纳米材料的概念、纳米效应及前沿进展

纳米材料的概念、纳米效应及其前沿进展主要内容：第一部分纳米材料的概念第二部分纳米效应第三部分纳米技术的应用第四部分纳米材料的热点研究领域第五部分纳米技术的安全性评估第一部分纳米材料的概念纳米材料是指颗粒/晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子；二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围（1－100nm）尺寸，可将此类材料称为纳米材料：三维尺寸达到纳米级的，称为零维材料，如纳米颗粒；二维尺寸达到纳米级的称为一维纳米材料，如纳米管、线、纳米条带；一维尺寸达到纳米级的称为二维纳米材料，如superlattice(quantumwell),thinfilms

。另外还有纳米孔洞材料1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。第二部分纳米效应小尺寸效应：当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。举例：利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。应用：体积效应（数量巨大）高密度磁记录吸波材料磁流体……

举例：熔点、硬度、颜色等Ag：熔点670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃

所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色

量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质等。不同的半导体材料，其量子尺寸是不同的，CdS：5-6nm，PbS：18nm，TiO2：10nm。

量子尺寸效应：能带从连续变为离散，Eg能隙变宽现象Eg尺寸几个纳米(<5nm)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。纳米材料的比表面大，相比于块状材料，纳米材料表面排列的原子数目与内部原子数目之比明显增高。由于表面原子的键合状态与内部原子不同，键态失配，因而出现非化学平衡，故纳米材料的化学活性较强。粒径/nm原子数/个表面原子所占比例/%202.5×10510103×1042054×1034022.5×1028013099纳米粒子的粒径与表面原子的关系应用：利用表面的领域高效催化剂精密光学器件抛光材料高效阻燃剂……

量子尺寸效应和表面效应对纳米半导体粒子的光学特性有很大的影响，而且导致纳米半导体粒子拥有一些新的光学性质（下面将分别讨论4种情况）。宽频带强吸收。如ZnO、TiO2、Fe2O3等纳米半导体化合物粒子，对紫外光有强吸收作用。而微米级的对紫外光几乎不吸收。这些纳米氧化物对紫外光的吸收主要因为它们的半导体性质，在紫外光的照射下，电子被激发，由价带向导带跃迁而引起的。吸收带边的移动现象。与块体材料相比，纳米粒子的吸收边普遍有“蓝移”现象，即吸收带向短波方向移动。例如：锐钛型TiO2的紫外光区的吸收边为393nm，而粒径为30nm的，其紫外光区吸收边为385nm，吸收边蓝移了8nm。吸收带边蓝移的解释：通常半导体粒子尺寸效应与其激子波尔半径相近时，随着粒子尺寸的减少，半导体粒子的有效带隙增加，其相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，从而在能带中形成一系列分离的能级。一些纳米粒子如CdS、ZnO、Cd3As2等的量子尺寸效应可以用下式描述：E（r）：纳米半导体粒子的吸收带隙Eg（r=∞）：体相半导体粒子的吸收带隙，r粒子半径h：Plank常数，e：电子所带电荷量：粒子的折合质量电子的有效质量空穴的有效质量有限的里德伯量量子限域能（蓝移）电子-空穴对库仑的作用能（红移）纳米材料的体积效应：由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，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。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：δ=4EF/3N∝V-1∝1/d3

其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级

随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。

量子限域效应：正常条件下，纳米半导体材料界面的空穴浓度比常规材料高得多。当纳米粒子的粒径小于激子波尔半径时，电子运动的平均自由程缩短，并受粒径的限制，空穴约束电子很容易形成激子。导致电子和空穴波函数的重叠，这就容易产生激子吸收带。随着粒径的减少，重叠因子（在某处同时发现电子和空穴的概率）增加，也即是激子浓度越高。在能隙中靠近导带底形成一些激子能级，就会产生激子发光带。纳米材料的激子发光很容易出现，而且激子发光带的强度随着粒径的减少而增加并蓝移，这就是量子限域效应。纳米粒子的光学效应：当纳米颗粒的粒径小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。粒径小于6nm的Si在室温下可发射可见光。6001000800波长/nm不同粒径的纳米Si在室温下的发光光谱d1d2d3粒径：d1d2

d3纳米半导体粒子表面经过化学修饰后，粒子周围的介质可以强烈地影响其光学性质，表现为吸收光谱和荧光光谱的红移。介电限域效应：纳米材料的介电限域效应较少被注意到，实际样品中，粒子被空气、聚合物、玻璃或溶剂等介质所包围，而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同而产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域、纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐照光的光强增大了。就称为介电限域效应。这种局部的场强增强效应，对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响，对于无机-有机杂化（hybrid）材料以及用于多相反应体系中光催化材料，介电限域效应对反应过程和动力学有重要的影响。库仑阻塞效应和隧穿效应绝缘层电极电极00+e-e（a）（b）-e/2+e/2（c）+e/2-e/2（d）（a）表示两个电极都未带电荷，（b）表示有一个电子从一电极到了另一电极，电极两边分别带一个正电荷和负电荷，系统能量增加了，如果没有外加能量，不可能有一个电荷从一个电极穿过隧道到另一电极，这就是“库仑阻塞”改变系统原始状态（c）两个电极分别各带+e/2和-e/2的电荷，此时若有一个电子通过隧道从一个电极到另一个电极，系统就变为（d）的状态，系统的总能量没有变化，这就是“隧穿效应”第三部分纳米技术的应用纳米技术在陶瓷领域方面的应用传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制，纳米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国材料学家Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生100%的塑性形变。所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等在纳米量级的水平上。纳米陶瓷的基本成分与传统陶瓷无太大区别，但其宏观性质却发生了很大变化，不仅保持了原来绝热好的特点，而且致密化速度快、烧结温度低，具有十分优异的强度、硬度、韧性、弹性模量和抗高温蠕变性能，使之可以机械加工、弯曲，而且耐高温。据报道，纳米级氧化锆（ZrO2）粉料可以在1250℃的温度下烧结成陶瓷，比传统烧结温度低400℃，密度可达到理论密度的98%以上，且具有400%的塑性形变。要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散。块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的纳米陶瓷，则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。举例：美国空军正在研究将纳米陶瓷用于制作飞机、火箭、导弹的发动机的技术途径。这种发动机不仅能够满足在恶劣环境下正常工作的需求，而且具有功率大、安全性好、航速高，节省能源；在应用纳米技术研制的陶瓷基复合材料方面，已用碳纤维增强陶瓷基复合材料试制出燃气涡轮发动机燃烧室，而且热力学性能极好，目前美国空军正在研究将其用于液体火箭发动机的可行方案。同时，用纳米陶瓷制作的航天器、飞机的防护层、坦克的防护装甲，其抗穿甲能力可以提高4～5倍。纳米技术在微电子学上的应用纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，它包括纳米有序（无序）阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。具有奇特性能的碳纳米管的研制成功，为纳米电子学的发展起到了关键的作用。碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成，径向尺层控制在100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制，表现出典型的量子限制效应，而在轴向上则不受任何限制。具体实例：清华大学的范守善教授利用碳纳米管，将气相反应限制在纳米管内进行，从而生长出半导体纳米线。从一种“超顺排”碳纳米管阵列中拔出一束碳纳米管时，碳纳米管可以自组织成一条连续的长线在抽丝的过程中，阵列中的碳纳米管则通过范德耳尔力互相连接起构成连续的纯碳纳米管线另外：在1997年，范守善项目组还制备出了GaN纳米线。1998年该科研组与美国斯坦福大学合作，在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长，它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材等领域。目前，利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。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、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。早在1989年，IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。日本的Hitachi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完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已经拥有制作100nm以下的精细量子线结构技术，并在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。目前，美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，由激光驱动，并且开、关速度很快。2007年8月IBM展示单原子存储、分子开关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这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，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MEMS（微电子机械系统）方法，它将为研制智能型微型电脑带来希望。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为对世纪信息时代的核心。目前纳米电子学的几大难题纳米技术在生物工程上的应用众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子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，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。虽然分子计算机目前只是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中，细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程，伴随相应的物质结构变化。Birge等研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束，将信息并行地写入细菌视紫红质立方体，并从立方体中读取信息，并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。目前的一些进展美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。此外，他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。2005年2月惠普的一群研究人员公布了他们的研究成果：设计出一种“crossbarlatch”锁存，能够实现逻辑运算这种现代计算机技术的基本操作。来自网站消息：/article/2005/0202/A20050202388330.shtml成功与挑战在过去几年分子计算机的概念已经从一个科学上的幻想逐渐变成现实中的事实，自从10年前Adleman在science杂志上发表他开创性的工作以来，DNA分子计算机已经成为一个有活力的，快速发展的领域。Science近期对这些做了简短的回顾，并在同期发表一个关于DNA分子计算机的重要工作，下文是对该工作的评论。纳米技术在光电领域的应用纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，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。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家们发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。目前的一些进展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，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。除了能提高效率以外，无能量阈纳米激光器的运行还可以得出速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。2005年5月，位于美国纽约的IBM研究中心在《科学》杂志上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光。这就是说，使碳纳米管发光的理想将变为现实。

IBM此次发表的科研成果，展示的光信号发射器是一个直径为1.4纳米的单纳米管，实验所探测到的是1.5微米的光，正好与目前光纤网络广泛使用的光波一致。Avouris表示，如果使用体积较大或较小的纳米管，还可以产生其他颜色（意味着不同波长）的光束。IBM获得此项成果并非偶然，早在2001年，蓝色巨人首家开发出能够大量制造碳纳米管晶体管的技术，而在这之前，虽然研究人员早就找到了将碳纳米管装配成晶体管的方法，但只能将碳纳米管逐个处理，无法大量获得。纳米碳管在场发射特性方面最被平面显示业界看好，一般都公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出过去千倍以上强度的电子束。目前的电视都是利用电子枪向屏幕发射电子来成像，如果使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。在产业界，最早投入纳米碳管CNT-FED的是韩国的三星电子与美国的Motorola，其中三星电子在1999年已经展示了4.5吋彩色的CNT-FED。2001年，日本的伊势电子工业成功试制了在发射极使用碳纳米管（CNT）的14.5英寸大画面彩色FED（FieldEmissionDisplay，场发射式显示器）、其亮度高达1万cd/m2；日本双叶电子工业在2003年的"NanoTech2003"上，展示了由该公司开发的采用碳纳米管（CNT）的FED面板。太阳能光电幕墙玻璃是一种集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材目前，世界上最大的太阳能屋顶光电系统安装在新慕尼黑贸易展览中心。该系统由7812块西门子单晶硅组件组成方阵，每块功率130W，总容量超过IMW，所发电力与20KV电网相联，每年能发电100万KWH，足够340户德国家庭使用。我国于2002年开发出具有自主知识产权的光电幕墙产品，并成功首次应用在位于深圳高新技术产业园区的方大集团科技中心大厦工程中，其采用的光电幕墙有效面积为93.8平方米，设计峰值发电功率10.3千瓦，建筑标高97米，是我国第一幢光电幕墙建筑。纳米技术在化工领域的应用纳米粉体粒径小，比表面积大，可以作为化工催化剂的载体。半导体光催化特性半导体光催化机理光催化原理及应用TiO2光催化反应过程如下：TiO2+hνe+h+h++H2OOH+H+e+O2

O2-+H+HO2HO2+HO2

H2O2+O2H2O2+O2-OH-+OH+O2在TiO2表面生成的OH和O2-基团的氧化能力较强，有机物和细菌有机物可被其氧化分解为CO2和H2O。纳米TiO2光催化剂应用纳米TiO2光催化降解有机污染物纳米TiO2光催化杀菌纳米TiO2光催化自洁纳米TiO2光催化室内环境治理我们实验室开发的TiO2光触媒材料与国内同类光触媒喷雾剂场降解甲醛能力比较对比测试试样日光灯照24小时甲醛降解率（甲醛初始浓度1.6-2ppm左右）CSC11.11%DAX53.01%盈喜38.02%项目组开发纳米TiO2光催化剂49.47%德国P2543.37%纳米材料紫外屏蔽特性含0.05%的金红石纳米TiO2粉体的紫外可见光吸收和透射谱图紫外屏蔽织物纯棉织物加入TiO2紫外屏蔽剂的织物化妆品—防晒纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线添加纳米TiO2复合粉体纳米技术在医学上的应用研究人员发现，生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15~20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。另外，利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久的将来即可服务于人类。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物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，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，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。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命第四部分纳米材料的一些热点研究领域纳米组装体系的设计和研究纳米阵列体系介孔与纳米颗粒复合体系和纳米颗粒膜纳米镶嵌体系纳米核壳结构目的是根据需要设计新的材料体系，探索或改善材料的性能，目标是为纳米器件的制作进行前期准备。如高亮度固体电子显示屏，纳米晶二极管，真空紫外到近红外特别是蓝、绿、红光控制的光致发电和电子发光管等都可以用纳米晶作为主要的材料，国际上把这种材料称为“量子”纳米晶，目前在实验室中已设计出的纳米器件有Si-SiO2的发光二极管，Si掺Ni的纳米颗粒发光二极管，用不同纳米尺度的CdSe做成红、绿、蓝光可调谐的二极管等。纳米阵列体系的研究目前主要集中在金属纳米结构或半导体纳米结构在一个绝缘的衬底上整齐排列的二维体系。介孔与纳米组装体系和颗粒膜主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应，根据需要对材料整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规不具备的奇特性质，这方面的研究是一个引人注目的前沿领域。纳介孔复合体系特点：既有纳米小颗粒本身的性质，同时通过纳米颗粒与基体的界面隅合，又会产生一些新的效应。整个体系的特性与基体的孔洞尺寸，比表面以及小颗粒的体积百分比数有密切的关系。可以通过基体的孔洞将小颗粒相互隔离，使整个体系表现为纳米颗粒的特性；也可以通过空隙的连通，利用渗流效应使体系的整体性质表现为三维块体的性质。目前，这种体系按支撑体的种类可划分为：无机介孔和高分子介孔复合体两大类。小颗粒可以是：金属、半导体、氧化物、氮化物、碳化物。按支撑体的状态也可分为有序和无序介孔复合体。核壳结构核心是金属、半导体或者氧化物晶粒，壳的组成很广泛，根据各种功能不同进行选择。常用的半导体核壳结构：CdSe@ZnS,

CdSe@ZnSe,

andCdSe@CdS，Core@shell金属@金属型核壳结构，可以获得具有不同光学性能的金属纳米晶，Au@Ag，Ag@Au，Fe@Au，Au@Pd等金属@氧化物型，或者氧化物@氧化物，氧化物@金属XiangdongFeng,ZhongLinWang等，ConvertingCeriaPolyhedral

Nanoparticlesinto

Single-Crystal

Nanospheres，9JUNE2006VOL312

SCIENCE高性能纳米结构材料的合成对纳米结构的金属和合金重点放在大幅度提高材料的强度和硬度，利用纳米颗粒小尺寸效应所造成的无位错或低位错密度区域使其达到高硬度、高强度。纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍；对纳米陶瓷材料，着重提高断裂韧性，降低脆性，纳米结构碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的复合材料，断裂韧性比常规材料提高4-5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。纳米添加使传统材料改性三氧化二铝陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm纳米三氧化二铝，热稳定性提高了2——3倍，热导系数提高10％——15％。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强，寿命提高。添加到橡胶可以提高介电和耐磨特性。纳米材料添加到其他材料中都可以根据需要，选择适当的材料和添加量达到材料改性的目的，应用前景广阔。纳米涂层材料的设计与合成主要的研究聚集在功能涂层上，包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层，在这一方面美国进展很快。80nm的二氧化锡及40nm的二氧化钕、20nm的三氧化二铬与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层，40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层，80nm的Y2O3可以作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高，用于红外窗口材料。近年来人们根据纳米颗粒的特性又设计了紫外反射涂层，各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层，在这个方面的研究逐有上升的趋势；目前除了设计所需要的涂层性能外，主要的研究集中在喷涂的方法，大部分研究尚停留在实验室阶段，日本和美国在静电屏蔽涂层、绝缘涂层工艺上有所突破，正在进入工业化生产的阶段。纳米颗粒表面修饰和包覆的研究主要是针对纳米合成防止颗粒长大和解决团聚问题进行的，有明确的应用背景。已成功地在ZrO2纳米颗粒表面包覆了Al2O3，在纳米Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有机包覆，TiO2表面的有机和无机包覆都已在实验室完成。包覆的小颗粒不但消除了颗粒表面的带电效应，防止团聚，同时，形成了一个势垒，使它们在合成烧结过程中（指无机包覆）颗粒不易长大。有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机试剂达到浸润状态。这为无机颗粒掺入高分子塑料中奠定了良好的基础。这些基础研究工作，推动了纳米复合材料的发展。第五部分纳米技术的安全性评估问题由于纳米结构所具有的特殊物理、化学性质，有关纳米材料和纳米技术的研究已成为当今科学的前沿热点。纳米技术一旦渗入生物学领域将迅速改变农业和医学的面貌，人类生活方式也将在纳米技术与信息技术、认知科学和生物技术的结合中迅速出现革命性的变革，同时，种种迹象已经表明纳米物质具有与常规物质完全不同的毒性，在人类健康、社会伦理、生态环境、可持续发展等方面将会引发诸多问题，纳米技术必将会取代基因技术成为最受争议的应用技术，影响遍及农业发展、计算机、医疗、制药、国防、服装等很多方面。我国目前有29种纳米材料在进行工业化生产，还有数种纳米材料可在实验室大规模合成，纳米材料对环境及人民健康的影响已是一个现实问题。纳米技术存在的安全性评估问题与疾病有关的纳米颗粒污染早已存在大气可吸入颗粒物污染已成为大气环境污染的突出问题，并日益引起各国高度重视。除大气环境污染外，局部的工作环境内也存在纳米颗粒污染，如由于吸收了电焊过程中产生的含金属纳米颗粒的废气，电焊工人患帕金森症的几率大大高于普通人。由吸入长时间吸入粉尘而造成的矽肺早已存在。在纳米粉体的生产和制造过程中，同样存在这样的问题。若非湿法等生产方式，纳米颗粒会在生产过程中飞散在空气中，人长期吸入这些含有粉尘的空气，就会有得矽肺的潜在可能性。纳米技术在医学中存在未知风险科学家正努力将纳米技术运用到仿生学，设想研制出仅由数千个原子组成、微小得几乎看不见的纳米机器人，它们可以非常灵活地在细胞之间工作，能捡起和移动肉眼看不见的颗粒。科学家希望纳米机器人能在血液、尿液和细胞介质中工作，不仅可以捕捉和移动单个细胞，而且能够移动和重新安排人体细胞中的原子排列顺序，使其按照新的指令发挥功能。纳米技术甚至可能仿照生命过程的各个环节制造出各种各样的微型机器人，比如让它们在血管中负责清除血管壁上沉积物，进入组织间隙清除癌细胞等。但是，由此是否会引发相应的负反应至今尚没有任何机构开展研究，存在诸多未知的风险。纳米技术在药物中存在未知风险近年来，出现了药物纳米化的趋势，当药物到达纳米级的时候，性质会发生什么样的变化，这是未知的。只是有报道说药效提高了多少，吸收率有多好，但是大多没有针对纳米材料的特性深入开展安全性方面的研究，并提到可能的毒性有多少。另外，某些药物纳米化技术也可能存在潜在问题，如植物类药物采用激光法粉碎，会把化学键打断，然后生成自由基，下一步自由基重新组合，又生成其它的物质，这种新生成的物质是原本在药物中不存在的，也许会是有毒的，需要我们通过大量的实验，考察该方法是否会产生有毒的物质，是否对人体有潜在的危害性。纳米技术在日常生活用品中的潜在风险添加纳米材料的化妆品、聚酯类啤酒瓶等产品，直接与人体接触，纳米颗粒作用于人体，其长期使用存在的问题是未知的，有待深入的研究。拿防晒霜为例，2003年一项研究表明很多产品中使用的二氧化钛纳米微粒可以进入皮肤甚至细胞，并在细胞内产生自由基，破坏原有的基因，其长期使用的安全性是值得我们进行评估的。又如加入纳米颗粒的妇女卫生巾，具有极强的抗杀细菌作用。但是，这些与人体接触的材料有多少纳米颗粒会脱落，而这些脱落的纳米颗粒的粒径是多少，有多少会进入人体，并且多大的粒径是相对安全的，进入人体的纳米颗粒是如何代谢的，它对人体会产生什么样的作用，所有这一切的答案都需要进行深入的研究来解答。对于上面提到问题的一些研究进展几组科学家在2003年3月美国化学会举行的年会上报告了纳米颗粒对生物可能存在的作用。其中，纽约罗切斯特大学（RochesterUniversity）医学和牙科学院的毒物学家Oberdorster发现，大多数在含有直径为20纳米的“特氟龙”塑料（聚四氟乙烯）颗粒的空气中生活了15分钟的实验鼠会在随后4小时内死亡；而暴露在含直径120纳米颗粒（相当于细菌的大小）的空气中的对照组则安然无恙，并没有致病效应。在另一项研究中，该研究小组发现用碳13和锰制作的纳米颗粒能够进入