1、 納米知識介紹 1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生。納米納米是一種長度單位，1納米=110-9米，即1米的十億分之一，單位符號為 nm。納米技術納米技術是在單個原子、分子層次上對物質的種類、數量和結構形態進行精確的觀測、識別和控制的技術，是在納米尺度范圍內研究物質的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產品的多學科交叉的高新技術。其最終目標是人類按照自己的意志直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產品。納米技術的開展大致可以劃分為3個階段： 第一階段(1990年即在召開“Nano 1以前)主要是在實驗室探索各種納米粉體的制備

2、手段，合成納米塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法，探索納米材料的特殊性能。研究對象一般局限于納米晶或納米相材料。第二階段 (1990年1994年)人們關注的熱點是設計納米復合材料： 納米微粒與納米微粒復合(0-0復合)， 納米微粒與常規塊體復合(0-3復合)， 納米復合薄膜(0-2復合)。第三階段(從1994年至今)納米組裝體系研究。它的根本內涵是以納米顆粒以及納米絲、管等為根本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系的研究。納米材料材料根本構成單元的尺寸在納米范圍即1100納米或者由他們形成的材料就稱為納米材料。納米材料和宏觀材料迥然不同，它具有奇特的光學、電學、磁學、熱學和

3、力學等方面的性質。圖1 納米顆粒材料SEM圖一、 納米材料的根本特性由于納米材料是由相當于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因為這樣，納米材料具有了一些區別于相同化學元素形成的其他物質材料特殊的物理或是化學特性例如：其力學特性、電學特性、磁學特性、熱學特性等，這些特性在當前飛速開展的各個科技領域內得到了應用。科學家們和工程技術人員利用納米材料的特殊性質解決了很多技術難題，可以說納米材料特性促進了科技進步和開展。1、 力學性質高韌、高硬、高強是結構材料開發應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的

4、直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因其力學強度一直難以有大的提高。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。2、 熱學性質納米材料的比熱和熱膨脹系數都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的

5、機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉換為熱能。3、 電學性質由于晶界面上原子體積分數增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發生尺寸誘導金屬絕緣體轉變SIMIT。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規半導體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現出很好的晶體三極管放大特性。并根據低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進展，已經成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路

6、。4、 磁學性質當代計算機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數比傳統粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數至少比傳統粗晶材料低3個數量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至

7、少高1個數量級，從而在光磁系統、光磁材料中有著廣泛的應用。 納米結構 以納米尺度的物質單元為根底，按一定規律構筑或營造的新體系。它不僅具有納米物質單元的性能，還存在由結構組合而產生的新的特性。 Gleiter認為納米材料是其晶粒中原子的長程有序排列和無序界面成分的組合，納米材料具有大量界面，晶界原子達15%一50%。可以利用TEM、X射線、中子衍射和一些其它方法來表征納米材料及其結構。對于納米材料晶界的結構有三種不同的理論:（1） Gleiter的完全無序說。3這種假說認為納米晶粒間界具有較為開放的結構，原子排列具有隨機性，原子間距較大，原子密度低，既無長程有序，又無短程有序。2Seagel的

8、有序說。4有序說認為晶粒間界處含有短程有序的結構單元，晶粒間界處原子保持一定的有序度，通過階梯式移動實現局部能量的最低狀態;3葉恒強、吳希俊的有序無序說。5該理論認為納米材料晶界結構受晶粒取向和外場作用等一些因素的限制，在有序和無序之間變化。二、 納米材料的主要應用借助于納米材料的各種特殊性質，科學家們在各個研究領域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應用的越來越廣泛化。1、 特殊性能材料的生產材料科學領域無疑會是納米材料的重要應用領域。高熔點材料的燒結納米材料的小尺寸效應(即體積效應)使得其在低溫下燒結就可獲得質地優異的燒結體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。

9、另一方面，由于納米材料具有燒結溫度低、流動性大、滲透力強、燒結收縮大等燒結特性，所以它又可作為燒結過程的活化劑使用，以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。例如普通鎢粉需在3 000高溫時燒結，而當摻入0.1%0.5%的納米鎳粉后，燒結成形溫度可降低到1 2001 311。 復合材料的燒結 由于不同材料的熔點和相變溫度各不相同，所以把它們燒結成復合材料是比擬困難的。納米材料的小尺寸效應和外表效應，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進行固相反響，得到燒結性能好的復合材料。納米陶瓷材料的制備 通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點

10、低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產出質地致密、性能優異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應，這些都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域，并將會對高技術和新材料的開發產生重要作文檔來自于網絡搜索2、 生物醫學中的納米技術應用從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現象中根本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執行某種功能的“納米機械，細胞就象一個個“納米車間，植物中的光合作用等都是“納米工廠的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精

11、確，神經系統的信息傳遞和反響等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內的細胞、紅血球還要小，這就為醫學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現細胞別離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內部染色，外表包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。 正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發

12、和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫療，而且可在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監測和治療。各式納米機械系統可以快速地區分病區所在，并定向地將藥物注入病區而不傷害正常的組織或去除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。3、 納米生物計算機開發生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以

13、波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能、自動修復芯片上發生的故障，還能使其模仿人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的。 科學家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產生重大影響。制造這類計算機離不開納米技術。生物納米計算機和納米機器人的結合體那么是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數十億次

14、操作，屆時人類的勞動方式將產生徹底的變革。 目前納米科學技術正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關心未來開展的全世界科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現出的奇異現象和新進展，這一領域前景十分誘人。它與其它學科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學科或學科群，其有關開展將對經濟建設、國防實力、科技開展乃至整個社會文明進步產生巨大影4、 新的國防科技革命納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統和戰場上的實時聯系；對化學、生物、核武器的納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊與防護能力；由納米微機械系統制造的小型機

15、器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可用一枚小型運載火箭發射千百顆，按不同軌道組成衛星網，監視地球上的每一個角落，使戰場更加透明。而納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。 在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒外表原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比外表積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增

16、加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉納米吸波材料對雷達波的吸收率達99，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz范圍內，其m和m幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發揮單位質量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼備了薄、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為資料個人收集整理，勿做商業用途5、 其他領域除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航

17、天、環境能源、微電子學等其他領域也有著逐漸廣泛的應用，納米材料在這些領域都在逐漸發揮著光和熱。三、 納米材料的應用前景展望經過幾十年對納米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的開展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速開展。可以預測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學組裝計算機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機器人、集成生物化學傳感器等將被研究制造出來。 納

18、米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，但從歷史的角度看：上世紀70年代重視微米 科技的國家如今都已成為興旺國家。當今重視開展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米根底理論的研究，為我國在21世紀實現經濟騰飛奠定堅實的根底。整個人類社會將因納米技術的開展和商業化而產生根本性的變革。文檔來自于網絡搜索國際納米材料開展投入和國內水平的比照納米科學與技術在二十世紀九十年代初期在世界興旺國家蓬勃開展，西方興旺國家對納米科學與技術的研發投入逐年增加，競爭也進入白熱化。以高新技術為導向的美國正是看到了納米材料的

19、無限潛力，近年將納米科學技術的研發作為科技政策的重點，于2000年宣布實施“國家納米方案，每年的納米科技研發投入都在增長，截至2007年初共投入五十六億美元用于納米科學技術的研發。14-15日本通產省實施為期年的“納米材料工程方案，每年投資達億日元。日本科技廳設立“納米材料研究中心，集中數百名專家進行研究開發。日本文部科學省也實施“納米技術綜合支援方案，以最大限度發揮各科研機構開發納米技術的能力。日本每年用于納米技術研發的投資大約5億美元。歐盟近年也將納米科學技術作為重點研究領域之一，從2002至2006年間為納米技術研究撥款1 3億歐元，并于2003年建立納米技術工業平臺，推動納米技術的應用。法國于2003年動用5000萬歐元建立法國最大的電子納米技術中心“聯盟克洛爾，并在2005年該中心又投入億美元，建成了世界上規模最大的納米芯片生產基地。在納米科技領域，我國在“十五、“十一五期間取得了一批重要的研究成果，在局部領域已到達國際先進水平。但從以上我國的納米材料成果可以看出，與興旺國家相比，我國納米材料和技術的開展水平與興旺國家還存在著不小的差距。首先，興旺國家自上世紀90年代以來，一直把納米科技作為開展的長遠戰略目標，不斷強化根底