纳米科学与纳米技术（湖南大学教案）

纳米科学与纳米技术纳米科学和纳米技术的对象就是在纳米尺度上的物质世界。纳米科学和纳米技术在21世纪将改变几乎每一件人造物体的特性，材料性能的重大改善和制造模式的改变将引发一场工业革命。纳米技术将会发展到何种程度？纳米技术是否能变得经济实用？纳米技术如何让世界变得更加美好？(第一周——第十周教学内容)提示：从第十一周起有作业，附在每周教学内容后。第一章纳米科技1.1纳米的概念纳米(nm)是长度的单位：1nm=10'9m。单位缩写或符号对主单位的比米m主单位分米dm1/10厘米cm1/100毫米mm1/1000丝米dmm1/10000忽米cmm1/100000微米1/1000000纳米nm或mp1/1000000000埃A1/10000000000长度单位表1.1纳米科学与纳米技术的尺度范围是l-100nm。小于一个纳米个别原子的直径只小于一个纳米个别原子的直径只有几分之一纳米一个纳米10个氢原子并列跨度只有1纳米几千个纳米血红细胞的直胫大约为几千纳米几百万个纳米拇指上的黑点直径为几百万纳米表1.2 与生物工程有关的微观物质结构的尺度名称尺度数量级名称尺度数量级人体感觉细胞50—100/im细菌1pm人卵细胞100pm病毒数百nm大多数植物细胞25—50Am蛋白质分子数十nm人体红细胞27pmDNA分子20nm（螺距3.4nm）人体红血球（最小）5Ptm'分子、原子nm级或A级纳米微粒的基本特性介观体系量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时.，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为是量子尺寸效应。小尺寸效应当微粒尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透深度等物理特征尺寸相当或更小时丁晶体周期性的边

界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。表面和界面效应表 纳米微粒尺寸与表面原子数的关系纳米微粒尺寸(nm)包含总原子数表面原子所占比例(％)103x1。2044xItf4022.5xItf8013099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。近年来，人们发现一些宏观量子如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。纳米微粒的物理与化学特性⑴热学特性工//找5003000 5工//找5003000 5 10 15 20粒径/nm金纳米微粒的粒径与熔点的关系⑵表面活性球型模型：P=S/V=3/r⑶催化活性⑷烧结特性烧结速度；烧结温度400 200 400 600 800400 200 400 600 800 10001200温度/匕O10决、制加及奖图超高压成型和通常冷等好压成型所得Zr。素坯的烧结曲线⑸力学性质硬度；强度；超朔性64208641-111ooO0064208641-111ooO00

200电解沉积纳米Cu样品，退火态粗Cu样品~EE•fvHM最IK弟100nm25nmllnm6nm80050.000.00~EE•fvHM最IK弟100nm25nmllnm6nm80050.000.00100 1000 10000 1000000.1 0.2 0.3 0.4d-b/nm-'"图电沉积纳米晶Ni的硬度与d"的关系⑹电学性质导电性；介电性质150.00100.00频率/Hz不同粒径纳米a-AI2O3块体和粗晶试样室温介电常数频率谱O—27nm X—84nm ▲-258nm ♦—5p.m

⑺磁学性质铁磁性；顺磁性；巨磁阻（GMR）效应006ooQ0082841E.ok*>0-X)出4011铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径和温度关系20304011铁纳米微粒矫顽力与颗粒粒径和温度关系20300 20 40 60 80 100履粒体枳分数/%图1-12Co-Ag,Fe-Ag等颗粒膜的巨磁电阻效应

与Co.Fe微粒的体积分数的关系⑻光学性质发光；吸波；蓝移图1-13不同颗粒纳米Si在室温下的发光（粒径4<&<⑼其它性质1.3纳米科技的研究领域纳米材料材料是人类赖以生存和发展的物质基础。材料成为人类文明发达程度的一个重要标志。金属材料、无机非金属材料（包括陶瓷、玻璃、水泥、人工晶体等）和有机高分子材料是材料的三大分支。材料又可分为结构材料和功能材料，前者以力学性能（如强度、韧性等）为主，后者以物理、化学特性（如电、磁、光、热等）为主。纳米材料是指材料的特征尺寸均小于lOOnm（微粒尺寸、晶粒尺寸。晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等），并且具有某些特殊性能的材料。纳米材料的主要类型有：纳米粉末、纳米涂层、纳米薄膜、纳米丝、纳米棒、纳米管和纳米固体。对于纳米材料的研究包括两个方面：①系统地研究纳米材料的性能、微结构和谱学特征，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论。②发展新型纳米材料。21世纪材料科学技术的发展重点将向具有功能化、智能化、复合化、微型化及与环境协调化等特征的方向发展。最活跃的材料领域将是信息功能材料、纳米材料、生物材料、新能源（如太阳能等）及节能（如超导、燃料电池等）材料以及高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨、耐蚀和其他在极端条件下具有优良性能的结构材料。纳米金属材料；纳米陶瓷材料；高分子材料（纳米）自然界的纳米材料：如蜜蜂的腹部存在纳米磁性微粒，这种磁性微粒具有指南针的作用；人体和兽类的牙齿是由羟基磷灰石组成的，它具有纳米结构，晶界有接近生物体的薄层，因而具有较好的韧性。新领域——仿生合成。纳米器件纳米科技的最终目标是以原子、分子为起点，从纳米材料出发或者利用纳米加工技术，制造出具有特殊功能的产品，即纳米器件。在纳米尺度下，会出现种种新现象和新效应，如量子效应。利用量子效应而工作的器件称为量子器件，如共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比，量子器件具有高速（速度可提高1000倍）、低耗（能耗降为千分之一）、高效、高集成度、经济可靠等优点。通过对纳米生物学的研究，在纳米尺度上制造生物分子器件。目前，科学家在纳米生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面都做了重要的尝试。未来所有的纳米电子器件都将具有更小、更快、更冷的特点。“更小”是指器件和电路的尺寸更小，对集成电路来说就是集成度更高。“更快”是指响应速度更快。“更冷”是指单个器件的功率更小，否则很多器件堆积在一起时，既耗能源，又造成升温。但是，“更小”并没有限度。以硅集成电路而言，目前国际上做出的最小线宽是130nm（据报道，最近已在实验室做到lOOnm的精度）。如果线宽小于lOOurn,则量子效应就要出来，常用的电路设计方法就不再适用，常用技术也可能很快达到它们的极限，因此需要迅速更新。可能的早期突破是在超高密度存储器（如量子磁盘）。超灵敏传感器、医疗诊断用元件、数码信息的高速输入和输出、平板显示器用的微小电子源阵列等方面。中期目标则是10葭位存储器及10“次人运算器；共振隧道器件等。第二章纳米科技发展史20世纪80年代末、90年代初纳米科技正式诞生最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德・费曼。早在1955年，他在题为《在底部还有大量余地》的演讲中，就提出了这样一种设想：人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子线度，即逐级地缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。1959年，他在美国物理学会的年会上又做了一个富有远见性的报告，并作了很多美妙的设想。1960年的《科学与工程》杂志上发表了这篇预言性的文章。在这篇报告中他设想了在原子和分子水平上操纵和控制物质，其中包括以下几点：1、如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么小的地方。2、计算机微型化。3、重新排列原子。他提醒人类，如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子，世界将会发生什么样的奇迹？4、微观世界里的原子。在这种尺度上的原子和在体块材料中原子的行为表现不同。1962年，久保(Kubo)等人提出了超微粒子的量子限制理论(或叫量子限域理论)，推动了向纳米尺度的微粒进行探索。1974年，坦尼盖茨(Taniguchi)最早使用纳米技术(nanotechnology)一词描述精细机械加工。用这一个新词来强调当时的微米科技已不足以满足工业界的要求，需要有新的技术和新的精度标准。1977年，美国麻省理工学院德雷克斯勒教授提出，可以从模拟活细胞中的生物分子的人工类似物——分子装置开始研究，并称之为纳米科技。70年代末，德雷克斯勒访问了斯坦福大学，并成立了由他领导的纳米科技研究组。他在《纳米科技新纪元》一书中评价道：纳米科技给人类带来的变化将会像产业革命、抗菌素以及核武器给人类带来的变化那样深远。20世纪80年代初，由于发明了扫描隧道显微镜（STM）,原子力显微镜（AFM）等微观表征和操纵技术，对一些纳米微粒的结构、形态和特性进行了比较系统的研究，并在用量子尺寸效应解释超微粒子的某些特性时获得成功。1984年，德国萨尔大学Gleiter等人首次采用惰性气体蒸发冷凝法制备了具有清洁表面的纳米Fe、Cu、Pd等金属粉末，然后在真空室中原位加压制得纳米固体。随后又发现纳米TIO2陶瓷在室温下呈现良好的韧性，使人们看到了改善陶瓷脆性的希望。1985年，Kroto等人采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成C60,于是在全世界兴起了C60的研究热潮。1988年，法国在纳米Fe/Cr多层膜中发现巨磁电阻效应，引起了全世界的普遍关注。1990年，美国贝尔实验室推出惊世之作 个跳蚤般大小相“五脏俱全”的纳米机器人。1990年7月，在美国巴尔的摩同时举办了第1届国际纳米科学技术会议和第5届国际扫描隧道显微学术会议,标志着纳米科技的正式诞生，正式提出了纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版《纳米技术》、《纳米结构材料》和《纳米生物学》三种国际性专业期刊。从此，一门崭新的具有潜在应用前景的科学技术一一纳米科技得到了全世界科技界的密切关注。诺贝尔物理奖获得者、美国哥伦比亚大学的斯托默（Stormer）说：“纳米技术给了我们工具来摆弄自然界的极端•~•原子和分子。万物都由它而制成……创造新事物的可能性看来是无穷无尽的。”诺贝尔化学奖获得者、美国康奈尔大学的霍夫曼（Hoffman）说：“纳米技术是一种天才的方法，能够对各种大小、性质错综复杂的结构进行控制。这是未来的方法，精确而且对环境保护十分有利。”一时间，“纳米热”遍及全球，纳米科技成为世界各国竞相投巨资，加紧攻关的一项热门技术。从纳米科技诞生之日起，纳米科技就已经取得了很多新的研究成果。其显著特点是，基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们的预料。1989年，美国斯坦福大学搬动原子团写下了“斯坦福大学”的英文名字。1990年，美国国际商用机器公司在银表面用36个赦原子排出“IBM”字样。1991年，日本首次发现纳米碳管，它的质量是相同体积钢的1/6,而强度却是钢的10倍，于是，纳米碳管立刻成为纳米热点。1992年，日本着手研制能进入人体血管进行手术的微型机器人，从而引发一场医学革命。1993年，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子写出“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。1994年，美国着手研制“麻雀”卫星、“蚊子”导弹、“苍蝇’飞机、“蚂蚁”士兵等。1995年，科学家研究并证实了纳米碳管优良的场发射性能。1996年，我国实现纳米碳管大面积定向生长。1997年，法国全国科学研究中心和美国IBM公司共同研制成功第一个分子级放大器，其活性部分是一个直径只有0.7nm的碳分子，因而把电子元件微型化的系数扩大了1万倍，标志着纳米技术开始进入实用阶段。1998年，被誉为“稻草变黄金”的纳米金刚石粉在我国研制成功。同年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学成功地制备出量子磁盘。这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，美国商家已组织有关人员将这项技术迅速转化为产品，预计2005年市场销售额可达400亿美元。1999年，韩国制成纳米碳管阴极彩色显示器样管。1999年7月，美国加利福尼亚大学与惠普公司合作研制成功100nm芯片。2000年，日本制成纳米碳管场发射器样管；美国研制出量子计算机和生物计算机；美国柯达公司成功地研制了一种既具有颜料，又具有染料功能的新型纳米粉体，预计将对彩色印像业带来革命性的变革……21世纪各国加紧攻关美国1991年，美国正式把纳米技术列入“国家关键技术”和“2005年的战略技术”,并指出：“微米级和纳米级制造涉及微米和纳米材料、器件的制造和使用，对先进的纳米技术的研究可能导致纳米机械装置和传感器的产生……纳米技术的发展可能使许多领域产生突破性进展。“1996年，以美国国家科学基金会为首的十几个政府部门联合出资，委托世界技术评估中心对“纳米结构的科学和技术”的研究开发现状和发展趋势进行调研。为此，该中心成立了一个8人小组，自1996〜1998年调查研究了3年。除了在美国国内调查之外，该专家组还走访了西欧、日本和我国台湾的42所大学、工业公司和国家实验室。专家们得到了两个重要发现：一是我们通过将材料制成纳米结构，可以得到全新的性能；二是纳米科技涉及的学科范围极广，许多新的发现都是在各学科的交叉点上。该小组的调查结果还发现两个引起美国重视的问题：一是在纳米技术研究经费方面政府的投入，1997年财政投入就接近5亿美元，其中西欧1.28亿美元，日本为1.2亿美元，美国为1.16亿美元，而其他各国和地区总计才0.7亿美元，即美国在这方面的投资落后于西欧和日本；二是美、日、欧在纳米科技方面的实力竞争中，美国仅在合成、化学制品和生物学方面领先，而在纳米器件、纳米仪器设备、超精密工程、陶瓷和其他结构材料方面相对落后，日本在纳米器件和强化纳米结构方面有优势，欧洲在分散物、涂层和新仪器方面较强，日本、德国、英国、瑞典、瑞士等正在纳米技术的一些特定领域建立了优秀的纳米科技中心。1998年4月，美国总统科技顾问莱恩(Lane)说：“如果我被问及明日最能产生突破的一个科技领域，我将指出这是纳米科学和技术。”1999年1月，美国国家科学基金会发表了一个声明，指出：''当我们进入21世纪的时候，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人工合成聚合物那样。”“纳米科技将与信息技术和生物技术一样，对21世纪经济。国防和社会产生重大影响，并可能引导下一场工业革命。”“70年代重视微米技术的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪的先进国家。”“纳米科技未来的应用将远远超过计算机工业。”“纳米科技将对人类产生深远的影响，甚至改变人们的传统思维方式和生活方式。”美国《商业周刊》将纳米科技列为21世纪可能取得重要突破的3个领域之一（其他两个为生命科学和生物技术，从外星获得能源）。鉴于纳米科技的重要性，为了确保21世纪前半个世纪美国在经济方面的领导地位和国家的安全，美国政府认为是行动的时候了。然后，美国国家科技委员会在上述调研的基础上，拟定了“国家纳米技术计划（NNI）”。美国国家纳米技术计划（NN）的“能源”项目中列出了8项优先研究项目，其中6项是关于纳米材料的，它们是：（1）太阳能转变成电能的创新方法；（2）经改进的烂类能量转换成热能的催化剂；（3）利用多种材料做燃料、有商业价值的燃料电池实现的催化剂和膜；（4）用于热电、磁致冷和其高效能量转换技术的纳米材料；（5）可降低材料破坏速率和摩擦磨损的改进型材料和涂层；（6）用于长寿命核反应堆更耐辐照的纳米结构材料。2001年1月，美国总统克林顿在加州理工学院正式宣布了美国的国家纳米技术倡议(NNI),并在2001年财政年度增加科技支出26亿美元，其中近5亿美元用于发展纳米技术。克林顿说：“我的预算支持一个比较重要的、新的国家纳米技术倡议，即在原子和分子水平上操纵物质的能力，价值为5亿美元。试设想一下这些可能：材料将10倍于钢的强度而重量只有其几分之一；国会图书馆内所有信息可以压缩在一块0.3m大的硅片上；当癌病变只有几个细胞那样大小时就可以探测到。我们的某些目标可能需要20年或更长的时间才能达到，但这恰恰是为什么联邦政府要在此起重要作用的原因。”对于纳米技术的前途和地位问题，美国政府的结论是:众所周知,集成电路的发明创造了“硅时代”和“信息时代”，而纳米技术在总体上对社会的冲击将远远比集成电路大得多，它不仅应用在电子学方面，还可以用到其他很多方面。有效的产品性能改进和制造业方面的发展，将在对世纪引起许多领域的产业革命。因此，应把纳米科技放在科学技术的最优先地位。据说，克林顿宣布的美国国家纳米技术倡议书中原来还有一个副标题：“领导下一次工业革命工这就是美国真正的动机、目标和野心一一试图像微电子那样也在纳米科技这一领域独占老大地位。为此，美国还成立了一个纳米科学技术工程协作小组(IWGN),该小组由物理学家、化学家、生物学家和工程师组成并准备成立10个纳米中心，目标是尽快将纳米技术这一可行性变成现实。

美国2000~2001年联邦政府机构的纳米研究开发经费分配政府机构2000财年（百万美元）2001财年（百万美元）增长率/%国家科学基金会97217124国防部7011057能源部589666航空航天局420400商务部818125国家卫生研究院323613总计27049784美国按研究项目分配的纳米研究开发经费项目经费（亿美元）占总经费的比例/%基础研究1.9539.2重大挑战项目1.1022.1杰出中心和研究网络0.7715.5基础研究设施0.8717.5伦理、法律、社会影响及教育培训0.285.6总计4.95100日本日本早在20世纪80年代初就斥巨资资助纳米技术研究。从1991年起又实施一项为期10年、耗资2.25亿美元的纳米技术研究开发计划。日本制定的关于先进技术开发研究规划中有12个项目与纳米技术有关。在对世纪刚刚到来的时候，鉴于美国政府把纳米科技列为国家技术发展战略目标，日本政府不会忘记20世纪美国在信息高速公路发展中所表现出的战略眼光，这一历史教训迫使政府把纳米技术作为今后日本科研的新重点，投入研究开发经费约3.1亿美元，并设立了专门的纳米材料研究中心，力争在这一高新技术领域中不落后于美国。日本决定从2001年起开始实行“官产学'联合攻关的方法加速开发这一高新技术。在未来5年科技基本计划中，把以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通讯、环境保护并列为4大重点发展领域。研究重点是纳米级材料的制造技术和功能，通讯用高速度、高密度的电子元件和光存储器等。日本的目的是组建“世界材料中心”，以提高其材料技术的国际竞争力，主要开展无机材料特别是陶瓷材料技术的研究和开发一"因为纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。”欧洲德国在1993年就提出了今后10年重点发展的9个关键技术领域，其中4个领域就涉及纳米技术。最近，德国以汉堡大学和美因茨大学为纳米技术研究中心，政府每年出资6500万美元支持微型技术的研究和开发。德国还拟建立或改组6个政府与企业联合的研发中心，并启动国家级的纳米技术研究计划。已取得的重大成果有纳米秤、原子激光束等。英国也制定了纳米技术研究计划，在机械、光学、电子学等领域选了8个项目进行研究。法国最近决定投资8亿法郎建立一个占地8公顷、建筑面积为6万n?,拥有3500人的微米/纳米技术发展中心，配备最先进的仪器和超净室，并成立微米、纳米技术之家。欧盟从1998年开始正式执行第5个框架计划，材料技术仍然是其中主要的领域之一，总投入约5.4亿欧元。提出了用纳米技术改变材料的生产工艺，提高材料和产品的性能，扩大其应用领域。到目前为止，欧洲已有50所大学，100个国家级研究机构在开展纳米技术的研究。1999年美国对各国纳米技术的研究现状进行调查指出，当前美国在纳米材料合成、化学品和生物方面占优势，而在纳米器件、纳米仪器、超精度工程、陶瓷和其他结构材料方面略逊于欧洲。日本则在纳米器件和复合纳米结构方面有优势，而在分子电子学技术领域仅次于德国，在纳米测量技术、超薄膜等领域具有很强的优势。美国、日本、德国、英国、瑞典、瑞士等国家都已经建立了优秀的纳米技术研究中心。过去10年，西方发达国家纳米科技领域的投资以年均25%的速度增长，总投资达100亿美元。中国我国对纳米科技的重要性已有较高的认识，想方设法从经费上给予了一定的支持。从“八五”、“九五”开始就设立了“攀登计划”项目和相关的重点、重大项目。尽管如此，我国通过这些项目对纳米科技领域资助的总经费才约相当于700万美元，与发达国家相比，投入经费相差很大。我国拥有一支比较精干的纳米科技队伍，他们主要集中于中科院和国内一批知名高校。我国的研究力量主要是纳米材料的合成和制备、扫描探针显微学、分子电子学以及极少数纳米技术的应用等方面。特别是在纳米材料方面获得了重要的进展，并引起了国际上的关注。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，标志着我国进入国际纳米科技前沿。1998年，清华大学范守善小组在国际上首次制备出直径3—50nm、长度达微米级的发蓝光氮化锌（GaN）半导体的一维纳米棒。不久，中科院物理所解思深小组合成了目前世界上最长、直径最小的“超级纤维”纳米碳管。1999年，中科院金属所成会明制备了高质量的单壁纳米碳管，并测定了其储氢容量。2000年，中科院金属所卢柯在国际首次发现纳米晶体铜的室温延展超塑性，纳米晶体铜在室温下竟然可拉伸50倍而不断裂。1995年，德国科技部对各国在纳米技术方面的相对领先程度的分析中，认为我国的纳米材料方面与法国同列为第5等级，前4个等级依次为日本、德国、美国、英国和北欧。但由于科研条件的限制，我国的研究工作只能集中在一些硬件条件要求不太高的领域，属世界首创的、具有独立知识产权的成果还很少。在纳米产业方面，国内外都还处于起步阶段。我国已经建立10多条纳米材料生产线，涉及纳米科技的企业达到102家。我国在纳米科技领域的总体上与发达国家仍然存在很大差距——尤其是在纳米器件研制方面，这将对我国未来纳米产业参与世界竞争极为不利。抓住机遇，迎头赶上，才能使我国在国际纳米科技领域的竞争中占有一席之地。第三章为什么纳米科技受到特别重视3.1重要意义.纳米科技将促使人类认知的革命.纳米科技是人类实现可持续发展的保证.纳米科技将引发一场新的工业革命纳米科技是未来信息技术和生物技术等各种学科深入发展的一个重要基础。它本身又可以形成一个很大的新兴产业。纳米科技的一个主要推动力来自于信息产业。如果半导体器件的尺寸能做到lOOnm以下，则纳米技术下的计算机运算和存储能力将比目前技术下的计算机性能呈指数倍提高。美国和日本都已经研制成功单个电子晶体管，它可以控制单个电子的运动状态并完成特定功能；还可以使功耗降低到原先的1/lOOOo这种量子器件具有响应速度快、结构简单、可靠性强、成本低等优点。美国IBM公司于1991年制造出了一种急原子开关，开关速度居然达到了0.05ns（20亿分之一秒）。有专家预计，这一突破性的发明可能使美国国会图书馆的全部藏书存储在一个直径约0.3m的硅片上。生命科技和生物技术也面临着纳米科技影响下的变革。例如，分子机器人。可利用这种分子机器人在人体血液中循环，对身体各部位检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。又如将药物储存在纳米碳管中，随血液流动输送到人体的各个部位，并通过一定的机制激发药剂的释放，使定位病变治疗和可控药剂成为现实。在人工器官外表面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应。研究耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件。研制生物仿生化学药品和生物可降解材料，研制测定DNA用的基因芯片，对动植物进行基因改善和治疗等。纳米科技也促使传统产业技术升级和“旧貌换新颜”。这是目前出现纳米研究热的重要原因之一。纳米技术已经渗透到衣、食、住、行等传统产业中，如染料、涂料、食品、建材等。例如在化纤和纺织制品中加入TiO2、SiO2>AI2O3等纳米微粒，可以起到除味、杀菌。防静电、保暖等作用。无菌餐具、无菌玩具、自洁瓷砖、自洁玻璃、抗老化塑料、防紫外化妆品等新产品相继问世。把纳米AI2O3纳米微粒加入到金属或合金中，可以细化晶粒，大大改善力学性能；加入到橡胶中可提高橡胶的介电性和耐磨性；加入到透明的玻璃中，既不影响透明度，又提高了高温冲击韧性；加入到有机玻璃（PMMA）中，表现出良好的宽频带红外吸收性能。通过纳米技术的应用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000多次提高到10000多次，老化时间也延长了2倍多。利用纳米粉末，可以使废水彻底变成清水，在环保方面具有极为广阔的应用前景。3.2产业前景纳米材料的开发周期大大缩短。例如：纳米巨磁电阻材料是1988年法国人在纳米Fe/Cr多层膜中发现的，1991年美国IBM公司就用纳米巨磁电阻材料制作磁记录硬盘的读出磁头。1994年IBM公司又将读出磁头的磁盘记录密度提高了17倍，达56Gbit/id。1997年12月IBM公司正式推出了这一设计的商业化产品。最近，日本富士通公司开发了面记录密度达56Gbit/苏的硬盘，从而在与光盘的竞争中磁盘重新又处于领先地位。目前纳米材料的产业化现状是令人鼓舞的。市场上已有许多可供应用的纳米材料和纳米器件。它们是：胶体、乳胶体、纳米乳液、化妆品。紫外保护凝胶、润滑剂、磁性液体、磁性粒子、耐蚀涂层、分散物、药物控释系统、能量转移用的生物接受器、颜料等。由于纳米材料产业的美好前景，世界上许多著名企业纷纷进入这一领域。1998年之前，美国就有50多家公司参与研发和生产纳米材料，其中12家以上的公司达到了工业生产规模，如NanophaseTechlogyCo.o该公司的技术来自美国阿贡实验室。1996年末开始商业生产纳米材料，1997年9个月的销售额就达到224万美元。主要产品有：纳米Fe2O3＞纳米A12O3＞纳米ZnO、纳米Cr2O3＞纳米SnO2＞纳米ITO（氧化锢锡）、纳米CS2。、纳米PdO、纳米Ag、纳米BaTiO3等，用于磨料、催化剂、化妆品、染料、涂料、电子元器件、磁性液体、结构陶瓷、医用器械的部件等。据美国著名的BCC公司报道，1996年美国纳米材料的市场额为4230万美元，预测2001年将达到1.546亿美元，平均年增长率达到29.6%o据不完全统计，已经商品规模生产的纳米材料有：纳米金刚石、纳米磁性材料、纳米金属、纳米陶瓷、纳米复合材料、纳米半导体材料、纳米生物医学材料等。俄罗斯的纳米金刚石年产量已达2000万克拉。纳米巨磁电阻材料可使存储密度大幅度提高到56Gbit/in2,1998年计算机硬盘市场额达到340亿美元。现在沸石催化剂每年用于处理70亿桶以上的石油和化学品，其中以铝硅酸盐为基的新颖介孔材料MCM-41最引人注目，1999年世界催化剂市场超过ZI00亿美元。在纳米生物医学材料方面，目前已经商业化生产的一个例子是由Nexstar生产的微脂粒胶囊药品，1999年的销售额超过2000万美元。德国科学技术部曾经对2000年纳米技术市场进行预测。他们认为,到2000年纳米结构器件市场容量将达到6,357亿美元，纳米粉末、纳米复合陶瓷以及其他纳米复合材料的市场容量将达到5457亿美元，纳米加工技术市场容量将达到442亿美元，纳米材料的评价技术市场容量达到27.2亿美元。1996年，德国科学技术部又对2010年的纳米技术市场做了预测，估计2010年能达到14,400亿美元。目前全世界纳米技术的实际应用每年可创造500亿美元的营业额。1997年，德国研究技术部预测2000年纳米技术市场的情况表明微电子器件、微传感器、光学器件、精密喷嘴、精密滤器等将成为最主要的市场突破领域。实际上，利用纳米技术生产的计算机硬驱动器的关键部件——“读磁头”，已经实现年产值340亿美元。1997年德国对世界纳米技术市场的调查和预测（亿英磅）年份纳米结构器件薄膜超精密工程纳米计量纳米晶体1991434.857.832.63.90.31995869.680.460.95.20.520001395.7112.2113.07.00.7另外，有人预测具有小于1nm微孔的催化剂载体将形成一个每年超过300亿美元的产业。孔径10-100urn的纳米材料将在消除水和空气中的污染物方面具有十分广泛的应用前景。美国人指出，纳米粉末仍然是今后一段时间纳米技术市场的主流产品。德国人也预测，2001年世界纳米粉末市场将达到125亿美元,今后几年的年平均增长率将达15%-20%o2001年全世界对纳米粉末的需求量将达到3.2万t,主要应用领域是：机械(40.3%),热能(34.6%),电磁(12.9%),生物医学(8.9%),光学(2.4%),其他(0.9%)o2000年美国对纳米材料在美国总需求■的调查和预测纳米材料1996年/百万美元2001年/百万美元年平均增长率/%纳米粉末41.3148.629.2纳米涂层1.06.043.1总计42.3154.629.6日本人认为，纳米技术的中期应用主要是通过减小芯片尺寸来改进电子器件，设计新药，绿色污染过滤、制造超敏传感器等。而长期应用是“智能化”的模拟反应材料，以原子层次、纳米点和自组装的方式设计智能化材料。鉴于纳米科技对未来工业的革命性影响和对传统产业技术改造的广泛性，据预测，在未来20—30年纳米科技将形成一个巨大的产业市场。而由美国国家科学基金会(NSF)于1999年组织召开的由一流科学家和工程师组成的一个委员会会议对纳米科技进行评价的结果表明，在今后10—20年中在纳米尺度上的新发现有望带来革命性的商业应用。根据美国半导体工业协会（SIA）的预计，大约到2010年，半导体芯片可以达到100nm的精度，即人类离纳米结构器件相距不远了。在一份英国的专题调研报告中预测了一些纳米材料走入市场的时间表——耐腐蚀涂层：5—15年；既硬又韧的切削工具：5—15年；塑料电子学平面显示器：5—10年；有100nm特性的芯片：7年；长寿命的生物植入物：5—15年；纳米电子器件：10—20年；高密度记忆能力超快速计算机处理器：10—20年；在人体血液中清除脂肪堆积的纳米机器：至少25年。目前的市场规模看，还不能认为纳米材料已是一个新产业。但是在未来5〜10年内，纳米材料将成为富有生命力的新产业。我国已建成10多条纳米材料生产线，涉及纳米科技的企业已达100多家。纳米产业呈现出良好的发展前景。1998年，中国仅塑料抗菌剂产量为403销售额300万元；抗菌制品产值达到30亿元。1999年，抗菌剂产量猛增至1603销售额1200万元；抗菌制品产值达到100亿元。可见，我国的无机抗菌市场前景十分乐观。我国已经开发成功的纳米材料以纳米粉末为主，产品有纳米TiO2.纳米ZnO、纳米SiO2＞纳米Ai2O3、纳米CaCC）3、纳米Ti、纳米Cu、纳米SiC、纳米Si3N4＞纳米金刚石等。纳米科技的很多应用前景是以纳米材料为基础的。目前的研究开发方向主要是将纳米粉末掺到某种传统材料中去，或者将纳米粉末制成纳米团体，看看是否具有不同于常规材料的性能，然后将这种新材料推出去寻找应用领域。但是，目前的大多数科研成果从实验到产业化还不完全成熟，主要障碍是批量生产能力和产品成本等问题。近期纳米材料的潜在市场有以下几个方面。(1)纳米巨磁电阻材料。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型和廉价化，除可用于读出磁头外，还可应用于位移和角度等传感器、非接触开关、旋转编码器等。与光电等传感器相比，这种传感器具有功耗小、可靠性高、体积小、能工作于恶劣环境等优点。利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器(MRAM),其优点是无易失性，即在无电源的情况下可继续保留信息。1995年报道自旋阀型MRAM记忆单位的开关速度为亚纳米级,256Mbit的MRAM芯片也已经设计成功，成为可与半导体随机存储器(DRAM,SRAM)相竞争的新型内存储器。此外，正在研究利用自旋极化效应的自旋晶体管。(2)表面导电材料。新的海水淡化技术——FTC技术比现在流行的反向渗透技术至少节能9/10。而FTC技术的好坏取决于纳米材料。纳米碳管可制成比表面极高的导电电极，使电阻损失减小，从而使吸附Na+、C「带电离子的能力增大。(3)生物医学材料。在药物生产和控释系统方面，使用纳米技术将影响下一个10年世界3,800亿美元药物市场的一半。纳米材料在生物医学方面的潜在应用有：纳米尺度使低溶解度的物质也能作为药物，这将使可以用于医药品的化学物质数大约增加一倍；枝蔓状聚合物有一些特性如在水溶液中溶解度大、结构确定。单分散性高、系统毒性低，从而使它们能吸附称为纳米生物药品运载器的组分；用50-100nm的粒子对肿瘤进行攻击；在纳米粒子表面添加配位体作为靶受体，将识别被损坏的细胞组织，并附着于该细胞组织而释放治疗药物：改善较细粒子在细胞组织上的附着性，提高局部药品保持程度；纳米级标记将可在只有几个癌细胞存在的初期就检查出癌。第四章纳米科技的应用领域纳米科技横跨多个学科、涉及面十分广泛，包括物理、化学和生物学在内的所有与材料有关的工程领域。概念中的、正在开发的和己经商业化的纳米科技正在不断发展，对许多传统科技领域乃至整个社会都产生了巨大的影响，为人们展示了无限商机。目前，全世界纳米科技的应用每年可创造500亿美元的营业额。据预测，10年后的纳米科技市场容量可达14,400亿美元。材料与制造纳米科技正在从根本上改变今后材料和器件的制造与生产方式。应用纳米科技可以从原子和分子开始制造材料和产品/即从原子、分子出发，到纳米粉末纤维和其他小结构组件，再到材料和产品。这种从小到大的制造方式，需要的材料较少，消耗能源较少，造成的污染程度较低。在纳米尺度上，通过精确地控制尺寸和组成来合成纳米结构单元，然后再将它们组合成具有独特性能和功能的较大结构，制备更轻、更强和可设计的材料，同时具有长寿命和低维修费用的特点;以新原理和新结构在纳米层次上构筑特定性质的材料或自然界不存在的材料——生物材料和仿生材料;实现材料破坏过程中纳米级损伤的诊断和修复……这些能力将使未来材料制造业发生革命性的变化。科学家们期望能够在材料中加进复杂的像生命一样的功能，创造出具有像生命一样行为的合成物，使材料变得聪明。比如混凝土能在内部检测到强度下降的征兆，或者能够对外来的腐蚀做出响应，并释放化学物质来抵抗腐蚀。又如期望建筑材料可以感觉天气状况并且通过改变其内部结构，使空气和湿气能够渗透，从而对天气变化做出响应。将来建筑物的舒适性和能源效率将会大大的改善，并能对敏感危害自动采取纠正或避免措施。我们还可能制造出能在任何地点、任何时间改变形状和颜色以便与环境相近的类似变色龙的伪装材料。我们还可以制造出具有自我修复功能的合金，会自动地填充、弥合并加强细微的裂纹。把塑料的分子链与陶瓷纳米粒子相结合而制成的材料将更加耐磨。在不久的将来，我们能借助纳米科技开发出许多以前在自然界中没有见过的材料。在这里还要着重介绍一下纳米技术在陶瓷材料领域的应用前景。陶瓷材料在日常生活和工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性和强度都较差，因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。美国科学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。Gleiter也指出，如果多晶陶瓷是由大小为儿个纳米的晶粒组成，则能够在低温下任意弯曲而不产生裂纹。许多专家认为，如能掌握单相纳米陶瓷在烧结过程中抑制晶粒长大的技术，以便将陶瓷晶粒尺寸控制在50nm以下，则纳米陶瓷将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。纳米陶瓷的硬度和强度一般比相同成分的普通陶瓷高出4-5倍。目前，虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等许多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻环境下起着其他材料不可替代的作用。微电子、光电子与计算机未来所有的纳米电子器件都将具有更小（集成度更高）、更快（响应速度更快）、更冷（单个器件的功耗更小、温升低）的特点。如果记录媒体采用纳米层和纳米点的形式，1,000张CD盘中的信息就可能存储到一个手表大小的存储器中。除了存储量千百倍甚至百万倍地增加外，计算机的速度也将大幅度提高。传送电磁信号（包括无线电信号和激光信号）的器件将变得更加小巧而功能却更加强大。任何人、任何物体都将可能在任何时间、任何地点与未来的互联网相连。而将来的互联网更像是一个无处不在的信息环境，而不仅仅是一个计算机网络。美国半导体工业协会(SIA)制定一个关于信息处理器件在小型化、速度和功耗方面不断改善的技术发展线路。这些信息处理器件包括用于信号获取的纳米传感器，用于信号处理的逻辑器件，用于数据记忆的存储器，用于可视化的显示器和用于通讯的传输器件。根据SIA的预测，大概到2010年，半导体芯片可以达到100nm的精度，与纳米结构器件相距不远。实际上，1999年，美国加州大学与惠普公司合作已经研制成功lOOnm的芯片。1998年，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学制出了量子磁盘，密度高达10"bit/in2,美国商家认为2005年的市场可达400亿美元。目前,利用纳米技术己经研制成功多种纳米器件。单电子晶体管,红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、纳米棒制成的微型探测器己经问世。日本日立公司成功研制出单个电子晶体管，它通过控制单个电子运动状态来完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳几十亿个这样的量子点。利用量子点可制成体积小、耗能低的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外，若能将几十亿个量子点连结起来，每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞，再结合微细加工工艺，它将为研制智能型微型电脑带来希望。日本NEC研究所己经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs半导体衬底上成功制作了具有开关功能的量子点阵列。美国也己经成功研制出尺寸只有4nm的具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。纳米技术的发展，还使微电子和光电子的结合更加紧密，纳米技术在光电信息传输、存储、处理、运算和显示等方面的应用，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术应用于现有雷达信息处理上，能使其能力大大提高，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现:纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，纳米激光器工作时只需微安级的电流。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钢原子一个一个地送入激光器件，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。由于只需极少的能量就可以发射激光，这类装置可实现瞬时开关。己经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适用于光纤通讯。美国贝尔实验室已能将导线设计得细度等于头发丝的四百分之一，而且还能设计得更细。贝尔实验室在1997年成功利用电子束加工集成电路的技术，线宽仅为80nm,大大增加了相同尺寸内容纳的电路数目。他们利用这些纳米技术所制备出的电晶体，其宽不到一根头发的千分之一，每个指甲般大小的晶粒上可有10亿个这样的电晶体.目前制备纳米电子器件的思路分为两种类型:第一是制备最小线宽为50nm左右的集成电路，大体上仍然沿用目前的基本设计、制造和测试的思想，但完全不能使用目前常用的光刻、掺杂等集成电路工艺。第二是与经典集成电路完全不同的、利用量子效应构成的全新的量子器件。目前已在试验各种可能的器件模式，如量子点、量子线、量子讲、单电子晶体管、单原子开关等。使用的技术包括纳米级的刻蚀技术、掺杂元素的定位技术以及寻找更高级分辨率的成像和分析技术。4.3医学与健康生命系统是由纳米尺度上的分子行为所控制的，如生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15—20nm之间，并且生物体内的核酸、类脂物、碳氢化合物、多种病毒等，也是纳米粒子。因此，纳米科技在医学上的应用将带来一场革命。使用经纳米技术加工的表面和器件，可使费时费力的基因测试和基因表达检测效率大大提高。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水;但如果粒子为纳米尺度，则可溶于水，10nm以下的纳米粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血液中自由流动。将包裹有纳米粒子的智能药物注入到血液中，输送到病灶细胞，为药物传播开辟了一个崭新的途径，也极大地增强了药物治疗的效力。纳米管可以吸取药物分子,并且在一定的时间内缓慢释放，使可控药剂成为现实。科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。纳米科技还大大地促进了细胞生物学和病理学的基础研究。随着能够探测纳米世界的新的分析工具的发展，使得我们表征细胞的化学和力学特性以测量单个分子的特性越来越成为可能。因此，研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生命大分子的精细结构及其功能的关系，从而获取生命信息。科学家设想利用纳米技术，以20种氨基酸为原料，按分子设计合成所需的蛋白质”零件〃，并进一步利用肌肉细胞的纤维结构骨架和纤维结构制造分子机器人。分子机器人在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，如疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以吞噬病毒，杀死癌细胞。在不久的将来，被视为当今疑难病症的艾滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解。通过对纳米结构进行控制，还可以制备出与生物兼容的高性能材料，从而带来新一代的医疗修复术和植入物。植入物表面是经过分子设计的或在人工器官外面涂上纳米粒子，从而可与人体产生交互作用，预防移植后的排斥反应，甚至有助于吸收和组合体液中的原始材料，以便再生骨铭、皮肤以及缺失或受损的组织。新型纳米结构疫苗可以避免传统的用病毒和细菌制备的疫苗的副作用。利用纳米技术还可以制成人类血液替代品。只有芯片大小的包含纳米级检测和处理组件的家用诊断器件，将大量进入家庭，从而使病人与医生之间的关系发生根本性的变化。4・4生物工程与农业生物结构单元包括蛋白质、核酸、类脂物、碳氢化合物，以及它们的非生物学仿制物，都具有由其在纳米尺度上的大小、折叠和构型所决定的特性。把生物结构单元与合成材料整合能够把生物的机能结合到我们所期望的材料特性中。生物合成和生物处理技术为化工和医药新产品的制造提供了崭新的方法。生物系统仿真为若干学科开辟了一个很大的研究领域，例如仿生化学就是基于生物系统仿真的一个活跃的学科。此外，生物分子也是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性，并结合纳米技术可以设计分子计算机。纳米技术在很多方面对农业起到直接的促进作用，例如经过分子设计的生物降解化学制品用于植物的培养和防虫;动植物的基因改变;对动物进行基因和药物传导;基于纳米阵列的测试技术(基因芯片)用于DNA测试等等。4.5环境与能源纳米科技对能源的开发与利用有着巨大的潜在市场。纳米科技还可应用于监测和减轻环境污染，减少污染物的排放，开发新的绿色处理技术，以使不需要的副产品减少到最低程度。以下是几项应用于环境与能源的纳米技术。(1)具有小于Inm微孔的结晶材料的催化剂的使用，形成了一个每年超过300亿美元的产业。(2)从工业废水中滤除有毒物质或筛选贵重微粒，或者能够低成本地淡化海水的选择性滤膜；具有孔径在10—lOOnm范围内的有序间隙多孔材料MCM-41正在广泛地应用于清除超微细污染物。传统的污水处理技术，效率低，成本高，又存在二次污染问题。纳米技术用于处理污水就不会存在这些问题，并且还可将污水中的贵金属金、钮、伯等完全提炼出来，变废为宝。(3)有几家化工公司正在开发一种可以用来代替汽车中的金属构件的纳米粒子增强型复合材料。这种纳米复合材料的广泛使用，可能使汽油的燃烧量每年减少15亿kg,二氧化碳的排放量每年至少减少50亿kg。4)用粘土和聚合物的纳米粒子替代轮胎中的炭黑，是一项生产环保型、耐磨损轮胎的新技术。(5)新型电池、使用人工光合作用的清洁能源、量子阱式太阳能电池、氢燃料的安全贮存等。6航空与航天纳米科技在航空航天领域的应用，不仅是增加有效载体，更重要的是使耗能指标呈指数倍的降低。因此，轻型航空航天器，经济的能量发生器和控制器，微型机器人等可望研制成功。这方面的研究内容还包括:研制低能耗、抗辐射、高性能计算机;抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。4.7国家安全由于纳米科技对经济社会的广泛渗透性，拥有纳米技术知识产权和广泛应用这些技术的国家，将在国家经济安全和国防安全方面处于有利地位。美国国防部10年前就清楚地认识到纳米技术的重要性，在对发展纳米科技的支持上一直起着重要的作用，每年投入3,500万美元用于研制纳米新武器。通过先进的纳米电子器件在信息控制方面的应用，将使军队占据信息上的优势，在预警、导弹拦截等领域做出快速反应。通过纳米机械学、微小机器人的应用，无人驾驶战斗机由于不存在驾驶员受加速度力的限制，将提高部队的灵活性和增加战斗的有效性。用纳米和微米机械设备控制，国家核防卫系统的性能将大幅度提高。通过纳米材料技术的应用，可使武器装备的耐蚀性、吸波性和隐蔽性大大提高，可用于舰船、潜艇和战斗机等。基于纳米电子学的更加先进的虚拟现实系统使军事训练变得更加经济、高效;利用昆虫作平台，把分子机器人植人昆虫的神经系统中，控制昆虫飞向敌方收集情报，使目标丧失功能。第五章纳米材料的制备方法和应用领城5.1 纳米材料——纳米科技的核心金属材料、无机非金属材料（包括陶瓷、人工晶体、玻璃、水泥等）和有机高分子材料是材料的三大支柱。根据化学组成和显微结构特点，材料又可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料，其中，复合材料是由前三者相互结合构成的。根据性能特征，材料可分为结构材料和功能材料，前者以力学性能（如强度、韧性等）为主，后者以物理;化学特性（如电、磁、光、热等）为主。翻开人类文明的历史，可以发现人类对材料的取得与使用是与社会生产力和科学技术水平密切相关的。最初人类主要是从自然界的天然产物中获得生活和生产所需要的材料，即是靠自然界的恩赐。古时候用石头制成的工具虽很粗糙，但它的制作和使用在人类发展史上却是一件划时代的大事。制陶术的发明，帮助人类解决了烧煮食物和储藏食物的问题。后来，人类懂得了使用铜、铁金属材料;在化学和冶炼技术的推动下，一系列金属和合金材料相继问世，大大促进了社会生产力的发展。如今，钢铁已成为现代工业的重要支柱。随着现代合成化学的发展，人们又用人工的方法合成形形色色的无机非金属材料和有机高分子材料。材料制备技术也日益高超。人们已经能够制造杂质含量小于亿万分之一的超纯材料、颗粒尺寸只有0-1um以下的纳米粉末、以一个原子层一个原子层地进行生长的薄膜材料、直径比头发丝还要细得多的纤维状材料，还能把几种材料组合起来相互取长补短，构成性能特殊的复合材料。人们甚至远离地球到太空做实验，在那儿制得了地球上难以得到的高纯度金属和十分完美无缺的晶体。材料科学是现代科学技术的基础，是属于全局性的重要科学技术领域。许多材料的局限性会影响国民经济和国防现代化的过程，由于材料引起的罕见的大事故和试验失败的事例实在不少，它造成了飞机坠海，铁桥突然折断，轮船断裂报废，人造卫星坠落等等。而一项成功的新材料的问世往往给新技术带来重大突破，例如40多年前超纯半导体单晶硅材料的出现，促进了电子工业的突飞猛进;早在1911年就已发现的超导现象，在理论上阐明了将发电机的重量减轻百分之九十左右的可能，可是由于一直缺乏可供实用的材料而无法实施，直到20世纪60年代由于锯锡合金超导材料的出现，才使超导技术付诸使用；长寿命半导体激光器和低损耗石英光导纤维材料的出现，才使激光通讯终于成为现实……。因此，材料在人类社会的进程中，在发展科学技术和提高生产力方面立下了赫赫功勋。〃巧妇难为无米之炊〃，材料的制备技术是把科学幻想变成现实的必需手段。而纳米材料的制备在当前纳米科技的研究中占有极其重要的地位，是纳米科技的核心;新的制备工艺对于控制纳米材料的微观结构和性能，降低成本，均具有重要意义。2纳米粉末的制备方法纳米材料包括纳米粉末和纳米固体两个层次。纳米固体是用粉末冶金工艺以纳米粉末为原料，经过成形和烧结制成的。纳米粉末的制备一般可分为物理方法(蒸发-冷凝法、机械含重化)和化学方法(化学气相法、化学沉淀法、水热法、溶胶一凝胶法、溶剂蒸发法、电解法、高温蔓延合成法等)。制备的关键是如何控制颗粒大小和获得较窄且均匀的粒度分布(即无团聚或团聚轻)以及如何保证粉末的化学纯度。至于在实际生产中选择哪一种制备方法，就要综合考虑生产条件、对粉末质量的要求、产量及成本等因素。2.1 蒸发-冷凝法这种方法又称为物理气相沉积法(PVD),是用真空蒸发、激光、电弧高频感应、电子束照射等方法使原料气化或形成等离子体，然后在介质中骤冷使之凝结。该方法的特点:纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。根据加热源的不同，该方法又分为6种。(1)真空蒸发-冷凝法其原理是对蒸发物质进行真空加热蒸发，然后在高纯度惰性气氛(Ar,He)中冷凝形成超细微粒。该方法仅适用于制备低熔点、成分单一的物质，是目前制备纳米金属粉末的主要方法。如1984年Gleiter首次用惰性气体冷凝和原位加压成形，研制成功了Fe、Pd、Cu等纳米金属材料。但该方法在合成金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米粉末时还存在局限性。(2)高压气体雾化法是利用高压气体雾化器将-20-40℃的氮气和氢气以超音速射入熔融材料的液流内，熔体被破碎成极细颗粒的射流，然后急剧骤冷而得到超微粒。(3)激光加热蒸发法是以激光为快速加热源，使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能T,在瞬间完成气相反应的成核、长大和终止。但由于激光器的出粉效率低，电能消耗较大，投资大，故该方法难以实现规模化生产。(4)高频感应加热法是以高频线圈为热源，使塔期内的物质在低压(1-lOkPa)的He、N,等惰性气体中蒸发，蒸发后的金属原子与惰性气体分子相碰撞冷却凝聚成微粒。但该方法不适于高沸点的金属和难熔化合物，且成本较高。(5)等离子体法是用等离子体将金属、化合物原料熔融、蒸发和冷凝，从而获得纳米微粒。该方法制得的纳米粉末纯度高、粒度均匀，且适于高熔点金属、金属氧化物、碳化物、氮化物等。但离子枪寿命短、功率低、热效率低。(6)电子束照射法利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化物如A1,0,等)，表层的金属-氧(如A1—0键)被高能电子"切断”，蒸发的金属原子通过瞬间冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如A1)粉末。但目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。5.2.2机械合金(MA)法该法利用高能球磨方法控制适当的球磨条件以获得纳米级粉末是典型的固相法。该方法工艺简单、制备效率高，能制备出用常规方法难以获得的高熔点金属和合金、金属间化合物、金属陶瓷等纳米粉末。如1988年日本Shing等人首次利用机械合金化制备10nm的Al-Fe合金粉末。但是，该方法在制备过程中易引入杂质，粉末纯度不高、颗粒分布也不均匀。5-2-3化学气相法该法利用挥发性金属化合物蒸气的化学反应来合成所需粉末，是典型的气相法。适用氧化物和非氧化物粉末的制备。特点：产物纯度高，粒度可控，粒度分布均匀且窄，无团聚。但设备投资大、能耗高、制粉成本高。(1)化学气相沉积法(CVD)原料以气体方式在气相中发生化学反应形成化合物微粒。普通CVD法获得的粉末一般较粗，颗粒存在再团聚和烧结现象。而等离子体增强的化学气相沉积法是利用等离子体产生的超高温激发气体发生反应，同时利用等离子体高温区与其周围环境形成的巨大温度梯度，通过急冷获得纳米微粒。如日本的新原皑一应用此法制备了Si3N4/SiC纳米复合粉末。利用该方法制得的粉末粒度可控，粒度分布均匀，无团聚，但成本较高，不适合工业化大规模生产。(2)气相分解法一般是以金属有机物为原料，通过气相状态下的热分解而制得纳米粉末。例如以ZrSGHj。为原料，经气相分解合成ZiU纳米粉末。但是，金属有机物原料成本较高。5-2-4化学沉淀法这是液相化学合成高纯纳米粉末应用最广的方法之一。它是将沉淀剂(oh-,c(V.，SO产等)加入到金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、锻烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括共沉淀和均相沉淀法。如何控制粉末的成分均匀性及防止形成硬团聚是该方法的关键问题。(1)共沉淀法将沉淀剂加入混合金属盐溶液中，使各组分混合均匀地沉淀，再将沉淀物过滤，干燥，锻烧，即得纳米粉末。如以ZrOCb・8比0和YCL为起始原料，用过量氨水作沉淀剂，采用化学共沉法制备ZrOz—Y2O3纳米粉末。为了防止形成硬团聚，一般还采用冷冻干燥或共沸蒸储对前驱物进行脱水处理。(2)均相沉淀法一般的沉淀过程是不平衡的，但如果控制溶液中的沉淀剂浓度，使之缓慢地增加，则可使溶液中的沉淀反应处于平衡状态，且沉淀可在整个溶液中均匀地出现，这种沉淀浚称为均相沉淀法。例如施剑林采用尿素作为均相沉淀剂，通过均相沉淀法制备ZrOz一丫纳米粉末。5.2.5水热法水热法是通过金属或沉淀物与溶剂介质（可以是水或有机溶剂）在一定温度和压力下发生水热反应，直接合成化合物粉末。若以水为介质，一般用于合成氧化物晶态粉末。该方法的最大优点是由于避开了前驱体的锻烧过程，因而粉末中不含硬团聚，所得粉末的烧结性极佳。但水热法在制备复合粉末时，为保证粉末成分均匀性，反应条件苛刻，且制粉成本高。最近，钱逸泰等人以有机溶剂作为介质，利用类似于水热法的方法（此时又称有机溶剂热合成法）合成出了纳米级非氧化物粉末。例如，以GaCL和LiN为原料，以苯为介质，在300℃以下合成纳米GaN（氮化嫁）粉末。以InCL和AsCL为原料，以甲苯为介质，以金属Na（钠）为还原剂,在150℃合成了纳米InAs（神化锢）粉末。以CCL和金属Na为原料，在700c制造了纳米级金刚石粉末；该工作发表在Science上。“稻草变黄金"。以SiCL和NaN,为原料，在670℃和46MPa下制备出晶态SiN纳米粉末；以SiCL和活性炭为原料，用金属Na作还原剂，在600c制取纳米SiC粉末。在350℃、lOMPa下，用金属K（钾）还原六氮代苯合成了多层纳米碳管……可见，有机溶剂热合成法是一个合成非氧化物纳米粉末非常有前途的方法。5.2.6 溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法（Sol-gel）的基本原理是：以易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）为原料，使之在某种溶剂中与水发生反应，经过水解和缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥和段烧到所需氧化物纳米粉末。此外，溶胶一凝胶法也是制备薄膜和涂层的有效方法。从溶胶到凝胶再到粉末，组分的均匀性和分散性基本上得以保留;加之锻烧温度低，因此，所得粉末的粒度一般为几十个纳米。对于金属醇盐水解的溶胶一凝胶法，一般需用有机醇作介质，水的体积分数较低，由于低的表面张力以及不易形成氢键，因此所得粉末的团聚强度也低。然而，由于金属醇盐原料昂贵，加之操作复杂，该方法的推广应用受到限制，目前还处于实验室研究阶段。目前以非醇盐为原料的络合物溶胶-凝胶法开始大量采用，正是基于降低成本的考虑。例如以柠檬酸为络合剂的络合物溶胶一凝胶法，被广泛用于制备氧化物超导材料。络合剂在这里主要起到抑制组分结晶析出的作用，以确保各个组分在溶液状态下的混合均匀性保留在复合粉末中。但是，用该方法制得的粉末基本上是团聚的。5.2.7溶剂蒸发法通过加热直接将溶剂蒸发，随后溶质从溶液中过饱和析此使溶质与溶剂分离。但这只适于单组分溶液的干燥。对多组分体系来说，由于各组分在溶液中存在溶解度的差异，因而蒸发的各个溶质析出的先后顺序不同，这就会造成成分的分离，使体系失去化学均匀性。例如，制备PLZT粉末时，若采用直接蒸发的方法，首先析出硝酸钛的水解产解TiSHK,而其他组分的析出则较慢，因而影响PLZT粉末的成分均匀性。所以，直接蒸发法一般不作为首选方法。为了解决这个问题，可采用喷雾干燥或冷冻干燥，先将溶液分散成小液滴，并通过迅速加热或升华过程将溶剂脱除，就可以减小成分分离可能发生的范围，甚至抑制成分分离，从而制得成分均匀的粉末。5.2.8电解法电解法包括水溶液和熔融盐电解。用该方法可制得一般方法不能制备或很难制备的高纯金属纳米粉末，特别是电负性大的金属粉末。例如卢柯用电解沉积技术制备了纳米铜粉末。5.2.9高温自蔓延合成（SHS）法在引燃条件下，利用反应热形成自蔓延的燃烧过程制取化合物粉末的方法称为高温自蔓延合成法。最早由前苏联研究成功。但是，用该方法难以获得纳米级粉末，且产品的许多性能是难以控制的，SHS法可分为元素合成和化合物合成两种方法。所谓元素合成是指反应物原料均为单质元素，例如用钛粉与非晶硼粉为原料，采用SHS技术可合成较细的二硼化铁（TiBj粉末，TiB?粉末的纯度主要取决于原料的纯度。但是，由于高纯度的非晶硼粉价格昂贵（〜20元/g）,使得用该方法制得的TiB?粉末没有实用价值。所谓化合物合成是用金属或金属氧化物为反应剂，活性金属（如Al,Mg等）为还原剂。此外，SHS法还可用于烧结、热致密化、冶金铸造、涂层等。5.3纳米粉末的成型与烧结一般地，细小均匀的显微结构加上完全致密化是纳米材料达到最佳性能所需求的。模压及等静压成型是粉末冶金中最常用的成型方法也可用于纳米粉末的成型。此外，挤压成型、注射成型、喷射成型、粉浆浇注成型、爆炸成型等特殊成型方法，也可用于纳米粉末的成型。压坯无外观缺陷及压坯密度尽可能高，是成型工序所追求的目标。烧结是粉末冶金生产过程的最后一道主要工序，对最终产品的性能起着决定性作用，因为由烧结造成的废品是无法再通过以后的工序挽救。另外，烧结是高温操作，一般需要保温较长一段时间以及需要适当的保护气氛，因此烧结工序的消耗是构成产品成本的重要部分。无压烧结是最常用、最经济的烧结方法。热压烧结和热等静压烧结用于难烧结材料，可获得完全致密化。微波烧结、等离子体烧结及电火花烧结等，是近年来发展起来的新的烧结方法。从批量生产和成本考虑，应该优先采用无压烧结。烧结温度低、保温时间短、产品外观无缺陷、烧结密度接近或达到理论密度，晶粒尺寸等显微结构尺度小于lOOnm,是烧结工序所追求的目标。由于纳米粉末的颗粒非常微细，在通常的成型方法下粉末的流动性很差。由于粉末很细，其松装密度也很低。这些均会导致压坯密度低及压坯密度不均匀，从而也使烧结体密度难以达到理论密度。例如纳米级ZrOz—Y2O3粉末的压坯密度一般仅为40%左右，尽管纳米粉末具有巨大的比表面积（大于60m'/9）因而烧结活性极高。但是纳米颗粒在高温下仍然迅速长大，以致在还没有达到完全致密化之前，晶粒尺寸就己经长大至超过lOOnm,因而无法制得完全致密化而晶粒尺寸等显微结构尺度又小于lOOnm的块体纳米材料。例如10〜20nm的ZiU一3%丫2O3纳米粉末，在1200C烧结2min,烧结密度可达到理论密度的95%,但平均晶粒尺寸达到了120nm。因此，在达到或接近完全致密化的前提下，控制晶粒长大是制备纳米材料的研究重点。而降低烧结温度是控制晶粒长大的主要手段。要实现这一目标，制备出无团聚的纳米粉末是关键。此外，尽量提高压坯密度也是有益的。李蔚等人的研究表明，如果纳米粉末中含有团聚，不但采用无压烧结很难制得完全致密的纳米材料，即使采用热压烧结也不能制得完全致密的纳米材料，因为受到石墨模具的承压能力限制，热压时的外压不足以使团聚破碎以及大气孔压碎。研究发现，采用热锻压可有效地克服热压的不足，如在1100℃就可使ZrO2—3%Y2()3完全致密化，平均晶粒尺寸只有85nm。此外，采用合成金刚石的六面顶压机以3GPa的超高压对ZrOz—3%丫2。3纳米粉末进行高压成型，由于压坯密度提高到60%,大大增加了烧结过程中的物质迁移通道，因而在1050C无压烧结5h,可得到相对密度大于99%、平均晶粒尺寸仅80nm的ZiU—3%丫2。3纳米陶瓷。另外，采用连续加压成型和瞬时高压脉冲成型方法，均可提高压坯密度。最初由惰性气体蒸发-冷凝法制备的纳米金属或合金粉末，在真空中用聚四氟乙烯刮刀刮下后，先在低压压实装置中压实，再在高压下原位加压而制成块状试样。该方法的优点是:在整个操作过程中纳米颗粒具有清洁的表面，块体纯度高，很少有团聚，块体相对密度较高。但是，该方法不易得到高的产量和大试样，实验设备要求较高。采用快速烧结方法如微波烧结(200C/min),虽然可减缓烧结过程中晶粒的长大，但是烧结密度很难达到理论密度。例如，采用微度烧结纳米Y-TZP粉末，即使在1200C只保温2min,平均晶粒尺寸长大至120nm,况且烧结密度只达到理论密度的95机因此，这样制得的纳米陶瓷不可能达到最佳力学性能指标。4纳米涂层和纳米薄膜纳米涂层材料在材料表面防护和改性上有着广阔的应用前景。制备涂层的方法主要有化学气相沉积（CVD）法、物理气相沉积（PVD）法、磁控溅射法、等离子喷涂法和脉冲电极沉积法等。纳米功能涂层主要有静电屏蔽涂层，高介电绝缘涂层（如80nm的BaTiOs涂层）。磁性涂层（如40nm的Fe2（）3涂层），红外屏蔽涂层（如80nm的Y2O3涂层），紫外反射涂层及红外微波隐身涂层等，美国在这方面的研究进展很快。近年来,纳米结构涂层由单一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发展。芬兰用磁控溅射法在碳钢上涂上MoSiz/SiC纳米复合涂层、经500℃,lh热处理，涂层硬度可达20.8GPa,比碳钢提高了几十倍，而且具有良好的抗氧化和耐高温性能，同时克服了单一纳米MoSi,涂层易开裂的缺点,充分显示出了纳米复合涂层的优越性。美国用激光蒸发法和CVD法先后把纳米TiN和金刚石涂在普通钢表面上所形成的纳米TiN/金刚石/TiN复合涂层不但具有高的硬度和良好的耐热冲击能力，而且与钢基体有极强的附着力。美国还用磁控溅射法在工具钢表面沉积了纳米TiN/NbN和纳米TiN/VN复合涂层，它们的硬度分别达到SZOOkg/mm?和5100kg/mm2,比一般工具钢的硬度提高了十几倍。若表面涂层厚度为10nm〜几个微米，一般称此涂层材料为薄膜。近年来，功能薄膜特别是功能陶瓷薄膜发展迅速，它适应了集成化、智能化、微型化和多功能等技术发展趋势，对开发高性能的光电、铁电、压电、超导和铁磁等薄膜器件有着重要意义。纳米薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶(sol-gel)法、电沉积法、化学气相沉积(VCD)法、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)法、激光诱导化学气相沉积(LCVD)法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、真空蒸发法、磁控溅射法、分子束外延(MBE)法、离子束溅射法等。例如，将一定比例的Cu(NO3)2和正硅酸乙酯与乙醇混合形成溶胶，用SiO2衬底进行提拉，再在100记干燥成膜，再经450〜650℃氢气中还原处理lOOmin,就可获得纳米Cu膜。5.5纳米材料的应用领域纳米材料的应用领域性能用途力学性能超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层光学性能光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料磁性磁流体、磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁致冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物电学特性导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽催化性能催化剂热学性能耐热材料、热交换材料、低温烧结材料敏感特性湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料其他医学(细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒杀菌，药物载体)、能源(电池材料，贮氢材料)、环保(污水处理，废物料处理，空气消毒)、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂陶瓷增韧由于大多数陶瓷是由离子键或共价键组成的，所以与金属材料和高分子材料相比，它有自己的特性:熔点高、硬度高、弹性模量高、高温强度高、耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等。许多精细陶瓷（又叫特种陶瓷，以区别于传统陶瓷）如AI2O3，、ZrO2>Si3N4>SiC、TiC、TiB,都是优异的高温结构材料。其中，有些陶瓷还具有优异的综合性能，例如，ZrO2既是优良的结构材料，用于制造整形模、拉丝模、切削刀具、表带、连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞帽、生蜗、磨球等;又是具有氧离子导电性的功能材料，用于制造氧传感器，广泛应用于检测汽车尾气，锅炉烟气及钢液氧含量，还可制造高温燃料电池和电化学氧泵。又如，SisW既可作发动机零部件和刀具材料，又可作抗腐蚀和电磁方面应用的材料。SiC既是极有前途的高温结构材料，又是常用