1、納米材料研究現狀及展望摘 要：在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發展必然對材料提出新的需求，組件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等對材料的尺寸要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求 越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術。本文介紹了納米材料和納米技術的概念及其研究進展，并且著重介紹了納米科技在催化、精細化工、 漿料等領域的應用。關鍵詞：納米材料納米技術研究進展應用發展趨勢前言新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的 戰略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料

2、和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發展有著十分重要影響 的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。1、納米材料和納米技術什么是納米材料？納米（nm混長度單位，一納米是十億分之一米，對宏 觀物質來說，納米 是一個很小的單位，不如，人的頭發絲的直徑一般為 70008000nm人體紅細胞的直徑一般為 3000-5000nm 一般病毒的直徑也在 幾十至幾百納米大小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級；對于微觀物質如原子、 分子等以前用埃來表示，1埃相當于1個氫原子的直徑，1納米是10埃。一般認為納米材料應該包括兩個基本條件：一是材料的特征尺寸在 1 100nm之

3、間，二是材料此時具有區別常規尺寸材料的一些特殊物理化學特性。所謂的納米技術是指：用納米材料制造新型產品的科學技術。 它是現代科學 （混沌物理、量子力學、介觀物理學、分子生物學、化學）和現代技術（計算機 技術、微電子和掃描隧道顯微鏡技術、核分析技術、合成技術）結合的產物，納 米科學技術又將引發一系列新的科學技術，例如納米電子學、納米材料學、納米 機械學等。在新的世紀，納米將帶給人們更多功能超常的生產生活工具，把人們帶向一個從未見過的生活環境。納米科學技術使人類認識和改造物質世界的手段和能力延伸到原子和分子。 其最終目標是直接以原子、分子及物質在納米尺度上表現出來的新穎的物理、化學和生物學特性制造

4、出具有特定功能的產品。這可能改變幾乎所有產品的設計和 制造方式，實現生產方式的飛躍。因而納米科技將對人類產生深遠的影響，甚至 改變人們的思維方式和生活方式。納米技術涉及的范圍很廣，其中納米材料是納 米技術發展的基礎。2、納米材料的研究進展納米材料的研究最初源于十九世紀六十年代對膠體微粒的研究，二十世紀六十年代后，研究人員開始有意識得通過對金屬納米微粒的制備和研究來探索納米 體系的奧秘。1984年，德國薩爾布呂肯的格萊特(Gleiter)教授網把粒徑為6nm 的金屬鐵粉原位加壓制成世界上第一塊納米材料，開創納米材料學之先河。1990年7月，在美國巴爾的摩召開了第一屆國際納米科學技術學術會議(Na

5、no-ST),標志著納米材料學作為一個相對獨立學科的誕生。1990年，美國國際商用機器公司的科學家利用隧道掃描顯微鏡上的探針，在鍥 表面用36個氤原子排出“IBM三個字母3。1993年，中國科學院北京真空物理 實驗室操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占 有一席之地九十年代以來，準一維納米材料的研制一直是納米科技的前沿領域。1991年1月，日本筑波NE似驗室的飯島澄男(S. Iijima) 3首次用高分辨分析電鏡 觀察到碳納米管，這些碳納米管為多層同軸管，也叫巴基管 (Bucky tube)。2000 年10月，美國賓州大學研究人員冏在Science上發表文章稱，納米

6、碳管的質量 是相同體積鋼的六分之一，卻具有超過鋼100倍的強度。不僅具有良好的導電性 能，還是目前最好的導熱材料。1993年，美國 舊M公司Almaden實驗室Bethune4等人和Iijima 同時報道 了觀察到單壁碳納米管(Single-walled Carbon Nanotubes) 。1996年，因發現 C60獲得諾貝爾獎的斯莫利(Smalley)冏和他的研究組合成了成行排列的單壁碳 納米管束。同年，中科院物理所解思深研究員 的研究組用化學氣相法制備出面 積3mme 3mmi勺大面積碳納米管陣列，它可用作極好的場發射平面顯示器件。他 們還于1998年合成了當時最長的2毫米長度的纖維級碳

7、納米管。1996年，中國科技大學謝毅博士 6利用苯熱合成法制備出產率很高、平均粒度為30nm的氮化錢粉體。1997年，清華大學范守善教授6制備出直徑為3-50 納米、長度達微米量級的氮化錢納米棒， 首次把氮化錢制備成一維納米晶體，提 出碳納米管限制反應的概念。1999年，他與美國斯坦福大學戴宏杰教授6合作， 實現硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。1997年，美國紐約大學科學家發現5, DNA（脫氧核糖核酸）可用于建造納 米層次上的機械裝置。2000年，美國朗訊公司和英國牛津大學的科學家 用DNA 的堿基配對機制制造出了一種每條臂長只有 7納米的納米級銀子。1998年，中國科技大學錢逸泰院士 6

8、的研究組用催化熱解法，從四氯化碳制 備出金剛石納米粉，被國際刊物譽為“稻草變黃金”。1999年，北京大學電子系薛增泉教授6的研究組在將單壁碳納米管組裝豎立 在金屬表面，組裝出性能良好的掃描隧道顯微鏡用探針。同年，中科院金屬所成會明博士合成出高質量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究躍上世界先進水 平。1999年巴西和美國科學家用碳納米管制備了世界上最小的“秤”，它能夠 稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量；不久，彳惠國科學家研制出 稱量單個原子重量的“納米秤”，打破了先前的紀錄。同年，美國科學家在單個 分子上實現有機開關，證實在分子水平上可以發展電子和計算裝置。中科院沈陽金屬所的盧柯

9、小組6在納米材料及相關亞穩材料領域取得了突 出的成績。他發展的利用非品完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸 發后原位加壓法、高能球磨法成為當前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。 他們發現的納米銅的室溫超塑延展性，被評為2000年中國十大科技新聞。3、納米材料的應用 3、1在催化方面的應用用作高效催化劑是納米顆粒材料的重要應用領域之一，納米顆粒具有很高的 比表面積，表面的鍵態和電子態與顆粒內部不同，表面原子配位不全等特點，導致表面的活性位置增加13 14。使得納米顆粒具備了作為催化劑的先決條件。 有人預計納米顆粒催化劑將成為本世紀催化劑的角o光催化劑是一種具有應用潛力的特殊催化劑，納米

10、TiO:所具有的量子尺寸效應使其導電和介電能級變成分 立的能級，能隙變寬，導電電位變得負移，而介電電位變得正移，這使其獲得了 更強的氧化還原能力。3、2在漿料方面的應用納米材料用作導電漿料，導電漿料是電子工業的原材料，由于納米材料可使塊體材料的熔點大大降低，因此用超銀粉制成的導電漿料可以在低溫下燒結，此時基片可以不用耐高溫陶瓷，甚至可采用塑料等低溫材料。3、3在精細化工方面的應用精細化工是一個巨大的工業領域，產品數量繁多，用途廣泛，并且影響到人 類生活的方方面面。納米材料的優越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它 的獨特魅力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發揮重要作用。 如在

11、橡膠中加入納米SiO ,可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。 將納米 Al ： O和SiO加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性， 而且彈性 也明顯優于用自炭黑作填料的橡膠。 塑料中添加一定量的納米材料，可以提高塑 料的強度和韌性.而且致密性和防水性也相應提高。3、4納米科技在其它方面的應用納米顆粒的比表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、 吸附能力強的優異性質使其在化工催化方面有著重要的應用 網。納米粉材如柏 黑、銀、氧化鋁和氧化鐵等已直接用作高分子聚合物氧化、還原及合成反應的催化劑，大大提高了反應效率。使用納米鍥粉作為反應催化劑的火箭固體燃料，燃燒效率可提高1

12、00倍，用硅載體鍥催化丙醛的氧化反應，當鍥的粒徑在5nm以下， 反應選擇性發生急劇變化，醛分解反應得到有效控制，生成酒精的轉化率迅速增 大。小型化本身并不代表納米技術，納米材料和納米科技有著明確的尺度和性能 方面的定義。制造納米器件目前主要的方法還是通過“由上而下”盡力降低物質 結構維數來實現，而納米科技未來發展方向是要實現“由下而上”的方法來構建 納米器件。目前此方面的嘗試有兩類，一類是人工實現單原子操縱和分子手術， 日本大阪大學的研究人員利用雙光子吸收技術在高分子材料中合成了三維的納 米牛和納米彈簧，使功能性微器件的制備接受有了新的突破。另一類是各種體系 的分子自組裝技術，已由分子自組裝構

13、建的納米結構包括納米棒、 納米管、多層 膜、孔洞結構等。美國貝爾實驗室的科學家利用有機分子硫醇的自組裝技術制備 直徑為1-2nm的單層的場效應晶體管，這種單層納米晶體管的制備是研制分子尺 度電子器件重要的一步。這方面的工作現在還僅限于實驗室研究階段。4、發展趨勢目前美國納米技術最受重視的研究課題有：具有工程性能的金屬與陶瓷納米 結構材料；聚合物大分子的分子操縱；軟納米結構的化學自組裝技術；納米結構 涂料的熱噴工藝和以化學為基礎的技術；電子產品和傳感器的納米制作；用于與能量相關工藝的納米結構材料，如催化劑、軟磁體；納米機加工航天器系統的小 型化。另外，正在進行用于生化的神經通信與芯片技術研究；開

14、發了計量學在納米結構的熱力學性能、磁性、微磁模擬以及熱動力學方面的應用；原子級的模擬 已被確立為一種計算工具；建造了納米探針，用于以納米級精度和皮秒時間（1皮秒=10秒）分辨率研究材料結構和器件。盡管在受控條件下由原子和分子構建 納米結構是最有希望的方法，但是材料結構重組和尺寸縮減法仍將繼續存在。探 索性的研究包括量子操縱和原子控制手段，等級結構材料的計算機設計、人造結 構分子，有機與無機納米結構的結合、生物擬態、納米級機器人學、生物結構對 信息的編碼與應用、DN射算、相互作用的組織以及化學與生物試劑探測器日本 的一些納米結構產品已具有相當的市場影響。日本一公司每年生產的電子學、 光學和藝術用

15、的納米粒子的銷售額超過400萬美元。自80年代中期以來，納米科學 和納米技術在中國越來越受到重視。有實力的領域是納米探針和運用納米管的生 產工藝的開發。德國聯邦教研部為納米技術提供強大的國家支持。從1998年開始在德國興建5個具競爭力的納米技術中心，研究課題范圍很廣，涉及從分子結構 到超精密生產各個方面。法國國家科研中心（CNRS而約40個物理實驗室和20個化 學實驗室中開展了納米粒子和納米結構材料研究計劃。合成方法包括分子柬和分 子簇沉積、蝕刻、電化學、軟化學和生物合成等。我國在復合納米材料研究領域獲得新進展：復合結構納米材料是指由兩種或 兩種以上物理化！學性質截然不同的組分構成的納米顆粒體

16、系，各成分間具有相 互接觸的界面。由于復合材料在納米體系中集成了性能差異明顯的不同組分，并且在納米尺度上各組分之間產生強相互耦合作用，因此復合結構納米材料不僅具 有明顯增強的本征性能，而且還表現出許多新奇特性，突破了單一組分材料性能 的局限，在新功能材料的研發、新能源的有效利用、環境保護與污染處理、生化 醫藥等重要領域均表現山優異的應用前景。在設計上述復合材料時，選擇具有強 物理和化學耦合特性的金屬和半導體物質組分，可以賦予復合材料獨特的催化性能。在中國科學院過程二:程研究所和新加坡生物工程與納米技術研究院支持 下，楊軍研究員發展了一種制備二元和多元硫化銀一貴金屬復合結構納米材料的 方法。該方

17、法起于在水相中成功合成單一分散的硫化銀納米顆粒，氣復雜的單斜晶體結構為貴金屬沉積提供了合適的晶面。通過在硫化銀納米顆粒存在的情況下 對貴金屬離子進行還原，可以成功地將 Au, Pt, Pd, Ru, Rh, 0s, Ir等貴金屬沉 積在硫化銀納米顆粒表面，沉積模式隨不同的金屬類型變化。多元復合結構納米 材料可以通過連續沉積不同金屬的方法完成，從而將多種金屬集成在一個微小的 納米體系內。由于沉積的金屬顆粒微細的性質和復合材料中不同組分問的電子耦 合效應，含Pt的復合材料體系對直接甲醇燃料電池中的甲醇氧化反應展示了優良 的催化活性。5、結束語納米科學是一門將基礎科學和應用科學集于一體的新興科學，主

18、要包括納米電子學、納米材料學和納米生物學等。21世紀將是納米技術的時代，為此，國家 科委、中科院將納米技術定位為“ 21世紀最重要、最前沿的科學”。納米科學技 術的誕生，將對人類社會產生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許 多問題，特別是能源、人類健康和環境保護等重大問題。納米材料現已廣泛應用 于宇航、國防工業、計算機工程、環保、化工、建材、醫藥、生物工程和核工業 等方面。它不僅在高科技領域有著不可替代的作用， 同時也給傳統產業帶來生機 和活力。發展納米科技存在科學理論、科學方法、科技創新和高風險等難點。以 國家目標為導向，納米器件的研制和集成是納米科技的核心， 納米材料的制備和 研究是工作的重點，“由上而下的方法 （top down）還將是目前主要的研究方 法，用體制創新推動技術創新，使納米科技的產業化得到健康的發展。 相信通過 中國科技人員創造性的工作，我國一定會在已揭開戰幕的納米科技全球競爭中贏 得令人矚目的地位。參考文獻：1袁哲俊.納米科學與技術.哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005. 15.2張莉莉，蔣惠亮，陳明清