纳米材料的发展现状与未来趋势

纳米材料的发展现状与未来趋势摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。人类不断发现纳米材料的各种特殊性能。纳米材料在各个领域都有很好的应用前景。人类有理由相信：纳米材料将会成为21世纪科学技术发展的主流之一。

关键词：纳米薄膜、金属、性能、应用、趋势

一、纳米材料的基本性能

纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成（大小范围：1~100纳米），由于量子力学效应，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。也正是由于这些特性使纳米材料具有研究的意义。

1、力学特性

与传统材料相比，纳米结构材料的力学性能有显著的变化。其中一些材料的强度和硬度成倍提高（如晶粒尺寸为14nm的pd试样）。而一些纳米材料受热状态下的力学性能也提高明显。高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，这种特性在纳米陶瓷等领域已经得到广泛应用。

2、热学特性

普通的材料当其处于纳米状态或具有纳米结构是会有很高的热容量。一些纳米材料的热导率很低，认购非常有效地阻隔热能的固体传导和气体传导。可以做绝热材料。与此同时，还有些纳米材料具有完全相反的热学特性。他们的热交换性能非常好，是非常好的散热材料。

3、电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

4、磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

二、纳米材料的主要应用

纳米材料的物理特性优越与传统材料，使得纳米材料的开发应用成为21世纪的一个重要课题。目前，纳米技术主要有几个应用领域。

1、高性能纳米陶瓷

随着纳米技术的研究和应用，一些由纳米材料制成的产品陆续出现，其中，纳米碳纤管，纳米陶瓷等，纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。

2、纳米电子器件

纳米电子器件与威电子器件的主要差别是，在微电子器件中垫子更多地表现出粒子性，在纳米电子器件中电子更多地表现出波动性。当今被重点研究的纳米电子器件主要有：电子共振隧穿器件、二维电子气（2DEG）器件、量子点接触器件、量子点场效应晶体管、量子线的非线性、纵向库伦阻塞结构等。

3、纳米薄膜材料

纳米薄膜是指由尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌在某种薄膜中构成复合膜，以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。与普通薄膜相比，纳米薄膜具有许多独特的性能，如：巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应、可见光发射等。此外纳米薄膜还可以作为气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示材料及超导材料等。

4、生物医学中的纳米技术应用

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

5、其他领域

除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。

三、纳米材料的发展前景

近几年来，国际上关于纳米材料和纳米结构的研究出现了新的趋势：准一维纳米材料形成了新的研究热点；纳米组装材料和纳米结构微阵列的制备科学和技术；对于纳米材料奇特物性起因的研究不断深入；纳米材料和纳米结构的制备技术和其它技术相结合；纳米膜与复合膜；半导体纳米量子点。

种种迹象看来，纳米技术的发展会趋向更多样化和结构复杂化。而随之带来的必定会是人类对于纳米量级物体的精确空间控制技术的发展，到那时。由纳米零件组装出复杂的纳米机器人将不再只出现在科幻小说上。科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。

目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。