1 簡述
納米材料的使用古已有之。據(jù)研究認(rèn)為中國古代字畫之所以歷經(jīng)千年而不褪色，是因?yàn)樗玫哪怯杉{米級的碳黑組成。中國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構(gòu)成的薄膜。只是當(dāng)時(shí)的人們沒有清楚的了解而已。
納米材料在近十幾年的研究中，領(lǐng)域迅速拓寬，內(nèi)涵不斷擴(kuò)展。目前，普遍接受的定義為基本單元的顆粒或晶粒尺寸至少在一維上小于100nm，且必須具有與常規(guī)材料截然不同的光、電、熱、化學(xué)或力學(xué)性能的一類材料體系。納米材料的奇異性是由于其構(gòu)成基本單元的尺寸及其特殊的界面、表面結(jié)構(gòu)所決定的。
納米科技的靈感，來自于諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Richard Feyneman于 1959年所作的《在底部還有很大空間》的演講。他以“由下而上的方法”(bottom up) 出發(fā)，提出從單個(gè)分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。他說道，“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。”并預(yù)言，“當(dāng)我們對細(xì)微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴(kuò)充我們獲得物性的范圍。”
納米科技是面向尺寸在1~100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用以及在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的技術(shù)問題，發(fā)展納米尺度的探測和操縱。它從思維方式的概念表明生產(chǎn)和科研的對象將向更小的尺寸、更深的層次發(fā)展，將從微米層次深入至納米層次。納米技術(shù)未來的目標(biāo)是按照需要，操縱原子、分子構(gòu)建納米級的具有一定功能的器件或產(chǎn)品。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等，這七個(gè)相對獨(dú)立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個(gè)研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。掃描隧道顯微鏡(STM)在納米科技中占有重要的地位，它貫穿到七個(gè)分支領(lǐng)域中，以其為分析和加工手段所做的工作占一半以上。
2 納米材料的最新進(jìn)展及我國科研人員的研究成果
納米材料的研究最初源于十九世紀(jì)六十年代對膠體微粒的研究，二十世紀(jì)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(chuàng)納米材料學(xué)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(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議(Nano-ST)，標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對獨(dú)立學(xué)科的誕生。
1990年，美國國際商用機(jī)器公司的科學(xué)家利用隧道掃描顯微鏡上的探針，在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”三個(gè)字母。科學(xué)家們從這種能操縱單個(gè)原子的納米技術(shù)中,看到了設(shè)計(jì)和制造分子大小的器件的希望。1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。
九十年代以來，準(zhǔn)一維納米材料的研制一直是納米科技的前沿領(lǐng)域。1991年1月，日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的飯島澄男(S. Iijima)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(xué)研究人員在Science上發(fā)表文章稱，納米碳管的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，卻具有超過鋼100倍的強(qiáng)度。不僅具有良好的導(dǎo)電性能, 還是目前最好的導(dǎo)熱材料。納米碳管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能將使它成為今后計(jì)算機(jī)芯片的熱沉，也可用于發(fā)動機(jī)、火箭等的各種高溫部件的防護(hù)材料。最新的研究表明，碳納米管當(dāng)中的空腔不僅可以充當(dāng)微型試管、模具或模板，而且將第二種物質(zhì)封存在這個(gè)約束空間還會誘導(dǎo)其具備在宏觀材料中看不到的結(jié)構(gòu)和行為。計(jì)算機(jī)模擬顯示，封存在碳納米管中的水能夠以新的冰相存在，在合適的條件下，碳納米管中液相和固相的明顯界線將會消失，液體物質(zhì)將會連續(xù)地轉(zhuǎn)變成固體，而不發(fā)生明顯的凝固過程。
1993年，美國IBM公司Almaden實(shí)驗(yàn)室Bethune等人和Iijima同時(shí)報(bào)道了觀察到單壁碳納米管(Single-walled Carbon Nanotubes)。1996年，因發(fā)現(xiàn)C60獲得諾貝爾獎(jiǎng)的斯莫利(Smalley)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(xué)氣相法制備出面積達(dá)3mm×3mm的大面積碳納米管陣列，它可用作極好的場發(fā)射平面顯示器件。他們還于1998年合成了當(dāng)時(shí)最長的2毫米長度的纖維級碳納米管。
除了碳納米管外，科研人員還合成了其他的納米管材料，如BxCyNz、NiCl2、類酯體、MCM-41管中管、水鋁英石、b-(g-)環(huán)糊精納米管聚集體及定向排列的氮化硅納米管等。準(zhǔn)一維納米材料中除了空心的納米管以外還有實(shí)心的納米棒、納米線、量子線。1997年，法國學(xué)者Colliex在利用分析電弧放電得到包覆異質(zhì)納米殼體的C-BN-C管，由于它的幾何結(jié)構(gòu)類似于同軸電纜，直徑又為納米級，故稱其為同軸納米電纜(coaxial nanocable)。由于同軸納米電纜具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將在納米結(jié)構(gòu)器件中占有重要的地位。
1996年，中國科技大學(xué)謝毅博士利用苯熱合成法制備出產(chǎn)率很高、平均粒度為30nm的氮化鎵粉體。1997年，清華大學(xué)范守善教授制備出直徑為3-50納米、長度達(dá)微米量級的氮化鎵納米棒，首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。1999年，他與美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作，實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。
1997年，美國紐約大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，DNA（脫氧核糖核酸）可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置。2000年，美國朗訊公司和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家用DNA的堿基配對機(jī)制制造出了一種每條臂長只有７納米的納米級鑷子。
1998年，中國科技大學(xué)錢逸泰院士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(yù)為“稻草變黃金”。
1999年，北京大學(xué)電子系薛增泉教授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(zhì)量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究躍上世界先進(jìn)水平。
1999年巴西和美國科學(xué)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(dāng)于一個(gè)病毒的重量；不久，德國科學(xué)家研制出稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”，打破了先前的紀(jì)錄。同年，美國科學(xué)家在單個(gè)分子上實(shí)現(xiàn)有機(jī)開關(guān)，證實(shí)在分子水平上可以發(fā)展電子和計(jì)算裝置。
中科院沈陽金屬所的盧柯小組在納米材料及相關(guān)亞穩(wěn)材料領(lǐng)域取得了突出的成績。他發(fā)展的利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當(dāng)前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。他們發(fā)現(xiàn)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。
從發(fā)現(xiàn)納米碳管始，科學(xué)家們不斷研制出越來越細(xì)的納米碳管。2000年，解思深組利用常現(xiàn)電弧放電方法制備出內(nèi)徑為 0.5nm的碳納米管。同年，香港科技大學(xué)的湯子康博士即宣布發(fā)現(xiàn)了世界上最細(xì)的純碳納米碳管¾0.4nm碳管，這一結(jié)果已達(dá)到碳納米管的理論極限值。12月柏林的馬克斯—玻恩研究所研制出1nm直徑的薄壁納米管，創(chuàng)出薄壁納米管研制的新記錄。
2001年初，中國科技大學(xué)朱清時(shí)院士的研究組首次直接拍攝到能夠分辨出化學(xué)鍵的C60單分子圖像，這種單分子直接成像技術(shù)為解析分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了有效的手段，使科學(xué)家可以人工“切割”和重新“組裝”化學(xué)鍵，為設(shè)計(jì)和制備單分子級的納米器件奠定了基礎(chǔ)。3月，美國佐治亞理工學(xué)院留美中國學(xué)者王中林教授的研究組利用高溫固體氣相法，在世界上首次合成了獨(dú)特形態(tài)且無缺陷的半導(dǎo)體氧化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼納米管、納米線之后納米家族增加的新的成員。它有望解決納米管在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)穩(wěn)定性的問題，并在納米物理研究和納米器件應(yīng)用上有重要的作用。6月，香港科技大學(xué)沈平教授的研究組在單根純碳納米碳管中觀察到超導(dǎo)特性。這一觀察表明，當(dāng)納米碳管細(xì)到一定程度時(shí)，其材料性質(zhì)將發(fā)生突變。從應(yīng)用上來講，納米碳管超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)，將有助解決電子在集成半導(dǎo)體器件中傳輸時(shí)的發(fā)熱問題。
由上可見，在納米基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國并不落后¾自90年代初，科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等單位就啟動了有關(guān)納米材料的攀登計(jì)劃、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等，投入數(shù)千萬元資金支持納米基礎(chǔ)研究；中國的納米科學(xué)家，在國際上取得了一系列令人矚目的成果，相繼在《Science》、《Nature》等權(quán)威雜志上發(fā)表了高水平的論文，使中國在納米材料基礎(chǔ)研究方面，尤其是納米結(jié)構(gòu)的控制合成方面，走在比較前沿的位置，繼美、日、德之后，位居世界第四。但是，在納米器件上總體來說研究層次還不是很高，手段離國外還有很大的差距。
納米科技的應(yīng)用
在納米材料中，由于納米級尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小，使得晶體周期性的邊界條件被破壞；納米微粒的表面層附近的原子密度減小；電子的平均自由程很短，而局域性和相干性增強(qiáng)。尺寸下降還使納米體系包含的原子數(shù)大大下降，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的能級。這些導(dǎo)致納米材料宏觀的聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等的物理效應(yīng)與常規(guī)材料有所不同，體現(xiàn)為量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等。目前描述納米材料中的基本物理效應(yīng)主要是從金屬納米微粒研究基礎(chǔ)上發(fā)展和建立起來的，要準(zhǔn)確把握納米科技中現(xiàn)象的本質(zhì)，必須要在理論上實(shí)現(xiàn)從連續(xù)系統(tǒng)物理學(xué)向量子物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)今科技的發(fā)展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)忍匦詾榧{米科技和納米材料的應(yīng)用提供了廣闊的空間。美國制定的“國家納米技術(shù)倡議”(NNI)中所列納米科學(xué)與技術(shù)涉及的領(lǐng)域很寬泛，但最基本的有三個(gè)，即納米材料，納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)，納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)。
1 納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)
納米粒子的宏觀隧道效應(yīng)確立了微電子器件微型化的極限。納米電子學(xué)、光電子學(xué)及磁學(xué)微電子器件的極限線寬，以硅集成電路而言，普遍認(rèn)為是70nm左右。目前國際上最窄線寬已為130nm，在十年以內(nèi)將達(dá)到極限。如果將硅器件做的更小，電子會隧穿通過絕緣層，造成電路短路。解決納米電子電路的思路目前可分為兩類，一類是在光刻法制作的集成電路中利用雙光子光束技術(shù)中的量子糾纏態(tài)，有可能將器件的極限縮小至25nm。另一類是研制新材料取代硅，采用蛋白質(zhì)二極管，納米碳管作引線和分子電線。新概念器件的形成，單原子操縱是重要的方式。1997年，美國科學(xué)家成功地用單電子移動單電子，這種技術(shù)可用于研制速度和存儲容量比現(xiàn)在提高上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。2001年7月，荷蘭研究人員制造出在室溫下能有效工作的單電子納米碳管晶體管。這種晶體管以納米碳管為基礎(chǔ)，依靠一個(gè)電子來決定“開”和“關(guān)”狀態(tài)，由于它低耗能的特點(diǎn)，將成為分子計(jì)算機(jī)的理想材料。在新世紀(jì)，超導(dǎo)量子相干器件、超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學(xué)中器件的主角。
利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance, TMR)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍，瑞士蘇黎世的研究人員制備了Cu、Co交替填充的納米絲，利用其巨磁電阻效應(yīng)制備出超微磁場傳感器。磁性納米微粒由于粒徑小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。1997年，明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤，長度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。它利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達(dá)400Gb×in-2。利用鐵基納米材料的巨磁阻抗效應(yīng)制備的磁傳感器已問世，包覆了超順磁性納米微粒的磁性液體也被廣泛用在宇航和部分民用領(lǐng)域作為長壽命的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封。
2 納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)
從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“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(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋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(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級控制和操縱。
納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。
正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)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(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)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(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清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(xì)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(shù)或微制造。
3 在國防科技上的應(yīng)用
納米技術(shù)將對國防軍事領(lǐng)域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對化學(xué)、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。
在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)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，納米顆粒表面原子比例高，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。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)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(chuàng)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(yùn)動加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)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(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，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(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮 ⑤p、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。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(yīng)用都將大有作為。
4 納米陶瓷的補(bǔ)強(qiáng)增韌
先進(jìn)陶瓷材料在高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料難以克服的弱點(diǎn)。英國材料學(xué)家Cahn曾評述，通過改進(jìn)工藝和化學(xué)組分等方法來克服陶瓷脆性的嘗試都不太理想，無論是固溶摻雜的氮化硅、相變增韌的氧化鋯要在實(shí)際中作為陶瓷發(fā)動機(jī)材料還不能實(shí)現(xiàn)。納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑之一。
納米陶瓷具有類似于金屬的超塑性是納米材料研究中令人注目的焦點(diǎn)。例如，納米氟化鈣和納米氧化鈦陶瓷在室溫下即可發(fā)生塑性形變，180℃時(shí)，塑性形變可達(dá)100%。存在預(yù)制裂紋的試樣在180℃下彎曲時(shí)，也不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）報(bào)道用納米SiC顆粒復(fù)合氧化鋁材料的強(qiáng)度可達(dá)到1GPa以上，而常規(guī)的氧化鋁基陶瓷強(qiáng)度只有350-600MPa。Al2O3/SiC納米復(fù)合材料在1300℃氬氣中退火2小時(shí)后強(qiáng)度提高到1.5GPa，它的高力學(xué)性能是與納米復(fù)相陶瓷的精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的。德國馬普冶金材料研究所的科研人員將聚甲基硅氮烷在高溫下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶與a-SiC納米晶復(fù)合陶瓷材料。它具有良好的高溫抗氧化性能，可在1600℃的高溫使用（氮化硅材料的最高使用溫度一般為1200-1300℃）。他們最新進(jìn)展是通過添加硼化物提高材料的熱穩(wěn)定性，利用生成BN的包覆作用穩(wěn)定納米氮化硅晶粒，將這種Si-B-C-N陶瓷的使用溫度進(jìn)一步提高到2000℃，這是迄今國際上使用溫度最高的塊體陶瓷材料。
目前，納米陶瓷粉體的制備較為成熟，新工藝和新方法不斷出現(xiàn)，已具備了生產(chǎn)規(guī)模。納米陶瓷粉體的制備方法主要有氣相法、液相法、高能球磨法等。氣相法包括惰性氣體冷凝法、等離子法、氣體高溫裂解法、電子束蒸發(fā)法等。液相法包括化學(xué)沉淀法、醇鹽水解法、溶膠-凝膠法、水熱法等。我們研究組提出利用原位選擇性反應(yīng)法制備了納米晶TiC和TiN復(fù)合TZP的復(fù)合粉料，為陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。納米陶瓷的致密化手段也趨于多樣化，其中微波燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)(SPS)具有良好的效果。美國賓州大學(xué)陳一葦教授利用無壓燒結(jié)制備平均粒徑為60nm的致密Y2O3塊體材料，為發(fā)展納米陶瓷帶來新的希望。2001年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省報(bào)道將納米陶瓷等新型材料應(yīng)用于飛機(jī)部件制造技術(shù)。
5 納米科技在其它方面的應(yīng)用
納米顆粒的比表面積大、表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強(qiáng)的優(yōu)異性質(zhì)使其在化工催化方面有著重要的應(yīng)用。納米粉材如鉑黑、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(yīng)的催化劑，大大提高了反應(yīng)效率。使用納米鎳粉作為反應(yīng)催化劑的火箭固體燃料，燃燒效率可提高100倍，用硅載體鎳催化丙醛的氧化反應(yīng)，當(dāng)鎳的粒徑在5nm以下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應(yīng)得到有效控制，生成酒精的轉(zhuǎn)化率迅速增大。
小型化本身并不代表納米技術(shù)，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”(top down)盡力降低物質(zhì)結(jié)構(gòu)維數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而納米科技未來發(fā)展方向是要實(shí)現(xiàn)“由下而上”( bottom up)的方法來構(gòu)建納米器件。目前此方面的嘗試有兩類，一類是人工實(shí)現(xiàn)單原子操縱和分子手術(shù)，日本大阪大學(xué)的研究人員利用雙光子吸收技術(shù)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(shù)，已由分子自組裝構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)包括納米棒、納米管、多層膜、孔洞結(jié)構(gòu)等。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用有機(jī)分子硫醇的自組裝技術(shù)制備直徑為1-2nm的單層的場效應(yīng)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(xiàn)在還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
我國納米技術(shù)目前產(chǎn)業(yè)化狀況
每次技術(shù)上取得的重大突破之后總會引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命，迎來一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)、電的應(yīng)用、微電子技術(shù)的突破以及互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)橫空出世都是如此。上個(gè)世紀(jì)最后5年在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破性進(jìn)展的基因技術(shù)和納米技術(shù)成為本世紀(jì)新的希望。由于使基因工程獲得廣泛應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)前提仍然是納米技術(shù)能夠大幅降低工藝成本，因此，納米技術(shù)就成為各方關(guān)注的熱點(diǎn)。世界各主要國家均把納米科技當(dāng)作在最有可能取得突破的科學(xué)和工程領(lǐng)域。美國為此制定了“國家納米技術(shù)倡議”，將其列入本世紀(jì)前10年11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，投資4.95億美元來推動納米科技的發(fā)展。
1993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家海·羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士寫信給江澤民主席。他寫道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家。” 羅雷爾博士的話精辟地闡述了納米科技對社會的發(fā)展將要起的重要作用。為了避免重蹈我國在半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域起步早，轉(zhuǎn)化難，最終落后的覆轍，一些國家級的納米研究專家在2000年6月聯(lián)名向黨中央、國務(wù)院提出關(guān)于加快制定國家納米技術(shù)科技發(fā)展計(jì)劃，盡快搶占這一世界前沿科技領(lǐng)域的建議。建議引起了中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，并被采納，由此拉開了我國納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的序幕。
目前我國納米技術(shù)的應(yīng)用成了熱門。據(jù)2001年6月的一項(xiàng)調(diào)查，國內(nèi)已有323家納米企業(yè)，其中，以“納米”字樣注冊的企業(yè)57家，三十多條納米材料的生產(chǎn)線，社會投入資金約30億元。然而納米科技的產(chǎn)業(yè)化效果還不太理想：這是由于許多納米技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間僅有一年左右，屬啟動階段。科研院所的納米科技論文水平很高，潛心于后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)和技術(shù)支持顯得力不從心。而大部分企業(yè)屬于生產(chǎn)型，缺乏持續(xù)創(chuàng)新和應(yīng)用開發(fā)能力，只能接受非常成熟的技術(shù)。二者接口的差異，導(dǎo)致納米技術(shù)成果不能順利轉(zhuǎn)化。雖然國內(nèi)已建立了幾十條納米材料和技術(shù)的生產(chǎn)線，但是產(chǎn)品主要集中在制備納米粉體方面。市場上很多的“納米商品”還不是真正意義上的“納米產(chǎn)品”，急需國家制定一個(gè)指導(dǎo)性的納米技術(shù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。由于納米材料特殊的性能，將納米科技和納米材料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都能帶來產(chǎn)品性能上的改變或較大的提高。利用納米科技對傳統(tǒng)工業(yè)，特別是重工業(yè)進(jìn)行改造會給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)遇，其中存在很大的拓展空間，這已是國外大企業(yè)的技術(shù)秘密。
納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化較互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)更注重實(shí)業(yè)。基于納米技術(shù)的生產(chǎn)過程有著極強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，尤其是這種生產(chǎn)的總成本大部分必須是一次性投入，故納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化同樣具有很大的投資風(fēng)險(xiǎn)。這種投資方式對資本市場提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，對中國風(fēng)高浪大的主板市場和猶抱琶琵半遮面的二板市場而言尤其如此。事實(shí)上，納米技術(shù)剛走出實(shí)驗(yàn)室，才向產(chǎn)業(yè)化階段邁出第一步。即便在美國，“NNI計(jì)劃”也只是在年前才出臺，要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為須有不少于20年的時(shí)間。
發(fā)展納米科技存在科學(xué)理論、科學(xué)方法、科技創(chuàng)新和高風(fēng)險(xiǎn)等難點(diǎn)。以國家目標(biāo)為導(dǎo)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(diǎn)，“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(chuàng)新推動技術(shù)創(chuàng)新，使納米科技的產(chǎn)業(yè)化得到健康的發(fā)展。相信通過中國科技人員創(chuàng)造性的工作，我國一定會在已揭開戰(zhàn)幕的納米科技全球競爭中贏得令人矚目的地位。
納米材料的使用古已有之。據(jù)研究認(rèn)為中國古代字畫之所以歷經(jīng)千年而不褪色，是因?yàn)樗玫哪怯杉{米級的碳黑組成。中國古代銅鏡表面的防銹層也被證明是由納米氧化錫顆粒構(gòu)成的薄膜。只是當(dāng)時(shí)的人們沒有清楚的了解而已。
納米材料在近十幾年的研究中，領(lǐng)域迅速拓寬，內(nèi)涵不斷擴(kuò)展。目前，普遍接受的定義為基本單元的顆粒或晶粒尺寸至少在一維上小于100nm，且必須具有與常規(guī)材料截然不同的光、電、熱、化學(xué)或力學(xué)性能的一類材料體系。納米材料的奇異性是由于其構(gòu)成基本單元的尺寸及其特殊的界面、表面結(jié)構(gòu)所決定的。
納米科技的靈感，來自于諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Richard Feyneman于 1959年所作的《在底部還有很大空間》的演講。他以“由下而上的方法”(bottom up) 出發(fā)，提出從單個(gè)分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。他說道，“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。”并預(yù)言，“當(dāng)我們對細(xì)微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴(kuò)充我們獲得物性的范圍。”
納米科技是面向尺寸在1~100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用以及在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的技術(shù)問題，發(fā)展納米尺度的探測和操縱。它從思維方式的概念表明生產(chǎn)和科研的對象將向更小的尺寸、更深的層次發(fā)展，將從微米層次深入至納米層次。納米技術(shù)未來的目標(biāo)是按照需要，操縱原子、分子構(gòu)建納米級的具有一定功能的器件或產(chǎn)品。納米科學(xué)與技術(shù)主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)等，這七個(gè)相對獨(dú)立又相互滲透的學(xué)科和納米材料、納米器件、納米尺度的檢測與表征這三個(gè)研究領(lǐng)域。納米材料的制備和研究是整個(gè)納米科技的基礎(chǔ)。掃描隧道顯微鏡(STM)在納米科技中占有重要的地位，它貫穿到七個(gè)分支領(lǐng)域中，以其為分析和加工手段所做的工作占一半以上。
2 納米材料的最新進(jìn)展及我國科研人員的研究成果
納米材料的研究最初源于十九世紀(jì)六十年代對膠體微粒的研究，二十世紀(jì)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(chuàng)納米材料學(xué)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(xué)技術(shù)學(xué)術(shù)會議(Nano-ST)，標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對獨(dú)立學(xué)科的誕生。
1990年，美國國際商用機(jī)器公司的科學(xué)家利用隧道掃描顯微鏡上的探針，在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”三個(gè)字母。科學(xué)家們從這種能操縱單個(gè)原子的納米技術(shù)中,看到了設(shè)計(jì)和制造分子大小的器件的希望。1993年，中國科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室操縱原子成功寫出“中國”二字，標(biāo)志著我國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。
九十年代以來，準(zhǔn)一維納米材料的研制一直是納米科技的前沿領(lǐng)域。1991年1月，日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的飯島澄男(S. Iijima)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(xué)研究人員在Science上發(fā)表文章稱，納米碳管的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，卻具有超過鋼100倍的強(qiáng)度。不僅具有良好的導(dǎo)電性能, 還是目前最好的導(dǎo)熱材料。納米碳管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能將使它成為今后計(jì)算機(jī)芯片的熱沉，也可用于發(fā)動機(jī)、火箭等的各種高溫部件的防護(hù)材料。最新的研究表明，碳納米管當(dāng)中的空腔不僅可以充當(dāng)微型試管、模具或模板，而且將第二種物質(zhì)封存在這個(gè)約束空間還會誘導(dǎo)其具備在宏觀材料中看不到的結(jié)構(gòu)和行為。計(jì)算機(jī)模擬顯示，封存在碳納米管中的水能夠以新的冰相存在，在合適的條件下，碳納米管中液相和固相的明顯界線將會消失，液體物質(zhì)將會連續(xù)地轉(zhuǎn)變成固體，而不發(fā)生明顯的凝固過程。
1993年，美國IBM公司Almaden實(shí)驗(yàn)室Bethune等人和Iijima同時(shí)報(bào)道了觀察到單壁碳納米管(Single-walled Carbon Nanotubes)。1996年，因發(fā)現(xiàn)C60獲得諾貝爾獎(jiǎng)的斯莫利(Smalley)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(xué)氣相法制備出面積達(dá)3mm×3mm的大面積碳納米管陣列，它可用作極好的場發(fā)射平面顯示器件。他們還于1998年合成了當(dāng)時(shí)最長的2毫米長度的纖維級碳納米管。
除了碳納米管外，科研人員還合成了其他的納米管材料，如BxCyNz、NiCl2、類酯體、MCM-41管中管、水鋁英石、b-(g-)環(huán)糊精納米管聚集體及定向排列的氮化硅納米管等。準(zhǔn)一維納米材料中除了空心的納米管以外還有實(shí)心的納米棒、納米線、量子線。1997年，法國學(xué)者Colliex在利用分析電弧放電得到包覆異質(zhì)納米殼體的C-BN-C管，由于它的幾何結(jié)構(gòu)類似于同軸電纜，直徑又為納米級，故稱其為同軸納米電纜(coaxial nanocable)。由于同軸納米電纜具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，將在納米結(jié)構(gòu)器件中占有重要的地位。
1996年，中國科技大學(xué)謝毅博士利用苯熱合成法制備出產(chǎn)率很高、平均粒度為30nm的氮化鎵粉體。1997年，清華大學(xué)范守善教授制備出直徑為3-50納米、長度達(dá)微米量級的氮化鎵納米棒，首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。1999年，他與美國斯坦福大學(xué)戴宏杰教授合作，實(shí)現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。
1997年，美國紐約大學(xué)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，DNA（脫氧核糖核酸）可用于建造納米層次上的機(jī)械裝置。2000年，美國朗訊公司和英國牛津大學(xué)的科學(xué)家用DNA的堿基配對機(jī)制制造出了一種每條臂長只有７納米的納米級鑷子。
1998年，中國科技大學(xué)錢逸泰院士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(yù)為“稻草變黃金”。
1999年，北京大學(xué)電子系薛增泉教授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(zhì)量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究躍上世界先進(jìn)水平。
1999年巴西和美國科學(xué)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(dāng)于一個(gè)病毒的重量；不久，德國科學(xué)家研制出稱量單個(gè)原子重量的“納米秤”，打破了先前的紀(jì)錄。同年，美國科學(xué)家在單個(gè)分子上實(shí)現(xiàn)有機(jī)開關(guān)，證實(shí)在分子水平上可以發(fā)展電子和計(jì)算裝置。
中科院沈陽金屬所的盧柯小組在納米材料及相關(guān)亞穩(wěn)材料領(lǐng)域取得了突出的成績。他發(fā)展的利用非晶完全晶化制備致密納米合金的方法已與惰性氣體蒸發(fā)后原位加壓法、高能球磨法成為當(dāng)前制備金屬納米塊材的三種主要方法之一。他們發(fā)現(xiàn)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。
從發(fā)現(xiàn)納米碳管始，科學(xué)家們不斷研制出越來越細(xì)的納米碳管。2000年，解思深組利用常現(xiàn)電弧放電方法制備出內(nèi)徑為 0.5nm的碳納米管。同年，香港科技大學(xué)的湯子康博士即宣布發(fā)現(xiàn)了世界上最細(xì)的純碳納米碳管¾0.4nm碳管，這一結(jié)果已達(dá)到碳納米管的理論極限值。12月柏林的馬克斯—玻恩研究所研制出1nm直徑的薄壁納米管，創(chuàng)出薄壁納米管研制的新記錄。
2001年初，中國科技大學(xué)朱清時(shí)院士的研究組首次直接拍攝到能夠分辨出化學(xué)鍵的C60單分子圖像，這種單分子直接成像技術(shù)為解析分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了有效的手段，使科學(xué)家可以人工“切割”和重新“組裝”化學(xué)鍵，為設(shè)計(jì)和制備單分子級的納米器件奠定了基礎(chǔ)。3月，美國佐治亞理工學(xué)院留美中國學(xué)者王中林教授的研究組利用高溫固體氣相法，在世界上首次合成了獨(dú)特形態(tài)且無缺陷的半導(dǎo)體氧化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼納米管、納米線之后納米家族增加的新的成員。它有望解決納米管在大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)穩(wěn)定性的問題，并在納米物理研究和納米器件應(yīng)用上有重要的作用。6月，香港科技大學(xué)沈平教授的研究組在單根純碳納米碳管中觀察到超導(dǎo)特性。這一觀察表明，當(dāng)納米碳管細(xì)到一定程度時(shí)，其材料性質(zhì)將發(fā)生突變。從應(yīng)用上來講，納米碳管超導(dǎo)性的發(fā)現(xiàn)，將有助解決電子在集成半導(dǎo)體器件中傳輸時(shí)的發(fā)熱問題。
由上可見，在納米基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，中國并不落后¾自90年代初，科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院等單位就啟動了有關(guān)納米材料的攀登計(jì)劃、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目等，投入數(shù)千萬元資金支持納米基礎(chǔ)研究；中國的納米科學(xué)家，在國際上取得了一系列令人矚目的成果，相繼在《Science》、《Nature》等權(quán)威雜志上發(fā)表了高水平的論文，使中國在納米材料基礎(chǔ)研究方面，尤其是納米結(jié)構(gòu)的控制合成方面，走在比較前沿的位置，繼美、日、德之后，位居世界第四。但是，在納米器件上總體來說研究層次還不是很高，手段離國外還有很大的差距。
納米科技的應(yīng)用
在納米材料中，由于納米級尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小，使得晶體周期性的邊界條件被破壞；納米微粒的表面層附近的原子密度減小；電子的平均自由程很短，而局域性和相干性增強(qiáng)。尺寸下降還使納米體系包含的原子數(shù)大大下降，宏觀固定的準(zhǔn)連續(xù)能帶轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的能級。這些導(dǎo)致納米材料宏觀的聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等的物理效應(yīng)與常規(guī)材料有所不同，體現(xiàn)為量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等。目前描述納米材料中的基本物理效應(yīng)主要是從金屬納米微粒研究基礎(chǔ)上發(fā)展和建立起來的，要準(zhǔn)確把握納米科技中現(xiàn)象的本質(zhì)，必須要在理論上實(shí)現(xiàn)從連續(xù)系統(tǒng)物理學(xué)向量子物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。
當(dāng)今科技的發(fā)展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)忍匦詾榧{米科技和納米材料的應(yīng)用提供了廣闊的空間。美國制定的“國家納米技術(shù)倡議”(NNI)中所列納米科學(xué)與技術(shù)涉及的領(lǐng)域很寬泛，但最基本的有三個(gè)，即納米材料，納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)，納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)。
1 納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)
納米粒子的宏觀隧道效應(yīng)確立了微電子器件微型化的極限。納米電子學(xué)、光電子學(xué)及磁學(xué)微電子器件的極限線寬，以硅集成電路而言，普遍認(rèn)為是70nm左右。目前國際上最窄線寬已為130nm，在十年以內(nèi)將達(dá)到極限。如果將硅器件做的更小，電子會隧穿通過絕緣層，造成電路短路。解決納米電子電路的思路目前可分為兩類，一類是在光刻法制作的集成電路中利用雙光子光束技術(shù)中的量子糾纏態(tài)，有可能將器件的極限縮小至25nm。另一類是研制新材料取代硅，采用蛋白質(zhì)二極管，納米碳管作引線和分子電線。新概念器件的形成，單原子操縱是重要的方式。1997年，美國科學(xué)家成功地用單電子移動單電子，這種技術(shù)可用于研制速度和存儲容量比現(xiàn)在提高上萬倍的量子計(jì)算機(jī)。2001年7月，荷蘭研究人員制造出在室溫下能有效工作的單電子納米碳管晶體管。這種晶體管以納米碳管為基礎(chǔ)，依靠一個(gè)電子來決定“開”和“關(guān)”狀態(tài)，由于它低耗能的特點(diǎn)，將成為分子計(jì)算機(jī)的理想材料。在新世紀(jì)，超導(dǎo)量子相干器件、超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學(xué)中器件的主角。
利用納米磁學(xué)中顯著的巨磁電阻效應(yīng)(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁電阻(tunneling magnetoresistance, TMR)現(xiàn)象研制的讀出磁頭將磁盤記錄密度提高30多倍，瑞士蘇黎世的研究人員制備了Cu、Co交替填充的納米絲，利用其巨磁電阻效應(yīng)制備出超微磁場傳感器。磁性納米微粒由于粒徑小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高，用作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。1997年，明尼蘇達(dá)大學(xué)電子工程系納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室采用納米平板印刷術(shù)成功地研制了納米結(jié)構(gòu)的磁盤，長度為40納米的Co棒按周期性排列成的量子棒陣列。由于納米磁性單元是彼此分離的，因而稱為量子磁盤。它利用磁納米線陣列的存儲特性，存貯密度可達(dá)400Gb×in-2。利用鐵基納米材料的巨磁阻抗效應(yīng)制備的磁傳感器已問世，包覆了超順磁性納米微粒的磁性液體也被廣泛用在宇航和部分民用領(lǐng)域作為長壽命的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封。
2 納米醫(yī)學(xué)和生物學(xué)
從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“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(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋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(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級控制和操縱。
納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。
正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)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(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)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(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清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(xì)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(shù)或微制造。
3 在國防科技上的應(yīng)用
納米技術(shù)將對國防軍事領(lǐng)域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對化學(xué)、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。
在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)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，納米顆粒表面原子比例高，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。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)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(chuàng)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(yùn)動加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)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(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，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(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮 ⑤p、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。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(yīng)用都將大有作為。
4 納米陶瓷的補(bǔ)強(qiáng)增韌
先進(jìn)陶瓷材料在高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料難以克服的弱點(diǎn)。英國材料學(xué)家Cahn曾評述，通過改進(jìn)工藝和化學(xué)組分等方法來克服陶瓷脆性的嘗試都不太理想，無論是固溶摻雜的氮化硅、相變增韌的氧化鋯要在實(shí)際中作為陶瓷發(fā)動機(jī)材料還不能實(shí)現(xiàn)。納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑之一。
納米陶瓷具有類似于金屬的超塑性是納米材料研究中令人注目的焦點(diǎn)。例如，納米氟化鈣和納米氧化鈦陶瓷在室溫下即可發(fā)生塑性形變，180℃時(shí)，塑性形變可達(dá)100%。存在預(yù)制裂紋的試樣在180℃下彎曲時(shí)，也不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）報(bào)道用納米SiC顆粒復(fù)合氧化鋁材料的強(qiáng)度可達(dá)到1GPa以上，而常規(guī)的氧化鋁基陶瓷強(qiáng)度只有350-600MPa。Al2O3/SiC納米復(fù)合材料在1300℃氬氣中退火2小時(shí)后強(qiáng)度提高到1.5GPa，它的高力學(xué)性能是與納米復(fù)相陶瓷的精細(xì)顯微結(jié)構(gòu)直接相關(guān)的。德國馬普冶金材料研究所的科研人員將聚甲基硅氮烷在高溫下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶與a-SiC納米晶復(fù)合陶瓷材料。它具有良好的高溫抗氧化性能，可在1600℃的高溫使用（氮化硅材料的最高使用溫度一般為1200-1300℃）。他們最新進(jìn)展是通過添加硼化物提高材料的熱穩(wěn)定性，利用生成BN的包覆作用穩(wěn)定納米氮化硅晶粒，將這種Si-B-C-N陶瓷的使用溫度進(jìn)一步提高到2000℃，這是迄今國際上使用溫度最高的塊體陶瓷材料。
目前，納米陶瓷粉體的制備較為成熟，新工藝和新方法不斷出現(xiàn)，已具備了生產(chǎn)規(guī)模。納米陶瓷粉體的制備方法主要有氣相法、液相法、高能球磨法等。氣相法包括惰性氣體冷凝法、等離子法、氣體高溫裂解法、電子束蒸發(fā)法等。液相法包括化學(xué)沉淀法、醇鹽水解法、溶膠-凝膠法、水熱法等。我們研究組提出利用原位選擇性反應(yīng)法制備了納米晶TiC和TiN復(fù)合TZP的復(fù)合粉料，為陶瓷材料的顯微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。納米陶瓷的致密化手段也趨于多樣化，其中微波燒結(jié)和放電等離子體燒結(jié)(SPS)具有良好的效果。美國賓州大學(xué)陳一葦教授利用無壓燒結(jié)制備平均粒徑為60nm的致密Y2O3塊體材料，為發(fā)展納米陶瓷帶來新的希望。2001年6月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省報(bào)道將納米陶瓷等新型材料應(yīng)用于飛機(jī)部件制造技術(shù)。
5 納米科技在其它方面的應(yīng)用
納米顆粒的比表面積大、表面反應(yīng)活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強(qiáng)的優(yōu)異性質(zhì)使其在化工催化方面有著重要的應(yīng)用。納米粉材如鉑黑、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(yīng)的催化劑，大大提高了反應(yīng)效率。使用納米鎳粉作為反應(yīng)催化劑的火箭固體燃料，燃燒效率可提高100倍，用硅載體鎳催化丙醛的氧化反應(yīng)，當(dāng)鎳的粒徑在5nm以下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應(yīng)得到有效控制，生成酒精的轉(zhuǎn)化率迅速增大。
小型化本身并不代表納米技術(shù)，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”(top down)盡力降低物質(zhì)結(jié)構(gòu)維數(shù)來實(shí)現(xiàn)，而納米科技未來發(fā)展方向是要實(shí)現(xiàn)“由下而上”( bottom up)的方法來構(gòu)建納米器件。目前此方面的嘗試有兩類，一類是人工實(shí)現(xiàn)單原子操縱和分子手術(shù)，日本大阪大學(xué)的研究人員利用雙光子吸收技術(shù)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(shù)，已由分子自組裝構(gòu)建的納米結(jié)構(gòu)包括納米棒、納米管、多層膜、孔洞結(jié)構(gòu)等。美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家利用有機(jī)分子硫醇的自組裝技術(shù)制備直徑為1-2nm的單層的場效應(yīng)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(xiàn)在還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
我國納米技術(shù)目前產(chǎn)業(yè)化狀況
每次技術(shù)上取得的重大突破之后總會引發(fā)新的產(chǎn)業(yè)革命，迎來一個(gè)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的時(shí)期。蒸汽機(jī)的出現(xiàn)、電的應(yīng)用、微電子技術(shù)的突破以及互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)橫空出世都是如此。上個(gè)世紀(jì)最后5年在關(guān)鍵技術(shù)上取得突破性進(jìn)展的基因技術(shù)和納米技術(shù)成為本世紀(jì)新的希望。由于使基因工程獲得廣泛應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)前提仍然是納米技術(shù)能夠大幅降低工藝成本，因此，納米技術(shù)就成為各方關(guān)注的熱點(diǎn)。世界各主要國家均把納米科技當(dāng)作在最有可能取得突破的科學(xué)和工程領(lǐng)域。美國為此制定了“國家納米技術(shù)倡議”，將其列入本世紀(jì)前10年11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，投資4.95億美元來推動納米科技的發(fā)展。
1993年，因發(fā)明STM而獲得Nobel物理學(xué)獎(jiǎng)的科學(xué)家海·羅雷爾(Heinrich Rohrer)博士寫信給江澤民主席。他寫道：“我確信納米科技已經(jīng)具有了150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標(biāo)準(zhǔn)，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標(biāo)準(zhǔn)、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家。” 羅雷爾博士的話精辟地闡述了納米科技對社會的發(fā)展將要起的重要作用。為了避免重蹈我國在半導(dǎo)體、激光、計(jì)算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域起步早，轉(zhuǎn)化難，最終落后的覆轍，一些國家級的納米研究專家在2000年6月聯(lián)名向黨中央、國務(wù)院提出關(guān)于加快制定國家納米技術(shù)科技發(fā)展計(jì)劃，盡快搶占這一世界前沿科技領(lǐng)域的建議。建議引起了中央領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，并被采納，由此拉開了我國納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的序幕。
目前我國納米技術(shù)的應(yīng)用成了熱門。據(jù)2001年6月的一項(xiàng)調(diào)查，國內(nèi)已有323家納米企業(yè)，其中，以“納米”字樣注冊的企業(yè)57家，三十多條納米材料的生產(chǎn)線，社會投入資金約30億元。然而納米科技的產(chǎn)業(yè)化效果還不太理想：這是由于許多納米技術(shù)項(xiàng)目研發(fā)時(shí)間僅有一年左右，屬啟動階段。科研院所的納米科技論文水平很高，潛心于后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)和技術(shù)支持顯得力不從心。而大部分企業(yè)屬于生產(chǎn)型，缺乏持續(xù)創(chuàng)新和應(yīng)用開發(fā)能力，只能接受非常成熟的技術(shù)。二者接口的差異，導(dǎo)致納米技術(shù)成果不能順利轉(zhuǎn)化。雖然國內(nèi)已建立了幾十條納米材料和技術(shù)的生產(chǎn)線，但是產(chǎn)品主要集中在制備納米粉體方面。市場上很多的“納米商品”還不是真正意義上的“納米產(chǎn)品”，急需國家制定一個(gè)指導(dǎo)性的納米技術(shù)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)。由于納米材料特殊的性能，將納米科技和納米材料應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域都能帶來產(chǎn)品性能上的改變或較大的提高。利用納米科技對傳統(tǒng)工業(yè)，特別是重工業(yè)進(jìn)行改造會給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來新的機(jī)遇，其中存在很大的拓展空間，這已是國外大企業(yè)的技術(shù)秘密。
納米技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化較互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)更注重實(shí)業(yè)。基于納米技術(shù)的生產(chǎn)過程有著極強(qiáng)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，尤其是這種生產(chǎn)的總成本大部分必須是一次性投入，故納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)化同樣具有很大的投資風(fēng)險(xiǎn)。這種投資方式對資本市場提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，對中國風(fēng)高浪大的主板市場和猶抱琶琵半遮面的二板市場而言尤其如此。事實(shí)上，納米技術(shù)剛走出實(shí)驗(yàn)室，才向產(chǎn)業(yè)化階段邁出第一步。即便在美國，“NNI計(jì)劃”也只是在年前才出臺，要真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，國內(nèi)外專家普遍認(rèn)為須有不少于20年的時(shí)間。
發(fā)展納米科技存在科學(xué)理論、科學(xué)方法、科技創(chuàng)新和高風(fēng)險(xiǎn)等難點(diǎn)。以國家目標(biāo)為導(dǎo)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(diǎn)，“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(chuàng)新推動技術(shù)創(chuàng)新，使納米科技的產(chǎn)業(yè)化得到健康的發(fā)展。相信通過中國科技人員創(chuàng)造性的工作，我國一定會在已揭開戰(zhàn)幕的納米科技全球競爭中贏得令人矚目的地位。
