纳米技术在科技生产和生活中的应用

纳米材料的研究Z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)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上diyi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diyi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。科学家们从这种能操纵单个原子的纳米技术中，看到了设计和制造分子大小的器件的希望。1993年，ZG科学院北京真空物理实验室操纵原子成功写出“ZG”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)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Z好的导热材料。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的热沉，也可用于发动机、火箭等的各种高温部件的防护材料。Z新的研究表明，碳纳米管当中的空腔不仅可以充当微型试管、模具或模板，而且将第二种物质封存在这个约束空间还会诱导其具备在宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模拟显示，封存在碳纳米管中的水能够以新的冰相存在，在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界线将会消失，液体物质将会连续地转变成固体，而不发生明显的凝固过程。

1993年，美国IBM公司Almaden实验室Bethune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)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的研究组用化学气相法制备出面积达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Z长的2毫米长度的纤维级碳纳米管。

除了碳纳米管外，科研人员还合成了其他的纳米管材料，如BxCyNz、NiCl2、类酯体、 MCM-41管中管、水铝英石、b-(g-)环糊精纳米管聚集体及定向排列的氮化硅纳米管等[1]。准一维纳米材料中除了空心的纳米管以外还有实心的纳米棒、纳米线、量子线。图1为我们研究组合成的氧化硅纳米线，直径为5-120nm，从线末梢到根部，长度为10-70mm。1997年，法国学者 Colliex在利用分析电弧放电得到包覆异质纳米壳体的C-BN-C管，由于它的几何结构类似于同轴电缆，直径又为纳米级，故称其为同轴纳米电缆(coaxial nanocable)。由于同轴纳米电缆具有的独特结构，将在纳米结构器件中占有重要的地位。

1996年，ZG科技大学谢毅博士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，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，ZG科技大学钱逸泰院士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用碳纳米管制备了世界上Z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ZG十大科技新闻。

从发现纳米碳管始，科学家们不断研制出越来越细的纳米碳管。2000年，解思深组利用常现电弧放电方法制备出内径为 0.5nm的碳纳米管。同年，香港科技大学的汤子康博士即宣布发现了世界上Z细的纯碳纳米碳管¾0.4nm碳管，这一结果已达到碳纳米管的理论极限值。12月柏林的马克斯—玻恩研究所研制出1nm直径的薄壁纳米管，创出薄壁纳米管研制的新记录。

2001年初，ZG科技大学朱清时院士的研究组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像，这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段，使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键，为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。3月，美国佐治亚理工学院留美ZG学者王中林教授的研究组利用高温固体气相法，在世界上首次合成了独特形态且无缺陷的半导体氧化物纳米带状结构。这是继纳米管、纳米线之后纳米家族增加的新的成员。它有望解决纳米管在大规模生产时稳定性的问题，并在纳米物理研究和纳米器件应用上有重要的作用。6月，香港科技大学沈平教授的研究组在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性。这一观察表明，当纳米碳管细到一定程度时，其材料性质将发生突变。从应用上来讲，纳米碳管超导性的发现，将有助解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。

由上可见，在纳米基础研究领域，ZG并不落后¾自90年代初，科技部、国家自然科学基金委、ZG科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、国家ZD基础研究项目等，投入数千万元资金支持纳米基础研究；ZG的纳米科学家，在国际上取得了一系列令人瞩目的成果，相继在《Science》、《Nature》等权威杂志上发表了高水平的论文，使ZG在纳米材料基础研究方面，尤其是纳米结构的控制合成方面，走在比较前沿的位置，继美、日、德之后，位居世界第四。但是，在纳米器件上总体来说研究层次还不是很高，手段离国外还有很大的差距。

二、 纳米科技的应用

在纳米材料中，由于纳米级尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或更小，使得晶体周期性的边界条件被破坏；纳米微粒的表面层附近的原子密度减小；电子的平均自由程很短，而局域性和相干性增强。尺寸下降还使纳米体系包含的原子数大大下降，宏观固定的准连续能带转变为离散的能级。这些导致纳米材料宏观的声、光、电、磁、热、力学等的物理效应与常规材料有所不同，体现为量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应等。目前描述纳米材料中的基本物理效应主要是从金属纳米微粒研究基础上发展和建立起来的，要准确把握纳米科技中现象的本质，必须要在理论上实现从连续系统物理学向量子物理学的转变。

当今科技的发展要求材料的超微化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等特性为纳米科技和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的“国家纳米技术倡议”(NNI)中所列纳米科学与技术涉及的领域很宽泛，但Z基本的有三个，即纳米材料，纳米电子学、光电子学和磁学，纳米医学和生物学。

1 纳米电子学、光电子学和磁学

纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍认为是70nm左右。目前国际上Z窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限。如果将硅器件做的更小，电子会隧穿通过绝缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。新概念器件的形成，单原子操纵是重要的方式。1997年，美国科学家成功地用单电子移动单电子，这种技术可用于研制速度和存储容量比现在提高上万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造出在室温下能有效工作的单电子纳米碳管晶体管。这种晶体管以纳米碳管为基础，依靠一个电子来决定“开”和“关”状态，由于它低耗能的特点，将成为分子计算机的理想材料 。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。

利用纳米磁学中显著的巨磁电阻效应(giant magnetoresistance，GMR)和很大的隧道磁电阻(tunneling magnetoresistance， TMR)现象研制的读出磁头将磁盘记录密度提高30多倍，瑞士苏黎世的研究人员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。1997年，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室采用纳米平板印刷术成功地研制了纳米结构的磁盘，长度为40纳米的Co棒按周期性排列成的量子棒阵列。由于纳米磁性单元是彼此分离的，因而称为量子磁盘。它利用磁纳米线阵列的存储特性，存贮密度可达400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁传感器已问世，包覆了超顺磁性纳米微粒的磁性液体也被广泛用在宇航和部分民用领域作为长寿命的动态旋转密封。

2 纳米医学和生物学

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的wan美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。

纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向ZL等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片) 等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受YL，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。

纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和ZL。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3 在国防科技上的应用

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。

在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国Z近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m¢和m¢¢几乎均大于6。Z近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

图2是我们研究组利用溶胶－凝胶法制备的b-纳米碳化硅粉的透射形貌照片，一次颗粒尺度约为 20nm。经微波网络矢量分析仪测量其介电损耗(tgd)达到9.28，而其它碳化硅粉的介电损耗在0.2-0.6之间，因而具备了在常温和高温下吸收超高频段电磁波的潜力。

4 纳米陶瓷的补强增韧

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一。

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的a-Si3N4微米晶与a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的Z高使用温度一般为1200-1300℃）。他们Z新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度Z高的块体陶瓷材料。

目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工艺和新方法不断出现，已具备了生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法、高能球磨法等。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子法、气体高温裂解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇盐水解法、溶胶-凝胶法、水热法等。我们研究组提出利用原位选择性反应法制备了纳米晶TiC和TiN复合TZP的复合粉料，为陶瓷材料的显微结构设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化手段也趋于多样化，其中微波烧结和放电等离子体烧结(SPS)具有良好的效果。美国宾州大学陈一苇教授利用无压烧结制备平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料，为发展纳米陶瓷带来新的希望。2001年6月，日本经济产业省报道将纳米陶瓷等新型材料应用于飞机部件制造技术。

5 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ZX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。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”(top down)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”( bottom up)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于实验室研究阶段。