当今纳米科技领域发展的3个重要趋势

前言

当今纳米科技领域发展的3个重要趋势，即纳米材料的合成表征、纳米结构的物化性质表征、纳米器件的构筑和功能评估。从基础研究的角度来看，发现新的纳米结构，并以这些纳米结构为基本模型，建立新的理论体系，研究新的物化性能已经是一个相当成熟的研究领域；而从应用研究的角度来看，纳米结构的器件化研究依然是该领域的最终需求。

1. 纳米材料的合成、表征设计与制备：目前纳米材料的合成研究已经不仅局限于零维或一维结构的控制合成，实现这些结构单元的周期性组装，并进一步服务于器件化研究，已经成为该领域所面临的巨大挑战。

超分子自组装过程依然是获得各种纳米结构最有效的方法。印度科学家Rao教授在报告中提出了多种不同组成、纳米结构和形貌控制的溶液合成方法。其主导思路是利用具有一定配位能力的有机分子作为模板剂，导向前驱物的定向反应和最终产物的晶化生长，这种合成法是经典化学合成的延续。日本科学家Aida教授也介绍了利用芳环分子之间的п－п相互作用组装超分子结构，其系列工作包括，利用离子液体进行碳纳米管的成型，以稠环分子组装有机纳米管结构等。日本科学家Fujita教授的报告则侧重于利用超分子自组装体系构筑三维孔道结构的配位聚合物，不同的金属离子与设计合成的有机配体之间存在丰富的配位方式，从而可以获得千变万化的有机－无机杂化骨架结构。

模板法是获得有序纳米结构最为有效的方法之一。我国科学家赵东元教授介绍了利用软、硬模板法合成碳纳米结构。通过合成不同孔道结构的介孔氧化硅材料为模板，可以获得相应的倒易碳纳米结构；而以嵌段共聚物为模板，以稠环类化合物为碳源，则可获得不同形貌、不同晶化度的碳纳米结构。日本的Tatsumi教授介绍了以阴离子表面活性剂作为模板，合成氧化硅介孔材料的新思路。以这种方法可以获得多种新型孔道结构。我国科学家徐正教授一直致力于以多孔氧化铝为模板，电沉积合成金属纳米线阵列结构的工作，这类材料在超磁体方面有着巨大的潜在应用价值。日本科学家Shinahara教授则以碳纳米管为模板，在其中装填富勒烯或笼内含稀土金属原子的富勒烯/稀土离子复合物，最终形成的材料具有类似豌豆的有趣结构。

在材料的表征方面，除了利用传统的仪器分析方法进行结构解析，计算机理论模拟已经成为设计材料、研究结构和预测性质的一个重要手段。来自香港的汤子康教授介绍了利用理论模拟的方法研究直径0.4nm的单壁碳纳米管的结构及场反射性质，理论研究结果验证和丰富了实验研究。同样，该方法也适用于其他纳米结构，如纳米带、纳米颗粒的结构和性质研究。

2. 纳米结构的物化性质表征、组装与功能：以纳米结构为模型，进行一些光、电、磁性质研究，不仅可以丰富少量原子聚集体的理论研究，同样也是为构筑纳米器件提供基础理论依据，筛选适合的结构单元。

本次会议的许多报告涉及纳米材料的物化性质表征。其中通常以单分子体、原子簇或一维纳米结构为主要研究模型，所关注的性质主要在于特殊的光电现象，充分体现了以应用为主要导向的研究思路。香港科学家李述汤教授介绍了利用氧化辅助的手段生长半导体一维纳米结构的方法。利用该方法获得的材料具有极好的光致发光性质，在激光器件中具有很好的应用前景。我国科学家薛其坤教授则以Si(111)面上的Pb原子簇为研究模型，构筑不同形貌的岛结构，并通过自由能钟摆技术（Free- Energy Pendulum）探索其依赖于簇结构形貌的不同量子尺寸效应，为纳米器件工程提供理论依据。该方向的另一重要工作，是我国科学家候建国院士介绍的单分子体系及纳米颗粒的电子结构和电子传输性质的研究。利用基底和

STM针尖做为电极，结合理论模型，可以获得单分子或纳米颗粒的丰富的电子光谱数据，阐述其与形貌相关的单电子量子隧道效应、体系之间电子传输的量子尺寸效应和体系之间的共振隧道效应。

除了光电行为，复合材料的性质提升也是一个重要的研究内容。我国科学家高廉教授采用溶剂热的方法合成了碳纳米管/氧化铝（氧化钛）复合材料，其导电率及机械强度都有明显的增强。

韩国科学家Jeong- Sook Ha详细介绍了金纳米粒子单分子膜上所吸附的烷基硫醇与羧酸封端硫醇之间取代反应，发现了金纳米粒子对不同有机组分的不同稳定作用。

3. 纳米器件的构筑和功能评估，纳米器件与纳米技术的应用：以低级纳米结构为基本单元，可以获得一些简单的纳米器件，探索这些器件的光、电性能，是利用纳米技术实现器件小型化的重要基础研究。

通过表面纳米结构阵列改变界面效应，可以被看作是最简单直接的一类纳米器件。我国科学家江雷教授模拟自然界中植物叶片表面的组织结构，利用纳米结构修饰材料表面，可以获得不同亲水、疏水性质的界面效应，这种新技术即将投入实际应用。

单电子晶体管是目前最迫切需要的一类纳米电子器件。韩国科学家K.-H. Yoo教授采用如DNA类的生物分子对纳米颗粒进行组装，从而实现单电子晶体管的构筑。在这样的体系中，纳米粒子作为构成器件的量子点，而DNA分子则作为隧道势垒。调整DNA分子的链长、端基功能团等，可以有效的调节隧道势垒的强弱，从而实现性质控制。

有机/无机杂化材料也是一类重要的功能性纳米器件。韩国科学家 Seung- Hun Hong教授介绍了利用针尖刻蚀的方法，以有机分子对固体基底表面进行修饰，获得具有周期性结构纳米结构。这种新型的纳米结构将有望在分子电子回路、纳米生物传感器、蛋白质纳米机器等方面有重要应用。利用溶胶－凝胶过程，也可以获得类似的有机/无机杂化材料。韩国科学家Eunk-Young Kim以带有甲级丙烯酸基团的芳环分子为掺杂组分，可以得到感光聚合物薄膜。此类材料可用于全息摄影存储系统。韩国科学家Myung-Ae Chung也介绍了类似的工作。以有机纳米颗粒为掺杂组分，利用溶胶－凝胶技术获得了多层膜，这类材料特殊的荧光性质可以作为三维光存储器件。