纳米材料与纳米科技暑期学校

1、纳米材料与纳米科技2010 暑期班报告人 吴莉莉材料物理化学研究所E-mail: Tel: (883)92724美丽的小世界提纲认识纳米 纳米材料概念与分类 纳米材料的应用 纳米材料的制备方法 国内外纳米技术进展1纳米(nm): 1米的十亿分之一是一个物理学上的长度单位，是一个尺度概念相当于45个原子排列起来的长度头发的直径：相当于万分之一头发丝粗细氢原子的直径：0.08nm非金属原子直径一般为0.10.2nm金属原子的直径为一、认识纳米 nanometer 纳米是什么东东？中国古代字画之所以历经千年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防

2、锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。 蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1100nm的范围细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”纳米结构是生命现象中基本的东西莲花荷叶出污泥而不染:“荷叶效应”进一步认识纳米军事居家航天医学能源环保信息纳米科技进一步认识纳米汽车尾气含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。拯救水资源特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛

3、纺染整废水，降解石油 纳米碳管碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。 如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。70100亿美元纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。把碳纳米管用作转子的纳米马达图像 纳米清洁工科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉

4、积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。具有易洁纳米涂层的陶瓷摔不碎的纳米陶瓷纳米陶瓷强度比常规铜高5倍纳米铜纳米铜走进你家里纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。走进你家里纳米服装二个月不用洗信不信由你2002年，一批高科技服装面料从实验室走上了展台：不用洗涤剂也能清洁的衣物、可用做防水地图的仿真丝面料等令人耳目一新防弹衣因纳米碳管

5、既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。二、纳米材料和纳米科技概述1. 纳米科技的概念纳米科技是面向尺寸在1100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题。纳米技术是在纳米尺度上对物质和材料进行研究和处理的技术纳米技术概念的提出 40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼所作的题为底部还有很大空间的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源提出纳米技术概念的科学家费曼（1918 1988）纳米科技分为四个学科：纳米物理学纳米化学纳米材料学纳米生物学三个研究领域纳米材料纳米器

6、件纳米尺度的检测与表征 纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。 扫描隧道显微镜(STM)等检测设备在纳米科技中占有 重要的地位，它贯穿到各个分支领域中，以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。 2. 纳米材料的概念 纳米材料是指纳米微粒 (nanoparticles) 和由它们组成的纳米固体 (nanostructured materials)。 从广义讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 (1100 nm) 或由它们作为基本单元构成的材料。 纳米微粒 (又称为团簇、纳米粒子和量子点等) 是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，是研究纳米材料的基础。随着研究的不断深入，纳米材

7、料的概念不断拓宽，内涵不断扩大。 组成无机纳米材料有机纳米材料无机复合纳米材料有机/无机复合纳米材料生物纳米材料物理性质半导体纳米材料磁性纳米材料导体纳米材料超硬纳米材料3. 纳米材料的分类 4. 纳米材料的微观结构纳米颗粒与量子点纳米空心球纳米棒与纳米线、纳米带 纳米材料与常规材料相比具有迥异的光、热、电、磁、声等特性 ，使得纳米材料在光学材料、催化材料、磁性材料、电子材料、以及高强、高密度材料的烧结、催化传感等方面具有巨大的应用潜力。纳米材料为什么这么神奇？4. 纳米材料的基本效应体积效应 (小尺寸效应)表面效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少

8、，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、德布罗意波长以及超导体的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；纳米微粒的表面层附近原子密度减小，导致磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化，即呈现出新的小尺寸效应，这就是纳米粒子的体积效应。例如，随着纳米粒子尺寸的减小，光吸收显著增加，产生吸收峰等离子共振频移，利用这种性质通过改变颗粒尺寸来控制吸收边位移，可以制造具有一定频宽的微波吸收材料，用于电磁屏蔽和制造隐形飞机等；

9、又如，纳米粒子的熔点可以远低于相应的体相材料，因此可以为陶瓷制造和粉末冶金工业降低反应温度和能耗。熔点降低:Au10642nmAu327Cu108320nmCu39Ag900纳米Ag100表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 纳米微粒处在1100 nm的小尺寸区域，必然使表面原子所占的比例增大，表面能增高 。当表面原子增加到一定程度，粒子性能更多的由表面原子而不是晶格原子决定。表面原子数增多，不饱和的原子配位和高表面能使表面原子带有许多悬空键，导致纳米微粒表面存在许多缺陷，从而使表面有很高的活性，极不稳定，易与其它原子

10、结合。对纳米微粒的光学、光化学、电学及非线性光学性质等具有重要影响 表1-1 纳米粒子尺寸与表面原子数的关系Table 1-1 the relationship of the size and surface atomic number of nanoparticles粒径 (nm)包含原子总数 (个)表面原子所占比例 (%)202.510510103.01042054.01034022.51028013099表面积增大，表面能增大:例如Cu粒径表面积(m2/g)表面能(J/mol)100nm6.659010nm6659001nm66059000 当金属或半导体从三维减少到零维时，载流子 (电

11、子、空穴) 在各个方向上均受限。量子尺寸效应就是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值 (激子波尔半径) 时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。金属费米能级附近的电子能级一般是连续的，对于只有有限导电电子的纳米微粒而言，低温下能级是离散的，这就使能量子尺寸效应级间有一定值，即能级发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、光子能量或超导态的凝聚能时，必然因量子效应导致纳米材料与常规材料相比具有迥异的光、热、电、磁、声等特性。同时纳米微粒也由于能级改变产生一系列特殊性质，如高的光学非线性、奇异的催化和光催化性质等。 不同催化剂对丙烯酸降解率的影响 a 市售TiO2 b 普通化学法制备的

12、TiO2/Fe2O3(0.03%) c SCFD 制备的TiO2 d SCFD制备的TiO2/Fe2O3(0.03%)量子物理中把粒子能够穿过比它动能更高势垒的物理现象称为隧道效应 (Micro Quantum Tunneling Effect).是未来微电子器件的基础，考虑微电子器件进一步微型化的极限，微电子器件进一步细微化，必须要考虑上述量子效应。宏观量子隧道效应 二、 纳米材料的应用纳米材料可以干嘛用？1、陶瓷增韧 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，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

13、佳的韧性与延展性。纳米陶瓷磁流体（磁性液体材料） 强磁性纳米微粒外包覆一层长链的表面活性剂，并稳定地分散在基液中形成胶体，具有强磁性，又具有液体的流动性。 2、磁性材料典型材料：纳米Fe3O4（10nm） 分散到含有油酸的水中， 再经脱水分散在基液中。 应用：在旋转轴防尘动态密封，例如计算机硬 盘轴处防尘密封。磁记录材料 21世纪信息记录材料，1cm2面积需记录1000万条以上的信息. 粒子不能小于超磁性的临界尺寸(约10nm)，而且对形貌有要求，针状磁性粒子，一般选用Fe2O3包Co或CrO2Fe及Ba铁氧体。 纳米微晶软磁材料 Fe-Si-B是非晶态的软磁材料，加入Cu、Nb有利于铁微晶的

14、成核及细化，广泛应用于各种变压器(脉冲、高频)、传感器、磁开关。 2、纳米材料在催化领域的应用 纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。 金属纳米粒子的催化作用 贵金属纳米粒子作为催化剂已成功地应用到高分子高聚物的氢化反应上，例如纳米粒子铑在氢化反应中显示了极高的活性和良好的选择性。烯烃双键上往往连有尺寸较大的基团，致使双键很难打开，若加上粒径为lnm的铑微粒，可使打开双键变得容易，使氢化反应顺利进行。 半导体纳米粒子的光催化 半导体的光催化效

15、应发现以来，一直引起人们的重视，原因在于这种效应在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。 纳米金属、半导体粒子的热催化金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用。也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药，增加爆炸效率；也可以作为引爆剂进行使用。为了提高热燃烧效率，将金属纳米粒子和半导体纳米粒子掺杂到燃料中，以提高燃烧的效率，因此这类材料在火箭助推器和煤中作助燃剂。目前，纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂。 3 纳米材料在光学方面的应用 纳米微粒由于小尺寸

16、效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等，都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。红外反射材料 高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明。同时，灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80

17、年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节省约15的电能。 优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。目前，对紫外吸收好的几种材料有：3040nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线

18、过滤器。隐身材料 由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。美国F117隐形轰炸机机美国B2隐形轰炸机治理有害气体方面的应用4. 纳米材料在环境保护方面的作用对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明，光催化剂可以很好地降解这些物质，其中纳米TiO2的降解效

19、率最好，将近达到100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。污水处理污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。 新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍。 高效的杀菌剂 一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细

20、胞失去活性，但细菌被杀死后，可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质，可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌，而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。 自洁作用 纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。 “纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃

21、上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为：1。粘合剂和密封胶国外已将纳米材料如纳米SiO2作为添加剂加入到粘合剂和密封胶中，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性都大大提高。其作用机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有亲水性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。 5 纳米材料在精细化工方面的应用 涂料 在各类涂料中添加纳米SiO2可使其抗老化性能、光洁度及强度成倍地提高，涂料的质量和档次自然升级。因纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料（即抗老化），加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料

22、干燥时很快形成网络结构，同时增加涂料的强度和光洁度。 6 纳米材料在其它方面的应用 医学 将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。 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。纳米机器人 采用纳米大分子：“生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。 这些分子机器人以光感应器作开关，从溶解在血液

23、中的葡萄糖和氧气中获得能量，并按编制好的程序探体内物体，以医师预先编制的程序进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，吞噬病毒和组织破碎细胞，杀死癌细胞，监视体内的病变等。纳米机器人还可以用来进行人体器官修复工作，如修复损坏的器官和组织，做整容手术，进行基因装配工作，从基因中除去有害的DNA或把正常的DNA安装在基因中，使机体恢复正常功能。将由纳米硅晶片制成的存储器（ROM）微型设备植入大脑中，与神经通路相连，可用以治疗帕金森氏症或其他神经性疾病。 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，可用作电冰除霜、空调外壳里的抗菌除味塑

24、料。电子计算机和电子工业 存储容量为目前芯片上千倍，计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。 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。三、纳米材料的制备方法简介 自上而下（top-down）体相材料分裂而制得所需纳米尺寸的纳米材料； 自下而上（bottom-up）从小的原子、分子组件组装成纳米

25、材料或器件 。表1 纳米材料制备方法分类Table 1 the classification of nano-material preparation methods 方法方法举例气相法激光诱导气相沉积法(LICVD)，化学气相凝聚法(CVC)，溅射法，流动液面上的真空蒸镀法，混合等离子法，加热蒸发爆炸丝法等液相法溶胶凝胶法，沉淀法，水热法，溶剂热法，喷雾法，辐射化学合成法，微乳液法等固相法非晶晶化法，高能球磨法等方法举例：名称制备方法特点机械粉碎法 (高能球磨法和超声粉碎法)利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒，还可通过颗粒间的固相反

26、应直接合成化合物优点：操作简单、成本低、产量高、易放大缺点：制得晶粒尺寸不均匀，易引入某些杂质真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。优点：纯度高、结晶组织好、粒度可控 缺点：对技术设备要求较高 溅射法用两块金属板分别作为阳极和阴极 (蒸发用材料)。在两极间充入Ar气，并施加电压，通过两极间的辉光放电电离出Ar离子轰击阴极靶材，从而使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子沉积下来优点：可制备低熔点和高熔点的纳米金属溶胶凝胶法将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶化、干燥、焙烧最后得到无机纳米材料用于制备氧化物和陶瓷粉体，烧结活性较高水热合成法 高温高

27、压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。模板合成法 硬模板法 软模板法通过合成适宜尺寸和结构的模板作为主体，在其中生成作为客体的纳米微粒，通过选定的组装模板与纳米颗粒之间的识别作用，可获得预期的尺寸和形状的纳米材料，组装过程中模板具有指导作用。优点：粒径尺寸及形态可控缺点：需要除去模板硬模板：主要包括碳纳米管、多孔氧化铝软模板： 一般指没有固定的组织结构而在一定空间范围内具有限阈能力的分子体系，主要包括高分子模板、液相反应体系中的表面活性剂分子形成的胶束模板、单分子层模板、液晶模板以及其他与模板法相关的溶液控制体系。四、国外纳米技术进展1

28、990年，IBM公司用原子排出“IBM”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。 1991年，NEC实验室观察到碳纳米管合成了其它纳米管材料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, 还是目前最好的导热材料。 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。 最新的研究表明，碳纳米管当中

29、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。朗讯公司和牛津大学: 纳米镊子碳纳米管“秤”，称量一个病毒的重量称量单个原子重量的“纳米秤”纳米发电机图片说明：王中林手中拿着的是纳米发电机的原型。它由一系列氧化锌纳米线构成。 2006，当原子力显微镜探针扫过纳米线阵列时，压电电荷释放的三维电压/电流信号图 2008，通过在弹性纤维上生长氧化锌纳米线，他们成功地将纤维的低频震动转化为电能， 纳米技术在美国2010年: 80万纳米科技人才,GDP1万亿美元, 200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料本世纪前1

30、0年几个关键领域之一制定了“国家纳米技术倡议”(NNI):纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学 军工: 隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料美国总统布什日签署了21世纪纳米技术研究开发法案，批准联邦政府在从2005财政年度开始的4年中共投入约37亿美元，用于促进纳米技术的研究开发纳米技术在日本1962年, 久保(Kubo): 久保理论国会: 21世纪前20年的立国之本著名大企业: 纳米实用化技术的计划三菱化工建立了(富勒烯)纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米技术在其它国家韩国：全国纳米技术研究院、纳米显示技术印度：像抓软件产业那样抓纳米科技德国：把发展纳米技术定位在新

31、能源、新环境，全面带动纳米技术在各个领域的发展法国：国家纳米科技中心、纳米产业基金世界都在迎接纳米时代的到来纳米技术在中国1993年，中科院操纵原子写字中科院物理所制备出大面积碳纳米管阵列;合成了当时最长的纤维级碳纳米管中国科技大学:氮化镓粉体清华大学:氮化镓纳米棒 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。中国科技大学:从四氯化碳制备出金刚石纳米粉，被誉为“稻草变黄金”中科院化冶所“七五攻关”: 纳米碳化硅“八五863”: 纳米阻燃剂中科院化学所纳米领带超双疏性界面材料 防水、防油、防污、防褪色 纳米聚丙烯

32、管材高强度、抑菌功能由上可见，在纳米基础研究领域，中国并不落后自90年代初，科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、国家重点基础研究项目等，投入数千万元资金支持纳米基础研究小结中国的纳米科学家，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，使中国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。 21世纪将是纳米技术的时代，纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、

33、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。纳米材料是近几年来最受关注的新材料之一，其重要意义越来越为人所认识。已有人预言“本世纪五十年代重视微米技术的国家，现在都取得了很大的发展，同样，现在重视纳米科技的国家，将在二十一世纪获得高速发展。”IBM的首席科学家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心。” 21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳

34、米材料科学技术对传统产品的改性，增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品，目前已出现可喜的苗头，具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。 纳米科技发展到今天，距离纳米时代的到来还有多远呢？白春礼说，“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。” “纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的

35、发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。” 谢谢欣赏！四 纳米材料的研究进展 及我国的研究状况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

36、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, 还是目前最好的导热材料。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。最新的研究表明，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。 1996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3mm3mm的大面积碳纳米

37、管阵列，它可用作极好的场发射平面显示器件。他们还于1998年合成了当时最长的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，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。 1996年，中国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纳米的纳米级镊子。 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