?！盜BM的首席科學(xué)家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微電子技術(shù)引發(fā)了資訊革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下世紀(jì)資訊時(shí)代的核心?！?1世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個(gè)大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、資訊等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其製備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會(huì)得到日益廣泛的應(yīng)用。納米技術(shù)在各國(guó)發(fā)展情況納米技術(shù)在美國(guó)2010年:80萬(wàn)納米科技人才,GDP1萬(wàn)億美元,200萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)能源部的8項(xiàng)優(yōu)先研究中，6項(xiàng)有關(guān)納米材料本世紀(jì)前10年幾個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一制定了“國(guó)家納米技術(shù)倡議”(NNI):軍工:隱形飛機(jī)表面塗料、艦船表面納米塗料美國(guó)總統(tǒng)布希2003.12.3日簽署了《21世紀(jì)納米技術(shù)研究開發(fā)法案》，批準(zhǔn)聯(lián)邦政府在從2005財(cái)政年度開始的4年中共投入約37億美元，用於促進(jìn)納米技術(shù)的研究開發(fā)納米技術(shù)在各國(guó)發(fā)展情況納米技術(shù)在日本19