1纳米技术

纳米，只是一个长度单位，1微米为千分之一毫米，1纳米又等于千分之一微米，相当于头发丝的十万分之一，没有任何技术属性。因此，单纯的某一纳米材料若没有特殊的结构和性能表现，还不能称为纳米技术。

所谓纳米技术，是指在0.1-100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料，它比负氧离子先进50年。由于纳米微粒(1-100nm)的独特结构状态，使其产生了小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而使纳米材料表现出光、电、热、磁、吸收、反射、吸附、催化以及生物活性等特殊功能。纳米材料具有许多独特功能，而且用量少，但却赋予材料意想不到的高性能，附加值甚高。纳米复合高分子材料、纳米抗菌、保鲜、除臭材料等等，由于纳米材料的尺寸小，比血液中的红血球小一千多倍，比细菌小几十倍，气体通过其扩散的速度比常规材料快几千倍。纳米颗粒与生物细胞膜的化物作用很强，极易进入细胞内。

纳米材料可分为两个层次：纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子是指粒子尺寸为1-100nm的超微粒子，纳米固体是指由纳米超微粒子制成的固体材料。而人们习惯于把组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度尺寸称为纳米材料。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。科技水平的不断进步，尤其是在电子行业这一朝阳产业，纳米技术得到了很大的发展，主要是集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。随着人们生活水平的日益提高，及人们对环保的重视程度不断加强。空气质量与工业废水处理已成为城市的一个生活生存质量标志。纳米材料由于其特有的表面吸附特性, 使其在净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前景。

纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21

世纪又一次产业革命。

虽然距离应用阶段还有较长的距离要走，但是由于纳米科技所孕育的极为广阔的应用前景，美国、日本、英国等发达国家都对纳米科技给予高度重视，纷纷制定研究计划，进行相关研究。

碳纳米管

碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原子层卷曲而成，管直径一般为几纳米到几十纳米，管壁厚度仅为几纳米，长度可达数微米。

碳纳米管可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管两种主要类型。单壁碳纳米管由单层石墨卷成柱状无缝管而形成，是结构完美的单分子材料；多壁碳纳米管可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。

由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有重大发展前景。比如在材料科学领域，碳纳米管具有极高的强度、韧性和弹性模量。其弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量几乎相同，约为钢的5倍。其理论抗拉强度为50-200GP，是钢的100倍，而密度仅为钢的1/6。碳纳米管无论强度还是韧性，都远远优于任何纤维材料，被称为“超级纤维”，其性质随直径和螺旋角的不同有明显变化，因而成为一个极具诱惑力的科学研究对象。

碳纳米管的性能优于当前的任何纤维，它既具有碳纤维的固有性质，又具有金属材料的导电导热性，陶瓷材料的耐热耐蚀性，纺织纤维的柔软可编性，以及高分子材料的轻度易加工性，是一种一材多能和一材多用的功能材料和结构材料，与高分子材料复合时，会形成完整的结合界面，得到性能优异的复合材料，表现出极好的强度、弹性、抗疲劳性、抗静电性、吸收微波性等优异性能。碳纳米管复合材料的优异性能可使其广泛应用于塑料、电磁屏蔽材料、合成纤维等诸多行业。

在纳米机械方面，已经制成了纳米秤。纳米秤与悬挂的钟摆相似，弯曲常数是已知的，通过测量振动频率，可以测出粘结在悬壁梁一端的颗粒的质量，这个原理同样适用于测量粘结在碳纳米管自由端顶部的微小质量。这是最新发现的纳米秤，也是世界上最敏感的和最小的衡器。有专家认为，此纳米秤将可以用来衡量大生物分子的质量和生物颗粒，例如病毒，还可能导致一种纳米质谱仪的产生。

碳纳米管由于其独特的几何结构及其场发射特性而成为平面显示器的理想材料。用碳纳

米管制成的电子枪与传统的相比，不但具有在空气中稳定、易制作的特点，而且具有较低的工作电压和大的发射电流，适用于制造大的平面显示器。目前已制造出最大尺寸为101.6cm （40英寸）的样机。

碳纳米管储氢是具有很大发展潜力的应用领域之一。碳纳米管是一种理想的储氢材料，尤其单壁碳纳米管。室温常压下，约67%的氢能从碳纳米管中释放出来，而且可被反复使用。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储，对电动汽车的发展具有非常重要的意义，可取代现用高压氢气罐，提高电动汽车安全性。

碳纳米管由于尺寸小，比表面积大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。碳纳米管在催化剂领域有潜在的应用前景。

中韩学者制备出碳纳米管夹持的金属原子链中国科学院金属研究所先进炭材料研究部博士研究生汤代明和助理研究员尹利长在研究员成会明、刘畅的指导下，与金属所固体原子像研究部马秀良研究员、韩国成钧馆大学Young Hee Lee教授等合作，设计并制备出一种碳纳米管夹持的金属原子链器件，实现了金属原子链与碳纳米管的有效连接，为金属原子链的装配提供了一条新途径。

金属原子链是仅由一到几列金属原子构成的一维结构。理论与实验研究表明，金属原子链具有独特的量子传输和量子磁阻效应等，可望在纳电子器件和电磁器件中获得应用。采用扫描隧道显微镜、机械控制改变连接、电沉积等方法制备的金属原子链通常悬于宏观尺度的电极之间，这使得金属原子链与其他纳米结构和器件的连接、集成十分困难。

中国科学院金属所科研人员利用碳纳米管的纳米尺度中空管腔，填充和承载金属纳米棒并保护其不被氧化。进而在透射电子显微镜（TEM）下通过电子束辐照选择性剥离包覆金属纳米棒的碳层，并利用样品局部的热应力或STM-TEM样品台原位施加的拉应力制备碳纳米管夹持的金属原子链。利用高分辨TEM和第一原理计算研究了铁原子链的形成过程，发现表面能驱使的沿（110）面的滑移和扭折是其形成的重要机制。原位研究了碳纳米管夹持铁原子链器件的电输运特性，发现其电导呈量子化；利用第一原理方法研究了碳纳米管夹持金属原子链的电子结构，发现二者形成牢固的共价键结合，铁原子链具有半金属特性。以上结果表明，在与碳纳米管键合、连接后，金属原子链仍保持其独特的物理性质。将碳纳米管夹持铁原子链的制备思路延伸至其他金属，成功制备出碳纳米管夹持的FeNi合金原子链及铂原子链器件。