纳米科学

一纳米科学
1 纳米含义
即毫微米，简写为nm。

1nm为10的-9次方即十亿分之一米。

形象地讲，1纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般。

这就是纳米长度的概念。

2 人类对客观世界认知的三个领域
(1) 宏观领域：指以人的肉眼可见的最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。

(2) 微观领域：指以分子、原子为最大起点，下限是无限的领域。

(3) 介观领域：指介于宏观和微观之间的领域。

包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围。

广义上，介观体系包括亚微米体系、纳米体系和团簇；狭义上，介观范围通常分为：介观领域
3 纳米科技与纳米技术
纳米科学技术简称纳米科技，是二十世纪八十年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是：在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新的物质。

纳米科技是研究由尺寸在0.1-100nm 之间的物质组成的体系的运动规律、相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

纳米技术是单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度内研究物质的特征和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的高新技术。

通常，人们把在1-100nm空间内制备、研究和工业化纳米材料，以及利用纳米尺度（1-100nm）物质进行交叉研究和工业化的综合技术叫做纳米技术。

4 纳米科技的主要内容
纳米科学研究领域的是人类过去从未涉及的非宏观、非微观的中间领域，从而开辟了人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力延伸到分子、原子水平，标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技时代。

纳米科技是 21 世纪科技的产业革命的重要内容之一，可以与产业革命相比拟，是高度交叉的综合性学科，主要包括以下七个部分内容，并相对独立。

（1）纳米体系物理学；（2）纳米化学；（3）纳米材料学；（4）纳米生物学；（5）纳米电子学；（6）纳米加工学；（7）纳米力学。

5 纳米材料与纳米技术
纳米材料是纳米科学技术的基础，正引起世界观各国的广泛的关注。

现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米尺度的超微粒子（也称之为纳米粉）和晶粒尺寸小到纳米量级的固体和薄膜。

纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。

纳米粒子也叫超微颗粒或纳米颗粒，是纳米材料基元，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。

当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比，将会有显著的不同。

6 小纳米效应
一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体颗粒的尺度大小无关。

但人们在追求材料超微化过程中发现，当物质颗粒＜100nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化，呈现出奇异的物理、化学性质，出现了所谓的“反常”现象。

我们把这种现象称之为“纳米效应”。

7 纳米材料的分类简介
广义上，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。

如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：（1）零维 (2)一维 (3）二维
纳米材料大部分都是用人工制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体。

例如天体的陨石碎片，人体和兽类的牙齿都是由纳米微粒构成的。

蜜蜂的体内也存在磁性的纳米粒子，这种磁性的纳米粒子具有“罗盘”的作用，可以为蜜蜂的活动导航。

纳米材料是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。

其分类可以有不同的方法，一般按材料结构进行分类，包括三个层次：纳米微粒、纳米固体和纳米组装体系。

8 功能材料与纳米技术
功能材料是具有一定特性的材料，既那些具有可用于工业和技术中的有关物理和化学功能特
性的各种材料。

包括：电、光、磁、超导材料、智能材料、储氢材料、生物医学材料、纳米药物
载体、功能陶瓷、功能纤维等。

纳米技术本身就是通过改变材料的尺寸大小，使其有效面积增加来发掘、改变材料的力学、
光学、电学、磁学和生物学等特性，纳米材料所产生的奇异特性是由于它的特殊结构决定的，只
有材料达到纳米尺寸，才使其各项理化指标发生一个质和量的突变。

因此，正是由于这些奇特功
能现象的发现引起人们的极大关注，才有今天迅速发展的纳米科技。

纳米技术可以大大提高和改变功能材料的性能，不仅使材料的性能更好，而且还可以增加以
前没有的性能。

因此可以说：纳米材料可以使功能材料的性能变得更好、效果更佳；同时，纳米
技术还可以创造出新的功能材料和使材料具有新性能。

纳米技术的出现极大地促进了功能材料发展，精度更高、效能更好新型功能材料不断涌现，如纳米太阳能电池、纳米药物、纳米涂料、纳
米功能纤维等都是纳米技术应用良好范例。

功能材料不一定是纳米材料，但纳米材料一定是功能材料。

10 纳米复合功能材料、纤维及其应用
纳米复合材料是指由不同材料的纳米微粒或两种及两种以上的固相的纳米微粒，至少在一个方向上以纳米微粒级尺寸复合而成的纳米固体。

由单相纳米微粒构成的纳米固体通常称为纳米相材料，如纳米氧化物等。

纳米复合材料兼有纳米材料与复合材料的许多优点。

如，在合成纤维中混入金属纳米微粒可防止其带电；把纳米微粒分散在铝金属中可提高其强度等。

纳米复合纤维或广义的纳米纤维，是指零维或一维纳米材料与三维材料复合而制得的传统纤维，确切地说它是由纳米微粒或纳米改性的纤维，因而它兼有纳米材料和传统纤维的功能和特性。

功能性纳米材料添加或改性的纳米复合功能纤维，其特殊功能性主要起决定于纳米功能材料的性能。

目前得到发展和应用的纳米复合功能纤维有：防静电功能纤维、紫外线防护功能纤维、抗菌防臭和除菌功能纤维、蓄热保暖功能纤维、红外辐射功能纤维、以及具有抗菌保健作用的生物活性功能纤维等，这些纳米复合功能纤维的应用极大地改善了人们的工作、生活纺织品性能，为保护和促进人类的身体健康发挥重要的积极作用。

11纳米评价
纳米科学技术是一门以物理、化学两门基础学科的微观研究理论为基础，以先进的解析技术和工艺手段为前提的内容广泛的多学科综合体。

它既不是某一学科的延伸和发展，也不能说是某一工艺技术革新的产物或转化。

它是基础理论学科和当代高新技术紧密结合的产物。

纳米科技的诞生还表明了这样一种发展态势，即在当今的科学技术领域里，基础科学研究与应用技术发展的结合，已经呈现出一种越来越密不可分的趋势，以至于在相当多的情况下，人们已经很难完全区分出研究和应用之间的差别。

按目前的研究状况，纳米科技一般分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学和纳米制造学、纳米光学等，这其中的每一门学科又都具有跨学科性质，是集研究与应用于一体的边缘学科与综合体系。

在上述这些学科中，纳米材料是纳米科技领域比较成熟的组成部分，也是纳米科技的发展基础。

在这方面，科学家们已经取得了一些重要进展。

以陶瓷材料为例，普通陶瓷材料具有强度高而韧性差、熔点高而难以加工成形的特点；但利用纳米技术加工成的纳米陶瓷不仅保持了原有特性，还具有超塑性质，并可在较低温度下加工成耐高温的器件，从而大大拓宽了陶瓷材料在工业制造领域的应用范围。

另一方面，纳米电子学也被认为是微电子技术向纵深发展的必然结果。

科学家们指出，开发具有纳米量级分辨率的工艺是取代现有集成电路生产工艺向微电子技术发展的方向；而纳米电子器件的研究与开发，也为新一代电子计算机的发展奠定了基础。

基于这一点，西方国家对这一领域投入了大量资金，许多大企业也纷纷跻身这一领域的研究开发。

据了解，日本东芝公司已经率先取得了量子器件集成化的成果，并且大规模纳米级的集成器件也正在研制之中。

用纳米器件制作机器人和纳米信息处理系统，在分子生物研究及医学研究领域，更是具有诱人的前景。

将这些具有特殊功能的纳米机器人注入人体血管内，可以有效地进行全身健康检查和治疗，使脑血栓、心肌梗塞等疾病将不再成为威胁人类生命的“杀手”。

不过，尽管目前科学界在纳米科学技术领域已经取得了一系列重要的进展，并开发出了不少纳米材
料和器件，但从严格的意义上讲，纳米科学技术在20世纪，仅是刚刚露出尖尖角的小荷，它的灿烂和美丽将是属于21世纪的。

因而，这门学科的诞生可以说是20世纪的科学家们献给21世纪的一份珍贵的礼物。