纳米材料的概述

“纳米材料”—开启微观世界之门

1.纳米材料及纳米技术

纳米技术界定为：在1nm～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。

纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展

人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中，人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1～100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。

1959年著名的美国物理学家理查德•费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。

1981年格尔德•宾宁（Gerd Binnig）和海因里希•罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。

1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了Fe纳米粉。随后，美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。

1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特•富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使

用最广泛的纳米材料之一。

1986年在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文•夸特（Calvin Quate）和克里斯托•格柏（Christoph Gerber）与德国物理学家宾尼（Binnig）协作，发明了原子力显微镜。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳米技术最核心的部分。

1989年在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾•格勒（Don Eigler）和埃哈德•施魏策尔（Erhard Schweizer）使用35个氙原子拼出了IBM 公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。

1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，正式将纳米材料科学作为材料科学的一个新分支公布于众。1991年NEC公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）制造出了碳纳米管，它是一种二维材料，直径只有几个纳米，而强度比钢高100倍；密度仅为钢的1／6．是很有前途的增强剂，因其导电性超过铜，有可能成为纳米级电子线路材料。

1998年白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的任务是：赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。

1999年使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。

2001年美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳米技术上的竞争力。

2002年欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。

2003年美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。

2008年12月10日国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。

2009年9 月29日美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。

2010年1月8日在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。

2010年3月美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法收集证据。美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。

纳米材料科学的诞生标志着材料科学已进入了一个新时代，而人们对客现世界的认识又前进了一大步。

3.纳米材料的性能

20世纪九十年代以后，随着纳米材料的不断发展，在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质的性质都是由其本身的特性、聚集状态形式以及存在的环境条件范围决定，而且在不同的聚集状态及存在环境条件下，其自身的物性规律和运动规律都将发生根本性变化。换言之，物性的变化规律和与之相适应的理论都是在一定的环境条件范围内成立的，当环境条件超过某一极限范围后，物质的运动规律、物性都会发生质的变化，其相应的理论也将发生改变，必须寻找新的适应该环境条件范围内的理论与之相适应。比如按相对论的推理，当物体速度超过光速后，时间就会成为负值，即出现时间倒转，这可能吗?那么是否是这个理论是不正确的呢?不是的，事实上，从环境条件的观点来看，这个理论的适用范围就是物体的速度不超过光速。当物体速度超过光速后，这个理论将不再适应。应该有新的理论来取代；再比如化学热力学中的绝对温度零度，在热力学中绝对零度是不能达到的。因为温度低于绝对温度零度，体系能量将会变成不确定的数(分母为零)，那么是否绝对温度零度就一定不能达到呢? 也不是这样的，只能说当温度达到绝对温度零度后，热力学中的这些定律、公式已经不再适用，必须有新的理论代替之。物体的尺寸大小也一样，当物质的聚集形式达到极细(纳米尺度)的程度，这种物质的聚集形式的细小程度就使物质环境范围达到了质变的极限程度，这种状态下的物质与常态下的该物质的物性就会出现许多本质的不同，如原来的良导体变成了绝缘体、惰性物质变成了活性物质，而且这些现象也无法用原来的理论加以解释，这就说明原来的理论已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代之。在这样的思路下可以设想，在温度极高或极低，压力极大或极低、单个原子、数十数百个原子(纳米状态)和宏观物质的情况下，同一种材料将产生完全不同的物性，也将有不同的理论诞生，用以解释在该条件下的各种现象、以及不同的物性。这种思路极大地拓宽了材料科学的研究范围，促使了新材料的诞生，同时也拓宽了材料的使用范围。

物质的尺寸处于纳米尺度范围时，其表现出来的性能与其在常规尺寸下所表现出的性能有很大的差别。它们不仅表现出许多常规尺寸时没有的性能，而且对常规尺寸时的一些性能则表现出完全相反的性质。例如，金属在常规尺寸下，具有金属光泽、是一种好的导体。但金属在纳米状态时都不具有光泽，成为黑色的；并且所有的金属在纳米状态下都不导电。一些在常规尺寸下绝缘的材料，在纳米状态下又呈现出超导现象等等。众所周知，物质的宏观性能是物质微观结构的宏观表现。纳米材料与其在常规尺寸下的性能发生巨大变化表明，物质的尺寸处于纳米尺度范围时原子的受力状态与常规尺寸下的原子的受力状态是不同的。事