纳米材料研究现状及展望

纳米材料研究现状及展望
摘要：在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，组件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。

新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。

本文介绍了纳米材料和纳米技术的概念及其研究进展，并且着重介绍了纳米科技在催化、精细化工、浆料等领域的应用。

关键词：纳米材料纳米技术研究进展应用发展趋势
前言
新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。

纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。

1、纳米材料和纳米技术
什么是纳米材料？纳米[1]（nm)是长度单位，一纳米是十亿分之一米，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，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，一般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：一是材料的特征尺寸在1—100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

所谓的纳米技术是指：用纳米材料制造新型产品的科学技术。

它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理学、分子生物学、化学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术、合成技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。

在新的世纪，纳米将带给人们更多功能超常的生产生活工具，把人们带向一个从未见过的生活环境。

纳米科学技术使人类认识和改造物质世界的手段和能力延伸到原子和分子。

其最终目标是直接以原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的新颖的物理、化学和生物学特性制造出具有特定功能的产品。

这可能改变几乎所有产品的设计和制造方式，实现生产方式的飞跃。

因而纳米科技将对人类产生深远的影响，甚至
改变人们的思维方式和生活方式。

纳米技术涉及的范围很广，其中纳米材料是纳米技术发展的基础。

2、纳米材料的研究进展
纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员开始有意识得通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。

1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授[3] 把粒径为6nm 的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料，开创纳米材料学之先河。

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学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。

1990年，美国国际商用机器公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面用36个氙原子排出“IBM”三个字母[3]。

1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“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
九十年代以来，准一维纳米材料的研制一直是纳米科技的前沿领域。

1991年1月，日本筑波NEC实验室的饭岛澄男(S. Iijima) [3]首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube)。

2000年10月，美国宾州大学研究人员[4]在Science上发表文章称，纳米碳管的质量是相同体积钢的六分之一，却具有超过钢100倍的强度。

不仅具有良好的导电性能，还是目前最好的导热材料。

1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune[4]等人和Iijima同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single-walled Carbon Nanotubes)。

1996年，因发现C60获得诺贝尔奖的斯莫利(Smalley) [4]和他的研究组合成了成行排列的单壁碳纳米管束。

同年，中科院物理所解思深研究员[6]的研究组用化学气相法制备出面积3mm×3mm的大面积碳纳米管阵列，它可用作极好的场发射平面显示器件。

他们还于1998年合成了当时最长的2毫米长度的纤维级碳纳米管。

1996年，中国科技大学谢毅博士[6]利用苯热合成法制备出产率很高、平均粒度为30nm的氮化镓粉体。

1997年，清华大学范守善教授[6]制备出直径为3-50纳米、长度达微米量级的氮化镓纳米棒，首次把氮化镓制备成一维纳米晶体，提
出碳纳米管限制反应的概念。

1999年，他与美国斯坦福大学戴宏杰教授[6]合作，实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

1997年，美国纽约大学科学家发现[5]，DNA（脱氧核糖核酸）可用于建造纳米层次上的机械装置。

2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家[5]用DNA 的碱基配对机制制造出了一种每条臂长只有7纳米的纳米级镊子。

1998年，中国科技大学钱逸泰院士[6]的研究组用催化热解法，从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“稻草变黄金”。

1999年，北京大学电子系薛增泉教授[6]的研究组在将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用探针。

同年，中科院金属所成会明博士合成出高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。

1999年巴西和美国科学家[5]用碳纳米管制备了世界上最小的“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；不久，德国科学家研制出称量单个原子重量的“纳米秤”，打破了先前的纪录。

同年，美国科学家在单个分子上实现有机开关，证实在分子水平上可以发展电子和计算装置。

中科院沈阳金属所的卢柯小组[6]在纳米材料及相关亚稳材料领域取得了突
出的成绩。

他发展的利用非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。

他们发现的纳米铜的室温超塑延展性，被评为2000年中国十大科技新闻。

3、纳米材料的应用
3、1 在催化方面的应用
用作高效催化剂是纳米颗粒材料的重要应用领域之一，纳米颗粒具有很高的比表面积，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特点，导致表面的活性位置增加[13·14]。

使得纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。

有人预计纳米颗粒催化剂将成为本世纪催化剂的角。

光催化剂是一种具有应用潜力的特殊催化剂，纳米TiO：所具有的量子尺寸效应使其导电和介电能级变成分立的能级，能隙变宽，导电电位变得负移，而介电电位变得正移，这使其获得了更强的氧化还原能力。

3、2 在浆料方面的应用
纳米材料用作导电浆料，导电浆料是电子工业的原材料，由于纳米材料可使块体材料的熔点大大降低，因此用超银粉制成的导电浆料可以在低温下烧结，此时基片可以不用耐高温陶瓷，甚至可采用塑料等低温材料。

3、3 在精细化工方面的应用
精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。

纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特魅力。

在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。

如在橡胶中加入纳米SiO ，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。

将纳米Al：O 和SiO 加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用自炭黑作填料的橡胶。

塑料中添加一定量的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性．而且致密性和防水性也相应提高。

3、4纳米科技在其它方面的应用
纳米颗粒的比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强的优异性质使其在化工催化方面有着重要的应用[8]。

纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等已直接用作高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂，大大提高了反应效率。

使用纳米镍粉作为反应催化剂的火箭固体燃料，燃烧效率可提高100倍，用硅载体镍催化丙醛的氧化反应，当镍的粒径在5nm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率迅速增大。

小型化本身并不代表纳米技术，纳米材料和纳米科技有着明确的尺度和性能方面的定义。

制造纳米器件目前主要的方法还是通过“由上而下”尽力降低物质结构维数来实现，而纳米科技未来发展方向是要实现“由下而上”的方法来构建纳米器件。

目前此方面的尝试有两类，一类是人工实现单原子操纵和分子手术，日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维的纳米牛和纳米弹簧，使功能性微器件的制备接受有了新的突破。

另一类是各种体系的分子自组装技术，已由分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔洞结构等。

美国贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术制备直径为1-2nm的单层的场效应晶体管，这种单层纳米晶体管的制备是研制分子尺度电子器件重要的一步。

这方面的工作现在还仅限于实验室研究阶段。

4、发展趋势
目前美国纳米技术最受重视的研究课题有：具有工程性能的金属与陶瓷纳米结构材料；聚合物大分子的分子操纵；软纳米结构的化学自组装技术；纳米结构涂料的热喷工艺和以化学为基础的技术；电子产品和传感器的纳米制作；用于与能量相关工艺的纳米结构材料，如催化剂、软磁体；纳米机加工航天器系统的小型化。

另外，正在进行用于生化的神经通信与芯片技术研究；开发了计量学在纳米结构的热力学性能、磁性、微磁模拟以及热动力学方面的应用；原子级的模拟已被确立为一种计算工具；建造了纳米探针，用于以纳米级精度和皮秒时间(1皮秒=10 秒)分辨率研究材料结构和器件。

尽管在受控条件下由原子和分子构建纳米结构是最有希望的方法，但是材料结构重组和尺寸缩减法仍将继续存在。

探索性的研究包括量子操纵和原子控制手段，等级结构材料的计算机设计、人造结构分子，有机与无机纳米结构的结合、生物拟态、纳米级机器人学、生物结构对信息的编码与应用、DNA计算、相互作用的组织以及化学与生物试剂探测器日本的一些纳米结构产品已具有相当的市场影响。

日本一公司每年生产的电子学、光学和艺术用的纳米粒子的销售额超过400万美元。

自80年代中期以来，纳米科学和纳米技术在中国越来越受到重视。

有实力的领域是纳米探针和运用纳米管的生产工艺的开发。

德国联邦教研部为纳米技术提供强大的国家支持。

从1998年开始在德国兴建5个具竞争力的纳米技术中心，研究课题范围很广，涉及从分子结构到超精密生产各个方面。

法国国家科研中心(CNRS)在约40个物理实验室和20个化学实验室中开展了纳米粒子和纳米结构材料研究计划。

合成方法包括分子柬和分子簇沉积、蚀刻、电化学、软化学和生物合成等。

我国在复合纳米材料研究领域获得新进展：复合结构纳米材料是指由两种或两种以上物理化!学性质截然不同的组分构成的纳米颗粒体系，各成分间具有相互接触的界面。

由于复合材料在纳米体系中集成了性能差异明显的不同组分，并且在纳米尺度上各组分之间产生强相互耦合作用，因此复合结构纳米材料不仅具有明显增强的本征性能，而且还表现出许多新奇特性，突破了单一组分材料性能的局限，在新功能材料的研发、新能源的有效利用、环境保护与污染处理、生化医药等重要领域均表现山优异的应用前景。

在设计上述复合材料时，选择具有强物理和化学耦合特性的金属和半导体物质组分，可以赋予复合材料独特的催化性
能。

在中国科学院过程二[：程研究所和新加坡生物工程与纳米技术研究院支持下，杨军研究员发展了一种制备二元和多元硫化银一贵金属复合结构纳米材料的方法。

该方法起于在水相中成功合成单一分散的硫化银纳米颗粒，气复杂的单斜晶体结构为贵金属沉积提供了合适的晶面。

通过在硫化银纳米颗粒存在的情况下对贵金属离子进行还原，可以成功地将Au，Pt，Pd，Ru，Rh，0s，Ir等贵金属沉积在硫化银纳米颗粒表面，沉积模式随不同的金属类型变化。

多元复合结构纳米材料可以通过连续沉积不同金属的方法完成，从而将多种金属集成在一个微小的纳米体系内。

由于沉积的金属颗粒微细的性质和复合材料中不同组分问的电子耦合效应，含Pt的复合材料体系对直接甲醇燃料电池中的甲醇氧化反应展示了优良的催化活性。

5、结束语
纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。

2l世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“2l世纪最重要、最前沿的科学”。

纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

纳米材料现已广泛应用于宇航、国防工业、计算机工程、环保、化工、建材、医药、生物工程和核工业等方面。

它不仅在高科技领域有着不可替代的作用，同时也给传统产业带来生机和活力。

发展纳米科技存在科学理论、科学方法、科技创新和高风险等难点。

以国家目标为导向，纳米器件的研制和集成是纳米科技的核心，纳米材料的制备和研究是工作的重点，“由上而下的方法”(top down)还将是目前主要的研究方法，用体制创新推动技术创新，使纳米科技的产业化得到健康的发展。

相信通过中国科技人员创造性的工作，我国一定会在已揭开战幕的纳米科技全球竞争中赢得令人瞩目的地位。

参考文献：
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