什么是纳米？
纳米是英文namometer的音译，是物理学中的计量单位。1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列在一起的长度。通俗地说，相当于头发粗细的十分之一。就像毫米和微米一样，纳米是一个尺度的概念，没有物理内涵。当物质达到纳米尺度，大约是1-100纳米，物质的性质会突然发生变化，出现特殊的性质。这种具有不同于原来的原子、分子和宏观物质的特殊性质的材料，被称为纳米材料。如果只是纳米尺度的材料，没有特殊性质，就不能称之为纳米材料。以往人们只关注原子、分子或宇宙空间，往往忽略了这个实际上大量存在于自然界的中间场，而之前并没有意识到这个尺度范围的表现。日本科学家是第一个真正认识到其特性并引用纳米概念的人。他们在20世纪70年代通过蒸发制备超微离子，发现一种导电导热的铜银导体制成纳米尺度后，失去了原有的性质，既不导电也不导热。磁性材料也是如此，比如铁钴合金。如果做成20-30纳米左右的尺寸，磁畴就会变成单磁畴，其磁性会比原来高1000倍。20世纪80年代中期，人们正式将这类材料命名为纳米材料。
在充满活力的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的快速发展必然对材料提出新的要求，元器件的小型化、智能化、高集成度、高密度存储和超高速传输对材料的需求越来越少。航空航天、新型军事装备和先进制造技术对材料性能的要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新将是未来10年社会发展、经济振兴和国力增强最具影响力的战略研究领域，纳米材料将是发挥重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是新材料领域最具活力的研究对象，对未来的经济和社会发展有着非常重要的影响，也是纳米技术应用最活跃、最接近的领域。近年来，在纳米材料和纳米结构方面取得了令人瞩目的成就。例如，存储密度为每平方厘米400克的磁性纳米棒阵列量子盘、低成本、发光波段可调的高效纳米阵列激光器、低价格、高能量转换的纳米结构太阳能电池和热电转换元件、用作轨道炮和钢轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料的问世，充分显示了其在国民经济新支柱产业和高技术领域的巨大应用潜力。正如美国科学家估计的那样，“这种人们肉眼看不到的微小物质，很可能会给各个领域带来一场革命。”纳米材料和纳米结构的应用将为如何调整国民经济支柱产业布局、设计新产品、形成新产业和改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的科学意义在于，它开辟了人们认识自然的新境界，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度(1 ~ 100 μm)相当于物质中的许多特征长度，如电子的德布罗意波长、超导的相干长度、隧穿势垒的厚度和铁磁性的临界尺寸，因此纳米材料和纳米结构的物理化学特性不同于微观的原子和分子，也不同于宏观的物体，从而提高了人们探索自然和创造知识的能力。在纳米材料领域发现新现象、认识新规律、提出新概念、建立新理论，将为构建纳米材料科学体系的新框架奠定基础，也将极大地丰富纳米物理、纳米化学等新领域的研究内涵。在世纪之交，高韧性纳米陶瓷和超强纳米金属仍然是纳米材料纳米结构设计领域的重要研究课题，异质、异质和不同纳米元素(零维纳米颗粒、一维纳米管、纳米棒和纳米线)的组合。纳米尺度元素的表面改性已成为纳米材料研究的新热点，人们可以根据自己的意愿更自由地合成具有特殊性能的新材料。利用新的物理性质、新的原理和新的方法设计纳米结构器件，对传统的纳米复合材料进行改性，正在孕育新的突破。1形状和趋势研究纳米材料的制备和应用研究中产生的纳米技术很可能成为下世纪头20年的主导技术，从而带动纳米产业的发展。世纪之交，世界上所有先进国家都从未来发展战略的角度重新安排了对纳米材料的研究。在世纪之交的关键时刻，迎接新的挑战，抓住纳米材料和柏树结构项目，迅速组织科技人员围绕国家确定的目标进行研究，是十分重要的。纳米材料诞生的国家这些年所取得的成就以及在各个领域的影响力和渗透力一直备受瞩目。20世纪90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出特点是基础研究和应用研究紧密联系，实验室成果转化速度出乎意料，基础研究和应用研究都取得了重要进展。美国已成功制备出晶粒尺寸为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu高5倍。晶粒尺寸为7urn的钯的屈服应力是粗晶粒钯的5倍。高强度金属间化合物的塑化一直备受人们关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望。根据纳米材料的发展趋势及其在世纪高技术发展中的重要地位，世界发达国家政府正在部署10至15纳米技术的研究计划。1998，美国国家基金会(NSF)邀请全国科技界对纳米功能材料的合成、加工和应用进行招标，作为重要的基础研究项目。纳米技术也是美国darpa(国家高级技术研究部)几个项目中的重要研究对象。近年来，日本为纳米技术的研究制定了各种计划，如ogala计划、erato计划和量子功能器件的基本原理和器件利用研究计划。1997年纳米技术投资128万美元。德国科技部帮助联邦政府制定了从1995到2010和15发展纳米技术的计划。英国政府在纳米技术的研究上投入了大量资金；1.997西欧投资1.2亿美元。据1999年7月8日《自然》杂志最新报道，纳米材料的应用潜力已经引起了白宫的关注。美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投入，未来三年经费支持从2.5亿美元增加到5亿美元。这表明，纳米材料和纳米结构的研究热潮将在下一个世纪长期持续发展。2国际趋势与发展战略1999年7月8日，《自然》(Nature)杂志(400卷)发布了一条题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术崛起”的重要消息。在这篇文章中，报道了美国政府在三年内将纳米技术研究的投资从2.5亿美元增加到5亿美元。克林顿总统将于明年2月向国会提交一项支持纳米技术研究的法案供批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取临时紧急措施，将资助强度从原来的654.38美元+9700万美元提高到2.5亿美元。美国《商业周刊》8月19日报道，265438+10年前美国政府决定将纳米技术研究列为重点领域之一，美国《商业周刊》将纳米技术列入21世纪可能取得重要突破的三个领域(另外两个是。白宫在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，原因有二:一是德国科技部对201996年纳米技术的市场做了一个预测，估计达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占据相当大的份额。美国基础研究负责人威廉姆斯说:纳米技术的原创应用远远超过计算机行业。白宫战略规划办公室也认为纳米材料是纳米技术最重要的部分。《自然》的报道中特别提到，美国在纳米结构组装体系和高比表面积纳米粒子的制备合成方面引领了世界潮流，在纳米功能涂层的设计和改性以及纳米材料在生物技术中的应用方面居世界首位，纳米尺寸的组件和纳米固体也要与日本一争高下。1999年7月，美国加州大学洛杉矶分校和惠普公司成功研制出100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学在1998年成功制备出量子盘。这个盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，100 bit/s大小的密度达到了109 bit/。1988年，法国人首先发现巨磁电阻效应。到1997年，美国已经出了基于巨磁电阻的纳米结构器件，在磁存储、磁记忆、计算机读写头等方面将有重要的应用前景。近日，美国柯达公司的研究部门成功研究出一种兼具颜料和分子染料功能的新型纳米粉末，有望给彩色橡胶印刷带来革命性的变化。纳米粉体材料很有可能在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性方面为传统行业和产品注入新的高科技含量，在未来市场中将占据重要份额。纳米材料在医学上的应用研究也引起了人们的关注。正是这些研究让白宫意识到纳米材料和技术将占据重要的战略地位。第二个原因是纳米材料与技术领域是知识创新和技术创新的源泉。新规律、新原理的发现和新理论的建立为基础科学提供了新的机遇，美国计划垄断该领域基础研究的“老大”地位。3国内研究进展我国纳米材料的研究始于20世纪80年代末。“八五”期间，“纳米材料科学”被列入国家攀登计划。国家自然科学基金委员会、中国科学院和国家教委分别组织了8个重大和重点项目，组织相关科技人员在纳米材料各个分支领域开展工作。国家自然科学基金也资助了20多个项目，国家“863”新材料主题也启动了纳米材料高技术创新研究。1996之后，纳米材料的应用研究出现了可喜的迹象。随着地方政府和部分企业家的介入，我国纳米材料研究进入了基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究群体，600多人从事纳米材料的基础和应用研究。其中，较早承担国家重大基础研究项目和开展纳米材料研究工作的单位有:中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、中国科学技术大学物理研究所、中国科学院化学研究所、清华大学、吉林大学、东北大学、Xi交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学、华东理工大学、浙江大学、中国科学院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、光敏化学研究所等也开展了纳米材料的基础和应用研究。10年来，我国纳米材料基础研究取得了显著的重要研究成果。许多物理和化学方法被用来制备金属和合金(晶态、非晶态和纳米晶)的氧化物、氮化物、碳化物和其他化合物的纳米粉末，并建立了相应的设备来控制纳米颗粒的尺寸，制成了纳米薄膜和块体。在纳米材料的表征、聚集体的成因与消除、表面吸附与脱附、纳米复合粒子与粉体的制备等方面有所创新，取得重大进展。高密度、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷已经研制成功。纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳过程中应力集中区出现超塑性变形，这在国际上尚属首次。在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应、自旋波振动等方面取得创新成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿颗粒的磁转变超过金属GD。设计并制备了一种新型纳米复合氧化物体系，其在中红外波段的吸收率可达92%，并已应用于红外热纤维中。发展了一种通过非晶完全晶化制备纳米合金的新方法。在完全致密的纳米合金中发现了反常的hall-petch效应。近年来，我国在功能纳米材料研究方面取得了巨大成就，引起了国际关注。首先是大面积定向碳纳米管阵列的合成:化学气相法高效制备纯碳纳米管的技术。该技术合成的纳米管孔径基本一致，约20 μm，长度约100 μm，纳米管阵列面积达到3mm±3mm，其定向排列度高，碳纳米管间距为100 μm。这种大面积定向碳纳米管阵列在平板显示器的场发射阴极中具有重要的应用前景。本文发表于美国《科学》杂志65438-0996期。二是超长碳纳米管的制备:首次大批量制备了长度为2 ~ 3 mm的超长定向碳纳米管阵列。这种超长碳纳米管比现有的碳纳米管长1 ~ 2个数量级。这一成果已经发表在8月出版的英国《自然》杂志上，1998。英国《金融时报》以“碳纳米管进入漫长阶段”为题介绍了长纳米管方面的工作。第三，氮化物纳米棒的制备:以碳纳米管为模板，成功制备了直径为3 ~ 40 μm、长度为微米量级的一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。这一成果被1998评为中国十大科技新闻之一。第四，硅衬底上碳纳米管阵列的成功研制促进了碳纳米管在场发射平面和纳米器件中的应用。第五，成功制备了一维纳米线和电缆。这篇研究论文在65438-0998年于瑞典举行的第四届国际纳米会议上宣读后，许多外国科学家给予了高度评价。第六，用苯热法制备纳米氮化微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制备出粒径为30 μm的氮化锌微晶。氮化铬(crn)、磷化钴(cop)和硫化锑(sbs)纳米晶也是由苯合成的，论文发表在Science杂志1997。第七，催化热解制得纳米金刚石；以四氯化碳和钠为原料，在高压釜中中温(70℃)催化热解制备了纳米金刚石粉末。论文发表在1998的《科学》杂志上。美国杂志《化学与工程新闻》也发表了一篇题为《稻草变黄金——四氯化碳制成的钻石(cc14)》的文章，受到了高度评价。中国在纳米材料和纳米结构方面的研究是在65，438+00年的工作基础上积累起来的。在八五基础上，初步形成了几个纳米材料研究基地。上海硅酸盐研究所、南京大学、固体物理研究所、金属研究所、中国科学技术大学物理研究所、清华大学和中国科学院化学研究所组成了我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的视角和基础，还是成果的学术水平和适用性，都为我国纳米材料研究在国际上赢得一席之地，推动我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。对纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也有重要作用。目前和今后，这些单位仍是我国纳米材料和纳米结构研究的中坚力量。在过去的65，438+00年中，中国建立了多种制备纳米材料的物理和化学方法，开发了65，438+00多种制备纳米材料的装置，包括气体蒸发、磁控溅射、激光诱导cvd和等离子体加热气相合成，并开发了化学沉淀法、溶胶-凝胶法、微乳液水热法、非水溶剂合成法和超临界液相合成法。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，制备纳米结构的许多方法(如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、MCM-41等。特别是自组装和分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔向内生长等。，并成功制备了多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准纳米材料的物理性质，促进其在纳米结构器件中的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价方法基本完备，达到90年代末国际先进水平。综上所述，八五期间，我国在纳米材料研究方面取得了一批创新成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占据了一席之地，应用开发研究也出现了新的局面，为我国纳米材料研究的持续发展奠定了基础。在过去的10年中，中国科技人员在国内外学术期刊上发表了2400多篇关于纳米材料和纳米结构的论文，居世界第五位。其中碳纳米管和纳米团簇在1998欧洲文献信息交流大会上德国马普学会固体研究所的一份研究报告中报道，中国科技人员发表的论文比德国多，居世界第三位，并多次召开纳米材料和纳米结构国际会议。到目前为止，纳米材料研究已获得1项国家自然科学奖和2项国家发明奖。院部级自然科学一、二等奖3项，发明一等奖3项，科技进步特等奖1项；申请专利79项，其中发明专利占50%，官方授权发明专利6项，成果转化发明专利6项。近年来，中国纳米技术工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和好评。在Nature和Science上发表了6篇关于纳米材料和纳米结构制备的论文，以及近20篇学术论文(Phys. Rev .列特，J. Ain。化学。SOC。)影响因子在6以上，365，438+0影响因子在3以上。sci和ei收录的文章占发表论文总数的59%。1998年6月在瑞典斯德哥尔摩举行的第四届国际纳米材料大会上，中国在纳米材料方面的研究得到了高度评价，指出中国近年来在纳米材料制备方面取得了令人振奋的成就。在大会总结中，选择了8个纳米材料研究方法较好的国家在闭幕式上发言，中国继美国、日本、德国、瑞典之后在大会上发言。
4纳米产业发展趋势
(1)信息产业中的纳米技术:信息产业不仅在国外发挥着重要作用，在中国也是如此。2000年，中国信息产业创造了5800亿元人民币的GDP。纳米技术在信息产业中的应用主要表现在三个方面:①网络通信、宽带网络通信、纳米结构器件、芯片技术和高清数字显示技术。因为无论通信、集成还是显示器件都需要原始器件，美国已经开始研制，现在有单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，已经在实验室研制成功，可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件国内还很落后，但这些原始器件进入市场还需要10年。所以中国要提前65，438+05到20年研究这些方面。③网络通信中关键纳米器件的研究水平，如激光器、滤波器、谐振器、微电容、微电极等。，在国内并不落后，在安徽省也是存在的。④变阻器、非线性电阻等。可以通过添加氧化锌纳米材料进行改性。
(2)环境产业中的纳米技术:纳米技术是降解空气中20 nm污染物和水中200 nm污染物的不可替代的技术。要净化环境，必须使用纳米技术。现在我们已经成功制备了一种可以降解甲醛、氮氧化物和一氧化碳的设备，可以将空气中的有害气体从10ppm以上降低到0.1ppm，设备已经进入实际生产阶段。光催化纳米材料结合多孔珠已成功用于降解污水中的有机物，对其他传统技术难以降解的有机污染物如苯酚也有很好的降解效果。近年来，许多公司致力于将光催化等纳米技术移植到水处理行业来改善水质，已初见成效；稀土氧化铈和贵金属的纳米组合技术在汽车尾气处理装置的改造上也非常有效。最近，控制淡水湖泊藻类污染的初步研究在实验室中取得了成功。
(3)能源和环境保护中的纳米技术:合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后一个时期的重要任务。在传统能源的合理利用方面，主要有清洁剂和助燃剂，可以使煤充分燃烧，燃烧时自我循环，减少硫的排放，不需要任何辅助装置。此外，还有利用纳米技术改进汽油和柴油的添加剂。实际上是一种液体小分子可燃团簇物质，具有助燃和净化作用。国外发展新能源进展很快，就是把不可燃气体变成可燃气体。目前国际上主要在研发能量转换材料，中国也在做，包括太阳能转换成电能，热能转换成电能，化学能转换成电能。
(4)纳米生物医药:这是中国入世后最具潜力的领域。目前，国际制药工业正面临一个新的决策，即在纳米尺度上发展制药工业。纳米生物医药是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度上进行组合，使疗效最大化，这恰恰是中医的思路。提取精华后，利用人体可吸收的糖、淀粉等少数骨架，使其高效释放并靶向药物。采用纳米技术可以改善传统药物的性能。
(5)纳米新材料:纳米新材料虽然不是最终产品，但很重要。根据美国人的计算，到265438+30年代，汽车中40%的钢铁和金属材料将被轻质高强度材料取代，这样可以节省40%的汽油，减少40%的co2排放。仅此一项每年就将为美利坚合众国创造1000亿美元的社会效益。此外，还有各种功能材料。玻璃透明度好，但重量大。用纳米粒子对其进行改良，使其更轻，使这种材料不仅具有机械性能，还具有其他功能，如变色蓄光、反射各种紫外线和红外线、吸收蓄光等。
(6)纳米技术对传统产业的改造:对于中国来说，是纳米技术切入传统产业，将纳米技术与各领域技术相结合的最佳时机。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研发纳米冰箱。折叠式pvc磁性冰箱门封不发霉，采用抗菌涂层。里面的果盘是由纳米材料制成的。轻工业、电子和家用电器的发展可以带动涂料、材料、电子元器件等行业的发展。其次是纺织品。人造纤维是化纤和纺织工业的发展趋势。中国纺织要想在入世后占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术和纳米材料。去年关于保温被和保温服的电视宣传中提到了纳米技术的应用，纳米技术具有抗静电、阻燃等特殊功能。当纳米导电材料组装到里面，人体就可以在1.654，38+0.000伏的高压下屏蔽。在这方面，纳米技术在纺织工业中的应用前景广阔。第三是电力行业。用纳米技术改造20万伏和110000伏变压传输瓷瓶，可以全方位提高110000伏瓷瓶的抗电击能力，釉面不结霜，其他综合性能非常好；第四，建材行业的涂料和涂料，包括各种陶瓷釉料和油墨，在纳米技术的介入下，可以提升产品性能。
1999年8月20日，美国《商业周刊》对生命科学与生物技术、纳米科学与纳米技术、从其他星球获取能量进行了预测和评价，并指出这是人类进入21世纪的新挑战和新机遇。诺贝尔奖获得者劳雷尔曾说:70年代重视微米的国家，现在都成了发达国家，现在重视纳米技术的国家，下一个世纪很可能成为先进国家。挑战严峻，机遇难得。我们必须更加重视纳米技术的研究，重视纳米技术与其他领域的交叉，加快知识创新和技术创新，为21世纪中国经济腾飞打下坚实的基础。
编者按:激动人心的纳米时代已经到来，人们的生活将立即发生巨大变化。但是，我们也应该清醒地认识到，目前市场上真正成熟的纳米材料并不多。中科院院士白春礼院士认为，“真正的纳米时代还没有到来，我们正满怀信心地迎接纳米时代的到来。”
白春礼说，“人类进入纳米技术时代的重要标志是纳米器件的发展和应用水平。”纳米技术发展到今天，离纳米时代的到来还有多远？白春礼说，“纳米研究还有很多基础研究，纳米尺度上还有大量理论问题需要研究。纳米技术的发展水平和50年代的计算机技术差不多。人类最终进入纳米时代还需要30到50年。50年后，纳米技术可能会像今天的计算机技术一样普及。”
对于纳米技术，科学的态度是脚踏实地地积极参与并推动这一前沿技术的健康发展，不做商业炒作，也不做科学投机。
参考资料:
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