納米材料的背景意義

1、 納米知識(shí)介紹 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)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。納米納米是一種長(zhǎng)度單位，1納米=1×10-9米，即1米的十億分之一，單位符號(hào)為 nm。納米技術(shù)納米技術(shù)是在單個(gè)原子、分子層次上對(duì)物質(zhì)的種類(lèi)、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行精確的觀測(cè)、識(shí)別和控制的技術(shù)，是在納米尺度范圍內(nèi)研究物質(zhì)的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。其最終目標(biāo)是人類(lèi)按照自己的意志直接操縱單個(gè)原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)的發(fā)展大致可以劃分為3個(gè)階段： 第一階段(1990年即在召開(kāi)“Nano 1”以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索各種

2、納米粉體的制備手段，合成納米塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料的特殊性能。研究對(duì)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(guān)注的熱點(diǎn)是設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料： 納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合)， 納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)， 納米復(fù)合薄膜(0-2復(fù)合)。第三階段(從1994年至今)納米組裝體系研究。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及納米絲、管等為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系的研究。納米材料材料基本構(gòu)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(chēng)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(xué)、電學(xué)

3、、磁學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等方面的性質(zhì)。圖1 納米顆粒材料SEM圖一、 納米材料的基本特性由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因?yàn)檫@樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個(gè)科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用?？茖W(xué)家們和工程技術(shù)人員利用納米材料的特殊性質(zhì)解決了很多技術(shù)難題，可以說(shuō)納米材料特性促進(jìn)了科技進(jìn)步和發(fā)展。1、 力學(xué)性質(zhì)高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，

4、其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。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(jié)和晶粒粗大的原因其力學(xué)強(qiáng)度一直難以有大的提高。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí)，其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。2、 熱學(xué)性質(zhì)納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類(lèi)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?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、

5、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對(duì)太陽(yáng)光有強(qiáng)烈的吸收作用，從而有效地將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為熱能。3、 電學(xué)性質(zhì)由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類(lèi)粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫(kù)侖堵塞效應(yīng)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(diǎn)，有可能在不久的將來(lái)全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)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(jìn)展，已經(jīng)成功研制出由碳納

6、米管組成的邏輯電路。4、 磁學(xué)性質(zhì)當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)的磁記錄密度超過(guò)1.55Gb/cm2，在這情況下，感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿(mǎn)足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，可以用于信息存儲(chǔ)的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤(pán)的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場(chǎng)間存在近似線(xiàn)性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對(duì)可見(jiàn)光具有良好的透射率，對(duì)可見(jiàn)光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對(duì)紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級(jí)，磁性比FeBO3

7、和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。 納米結(jié)構(gòu) 以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的新體系。它不僅具有納米物質(zhì)單元的性能，還存在由結(jié)構(gòu)組合而產(chǎn)生的新的特性。 Gleiter認(rèn)為納米材料是其晶粒中原子的長(zhǎng)程有序排列和無(wú)序界面成分的組合，納米材料具有大量界面，晶界原子達(dá)15%一50%?？梢岳肨EM、X射線(xiàn)、中子衍射和一些其它方法來(lái)表征納米材料及其結(jié)構(gòu)。對(duì)于納米材料晶界的結(jié)構(gòu)有三種不同的理論:（1） Gleiter的完全無(wú)序說(shuō)。3這種假說(shuō)認(rèn)為納米晶粒間界具有較為開(kāi)放的結(jié)構(gòu)，原子排列具有隨機(jī)性，原子間距較大，原子密度低，既無(wú)長(zhǎng)程有序，又無(wú)短程有序

8、。（2）Seagel的有序說(shuō)。4有序說(shuō)認(rèn)為晶粒間界處含有短程有序的結(jié)構(gòu)單元，晶粒間界處原子保持一定的有序度，通過(guò)階梯式移動(dòng)實(shí)現(xiàn)局部能量的最低狀態(tài);（3）葉恒強(qiáng)、吳希俊的有序無(wú)序說(shuō)。5該理論認(rèn)為納米材料晶界結(jié)構(gòu)受晶粒取向和外場(chǎng)作用等一些因素的限制，在有序和無(wú)序之間變化。二、 納米材料的主要應(yīng)用借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)研究領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時(shí)也促進(jìn)了納米材料應(yīng)用的越來(lái)越廣泛化。1、 特殊性能材料的生產(chǎn)材料科學(xué)領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng))使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等)，且不用添

9、加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過(guò)程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。例如普通鎢粉需在3 000高溫時(shí)燒結(jié)，而當(dāng)摻入0.1%0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1 2001 311。 復(fù)合材料的燒結(jié) 由于不同材料的熔點(diǎn)和相變溫度各不相同，所以把它們燒結(jié)成復(fù)合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使其熔點(diǎn)降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進(jìn)行固相反應(yīng)，得到燒結(jié)性能好的復(fù)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

10、于納米材料粒徑非常小、熔點(diǎn)低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強(qiáng)、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(yīng)，這些都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，并將會(huì)對(duì)高技術(shù)和新材料的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要作2、 生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用從蛋白質(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(chē)間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠(chǎng)”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了

11、原子級(jí)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級(jí)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(cè)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

12、診斷，藥物開(kāi)發(fā)和人類(lèi)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(dòng)態(tài)檢測(cè)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(lèi)，一類(lèi)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(cè)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(lèi)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、 納米生物計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)生物計(jì)算機(jī)的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種

13、芯片中，信息以波的形式傳播，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10倍以至幾萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)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(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能、自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機(jī)制等。世界上第一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)是由美國(guó)于1994年11月首次研制成功的。 科學(xué)家們預(yù)言，實(shí)用的生物分子計(jì)算機(jī)將于今后幾年問(wèn)世，它將對(duì)未來(lái)世界產(chǎn)生重大影響。制造這類(lèi)計(jì)算機(jī)離不開(kāi)納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類(lèi)更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘

14、完成數(shù)十億次操作，屆時(shí)人類(lèi)的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。 目前納米科學(xué)技術(shù)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(dòng)，并引起關(guān)心未來(lái)發(fā)展的全世界科學(xué)家的思索。人們正注視著納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進(jìn)展，這一領(lǐng)域前景十分誘人。它與其它學(xué)科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學(xué)科或?qū)W科群，其有關(guān)發(fā)展將對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防實(shí)力、科技發(fā)展乃至整個(gè)社會(huì)文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影4、 新的國(guó)防科技革命納米技術(shù)將對(duì)國(guó)防軍事領(lǐng)域帶來(lái)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(chǎng)上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對(duì)化學(xué)、生物、核武器的納米探測(cè)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)

15、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(chǎng)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(jí)分裂，分裂的能級(jí)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(chǎng)的輻照下，

16、運(yùn)動(dòng)加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對(duì)電磁波的吸收性能。美國(guó)研制的“超黑粉”納米吸波材料對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99，法國(guó)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(guó)外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見(jiàn)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?、輕、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5、 其他領(lǐng)域除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微

17、電子學(xué)等其他領(lǐng)域也有著逐漸廣泛的應(yīng)用，納米材料在這些領(lǐng)域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。三、 納米材料的應(yīng)用前景展望經(jīng)過(guò)幾十年對(duì)納米技術(shù)的研究探索，現(xiàn)在科學(xué)家已經(jīng)能夠在實(shí)驗(yàn)室操縱單個(gè)原子，納米技術(shù)有了飛躍式的發(fā)展。納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤4大領(lǐng)域高速發(fā)展?？梢灶A(yù)測(cè)：不久的將來(lái)納米金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管、平面顯示用發(fā)光納米粒子與納米復(fù)合物、納米光子晶體將應(yīng)運(yùn)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(xué)組裝計(jì)算機(jī)將投入應(yīng)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(jī)器人、集成生物化學(xué)傳感器等將被研究制造出來(lái)。 納米技術(shù)目前從整體

18、上看雖然仍然處于實(shí)驗(yàn)研究和小規(guī)模生產(chǎn)階段，但從歷史的角度看：上世紀(jì)70年代重視微米 科技的國(guó)家如今都已成為發(fā)達(dá)國(guó)家。當(dāng)今重視發(fā)展納米技術(shù)的國(guó)家很可能在21世紀(jì)成為先進(jìn)國(guó)家。納米技術(shù)對(duì)我們既是嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，又是難得的機(jī)遇。必須加倍重視納米技術(shù)和納米基礎(chǔ)理論的研究，為我國(guó)在21世紀(jì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)騰飛奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。整個(gè)人類(lèi)社會(huì)將因納米技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化而產(chǎn)生根本性的變革。國(guó)際納米材料發(fā)展投入和國(guó)內(nèi)水平的對(duì)比納米科學(xué)與技術(shù)在二十世紀(jì)九十年代初期在世界發(fā)達(dá)國(guó)家蓬勃發(fā)展，西方發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)納米科學(xué)與技術(shù)的研發(fā)投入逐年增加，競(jìng)爭(zhēng)也進(jìn)入白熱化。以高新技術(shù)為導(dǎo)向的美國(guó)正是看到了納米材料的無(wú)限潛力，近年將納米科學(xué)技術(shù)的研發(fā)

19、作為科技政策的重點(diǎn)，于2000年宣布實(shí)施“國(guó)家納米計(jì)劃”，每年的納米科技研發(fā)投入都在增長(zhǎng)，截至2007年初共投入五十六億美元用于納米科學(xué)技術(shù)的研發(fā)。14-15日本通產(chǎn)省實(shí)施為期年的“納米材料工程”計(jì)劃，每年投資達(dá)億日元。日本科技廳設(shè)立“納米材料研究中心”，集中數(shù)百名專(zhuān)家進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。日本文部科學(xué)省也實(shí)施“納米技術(shù)綜合支援計(jì)劃”，以最大限度發(fā)揮各科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)納米技術(shù)的能力。日本每年用于納米技術(shù)研發(fā)的投資大約5億美元。歐盟近年也將納米科學(xué)技術(shù)作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域之一，從2002至2006年間為納米技術(shù)研究撥款1 3億歐元，并于2003年建立納米技術(shù)工業(yè)平臺(tái)，推動(dòng)納米技術(shù)的應(yīng)用。法國(guó)于2003年動(dòng)用5000萬(wàn)歐元建立法國(guó)最大的電子納米技術(shù)中心“聯(lián)盟克洛爾”，并在2005年該中心又投入億美元，建成了世界上規(guī)模最大的納米芯片生產(chǎn)基地。在納米科技領(lǐng)域，我國(guó)在“十五”、“十一五”期間取得了一批重要的研究成果，在部分領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但從以上我國(guó)的納米材料成果可以看出，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)納米材料和技術(shù)的發(fā)展水平與發(fā)達(dá)國(guó)家還存在著不小的差距。首先，發(fā)達(dá)國(guó)家自上世紀(jì)90年代以來(lái)，一直把納米科技作為發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)，不斷強(qiáng)化基礎(chǔ)和應(yīng)用