纳米材料在高分子中的应用.doc

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1、纳米在高分子材料中的应用（讲义）（湖南大学材料科学与工程学院 陈宪宏）爱因斯坦早就预言：“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军。”众所周知，原子是组成自然界的基本单位。正是这些形形色色的原子，以千差万别的方式排列，才使我们这个世界即充满神奇又多姿多彩。早在1959年12月29日，美国著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者理查德.费因曼（Rinchard, Feynman），在美国物理学会召开的年会上，作了一个题为：底层大有可为，底层还有多大空间（Theres Plenty of Room at the Bottom）的著名演讲。在演讲中，费因曼满怀激情地说：“当我们深入并游荡在原子的周围

2、，我们是在按不同的定律活动，我们会遇到许许多多新奇的事情，能以全新的方式生产，完成异乎寻常的工作。如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生什么样的奇迹？！”展开想象的翅膀，费因曼给我们描述了这样一副激动人心的画面：通过人为地操纵单个原子，来构造人们需要的特定功能的物质。这如同用原子来搭积木！囿于人们认识水平和科技发展水平，当时听起来无异是天方夜谭。在此之后的二十多年时间内，人们对费因曼所提出的这种新奇的技术并没引起足够的重视。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议。这次会议的召开，标志着纳米科技（nano science and technology，简称Nano

3、ST）的正式诞生。时至今日，费因曼当年的梦想已经开始变为活生生的现实：人类已经开始了在单个原子、分子层次上对物质进行探测和控制研究，并取得了一系列激动人心的重大成果。继网络热潮之后，纳米技术和生物科技将主导下一轮科技浪潮。跨世纪的新学科纳米科技。纳米技术用途广泛。纳米材料和纳米加工技术的研究，已经揭示了它的许多优越的性能，在广泛的工业和民用领域有着诱人的前景。一、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发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越来越小；航空航天、新

4、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。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。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。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、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格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

5、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巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很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遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义：在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1100urn）与物质中的许多特征长度，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，从而导致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

6、观物体，从而把人们探索自然、创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。在纳米体系中，电子波函数的相关长度与体系的特征尺寸相当。此时的电子与处在场外中运动的经典粒子是不同的，电子的波动性在输送过程中得到充分的展现。由于纳米体系在维度上的限制，固体微粒中的电子态、原激发态和相互作用过程中的其它状态明显表现出三维体系不同的许多性质，如量子涨落与混沌，非定域量子相干，多体关联效应以及非线性效应等。对于这些在此之前未见过的稀奇古怪的物理特性研究，使人们对现有的物理理论必须重新认识和定义，并对自然界物资存在的规律重新进行认识，这就需要引入自然界物质的新概念并建立认识自然界的新规律，譬如纳米尺度

7、上的能带、费米能级以及逸出功等新概念。除此之外，还有：在纳米化学中，对表面的化学过程，包括原子簇化合物的研究对吸附/载体系统中的电子性质和对基体表面结构的影响；纳米金刚石的制备技术和应用将对高精度加工技术带来创新；纳米炭粉在电子技术和印刷业中将掀起创新的革命；在纳米能量学中，除了纳米储能材料（如储氢材料、储天然气材料、储其它能量、燃料材料）可作为新型储能材料在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富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

8、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当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1、研究形势和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为本世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和纳米结构的立项，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。纳米材料诞生多年来所取得的成就及对各个

9、领域的影响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，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果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50nm的纳米Cu的材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒为7nm的Pd，屈服应力比粗晶Pd高5倍；具有高强度的金属化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望。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，二氧化硅，二氧化钛、氮化硅在纳米添加功能陶瓷和结构陶瓷改性方面也取得了很好的效果。根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术

10、发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来1015年有关纳米科技研究规划。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）的几个计划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种计划用于纳米科技的研究，例如Ogala计划、ERATO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资128亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；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

11、然最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；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，今后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间内保持继续发展的势头。2、国际动态和发展战略1999年7月8日自然（400卷）发布重要消息题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴起”。在这篇文章里，报道了美国政府在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措施，把原1.97亿美元的资助强度提

12、高到2.5亿美元。2000年1月21日，美国总统克林顿宣布，美国将从2000年10月1日起实施一项新的国家计划国家纳米科学技术计划（NNI），并把其作为美国政府当前科技研究与开发的第一优先计划。据报道，美国政府在2001年预算中用于纳米科技研究与开发的经费将高达4.95亿美元，增幅几乎是翻了一番。美国是最早成立纳米科技研究中心的国家。美国到2005年的10项战略技术中有4项属于纳米科技，它把纳米科技列入了“政府关键技术”、“本世纪末下世纪初的重大研究方向”、“2005年的战略技术”，美国国防部每年为此拨款3500万美元。1996年，美国以国家科学基金会（NSF）为主的十几个联邦政府机构委托世界

13、技术评估中心（WTEC），对纳米微粒、纳米结构材料和纳米器件的研究开发现状和趋势，在全球范围内进行了为期3年的调研。随后，国家科学技术委员会（NSTC）设立了一个纳米科学、工程与技术机构间工作组（IWGN），在WTEC调研的基础上，拟订出文章开头所说的NNI计划。日本1991年开始实施为期10年、耗资2.25亿美元的纳米科技研究计划，将此计划作为日本政府、企业和大学合作研究的三项重大基础研究课题之一；1995年又将此列为今后10年日本应开发的四大基础科学技术项目之一，并制定了具有挑战性的战略性基础研究推进计划。 德国1993年提出了10年重点发展的9个领域80项关键技术，原子测控技术涉及其中4

14、个领域12个项目，联邦政府每年拨款8500万美元支持这个领域的研究。美国商业周刊8月19日报道，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，美国商业周刊在掌握21世纪可能取得重要突破的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，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样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计算机工业。美国白宫战略规

15、划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在自然的报道中还特别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100nm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”bits尺寸的密度已达109bits，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应

16、，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、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。美国在1991年4月把它列入了政府22项关键技术，1992年列入了国家研究理事会确定的本世纪末、下世纪初的十大研究方向中的5个项目。美国国防部通过高级研究项目局每年预算给企业拨款3500万美元，支持它们研究。日本1991年实施为期10年、耗资225亿美元的研究计划，将此项目作为政府、企业和大学合作研究的3项重大基础研究课题之一。1995年宣布将此列为今后10年日本应开发的四大基础科学技术项目之一。德国1993年提出了10年重点发展的9个领域80项关键技术，原子测控技术涉及其中4个领域12

17、个项目。德国联邦政府每年拨款6500万美元支持研究。澳大利亚1993年将原子测控技术列为21世纪最优先开发的项目。我国的基础研究计划和“863”高技术计划对纳米科技的研究和开发都给予支持。 目前，美国在合成、化学和生物方面处于领先，日本在器件和结构方面具有优势，欧洲在弥散、涂覆和新型仪器方面实力较强。我国在纳米技术的研究与开发的某些方面也取得了一定的成绩，例如制备出了定向碳纳米管阵列、氮化镓一维纳米丝和纳米电缆等。 如果纳米技术的定义范围更宽一些，不只包括装配机器系统，也包括纳米尺寸能完成机器或设施功能的分子结构，那么已有原型样机和填充了直径为1.5纳米离子通道的合成膜的生物传感器。非装配纳米

18、技术可能有其它与健康相关的应用，如正由美国国防部高级研究计划局开发的进行常规生物监控的手表大小的个人状况监控器，及制药公司正在开发的质量监控器等。 纳米技术初期的应用将集中于机体外，如诊断和药物生产。虽然纳米技术的早期应用将在体外，但是最有价值的将是体内应用。可能的应用领域包括：沿着血液运行、支持天然免疫系统的程序化免疫机器；激活快速愈合和组织重建的细胞聚集机器；实施遗传手术的细胞修复机器。许多研究领域可能从各个方面有益于纳米技术的发展，生物技术是其中最重要的方面之一。一些关键的研究领域包括：蛋白质工程和大分子设计和折叠；自组生物分子材料；催化；纳米管及其它新化学微结构；生物能及超声驱动化学；

19、半导体与生物学的交叉；微型化和大规模平行扫描显微镜；生物化学计算；分子模型工具等。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，预计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很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来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使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因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现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。纳米科技涉及到几乎

20、现有的所有科学技术领域，是现代科学和先进工程技术结合的产物。纳米科技的诞生，使人类改造自然的能力直接延伸到分子和原子。它的最终目标是人类按照自己的意志操纵单个原子，在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃。因此说，纳米科技的诞生，标志着人类科学技术进入一个崭新新时代纳米科技时代。目前，纳米科技正处于重大突破的前夜，它已经取得一系列成果，已足以使全世界为之震动，并引起全世界关心未来的科学家的思索。专家们认为，这一兴起于上世纪90年代的纳米科技，必将雄踞于1世纪，对人类社会产生重大而深远的影响。面对这种挑战的形势，中国在这个领域的研究能不能继续保持第二阶梯的前列位置，能不能在纳米材料

21、和技术的市场中占有一定比例的份额，这是值得我们深思的重要问题。中国科学院在我国纳米材料研究占有极其重要的地位，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、新合成方法的创新等在国内外都做了有影响的工作。在自然上发表论文1篇，科学上发表论文4篇，影响因子在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项专利获得实施，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。为了使中国科学院在世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，从前瞻性、战略

22、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），在南方建立一个以合肥地区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，主要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成果的转化。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，特别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，目的是提高在未来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，发展纳米材料和纳米科技的战略是：（1）以未来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

23、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）重视发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，实现跨越式的发展。3国内研究进展我国纳米材料研究始于上世纪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、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别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

24、课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介人，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、东北大学、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

25、学研究所等也相继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年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（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，建立了相应的设备，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、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，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；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；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成果；在国际

26、上首次发现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，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常HallPetch效应。 近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。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，孔径基本一致，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

27、应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国科学杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为23mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高12个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国自然杂志上。英国金融时报以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为340urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是唯一维纳米丝

28、和纳米电缆：应用溶胶一凝胶与碳热还原相结合的新方法，首次合成了碳化或（TaC）纳米丝外包覆绝缘体SIOZ和TaC纳米丝外包覆石墨的纳米电缆，以及以S江纳米丝为芯的纳米电缆，当前在国际上 仅少数研究组能合成这种材料。该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（CrN）、磷化钻（COZP）和硫化锑（Sb。S。）纳米微晶，论文发表在1997年的科学杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜中用中温（70）催化热解法使四氯

29、化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的科学杂志上。美国化学与工程新闻杂志还发表题为“稻草变黄金棗从四氯化碳（CC14）制成金刚石”文，予以高度评价。我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，中科院上海硅酸盐研究所、南京大学、中科院固体物理所、中科院金属所、物理所、中国科技大学、清华大学和中科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研

30、究人才作出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的中坚力量。在过去10年，我国已建立了多种物理和化学方法制备纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等10多台制备纳米材料的装置，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、微乳液水热、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、MCM4

31、1等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。 综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文

32、2400多篇，在国际上排名第五位，其中纳米碳管和纳米团簇在1998年度欧洲文献情报交流会上德国马普学会固体所一篇研究报告中报道中国科技工作者发表论文已超过德国，在国际排名第三位，在国际历次召开的有关纳米材料和纳米结构的国际会议上，我国纳米材料科技工作者共做邀请报告24次。到目前为止，纳米材料研究获得国家自然科学三等奖1项，国家发明奖2项；院部级自然科学一、二等奖3项，发明一、H等奖3项，科技进步等奖1项；申请专利 79项，其中发明专利占50，已正式授权的发明专利6项，已实现成果转化的发明专利6项。 最近几年，我国纳米科技工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和称赞。在自

33、然和科学杂志上发表有关纳米材料和纳米结构制备方面的论文6篇，影响因子在6以上的学术论文（PhysRevLett，JAInChemSoc）近20篇，影响因子在3以上的31篇，被SCI和EI收录的文章占整个发表论文的 59。 1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。1999年8月20日美国商业周刊在展望21世纪可能有突破性进展的领域时，对生命科学和生物技术、纳米

34、科学和纳米技术及从外星球上索取能源进行了预测和评价，并指出这是人类跨入21世纪面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：70年代重视微米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先进的国家。挑战严峻，机遇难得，我们必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，加速知识创新和技术创新，为21世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。二、纳米科学技术（nanotechnology）纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术

35、、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。1982年扫描隧道显微镜发明后，便诞生了一门以0.1至100纳米长度为研究对象的前沿科学，这就是纳米科技。纳米技术其实就是一种用单个原子、分子搭造物质的技术。三、纳米材料(nanomaterial)与纳米粒子(nanoparticle)“纳米”是“nanometer”的译名，即为毫微米，通常用“nm”表示。在物理学中，纳米是长度的单位；一纳米为十亿分之一米，或一纳米为10埃，相当于人发直径的十万分之一。它与长度单位米的

36、换算关系是：1纳米=10-9米(1纳米等于3-5个原子排在一起)。所谓“纳米科技”，就是在0.1100纳米的尺度上，研究和利用原子、分子的结构、特征及相互作用的高新科学技术。广义的纳米材料则是指三维尺寸中至少有一维处于纳米尺寸，如薄膜、纤维、超细粒子、多层膜、粒子膜及纳米微晶材料等。新近研究认为，评判纳米材料不仅是其尺寸大小，更重要的是它必须具有与普通大块材料所不同的奇特的纳米特性。另外，人们习惯将粒径处于0.1m1m的粒子称为亚微米粒子，粒径1m的粒子多称为微米粒子；粒径30m的粒子多称为超细粒子。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间

37、的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。四、纳米材料的奇异特性 (1)表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加，假如原子间距为310-4微米，

38、表面原子仅占一层，粗略地估算表面原子所占的百分数见下表。超微颗粒表面原子百分数与颗粒直径的关系直径（10-4微米）10501001000质子总数30103104106表面质子百分数10040202由上表可见，对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为210-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等）

39、，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了沸腾状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。(2)小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表

40、面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，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。特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，金的常规熔

41、点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质量。日本川崎制铁公司采用0.11微米的铜、镍超微颗粒制成导电浆料可代替钯与银等贵金属。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。特殊的磁

42、学性质人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋磁细菌体内通常含有直径约为210-2微米的磁性氧化物颗粒。小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安米，而当颗粒尺寸减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于610-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大

43、量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应

44、用前景十分宽广。超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。(3)宏观量子隧道效应各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，由无数的原子构成固体时，单独原子的能级就并合成能带，由于电子数目很多，能带中能级的间距很小，因此可以看作是连续的，从能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然

45、不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应

46、。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。五.几种典型的纳米材料按照材料的形态，可将其分四种：纳米颗粒型材料；纳米固体材料；纳米膜材料；纳米磁性液体材料(1)纳米颗粒型材料：应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率，例如，以粒径小于0.3微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的

47、铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达41064107位厘米（107108位英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。超细的银粉、镍粉轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极，可以增大与液体或气体之

48、间的接触面积，增加电池效率，有利于电池的小型化。超微颗粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器。例如，超微镍颗粒所制成的微孔过滤器平均孔径可达10纳米，从而可用于气体同位素、混合稀有气体、有机化合物的分离和浓缩，也可用于发酵、医药和生物技术中。磁性超细微粒作为药剂的载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，利于提高药效，这方面的研究国内外均在积极地进行。采用超微金颗粒制成金溶胶，接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验，可用于快速诊断。如将金溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中，未妊娠呈无色，妊娠则呈显著红色，仅用0.5克金即可制备1万毫升的金溶胶，可测1万人次，其判断结果清晰可靠。有一种超微颗粒乳剂载体，极易和游散于人体内的癌细胞溶合，若用它来包裹抗癌药物，可望制成克癌导弹。在化学纤维制造工序中掺入铜、镍等超微金属颗粒，可以合成导电性的纤维，从而制成防电磁辐射的纤维制品或电热纤维，亦可与橡胶、塑料合成导电复合体。1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F117A型隐身战斗机，其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热可增加l倍。此外，超细、高纯陶瓷超微颗粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微颗粒在国防、国民经济各领域均有广泛的应用。(2) 纳米固体材料：纳米固体材