纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位.docx

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纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位

纳米材料研究的新进展及在21世纪的战略地位

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进展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、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愈来愈小；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愈来愈高。

新材料的创新，和在此基础上诱发的新技术。

新产品的创新是以后10年对社会进展、经济振兴、国力增强最有阻碍力的战略研究领域，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现今新材料研究领域中最富有活力、对以后经济和社会进展有着十分重要阻碍的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部份。

最近几年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成绩。

例如，存储密度达到每平方某时400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、本钱低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价钱低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的庞大潜力。

正像美国科学家估量的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质极可能给予各个领域带来一场革命”。

纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机缘。

研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们熟悉自然的新层次，是知识创新的源泉。

由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特点长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而致使纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探讨自然、制造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。

在纳米领域发觉新现象，熟悉新规律，提出新概念，成立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰硕纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。

世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。

纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了现今纳米材料研究新热点，人们能够有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。

利用新物性、新原理、新方式设计纳米结构原理性器件和纳米复合传统材料改性正孕育着新的冲破。

1研究形状和趋势

纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术极可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的进展。

世纪之交世界先进国家都从以后进展战略高度从头布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。

纳米材料诞生州连年来所取得的成绩及对各个领域的阻碍和渗透一直引人注目。

进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域慢慢拓宽。

一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室功效的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。

美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米Cu的决体材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7urn的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引发人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望，纳米金属间化合物FqsAJZCr室功效的转化，到目前为止，已形成了具有自主知识产权的几家纳米粉体产业，睦次鹦米氧化硅。

氧化钛、氮化硅核区个文的易实他借个缈阳放宽在纳米添加功能陶瓷和结构陶瓷改性方面也取得了专门好的成效。

依照纳米材料进展趋势和它在对世纪高技术进展所占有的重腹地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究计划。

美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA（国家先进技术研究部）的几个打算里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近匕年来制定了各类打算用于纳米科技的研究，例如Ogala打算、ERATO打算和量子功能器件的大体原理和器件利用的研究打算，1997年，纳米科技投资1．28亿美元；德国科研技术部帮忙联邦政府制定了1995年到2020年15年进展纳米科技的打算；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1．2亿美元。

据1999年7月8日《自然》最新报导，纳米材料应用潜力引发美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，尔后3年经费资助从2．5亿美元增

加至5亿美元。

这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时刻内维持继续进展的势头。

2国际动态和进展战略

1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息题为“美国政府打算加大投资支持纳米技术的兴起”。

在这篇文章里，报导了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从2．5亿美元增加到5亿美元。

克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。

为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急方法，把原1．97亿美元的资助强度提高到2．5亿美元。

《美国商业周刊》8月19日报导，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在把握21世纪可能取得重要冲破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球取得能源）。

美国白宫之因此在20世纪即将终止的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其缘故有两个方面：

一是德科学技术部1996年对2020年纳米技术的市场做了预测，估量能达到14400亿美元，美国试图在如此一个诱人的市场中占有相当大的份额。

美国基础研究的负责人威廉姆斯说：

纳米技术本来的应用远远超过运算机工业。

美国白宫战略计划办公室还以为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部份。

在《自然》的报导中还专门提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。

1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林

斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10－”bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，估量2005年市场为400亿美元。

1988年法国人第一发觉了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁经历和运算机读写磁头将有重要的应用前景。

最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，估量将给彩色印橡带来革命性的变革。

纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面极可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在以后市场上占有重要的份额。

纳米材料在医药方面的应用研究也令人注视，正是这些研究使美国白宫熟悉到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。

缘故之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发觉和新理论的成立给基础科学提供了新的机缘，美国打算在那个领域的基础研究独占“老大”的地位。

面对这种挑战的形势，中国在那个领域的研究能不能继续维持第二阶梯的前列位置，能不能在下世纪前周年，在纳米材料和技术的市场中占有必然比例的份额，这是值得咱们沉思的重要问题。

中国科学院在我国纳米材料研究占有极为重要的地位，在纳米粉体的合成、纳米金属和纳米陶瓷体材料的制备、纳米碳管定向生长和超长纳米碳管的合成、纳米同轴电缆的制备和合成、有序阵列纳米体系的设计和合成、新合成方式的创新等在国内外都做了有阻碍的工作。

在《自然》上发表论文1篇，《科学》上发表论文4篇，阻碍因子在3以上的论文6篇，申请发明专利28项，已获发明专利7项，有5项专利取得实施，扶植了国内一些纳米产业，这些都为进一步工作奠定了基础。

为了使中国科学院活着纪之交乃至下一世纪在纳米材料和技术研究在国际上占有一席之地，在国际市场上占有一份额，之前瞻性、战略性、基础性来考虑应该成立中国科学院纳米材料和技术研究中心，建议北方成立一个以物质科学中心为基础的研究中心（包括金属研究所），在南方成立一个以合肥地域中国科学院固体物理所和中国科技大学为基础的研究中心，要紧任务是以基础研究为主，做好基础研究与应用研究的衔接和功效的转化。

在富有挑战的对世纪，世界各国都对富有战略意义的纳米科技领域予以足够的重视，专门是发达国家都从战略的高度部署纳米材料和纳米科技的研究，目的是提高在以后10年乃至20年在国际中的竞争地位。

从各国对纳米材料和纳米科技的部署来看，进展纳米材料和纳米科技的战略是：

（）以以后的经济振兴和国家实力的需求为目标，牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究；

（2）组织多学科的科技人员交叉创新，做到基础研究、应用研究并举，纳米科学、纳米技术并举，重视基础研究和应用研究的衔接，重视技术集成；（3）重视进展纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式的进展。

3国内研究进展

我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。

国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委别离组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员别离在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。

1996年以后，纳米材料的应用研究显现了可喜的苗头，地址政府和部份企业家的介人，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。

目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：

中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。

中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学烹北大学、西安交通大学、天津大学。

青岛化工学院、华东师范大学＼华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学

研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也接踵开展了纳米材料的基础研究和应用研究。

我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人注视的重要研究功效。

已采纳了多种物理、化学方式制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，成立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。

在纳米材料的表征、团聚体的起因和排除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等方方面面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；活着界上第一次发觉纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区显现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的功效；在国际上第一次发觉纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属Gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达92％，在红外保暖纤维取得了应用；进展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方式；发觉全致密纳米合金中的反常Hall－Petch效应。

最近几年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世注视的重大功效，引发了国际上的关注。

一是大面积定向碳管阵列合成：

利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径大体一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到3mmX3mm。

其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。

这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。

这方面的文章发表在1996