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1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。
这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的。
纵观21世纪纳米科技的研究与发展，在纳米材料、纳米装置、纳米区域的探测与研究等方面都有较大的突破和发展。
各国对纳米材料研究的经费投入也逐年增长，我国也努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。
4纳米材料的分类
纳米材料大致可分为纳米微粒、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体等四类。
其中纳米微粒开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。
[2]
纳米微粒：
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。
可用于：
高密度磁记录材料；
吸波隐身材料；
磁流体材料；
防辐射材料；
单晶硅和精密光学器件抛光材料；
微芯片导热基片与布线材料；
微电子封装材料；
光电子材料；
先进的电池电极材料；
太阳能电池材料；
高效催化剂；
高效助燃剂；
敏感元件；
高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；
人体修复材料；
抗癌制剂等。
纳米纤维：
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。
微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；
新型激光或发光二极管材料等。
纳米薄膜：
纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。
颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。
致密膜指膜层致密，但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。
气体催化（如汽车尾气处理）材料；
过滤器材料；
光敏材料；
平面显示器材料；
超导材料等。
纳米块体：
是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。
主要用途为：
超高强度材料；
智能金属材料等。
5纳米材料的奇异特性[3]
（1）表面与界面效应
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；
粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。
主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。
再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。
如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。
（2）小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。
例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；
绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。
再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金刚石制品还要坚硬。
利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
（3）量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。
当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。
例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。
[4]
（4）宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。
[5]
6纳米材料的制备
纳米材料的形态和状态取决于纳米材料的制备方法，所以纳米材料的制备技术一直是纳米科学领域的一个重要研究课题。
一般来说，纳米材料的制备方法可以分为：
化学法、物理法和综合法。
[6]
（1）化学法：
采用化学合成的方法。
1水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；
2水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等
（2）物理法：
最早采用的纳米制备方法。
例如，球磨法、电弧法、惰性气体下蒸发凝聚法。
就惰性气体蒸发法而言，通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结。
国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料，包括金属和合金，陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。
我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。
（3）综合方法。
结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。
其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。
[7]
7纳米材料的应用
1天然纳米材料
海龟在美国佛罗里达州的海边产卵，但出生后的幼小海龟为了寻找食物，却要游到英国附近的海域，才能得以生存和长大。
最后，长大的海龟还要再回到佛罗里达州的海边产卵。
如此来回约需5～6年，为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？
它们依靠的是头部内的纳米磁性材料，为它们准确无误地导航。
生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
[8]
2纳米磁性材料
在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。
纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。
超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。
[9]
3纳米陶瓷材料
传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。
纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。
如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。
[10]
④纳米传感器
纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。
因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。
⑤纳米倾斜功能材料
在航天用的氢氧发动机中，燃烧室的内表面需要耐高温，其外表面要与冷却剂接触。
因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用导热性良好的金属制作。
但块状陶瓷和金属很难结合在一起。
如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。
当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。
⑥纳米半导体材料
将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料，具有许多优异性能。
例如，纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率降低，电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。
这些特性在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用。
利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。
由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。
⑦纳米催化材料
纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。
镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。
纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温。
⑧医疗上的应用
血液中红血球的大小为2000nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。
如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。
[11]
⑨纳米计算机
世界上第一台电子计算机诞生于1945年，它是由美国的大学和陆军部共同研制成功的，一共用了18000个电子管，总重量30t，占地面积约170m，可以算得上一个庞然大物了，可是，它在1s内只能完成5000次运算。
经过了半个世纪，由于集成电路技术、微电子学、信息存储技术、计算机语言和编程技术的发展，使计算机技术有了飞速的发展。
今天的计算机小巧玲珑，可以摆在一张电脑桌上，它的重量只有老祖宗的万分之一，但运算速度却远远超过了第一代电子计算机。
如果采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，那么这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。
⑩纳米碳管
1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。
这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。
它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。
在空气中将纳米碳管加热到700℃左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。
然后用电子束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。
由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。
因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。
[12]
纳米材料的在生产实际中的主要用途：
医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。
纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。
使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
[13]
家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。
计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。
环境保护环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。
这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
军事上，纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。
纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。
目前研制的主要有：
1.微型间谍飞行器。
只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。
进行侦察、收集情报信息，起一种潜伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。
2.袖珍遥控飞机。
是一种不足扑克牌大小的遥控飞行装置。
机上装有超灵敏感应器，这种传感器不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。
它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地。
3.“间谍草”。
实际上是一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。
4.纳米卫星。
利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核心片作为星载设置，可使卫星的体积和重量大为减小。
重量小于100克。
纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。
这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。
5.高性能敌我识别器。
6.有毒化学战剂报警传感器。
纳米攻击系统。
这是运用纳米技术制造的微型智能攻击武器。
有所谓微机器人电子失能系统、昆虫平台、“蚂蚁雄兵”、“机器虫”，“蚊子”导弹、“针尖”炸弹（其大小只有针尖的1/5000）。
8纳米产业的趋势
当前纳米材料的研究趋势是由随机合成过渡到可控合成；
由纳米单元的制备，通过集成和组装制备具有纳米结构的宏观实用材料与元器件；
由性能的随机探索发展到按照应用的需要制备具有特殊性能的纳米材料。
纳米材料的未来发展趋势将集中于以下几个方面。
（1）信息产业的纳米技术：
信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。
纳米技术在信息产业应用主要表现在3个方面：
①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。
因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件。
②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器。
③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面。
[14]
（2）环境产业的纳米技术：
纳米技术对空气20纳米以及水的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。
要净化环境，必须用纳米技术。
我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气的大于10ppm的有害气体降低到0.1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；
利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。
近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；
采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；
治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。
（3）能源环保的纳米技术：
合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。
在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。
另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。
在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。
现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。
[15]
（4）纳米生物医药：
目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。
纳米生物医药就是从动植物提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效。
在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。
对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。
[16]
（5）纳米新材料：
虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。
据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少CO2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。
此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。
（6）纳米技术对传统产业改造：
当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。
首先是家电、轻工、电子行业。
纳米冰箱，可折叠的PVC磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；
[17]其次是纺织。
人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，国纺织要在进入WTO后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。
保温被、保温衣应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；
第三是电力工业。
利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；
第四是建材工业的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。
[18]
9综合结论
总体来说，纳米材料的研究目前还有很多基础问题需要解决，纳米材料研究的道路漫长且艰巨。
同时，纳米材料有着诱人的应用前景。
在今后的发展过程中，必将发挥其巨大作用，促进科学发展，推动社会进步。
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