纳米材料
纳米材料简介介绍
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基础研究
纳米材料的基础研究涉及纳米粒子的制备、性质 、应用等方面，目前已经取得了许多重要成果。
应用研究
纳米材料在能源、环保、医疗等领域的应用研究 也取得了显著进展，为未来的应用提供了广阔的 前景。
技术发展
随着技术的不断进步，纳米材料的制备和应用技 术也在不断发展，为纳米材料的研究和应用提供 了更多的可能性。
安全性评估
针对纳米材料的安全性，需要进 行全面的评估，包括毒性测试、 生物相容性评估等，以确保其在 使用过程中的安全性。
风险控制
针对纳米材料潜在的风险，需要 采取相应的风险控制措施，如使 用防护设备、控制暴露时间等， 以降低潜在风险。
纳米材料的环保性
环境影响
纳米材料在生产、使用和处置过程中可能对环境产生影响，如排放 污染物、消耗能源等。
提高公众意识
加强公众对纳米材料的认知和意识，提高公众的安全意识和环保意 识。
加强研发
加强纳米材料的安全性和环保性的研发工作，开发更加安全、环保 的纳米材料。
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纳米材料的未来发展趋势
跨学科发展
纳米材料的研究涉及到多个学科领域，未来将进一步促进跨学科 的发展，推动纳米材料在更多领域的应用。
绿色化发展
随着环保意识的提高，未来纳米材料的研究将更加注重绿色化发 展，推动纳米材料在环保领域的应用。
个性化发展
随着个性化需求的提高，未来纳米材料的研究将更加注重个性化 发展，满足不同领域和不同人群的需求。
理和化学性能产生影响。
量子效应
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在纳米尺度下，量子效应开始显现，对材料的电子结构和性质
产生影响。
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纳米材料的应用领域
纳米材料
纳米材料研究综述纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度调制的各种固态材料, 其晶粒或颗粒尺寸在1～100 nm 数量级, 主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成, 其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面, 晶界原子达15%～50%,且原子排列互不相同,界面周围的晶格原子结构互不相关, 使得纳米材料成为介于晶态与非晶态之间的一种新的结构状态。
此外,由于纳米晶粒中的原子排列的非无限长程有序性,使得通常大晶体材料中表现出的连续能带分裂为接近分子轨道的能级。
高浓度界面及原子能级的特殊结构, 使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等, 导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性、超导性光学乃至力学性能发生改变,使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药等诸多方面具有重要价值, 得到了广泛应用1 纳米材料研究的现状与特点1.1纳米材料研究的现状上世纪70 年代纳米颗粒材料问世, 80 年代中期在实验室合成了纳米块体材料,80 年代中期以后, 成为材料科学和凝聚态物理研究的前沿热点。
可大致分为3 个阶段;第一阶段(1990 年以前), 主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体, 合成块体(包括薄膜),研究评价表征的方法, 探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1994 年前), 人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特的物理、化学和力学性能,设计纳米复合材料, 通常采用纳米微粒与纳米微粒复合, 纳米微粒与常规块体复合及发展复合纳米薄膜;第三阶段(从1994年到现在), 纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。
1.2纳米材料研究的特点(1)纳米材料研究的内涵逐渐扩大第一阶段主要集中在纳米颗粒(纳米晶、纳米相、纳米非晶等)以及由它们组成的薄膜与块体,到第三阶段纳米材料研究对象发展到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料(包括凝胶和气凝胶)。
常用纳米材料
常用纳米材料
纳米材料是指至少在一个空间尺度上尺寸在1到100纳米之间的材料。
由于其
特殊的尺寸效应、量子效应和表面效应，纳米材料具有许多传统材料所不具备的特殊性能，因此在诸多领域都有着广泛的应用前景。
本文将介绍一些常用的纳米材料及其应用。
首先，碳纳米管是一种由碳原子通过卷曲而成的纳米材料，具有极高的导热性
和机械强度，因此在材料强化、导热材料和纳米电子器件等领域有着广泛的应用。
其独特的结构和性能使得碳纳米管成为当前研究的热点之一。
其次，纳米颗粒是一种尺寸在1到100纳米之间的微小颗粒，常见的有金纳米
颗粒、银纳米颗粒等。
这些纳米颗粒具有较大的比表面积和表面能，因此在催化、生物医学、传感器等领域有着广泛的应用。
例如，金纳米颗粒可以作为生物标记物、药物载体等，银纳米颗粒则常用于抗菌材料等方面。
另外，纳米复合材料是由两种或两种以上的材料通过纳米技术制备而成的新型
材料，具有优异的性能。
例如，纳米氧化锌复合材料具有优异的光催化性能和抗菌性能，因此在环境治理和医疗材料等领域有着广泛的应用。
此外，石墨烯是一种由碳原子通过平面排列而成的二维纳米材料，具有极高的
导电性和导热性，因此在电子器件、柔性电子、能源存储等领域有着重要的应用前景。
其独特的结构和性能使得石墨烯成为当前研究的热点之一。
总的来说，纳米材料具有许多传统材料所不具备的特殊性能，因此在诸多领域
都有着广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展，相信纳米材料将会在更多的领域展现出其独特的魅力，为人类社会的发展做出更大的贡献。
纳米材料
绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
纳米材料
纳米膜： 纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
纳米粉末： 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
纳米块体： 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
纳米材料的用途
很广，主要用途有：
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
纳米材料 纳米材料统指合成材料的基本单元大小限制在1~100nm范围的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下（注１米＝1000毫米，１毫米＝1000微米，１微米＝1000纳米，１纳米＝１０埃），即１００纳米以下。因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。 纳米氧化铝显白色蓬松粉末状态，晶型是γ-Al2O3。粒径是20nm；比表面积≥160m2/g。粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。极好分散，在溶剂水里面；溶剂乙醇、丙醇、丙二醇、异丙醇、乙二醇单丁醚、丙酮、丁酮、苯、二甲苯内，不需加分散剂，搅拌搅拌即可以充分的分散均匀。在环氧树脂，塑料等中，极好添加使用。
纳米材料有哪些
纳米材料有哪些
纳米材料是指具有纳米级尺寸（一般为1-100纳米）的材料。
由于其特殊的结构和性能，纳米材料在各个领域都有广泛的应用。
下面介绍一些常见的纳米材料及其应用。
1. 纳米金属颗粒：纳米金属颗粒具有较大的比表面积和高的反应活性，可以应用于催化剂、电子器件等领域。
2. 纳米二氧化硅：纳米二氧化硅具有良好的光学性能和化学性能，可应用于纳米电子器件、生物医学、光电材料等领域。
3. 纳米氧化锌：纳米氧化锌具有高比表面积和优异的光电性能，广泛应用于太阳能电池、传感器、防晒霜等领域。
4. 纳米碳材料：包括纳米石墨烯、纳米碳管等，具有优异的导电性能、机械性能和热稳定性，被广泛应用于电池、传感器、储能材料等领域。
5. 纳米陶瓷材料：包括纳米氧化铝、纳米氮化硅等，具有高硬度、高耐磨性和热稳定性，广泛应用于耐磨材料、催化剂、陶瓷材料等领域。
6. 纳米荧光材料：具有较高的荧光效率和稳定性，被广泛应用于生物成像、荧光传感、显示技术等领域。
7. 纳米生物材料：包括纳米生物酶、纳米生物球等，具有良好的生物相容性和生物活性，可以应用于生物医学、药物传递、
组织工程等领域。
纳米材料的应用范围广泛，涵盖了电子、光电、催化、医药、能源、环境等多个领域。
纳米材料的研究和应用将对人类的生产生活产生深远的影响，为各个领域的发展带来新的机遇和挑战。
纳米材料有哪些
纳米材料有哪些纳米材料是指至少有一个尺寸在1-100纳米之间的材料，这些材料具有独特的物理、化学和生物学特性，广泛应用于材料科学、生物医学、能源和环境等领域。
纳米材料的种类繁多，下面将介绍一些常见的纳米材料及其应用。
一、纳米碳材料。
1. 石墨烯。
石墨烯是由碳原子构成的二维晶格结构，具有优异的导电性、热导性和机械性能，被广泛应用于电子器件、传感器、储能材料等领域。
2. 碳纳米管。
碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的纳米管状结构，具有优异的力学性能和导电性能，被应用于纳米电子学、纳米材料增强等领域。
3. 纳米金刚石。
纳米金刚石是由碳原子构成的立方晶格结构，具有硬度大、导热性好等特点，被广泛应用于涂层材料、生物医学材料等领域。
二、纳米金属材料。
1. 纳米银。
纳米银具有优异的抗菌性能，被广泛应用于医疗器械、纺织品等领域。
2. 纳米金。
纳米金具有优异的光学性能和催化性能，被应用于光电器件、催化剂等领域。
3. 纳米铜。
纳米铜具有优异的导电性能和力学性能，被广泛应用于电子器件、导电材料等领域。
三、纳米氧化物材料。
1. 纳米二氧化硅。
纳米二氧化硅具有优异的光学性能和表面活性，被广泛应用于光学涂料、生物医学材料等领域。
2. 纳米氧化铝。
纳米氧化铝具有优异的耐磨性和热稳定性，被应用于陶瓷材料、涂料材料等领域。
3. 纳米氧化铁。
纳米氧化铁具有优异的磁性能和生物相容性，被广泛应用于磁性材料、生物医学材料等领域。
四、纳米复合材料。
1. 纳米聚合物复合材料。
纳米聚合物复合材料是将纳米材料与聚合物基体复合而成的材料，具有优异的力学性能和导电性能，被广泛应用于航空航天、汽车制造等领域。
2. 纳米陶瓷复合材料。
纳米陶瓷复合材料是将纳米材料与陶瓷基体复合而成的材料，具有优异的耐磨性和耐高温性能，被应用于机械制造、航空航天等领域。
以上就是关于纳米材料的介绍，纳米材料的种类繁多，每一种纳米材料都具有独特的特性和应用价值，随着科学技术的不断发展，相信纳米材料在未来会有更广阔的应用前景。
纳米材料
用途：
高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流 体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学 器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、 微电子封装材料、光电子材料、电池电极 材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高 效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、 人体修复材料和抗癌制剂等。
2、纳米固体材料
纳米固体材料通常指 由尺寸小于15纳米的超微 颗粒在高压力下压制成型， 或再经一定热处理工序后 所生成的致密型固体材料。
（二）、纳米材料的奇异特性
具有很高的活性 特殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质 特殊的电学性质
1、具有很高的活性
随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大， 表面原子数增多及表面原子配位不饱和 性导致大量的悬键和不饱和键等，这就 使纳米微粒具有高的表面活性，并且粒 径越小，表面原子数所占比率越大，比 表面积越大，表面光滑程度变差，形成 凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应 的接触面，使其具有优良的催化性能。
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定 条件下会引起颗粒性质的质变。由 于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理 性质的变化称为小尺寸效应。对超 微颗粒而言，尺寸变小，其比表面 积亦显著增加，从而产生一系列新 奇的性质。
小尺寸效应的主要影响：
1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 2、宽频带强吸收性质 3、激子增强吸收现象 4、磁有序态向磁无序态的转变 5、超导相向正常相的转变 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力
4、特殊的磁学性质
主要表现为：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、 高磁化率 。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料 强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当 颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加 1000倍，若进一步减小尺寸，大约小于6nm时， 其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性
纳米材料 -简介
TiO2车用空气清净机
二、纳米二氧化硅
1、优势
纳米二氧化硅是极其重要的高科技超微细无 机新材料之一，因其粒径很小，比表面积大，表 面吸附力强，表面能大，化学纯度高、分散性能 好、热阻、电阻等方面具有特异的性能，以其优
越的稳定性、补强性、增稠性和触变性，在众多
学科及领域内独具特性，有着不可取代的作用。
Human Hair
Take 1 slice
1nm
1000 slices
1 m
10 纳米
一纳米有多小？
空间尺度的划分
宇观(Cosmoscopic) 宏观(Macroscopic) 人的肉眼可见的物体为最小物
体开始为下限，上至无限大的宇宙天体；
介观(Mesoscopic)或纳米观(Nanoscopic): 1~100nm
纳米二氧化钛及其复合氧化物
应用
（1）光催化剂： TiO2╱SnO2 复合氧化物较 单一级 纯TiO2 有较高的光催化活性。 （2）紫外吸收剂（化妆品） （3）其他用途（光过滤等） （4）环境保护（降解有机物、农药、垃圾）
中国科学院首次打造出的 “纳米皇冠”
国家大剧院用的自清洁玻璃
纳米TiO2在可见光照射下对碳氢化合物(包括油 污、细菌等)有催化作用，使其进一步氧化成气体或 者是很容易被擦掉的物质。 在玻璃、陶瓷和瓷砖的表面涂上一层纳米TiO2 薄层，使其具有自清洁作用。
纳米颗粒（0D）
纳米线（1D）
扭曲的纳米线 （1D）
2
多孔 纳米线 （1D）
纳米膜（2D）
尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构 成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层 或多层膜。
纳米带（2D）
纳米材料详细知识
自20世纪80年代纳米科技诞生以来，纳米材料的研究与应用 得到了迅速的发展。随着科技的进步，人们已经能够制备出 各种形貌、结构和性能的纳米材料，并探索其在各个领域的 应用潜力。
纳米材料分类及特点
分类
根据维度的不同，纳米材料可分为零维（如纳米颗粒、原子团簇等）、一维 （如纳米线、纳米管等）、二维（如纳米薄膜、纳米片等）以及三维（如纳米 多孔材料、纳米复合材料等）。
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08
纳米材料安全性问题及挑 战
纳米材料对人体健康影响
呼吸系统
纳米材料的小尺寸使其易于 进入肺部，可能导致肺部炎
症、纤维化等病变。心血管系统 Nhomakorabea纳米材料可能通过血液循环 系统进入心脏，引发心肌损 伤、血管炎等心血管疾病。
神经系统
纳米材料可能通过血脑屏障 进入中枢神经系统，对神经 元和胶质细胞产生毒性作用 ，导致认知障碍、行为异常 等神经毒性表现。
量子点和量子线的特性
量子点和量子线具有独特的电子结构和光学性质，如量子限制效应和库仑阻塞效应等，使 得它们在光电器件和量子计算等领域具有潜在应用价值。
04
纳米材料表征技术
显微镜表征方法
1 2 3
扫描电子显微镜（SEM） 利用电子束扫描样品表面，通过检测样品发射的 次级电子或反射电子成像，观察纳米材料的形貌、 尺寸和分布。
量子尺寸效应和隧道效应
量子尺寸效应
当纳米材料的尺寸接近或小于某一特征长度（如电子的德布罗意波长、超导相干长度等） 时，材料的电子结构、光学性质和磁学性质等将发生显著变化。
隧道效应
纳米材料中电子在势垒中的贯穿能力增强，使得一些在宏观尺度下不可能发生的物理现象在 纳米尺度下得以实现，如扫描隧道显微镜（STM）的工作原理。
纳米材料是指什么材料
纳米材料是指什么材料
纳米材料是指至少在一个空间尺度上具有纳米级别特征尺寸的材料。
换句话说，纳米材料是在纳米尺度范围内具有特殊性能和特征的材料。
纳米材料的尺寸范围通常在1-100纳米之间，这使得它们在许多方面都具有与传统材料不同的特性和应用
潜力。
首先，纳米材料具有较大的比表面积。
由于其纳米级尺寸，纳米材料的比表面
积通常非常大，这意味着单位质量的纳米材料拥有更多的表面原子或分子，从而赋予其优异的化学反应活性和吸附能力。
这也使得纳米材料在催化剂、吸附剂和传感器等领域具有广泛的应用前景。
其次，纳米材料表现出与宏观材料不同的光学、电学、磁学等性质。
由于量子
尺度效应的存在，纳米材料在光学、电学和磁学等方面表现出许多新颖的特性，如量子尺寸效应、表面等离子共振效应、量子限域效应等。
这些特性使得纳米材料在纳米电子学、纳米光学和纳米磁学等领域具有巨大的应用潜力。
此外，纳米材料还表现出优异的力学性能。
纳米材料由于其纳米级尺寸和晶格
结构的特殊性，通常表现出优异的力学性能，如高强度、高韧性和高弹性模量等。
这使得纳米材料在材料强化、纳米复合材料和纳米传感器等领域具有广泛的应用前景。
总的来说，纳米材料是指至少在一个空间尺度上具有纳米级别特征尺寸的材料，具有较大的比表面积、与宏观材料不同的光学、电学、磁学等性质，以及优异的力学性能。
纳米材料的特殊性质使得它们在催化剂、吸附剂、传感器、纳米电子学、纳米光学、纳米磁学、材料强化和纳米复合材料等领域具有广泛的应用前景。
随着纳米技术的不断发展和成熟，纳米材料必将在未来的科技领域发挥越来越重要的作用。
纳米材料简介介绍
纳米材料可用于土壤修复，降解有机污染物，提 高土壤的生态功能。
05
结论与展望
当前研究成果总结
01
纳米材料制备技术多样化
近年来，纳米材料的制备技术取得了长足进步，包括物理法、化学法以
及生物法等多种方法，为纳米材料的广泛应用提供了基础。
02
纳米材料性能优异
纳米材料因其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应，展现出优异的力
气体蒸发法
在真空环境中，通过加热使材料 蒸发，并在冷凝过程中形成纳米 颗粒。这种方法可用于制备纯净
的纳米金属、氧化物等。
激光脉冲法
使用高能量激光脉冲照射靶材， 使其瞬间熔化、气化，并在随后 的冷却过程中形成纳米颗粒。这 种方法可用于制备多种纳米材料
，且纯度高。
化学法
溶胶凝胶法
将金属盐或醇盐溶于溶剂中，形成溶胶，经过陈化、干燥 等步骤得到凝胶，再经过热处理得到纳米材料。这种方法 可用于制备氧化物、陶瓷等多种纳米材料。
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纳米材料特性
01
02
03
表面效应
纳米材料具有高比表面积 ，表面原子占比较大，导 致表面能增加，活性增强 。
量子尺寸效应
由于尺寸减小，纳米材料 的能级间距增大，导致电 子性质发生变化。
宏观量子隧道效应
纳米材料中的微观粒子具 有穿越势垒的能力，影响 磁性和导电性。
纳米材料应用领域
生物医药：纳米药物可提高药物的溶解度和生物 利用度，纳米载体可实现药物的靶向输送。
集成电路
纳米材料可用于制造更小 、更快、更省能的集成电 路，提高电子设备的性能 。
显示技术
纳米材料可用于研发高分 辨率、柔性可弯曲的显示 屏幕，提升视觉体验。
纳米材料简介ppt课件
The end
18
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
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C 5 hapter 纳米材料的应用
1、在半导体中的应用
当前微处理器已达到550万个晶体管的集成度、600MHZ的频率和 0.18的线宽，仍满足不了技术发展的需要。根据Intel公司预测，到 2011年微处理器将达到10亿个晶体管的集成度、10GHz 的频率和0.07的线宽，这使以硅为主要材料的超大规模集成电路(VLSI) 的工艺和原理达到极限要继续发展必须寻求工艺和技术突破。“光电 集成”就是其中一个途径，在硅电路中用光连接取 代电连接。然而大块的硅或锗的发光效率很低，且发光波段在近红外， 不适合“光电集成”。寻求一种有效产生光发射的硅基材料已成为材 料科学的一个热点。半导体纳米材料在可见光区具有较高的发光效， 发光波段与发光效率可由纳米材料的尺寸得以控制。此，多孔硅中的 量子点结构、二元半导体化合物中的嵌埋结构及半导体超晶格材料， 在光纤通讯和光探测器方面有广泛的应用。
4
C 3 hapter 纳米材料的纳米效应
1、量子尺寸效应
2、小尺寸效应 3、表面效应 4、宏观量子隧道效应 5、库仑阻塞和量子隧穿 6、介电陷域效应
5
表面效应
6
布朗运动
什么是纳米材料
什么是纳米材料？纳米（ｎｍ）是长度单位，1纳米是10－９米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，人的头发丝的直径一般为7000—8000ｎｍ，人体红细胞的直径一般为3000-5000ｎｍ，病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。
一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：材料的特征尺寸在1-100ｎｍ之间，材料具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
毫米微米纳米皮米纳米尺度的概念纳米碳管－21世纪的新型碳材料纳米碳管又叫巴基管，碳的同素异形体，由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。
纳米碳管的优点：☆高机械强度和弹性☆强度≥钢的100倍☆密度≤钢的1/6 ☆优良导体和半导体☆高比表面积单壁碳纳米管多壁碳纳米管单壁纳米碳管的显微图多壁纳米碳管的显微形貌☆强吸附性能☆优良的光学特性纳米碳管的功能化：1、共价功能化A：端口功能化B：侧壁功能化2、非共价功能化C：表面活化剂功能化D：聚合物功能化E：内腔功能化作为储氢材料开发氢燃料电池汽车单层碳纳米管纤维布太空升降舱：从卫星向地球抛出一条碳纳米管场发射显示器纳米碳管制作的缆绳，太空升降便可美专家研制10万公里太空梯中间相沥青基泡沫炭中间相沥青基泡沫炭是近几年由国内外研发的一种低密度、高强度、高导热、高导电、耐火、吸波、抗热冲击性能的新型炭材料，以中间相沥青为前驱体制备的泡沫炭，经过高温石墨化处理后具有高的热导率，由于它的密度小，因而比热导率是很高的，其孔壁及其韧带具有类似高性能炭纤维的石墨化结构，表现出高的导热性能，热导率在700—1 200 W／(m·K)之间。
新型纳米功能材料——碳化硅纳米碳化硅是高温,高频和高压等苛刻环境下理想的结构和功能材料，在航空航天、国防和原子能等领域有重要的应用。
纳米碳化硅的性能在很大程度上取决于其结构和形貌，不同的应用背景要求具有不同结构和形貌的纳米材料。
纳米材料
纳米材料的分类
A、按维数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：零维纳米材 • 料；一维纳米材料；二维纳米材料；三维纳米材料。
B、按材料物性划分，纳米材料可分为：纳米半导体；纳米磁性材料；纳 米非线性光学材料；纳米铁电体；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米 超导材料。
C、按应用划分，纳米材料又可分为：纳米电子材料；纳米光电子材料； 纳米生物医药材料；纳米敏感材料；纳米储能材料。 D、按化学组分划分，纳米材料可划分为：纳米金属；纳米晶体；纳米陶 瓷；纳米玻璃；纳米高分子；纳米复合材料。
奇妙的碳纳米管： 碳纳米管是由石墨中一层或若干层碳原子而卷曲而成的笼状“纤维”，内部是空 的，外部直径只有几到几十纳米。比重只有钢的六分之一，而强度却是钢的100 部。轻而柔软又非常结实的材料最好是作防弹背心。如果，用碳纳米管作出绳索， 是从月球上挂到地球表面，而唯一不被自身重量所拉断的绳索。如果用它作为地 球--月球乘人的电梯。
天然纳米材料 海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要 游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。最后，长大的海龟还要再回到佛罗 里达州的海边产卵。如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途 跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。生物学 家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这 些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
400℃焙烧制得的纳米ZnO的XRD图
14000
12000
10000
8000
I/I1
6000
4000
2000
0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
2°
扫描电子显微镜（SEM)
纳米材料是什么
纳米材料是什么纳米材料是一种特殊的材料，其尺寸在纳米尺度范围内，通常是指至少有一个尺寸小于100纳米的材料。
纳米材料具有许多独特的物理、化学和生物学特性，因此在许多领域都有着广泛的应用前景。
首先，纳米材料在材料科学领域具有重要的意义。
由于其尺寸处于纳米尺度，纳米材料通常具有较大的比表面积和较高的表面能，这使得其具有优异的力学、光学、电子、磁性等性能。
例如，纳米碳管具有优异的导电性和导热性，可以应用于电子器件、传感器、储能材料等领域；纳米金属颗粒具有优异的催化性能，可用于催化剂的制备；纳米陶瓷材料具有优异的力学性能，可用于制备高强度、高韧性的复合材料等。
因此，纳米材料的研究和应用对于推动材料科学的发展具有重要意义。
其次，纳米材料在生物医学领域也具有重要的应用价值。
由于纳米材料具有较大的比表面积和较高的表面能，使得其能够与生物分子或细胞发生特异性相互作用，从而在药物传递、诊断、治疗等方面具有潜在的应用价值。
例如，纳米载药系统可以通过调控纳米材料的尺寸、形状和表面性质，实现药物的靶向输送和控释，提高药物的疗效，减少副作用；纳米生物传感器可以通过纳米材料的特异性识别能力，实现对生物分子的高灵敏检测，用于疾病的早期诊断和监测。
因此，纳米材料在生物医学领域的研究和应用对于提高医疗水平具有重要意义。
此外，纳米材料还在环境保护、能源领域等方面具有重要的应用潜力。
例如，纳米材料可以被用于污水处理，通过其特殊的吸附和催化性能，实现对污染物的高效去除；纳米材料可以被用于太阳能电池、储能材料等能源器件，通过其优异的光电性能和导电性能，提高能源转换效率。
因此，纳米材料在环境保护和能源领域的研究和应用对于推动可持续发展具有重要意义。
综上所述，纳米材料是一种具有重要应用价值的材料，其在材料科学、生物医学、环境保护、能源等领域都具有广泛的应用前景。
随着纳米材料研究的不断深入和应用技术的不断创新，相信纳米材料将会在各个领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
纳米材料
• 这种方法的优点是通过控制沉积量可 调节沉积产物的纵横比。控制金属纳 米线或纳米管的长径比对光学、磁学 性质的研究特别重要，因为长径比对 金属纳米粒子的这些性质有重要的影 响。
固相法
• 热分解法 S1 →S2+G1+G2 S1 →S2+S3 (不能) • 固相合成法 S1+S2 → 3 →S • 球磨法 （1）机械粉粹，尺寸降低过 程，物理变化；（2） 化学变化
沉淀法
• 电化学沉积法
这种方法通常在氧化铝模板内组装各种单金属、合金、硫 化物、氧化物、导电高分子等线或管，例如，制备Co、Ni 、Bi、NiCu、CoPt和聚苯胺等纳米线和纳米管。
具体的步骤如下：首先在氧化铝模板的一面通 过离子溅射或真空镀膜的方法制备一层金属薄 膜作阴极，选择被组装物质的盐溶液作为电解 液，通过控制电压、电流、温度和时间等参数， 使金属在模板的纳米孔道中沉积，再移去模板。
纳米材料的制备
目录
纳米材料 •1.定义 1.定义 1.
纳米材料 是指晶粒尺寸为纳米级（ 10-9m ）的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇 ，小于通常的微粒。它包括体积分数近似 相等的两个部分：一是直径为几个或几十 个纳米的粒子；二是粒子间的界面。
纳米材料
2、分类 、
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
x y 2 2
、Ag） 5. 水热分解 比如：ZrSiO4+NaOH→ZrO2+Na2SiO3 6. 水热结晶 比如：Al(OH)3→Al2O3•H2O
水解法
SnO2纳米粉末：将20gSnCl2溶解在 • 无机盐水解: ZrO2纳米粉的制备 金属醇盐：M(OR)n • 250ml的乙醇中，搅拌0.5h，经1h 回流 ZrCl4+4H2O →Zr(OH)4+4HCl 可以看成醇ROH中的H被M取代；或金属 ，在室温放置5天，然后在60 ℃ 的水浴 • ZrOCl2+3H2(OH)n的H被烷基R所取代。 氢氧化物M O→Zr(OH)4+2HCl 锅中干燥2天，最后在100 ℃烘干得到 •优点： 加热： 40-60nm颗粒。 金属醇盐活性高，易水解 •1. Zr(OH)4 → ZrO2+2H2O 2. 金属醇盐易提纯，可以得到高纯度的氧化 物纳米颗粒 缺点： 成本高
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扫描隧道显微镜介绍
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微
仪器，能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜
不仅作为观察物质表面结构的重要手段，而且可以作
为在极其细微的尺度──即纳米尺度（1nm=10-9 m）
上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家
原子排成的 “原子”字 样
4
1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描 述精密机械加工。 1982年，科学家发明研究纳米 的重要工具－－扫描隧道显微镜，使人类首次在大 气和常温下看见原子，为我们揭示一个可见的原子、 分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国 巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生
Gleiter等人用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。
41
一、物理方法
1.真空冷凝法
用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成 等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可 控，但技术设备要求高。
2.物理粉碎法
通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特 点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价 值。为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska 教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
12
科学家使用STM观测物质的纳米结构
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STM针尖
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硅表面
纳米算盘 C60每10个一组，在铜 表面形成世界上最小 的算盘。
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纳米皇冠
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伴随着STM的发明以及其在表面高分辨率观察 研究中的各种应用的日渐增多，有人发现利用探针 针尖与表面之间的各种相互作用，可以用来分析高 分辨率成像。1986年宾尼戈等人发明了利用激光检 测针尖与表面相互作用进行表面成像的分析仪器。 该仪器称为原子力显微镜（ATM）。STM 与ATM 共同构成了现今称之为扫描探针显微镜（SPM）的 两大主体技术。
然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今
已有十年，却尚未得到工业应用。超高的成本使国
际市场90％高纯度的碳纳米管价格高达1000－2000
美元／克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元／
克，远远高出黄金的价格。
我国清华—南风纳米粉体产业化工程中心，一 直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是 目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。
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纳米材料的特性
1.表面效应 2.小尺寸效应 3.量子尺寸效应 4.宏观量子隧道效应
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1. 表面效应(界面效应)
表 面 原 子 数 相 对 总 原 子 数
100 80
比 例 60 （ 40 ） 20
0 0 10 20
粒径/nm
22
%
30
40
50
2. 小尺寸效应(体积效应)
随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的
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到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产
品的营业额达到500亿美元。 近年来，一些国家纷纷
制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略
高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入
新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米
技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的
核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资
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纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒
度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小， 比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同 于常规固体的新特性。
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用途：
高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、 防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、 微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光 电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高 效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷 材料、人体修复材料和抗癌制剂等。
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1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电 子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存 贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时 发明了世界上最小的 “秤”，它能够称量十亿分之 一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久， 德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破 了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
4. 宏观量子隧道效应
隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒
子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人
们发现一些宏观量，如微颗粒的磁化强度、量子相
干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，称之为
宏观量子隧道效应。
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几种典型的纳米材料
纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料 碳纳米管
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纳米材料的制备技术
“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形 成，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研 究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中 占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的 制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。
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纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在
着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的 牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制 备纳米材料的实践也已有1000年的历史，中国古代利用 蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，
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如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球
表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管 的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的
壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。
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把碳 纳米 管用 作转 子的 纳米 马达 图像
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8
2000年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光
微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒
扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输
入计算机进Байду номын сангаас分析判断。
2001年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维. 沙因贝
格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原子装
入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌 细胞的靶向药物。 这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分 迅速的。
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碳纳米管
碳纳米管，是1991年由
日本电镜学家饭岛教授通过
高分辨电镜发现的，属碳材 料家族中的新成员，为黑色
粉末状，是由类似石墨的碳
原子六边形网格所组成的管 状物，它一般为多层，直径 为几纳米至几十纳米，长度 可达数微米甚至数毫米。
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碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有 好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强
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目前除了隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM） 以外，还有近场光学显微镜（NSOM）、侧面力显微镜
（IFM）、磁力显微镜（MFM）、极化力显微镜
（SPFM）……已有二十多个品种。但大量还处在实验 室的产品研发阶段。由于它们都是用探针通过扫描系统 来获取图像，因此这类显微镜统称为扫描探针显微镜 （SPM）。
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3. 量子尺寸效应
费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一 般是连续的，但当粒子尺寸下降到一定值时，费米 能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级 （离散能级）的现象，以及纳米半导体微粒存在不 连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子
轨道能级而使能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应
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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，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。
度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导
电性能、导热性能和电性能。
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碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但 它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重 量只有钢的六分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧 性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。
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正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材料 在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用 碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射 平板显示器、晶体管集成电路等领域。在材料方面，可将其应 用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今 为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。 在军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐 身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域，利用 其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效 率更高。
3.机械球磨法
采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复 合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度 低，颗粒分布不均匀。 42
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1991年，碳纳米管被人类 发现，它的质量是相同体 积钢的六分之一，强度却 是钢的100倍。成为纳米技
术研究的热点。诺贝尔化
学奖得主斯莫利教授认为， 纳米碳管将是未来最佳纤
维的首选材料，也将被广
泛用于超微导线、超微开 关以及纳米级电子线路等。
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继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯 坦福大学英文名字、 1990年美国国际商用机器公 司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后。 1993 年中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原 子成功写出“中国”二字，标志着我国开始在国 际纳米科技领域占有一席之地。