第二章 纳米材料

第二章纳米材料2.1概论在充满生机的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英寸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。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。根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，发达国家都在部署未来10～15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；1999开始加大投资，经费资助从2.5亿美元增加至5亿美元；日本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，并1997年投资1.28亿美元；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。一位获诺贝尔物理学奖者曾说：20世纪70年代重视微米技术的国家如今都已成为发达国家，现在重视纳米技术的国家必将成为下一世纪先进的国家。通过人们不懈的努力，纳米材料已逐渐发展成为以纳米材料为基础的一门学科—纳米科学与技术。2.2纳米材料的分类纳米材料属性功能来源纳米金属材料氧化物纳米材料硫化物纳米材料炭（硅）化合物纳米材料氮（磷）化合物纳米材料含氧酸盐纳米材料复合纳米材料半导体型材料光敏型纳米材料增强型纳米材料磁性纳米材料合成纳米材料、天然纳米材料1.纳米金属材料目前已制备出很多纳米金属粉体材料，如Au、Ag、Cu、W等，这些金属纳米材料因比表面能大，很不稳定，易被氧化或聚集，通常将纳米材料保存在惰性环境中收藏、运输和使用，或以纳米相分散于某种介质中。如果金属纳米微粒表面被改性，也可以获得相对物理稳定和化学稳定的储存效果。2.氧化物纳米材料该类纳米材料的表面容易被改性，化学和物理性质比较稳定，方便运输、存储、加工。根据氧化物的不同，可以分为：金属氧化物纳米材料非金属氧化物纳米材料稀土金属氧化物纳米材料两性金属氧化物纳米材料3.含氧酸盐纳米材料硫酸盐类、铁酸盐类、钛酸盐类、磷酸盐类、碳酸盐类等含氧酸盐具有许多特别的性能。最常见的是碳酸钙，目前纳米碳酸钙已有多种制造方法，全国约数百家达数十万吨的生产能力，其中纳米碳酸钙粒径大约是30～50nm，现在的市场价格为2000～3000元∕吨。普通碳酸钙400目250元∕吨，1000目350元∕吨。4.复合纳米材料多种纳米材料复合在一起而形成的复合体系，其性质取决于复合纳米材料的各个元素的状态。复合纳米材料彼此相互作用，共同形成一个相态，则这种复合纳米材料就不是组成元素性质的叠加，而是产生了新的性质。如果构成元素保持自己的构成相态，则复合材料将具有独立相态的元素性质。例：Fe-Nd-B构成复合纳米材料，由于纳米微粒内分散有10～15nm的铁纳米相，使得这种复合纳米材料具有很高的矫顽力和高的剩余磁化度。1998年的夏天，美国宇航局“发现号”航天飞机把阿尔法磁谱仪送上了太空。它的主要目标之一是寻找宇宙射线中的反原子核。由于我国参与了这项研究，因此新闻媒体曾热心地宣传过它。阿尔法磁谱仪(简称AMS)，是人类送入太空的第一台磁谱仪，由美籍华裔物理学家、诺贝尔奖获得者丁肇中领导建造，有中国、美国、德国、瑞士、意大利等10多个国家的科学家参与合作。AMS能精确测量宇宙中带电粒子的动量和电荷，其核心部分是中国研制的一台用钕铁硼复合纳米材料制成的大型永磁体，重2.2吨，直径1.2米，高0.8米，中心场强为1360高斯。1979年，美国科学家把一个有60层楼高的巨大气球放到离地面35公里的高空，气球上载有一批十分灵敏的探测仪器，结果，它在高空猎取了28个反质子。这是在地球以外第一次发现的反物质。除此之外，还在星际空间发现了反物质流。纳米材料的其它分类(依据形状)纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。

纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。

纳米块体：是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。

专家指出，对纳米材料的认识才刚刚开始，目前还知之甚少。从个别实验中所看到的种种奇异性能，说明这是一个非常诱人的领域，对纳米材料的开发，将会为人类提供前所未有的有用材料。

2.3纳米材料的性质1.纳米材料的基本性质小尺寸效应当固体颗粒的尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长相当或更小时（处于微观状态时），颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学等特征方面出现新的变化。 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，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。

（1）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。（2）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0.1～1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0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。

（3）特殊的磁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20纳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20纳米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6纳米时，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。

（4）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3～5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。

铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电；高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。纳米涂层刀具（实习）：为了改善刀具的切削性能，新的刀具涂层材料及涂覆方法层出不穷，由美国学者开发的纳米涂层(Nanocoatings)是其中最成功的一种。这种涂层方法可采用多种涂层材料的不同组合(如金属/金属组合、金属/陶瓷组合、陶瓷/陶瓷组合、固体润滑剂/金属组合等)，以满足不同的功能和性能要求。设计合理的纳米涂层可使刀具的硬度和韧性显著增加，使其具有优异的抗摩擦磨损及自润滑性能，十分适合用于干切削。表面效应

是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。比表面积增大，使处于表面的原子数增加，增加了纳米微粒的活性。引起纳米微粒表面原子输运和构型发生变化，同时引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

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2纳米）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），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。

从表可以看出，随粒径减小，表面原子所占比例迅速增加。另外，随着粒径的减小，纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。

纳米微粒的粒径越小，表面原子的数目就越多，纳米微粒表面的原子与块状表面的原子不同，处于非对称的力场，在纳米微粒表面作用着表面张力，处于高能状态，为了保持平衡，纳米微粒表面总是处于施加弹性应力的状态，具有比常规固体表面过剩许多的能量（表面能和表面结合能）。3.量子尺寸效应

是指粒子尺寸下降到接近或小于某一值，费米能级附件的电子能级由准连续变为分立能级的现象。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。日本科学家总结的低温下导体的能级间距与金属颗粒直径的关系:宏观物体：N→∞，δ→0，电子能谱连续。尺寸↓，N↓，δ↑，超过一定值时，能级分裂，能谱不连续。δ较小时，可能是半导体，较大时，可能是绝缘体。

当热能、电场能、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不同的反常特性，这就是量子尺寸效应。量子尺寸效应会导致纳米粒子磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著不同。量子尺寸效应带来的能级改变、能级变宽，使微粒的发射能量增加，光学吸收向短波方向移动，直观上表现为样品颜色的变化。例：CdS微粒由黄色变为淡黄色。4.宏观量子隧道效应

电子具有波粒二象性，具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。今年来，人们发现一些宏观物理量，如微粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量等也显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应对于电子器件微型化影响巨大，确立了微型化的极限，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。2.纳米材料的特殊性质①光学性质纳米材料的光学性质主要有光谱迁移性、光学吸收性、光学发光性和光学催化性。光谱迁移性蓝移原因：受量子尺寸效应影响而导致能级分裂显著，带隙加宽引起的。红移原因：界面效应引起纳米微粒的表面张力增大，使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起的。光学吸收性主要表现为对光的不投射性和不反射性。在外观上，对金属而言，纳米粒度↑，颜色变灰、或浅黑，纳米粒度↓，均趋于黑色。纳米粒度越小，黑色程度越大。例：当金的微粒被细分到小于可见光波长时，会失去常规金的光泽而呈现黑色。光学发光性光学发光性包括光致发光和电致发光。

光致发光：物体在紫外线光、太阳光或普通灯光照射后，该物体在黑暗的环境中具有一定的发光性能。

电致发光：指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象。例：纳米硅薄膜受360nm激发光的激发可产生荧光，不同的处理方式可以得到不同频率的荧光。光学催化性纳米材料利用自然光可催化降解有机污染物，最终生成为无毒、无味的CO2

、H2O和一些简单的无机化合物。

纳米材料由于比表面积大，表面活性点多，光催化活性高，而表现出较强的光催化性质。②增强增韧性

刚性无机粒子填充聚合物材料可以提高聚合物材料的刚性、硬度和耐磨性等性能，但普通的无机粉体填料填充聚合物材料在增强这些性能的同时大都会降低聚合物材料的强度和韧性。

纳米无机材料由于粒径小、比表面大，在聚合物复合材料中，与基体材料间有很强的结合力，不仅能提高材料的刚性和硬度，还可以起到增韧的效果。例：纳米材料经特殊的表面化学改性后，填充到废旧电视机外壳材料中，不仅可以增强增韧，使其使用性能达到甚至超过好料的水平，而且还能降低伸缩率，提高流变性，改善材料的加工性能，提高成品率。③储氢性质纳米晶金属氢化物和碳纳米管、纳米纤维等都是一类新型的储氢材料，其显著的吸氢性能是由其合适的内部微观结构与表面结构决定的。超海绵状吸氢纳米碳纤维，能够吸收40℅的氢气，在室温下可释放出其中80℅的氢气。很多人正从事碳纳米管储氢的研究。④润滑性质纳米材料具有耐磨损、减轻摩擦的性质。将纳米材料用于制备润滑剂时，不仅可以在摩擦表面形成能够降低摩擦因数的薄膜，还可以修复破损的摩擦表面。国内有人将纳米铜润滑油添加剂添加到汽车发动机油中，可明显减少发动机的启动电流和增大汽缸压力。该剂使用一段时间后，可在缸套和活塞环表面形成一层保护膜。2.4纳米材料的制备方法纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法、化学方法和物理化学方法。

1.物理方法物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。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。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。2.化学方法化学气相沉积法（CVD）利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。水热合成法高温高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。沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。3.物理化学方法溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。2.5纳米材料的应用1.催化剂

纳米材料比表面积大，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，表面活性中心多，这就使纳米颗粒具备了作为催化剂的基本条件。纳米材料的表面效应和小尺寸效应觉得了它有良好的催化活性和催化反应选择性。纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。纳米铁、镍与γ-Fe2O3混合轻烧结体可以代替贵金属而成为汽车尾气净化器。纳米TiO2光催化有机废水、大气中的有机污染物。纳米TiO2受光照射，可以产生反应活性很强的过氧负离子、过氧化氢自由基和氢氧自由基，它们具有很强的氧化、分解能力，可破坏有机物中的C—H、N—H、O—H、C—O等键。纳米半导体材料表面负载贵金属、金属氧化物等来进行光电催化水分解。2.陶瓷材料纳米材料的小尺寸效应使其熔点急剧下降，一般为块状材料的30℅～50℅。降低烧结温度纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。因此纳米材料在低温下烧结就可获得质地优良的烧结体，还不用添加剂仍能保持其良好的性能。例：普通钨粉烧结温度在3000℃，加入0.1℅～0.5℅的纳米镍粉后，烧结温度可降低到1300℃左右。提高陶瓷致密化纳米颗粒压成块材后，颗粒之间的界面具有高能量，在烧结中高的界面能释放出来成为额外的烧结驱动力，有利于界面中孔洞收缩和空位团的湮没，因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的。由于烧结温度低，制成的烧结体晶粒较小，比较适合于电子陶瓷的制备。3.医用材料药物载体血红细胞6～9nm，核糖核酸蛋白质15～20nm，生物体内各种病毒的尺寸也在纳米尺度的范围内。纳米粒子可以更小，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。生物陶瓷纳米材料可制成具有生物活性的人造牙齿、人造骨、人造器官等。采用纳米颗粒复合制成的磷酸钙水泥，与肌体亲和性好，无异物反应，且材料具有可降解性，能被新生骨逐步吸收。纳米生物活性钙磷酸盐基材料，具有极好的生物活性，可以用于各种承重硬组织部位病变和损坏后的替换。4.磁性材料可以作为永久性磁性材料、磁记录材料、磁流体等。GMR(巨磁阻效应)指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。感应法读出磁头的磁致电阻效应为3%，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，具有相当高的灵敏度和低噪音。5.防护材料有些纳米材料（TiO2、MgO等）的透明性好，且具有优异的紫外线屏蔽作用。在制备某些防护材料时添加很少的量（一般不超过2℅），就能大大减弱紫外线的损伤。这些纳米材料广泛用于护肤品、包装材料、外用面漆、木器保护以及纤维等方面。6.光电转化可以用于提高光电转化效率，制造出即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。7.传感器利用纳米材料对外界环境的敏感性（外界环境改变会引起其表面粒子价态和电子运输的变化，从而引起其电阻的显著变化），研制出响应速度快、灵敏度高、选择性好的不同用途的传感器。8.军事方面纳米技术的迅猛发展，特别是微机电系统的初步成功，为军事科技工作者研制纳米武器奠定了物质基础。他们尽情发挥想像力，研制出千奇百怪的战场“精灵”。

“麻雀”卫星

美国于1995年提出了纳米卫星的概念。这种卫星比麻雀略大，重量不足10千克，各种部件全部用纳米材料制造，采用最先进的微机电一体化集成技术整合，具有可重组性和再生性，成本低，质量好，可靠性强。一枚小型火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星。若在太阳同步轨道上等间隔地布置648颗功能不同的纳米卫星，就可以保证在任何时刻对地球上任何一点进行连续监视，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。“蚊子”导弹

由于纳米器件比半导体器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系统的信息传输、存储和处理能力，可以制造出全新原理的智能化微型导航系统，使制导武器的隐蔽性、机动性和生存能力发生质的变化。利用纳米技术制造的形如蚊子的微型导弹，可以起到神奇的战斗效能。纳米导弹直接受电波遥控，可以神不知鬼不觉地潜入目标内部，其威力足以炸毁敌方火炮、坦克、飞机、指挥部和弹药库。“苍蝇”飞机

这是一种如同苍蝇般大小的袖珍飞行器，可携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敌方信息系统和武器系统的内部或附近，监视敌方情况。这些纳米飞机可以悬停、飞行，敌方雷达根本发现不了它们。据说它还适应全天候作战，可以从数百千米外将其获得的信息传回己方导弹发射基地，直接引导导弹攻击目标。

“蚂蚁士兵”

这是一种通过声波控制的微型机器人。这些机器人比蚂蚁还要小，但具有惊人的破坏力。它们可以通过各种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来。一旦启用，这些“纳米士兵”就会各显神通：有的专门破坏敌方电子设备，使其短路、毁坏；有的充当爆破手，用特种炸药引爆目标；有的施放各种化学制剂，使敌方金属变脆、油料凝结或使敌方人员神经麻痹、失去战斗力。

2.6纳米结构材料1.碳族新成员C601996年美国科学家因此获得诺贝尔化学奖。C60是一个直径为1nm，由15个五元环和20个六元环组成的球形32面体。C60及其衍生物在高分子领域的应用C60的高分子化研究发现，C60及其衍生物具有许多奇异的物理化学性质，如电性、光化学性及磁性等。

C60的加工性能比较差，因此对它的应用受到极大的限制。为了克服这个问题，人们尝试将C60的优异的物理化学性质和高分子良好的加工性能结合起来，达到应用的目的。特别是1990年以来克量级的C60被制造出来后，使C60的应用研究更加全面、活跃。

超导体

C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的三维超导性，电流密度大，稳定性高，易于展成线材等优点，是一类极具价值的新型超导材料。有机软铁磁体富勒烯络合物可以在不含金属的条件下表现出铁磁性特征。C60分子上存在环电流，但由于C60分子的无序转动，使得C60分子产生的磁性相互抵消，因此C60固体对外宏观上不显示磁性。美国加州大学Allemand等人采用有机强还原剂TDAE［四（二甲胺基）乙烯］对C60进行还原反应，得到了对空气极为敏感的C60（TDAE）0.85黑色微晶。该化合物具有软铁磁性，其居里温度16.1K，是所有有机分子铁磁体中最高的。人们希望从这里研究和开发更高居里温度的C60有机铁磁体材料。2.碳纳米管1991年日本NEC公司的饭岛纯雄首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。管的内径一般有1nm左右，长度在微米量级，具有很高的长径比，被认为一维纳米材料。碳纳米管的性质碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索。在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。3.其它纳米结构材料金针菇状单晶氮化铝纳米棒ZnO纳米线顶端2.7典型纳米粉体材料1.通用纳米粉体材料—纳米CaCO3概况纳米CaCO3不仅可以起到增白扩容降低成本的作用，还具有补强作用，用于塑料、橡胶和纸张中。粒径＜20nm，补强作用=白炭黑。日本：研制、生产、应用方面处于国际领先地位，用于品种达50余种。美国：生产应用侧重于造纸和涂料。英国：主要生产高档涂料专业纳米CaCO3。我国：80年代开始研制、生产，2007年约有27万吨的产量。纳米CaCO3生产技术碳化法间歇碳化法连续碳化法超重力碳化法石灰石煅烧CaO水Ca(OH)2溶液高剪切力多级旋液去除颗粒杂质精制Ca(OH)2悬浊液CO2，晶型控制剂，碳化至终点要求晶型的CaCO3浆液脱水、干燥、表面处理纳米CaCO3连续碳化法(喷雾碳化法)

将制得的Ca(OH)2悬浮液从塔顶以一定大小的液滴喷下，与逆流的CO2气体接触，进行三段碳化反应。用三段喷雾碳化法，得到平均粒径为3～7nm的立方形CaCO3。间歇碳化法

将过滤的CaCO3滤液循环使用，没有被截留住的非常细微的CaCO3晶粒作为晶种，不用加添加剂，使废液排放量大大减少。超重力碳化法

这是北京化工大学发明的专利技术。该技术摒弃了传统的碳化工艺与设备，进行了革命性的创新，发明了超重力碳化工艺与设备，具有世界领先水平。高速运转的填料将Ca(OH)2溶液剪切成微细的液滴、液丝和液膜，与CO2气体的接触面积大大增加并且能迅速更新，使两者反应速度大大提高，强大的离心力使CaCO3微粒一旦形成就会迅速脱离Ca(OH)2溶液，无法继续长大。工艺优点：①纳米CaCO3平均粒径小，仅为15～30nm，粒度分布窄，质量稳定。②无需使用晶体生长控制剂，产品纯度高。③反应器体积小，颗粒形貌可控，工艺操作容易。④生产成本低，一般为其他方法的1∕5左右。⑤生产效率高，反应速度快，反应时间仅为传统工艺的10℅～20℅。3.纳