第二章纳米材料

第二章纳米材料百度搜索“纳米”：100,000,000篇纳米相关新闻“十二五”纳米研究专项规划世界主要国家纳米发展规划和政策白春礼出席国家纳米科学中心发展规划研讨会澳大利亚纳米技术宏远规划:2150万澳元设立“国家纳米战略”韩国纳米科技发展现状及趋势功能化多壁碳纳米管研究报告_2013-2017年功能化多壁碳纳米管项目...3月18日第二十七期湖畔论坛:英国纳米科技发展现状与战略规划“2009年科学影像比赛”获奖作品。照片单元的大奖获奖作品是《拯救地球！让我们走向绿色》，该作品用电子显微镜拍摄了粗细只有头发的500分之1的塑料纳米纤维聚集在聚苯乙烯球旁的情景。将来人们可以用纳米技术一个一个地将原子组装起来，制成各种纳米机器。纳米儿童美国科学家研制出世界第一辆单分子纳米汽车这辆纳米汽车是由一个底盘和轮轴组成，这两者是由设计精良的绕轴旋转和自由喷转旋转车轴制成。车轮是球型的，由包含60个原子的单质碳构成。整辆汽车对角线的长度仅为3－4纳米，比单股的DNA稍宽。神奇！这件"隐形衣"真的可以完全隐形据英国《每日邮报》网站2012年12月10日的报道，加拿大Hyperstealth生物技术公司日前表示，他们所研发的“量子隐形”材料及相关技术已经获得重大突破，并已得到美国和加拿大军方的认可，目前该项技术的研发正在深入进行之中。模特的下半身被隐形材料遮挡后完全隐形在草地上披着“量子隐形”毯子的效果图纳米涂料将纳米碳管材料应用于纳米涂料中，可显著提高涂料的韧性以及导电性能，这个技术一旦产业化可以应用到飞机、直升机的喷漆上，有效防止螺旋桨的油漆生锈、脱落ξ1.概论①纳米の最新现状1美科学家设计出简便快速的纳米电线制造方法2中科院上海应用物理所纳米水泵设计3新型纳米晶体管可探测细胞内部4纳米净水器可杀死水中98%的细菌5南非利用纳米技术制造出简便的水净化袋6潜艇可将新型纳米管技术应用于声呐和隐身7美研制出纳米机器人可清理动脉血管垃圾8沙特加强研究利用太阳能和纳米技术淡化海水②各国纳米规划继信息技术、基因组工程之后，纳米技术又成为一颗新的科技明星。据调查，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，拥有14400亿美元的市场份额。纳米经济炙手可热，有专家认为：谁能在这场遍及全球的“纳米决战”中抢占一席之地，纳米技术就能为谁带来滚滚财源。目前，美、日、欧各国纷纷制定对策，争夺纳米科技制高点。

美国

自2001年以来，美联邦政府在纳米技术研究开发上的投入增加了83%。2004财政年度，美国政府的纳米技术研发预算达到近8.5亿美元，比上一财政年度增加10%,估计最终可以达到9.61亿美元。2004年NNI计划优先支持的活动主要包括：用于生物、化学及放射性爆炸物探测的纳米技术方法；能够使纳米技术成为最有效的制造领域的研究活动；纳米生物系统的开发；使用仪器的开发及标准的制定；未来纳米技术工业领域的工人和下一代的培训和教育；与工业界发展伙伴关系并促使其参与纳米技术革命。为了进一步保持纳米技术的发展，美国总统布什2003年12月3日在白宫签署了《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。②各国纳米规划日本

日本在70年代就开始研究纳米技术，但是它对产业化的问题过去没有战略上的思考。现在，日本国会提出要把发展纳米技术作为今后20年日本的立国之本。以通产省为主，科学技术厅、教育厅配合组织、论证，发展纳米实用化技术，增加在这方面投资。政府投资和美国差不多，达到了5亿美元。日本在世界上非常有名的大公司已经开始部署发展纳米技术。特别像日立这样大的公司把十个下属机构组织起来，投巨资成立了纳米技术产业推进中心，长远的策略和近期的策略相结合，长远发展以纳米技术为主导的产业，像纳米电子与纳米加工这些事情。但更重要的近期目标是从现在开始在2年内发展5项实用化技术，加快实用化的发展。又如日本的三菱化工，成立了一个以碳·富勒烯材料家族为中心的纳米材料研究所及其应用产业中心。另外，三井、昭和电子都制定了纳米实用化技术目标，尽快的实用化。英国

英国在世界上最早制定出了"国家纳米计划"（NION），该计划由英国国家物理实验室(NPL)与贸易工业部(DTI)于1986年发起，目的在于促进英国的纳米技术。1988年DTI开始执行一项"LINK纳米计划(LNP)"。LNP的第一阶段计划为期四年，经费为600万英磅，提供给一些能够从私人企业得到相应资助的大学和公共研究机构。1989年，科学和工程研究委员会(SERC)加入LNP计划，提供经费150万英磅。1990年国防研究局也向LNP的一个研究项目提供了26万英磅。1991年完成对LNP计划的中期评审，DTI追加了470万英磅，将计划延长到1994年6月，随后又追加了50万英磅将计划延长到1995年3月。SERC支持LNP计划中的一个分计划"纳米技术管理计划"，自1994开始，该研究委员会重新改组之后，这部分工作转到"工程和物理科学研究委员会材料计划(EPSRC)"，SERC/EPSRC最后用于"管理计划"的经费为470万英磅。法国

法国虽受经济实力所限，投入不如美国和日本，但政府对纳米技术的支持有增无减，尤其从2003年开始实施国家纳米科技投资3年计划：2003至2005年投入5000万欧元用于纳米科学基础研究；建立5个纳米技术研究中心和"国家微米和纳米研究网络"项目；促进纳米技术研究成果向中小企业与新兴企业转化。法国近10年来最大的工业投资项目---法国最大电子纳米技术中心"联盟－克洛尔2002月27日正式启动，主要任务是生产新一代电子芯片，将是世界规模最大的纳米芯片生产中心。

为使法国在欧洲保持其在纳米电子学研究领域的领先地位，法国计划投资10亿法郎在格勒诺布尔市兴建一个微米纳米技术发明中心，目的是要成为欧洲微纳米研发的主要支柱。该中心将于2005全部建成。德国

为争取世界领先地位，2001年6月26日，德国联邦研究部计划在今后6年内共投入1亿马克用于开发纳米生物新技术的研究项目，对介于纳米和生物技术之间的物理、生物、化学、材料和工程科学进行研究。新研究计划的目标是开发出新的微型功能产品，其尺寸小于10-6毫米。计划的主要重点是研制用于诊疗的摧毁肿瘤细胞的纳米导弹和可存储数据的微型存储器。将来，可利用该技术进一步开发出微型生物传感器，用于诊断受感染的人体血液中抗体的形成，治疗癌症和各种心血管疾病。第一批21个项目的参与资金为4000万马克，参与第一轮研究开发的有马普研究协会、弗劳恩霍夫研究协会、图宾根大学和MAGFORCE股份公司等21家机构。此项拨款的主要目的是进行一项跨学科的课题研究。一方面要加强纳米技术基础研究，另一方面要努力将新技术直接应用到实际生活中去。欧盟

欧盟不仅是一个政治、经济联盟，而且还是一个科技联盟。在需要多学科、大投资的纳米技术的研究开发上，欧盟决心从工业、社会和经济各个方面共同推进，以期在未来的纳米技术市场上占有重要的份额。工业经济界预测，2015年，纳米技术市场产品将超过1万亿欧元，而促使纳米技术转化为生产力的大部分基础研究发生在欧洲，因此欧盟科技委员会现时努力推行的欧洲科技联合、协调，对欧盟未来的经济发展至关重要。欧盟关于纳米技术的总投资将达到130亿欧元，项目也分散在各个不同的领域，如：食品质量和安全中的控制细胞培育、药物设计和生物工艺的"电子鼻"、环境探测生物传感器列阵，具有生物兼容性的医疗器械纳米粒子涂层等等。其它国家

俄罗斯每年用于纳米技术领域的研究费用约600万美元。把发展纳米材料放在优先位置。主要研究结构材料用纳米晶体结构。试验了多种旨在提高结构性能的材料，其中包括微米和纳米晶体结构。纳米晶体结构的形成可以得到高性能的纳米晶体材料，其明显的标准是高强度、高硬度、高耐磨损度和高可塑性。随着高技术的发展，纳米结构材料的应用也会越来越广泛。

南韩政府最近出台新举措，它把全国各大学搞纳米的优秀人才都集中到汉城大学，成立一个纳米技术学院，由国家调人才。大的公司都有自己的目标，如三星公司，就是要把显示技术搞上去，专门投资5000万美元用来研究下一代有纳米技术内含的显示技术。它也是以市场为目标部署这些的，是倒着来的。

印度提出要像抓软件产业一样来抓纳米技术，而且目标就是超中赶日，在亚洲中国和日本比他强。因为它七年把软件搞上去了，所以也想在纳米技术方面尽快搞上去。品注入了纳米技术的含量，就增强了在国际上的竞争力。中国我国除已有国家级的《中国国家纳米技术发展纲要》以外，各级政府积级参与规划，目前已有十余个省（市）制订了省级纳米规划。如京、津、沪、东北三省，江、浙、皖、粤、湘、鄂、陕、晋、等省市均有相应的规划安排。1995~1997年，我国从事纳米材料生产开发的企业约有20多家，1997~1999年，增加到70多家，到2000年7月又增加到100多家，截止到2001年5月底猛增到320多家，其中以"纳米"字样注册的企业近60家，社会投入资金约30亿元。已有50家上市公司涉足纳米科技领域。我国纳米企业在地域分布上，已基本形成以北京和天津为中心的京津地区，以上海为中心的长江三角洲地区和以广深为中心的珠江三角洲地区的三大纳米材料和纳米技术产业带，这三个地区的纳米企业数占全国80%左右。“十一五”期间纳米基础研究成果发现了纳米金属铜的超延展性，以及通过纳米技术提高相关材料导电性的新方法；“拍摄”到能够清楚分辨碳原子间单键和双键的分子图像；碳纳米管器件研究进入国际半导体发展路线图；合成了碳材料“家族”的又一个新的成员——石墨炔；揭示了蜘蛛丝集水的“多尺度协同效应”机制；提出了“纳米限域催化”的新概念，并应用于催化剂的创制，成功解决了重整氢气中微量CO造成燃料电池电极中毒失活的国际性难题；合成出新型纳米抗肿瘤药物，为肿瘤治疗提供了新的手段和策略。至“十一五”末期，发表的SCI论文总数世界第一，被引频次位居世界第二。我国纳米科学技术专利授权数量已位居世界第二，并制定了一系列国家和国际标准。《2011-2015年中国纳米材料产业运营格局与市场前景规划报告》第一章纳米材料相关概述第二章2009-2010年国际纳米材料的发展及研发情况分析第三章2009-2010年中国纳米材料产业发展形势分析第四章2009-2010年中国纳米材料市场运行格局分析第五章2009-2010年中国纳米材料细分产品分析--纳米复合材料第六章2009-2010年中国纳米材料细分产品分析--纳米塑料第七章2009-2010年中国纳米材料细分产品分析--其他细分纳米材料第八章2009-2010年中国纳米材料重点企业经营动态分析第九章2009-2010年中国纳米材料的研究进展分析第十章2009-2010年中国纳米材料应用情况分析第十一章2011-2015年中国纳米材料发展前景展望③纳米相关报告￥7600

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。ξ2.纳米材料的分类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。金属纳米材料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、加工硫酸盐类、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。含氧酸盐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。复合纳米材料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。它的寻找备受科学家关注的反物质和暗物质，并探测宇宙射线的来源。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。

小知识新华社记者日从欧洲核子研究中心获悉，“阿尔法磁谱仪２”计划于2011年２月由美国“奋进”号航天飞机送入国际空间站，开始长达十余年的寻找反物质和暗物质之旅。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。物质和反物质在湮灭时会产生巨大的能量，并且不会像核弹那样产生放射线污染，所以被认为是一种最理想的清洁能源。由几克反物质制造的炸弹就能毁灭地球，1克反物质产生的能量，就足以为23架航天飞机提供动力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：吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；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；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）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。

ξ3.纳米材料的性质纳米材料的基本性质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），颗粒在声、光、电磁、热力学等特征方面出现新的变化。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。

特殊的光学性质黄金白金（铂）金属铬宏观纳米级事实上，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。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。纳米隐身衣据英国《泰晤士报》8月10日报道，美国加利福尼亚大学伯克利分校科研小组开发出一种新型材料，可在纳米尺度上让可见光小知识弯曲，假如下一步能在正常尺度上实现这一奇观，科幻世界中的神奇“隐形衣”就有望成为现实。特殊的热学性质10nm2nm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。<10nm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。

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。特殊的磁学性质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。

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。特殊的力学性质

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。其它的性质表面效应比表面积表面积体积？

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，发现随着时间的变化会自动形成各种形状，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）。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。量子尺寸效应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。各种元素原子具有特定的光谱线。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。吸收光谱阙值向短波方向移动(蓝移)，这种现象称为量子尺寸效应。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。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。

宏观量子隧道效应今年来，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。隧道效应在经典力学中：若粒子E＞Ｖ０，则全部粒子飞越势垒继续前进；若E＜Ｖ０，则全部粒子被势垒挡回来，没有粒子能透过势垒。在量子力学中：微观粒子若E＞Ｖ０，除了大部分通过还有少部分为势垒所反射；即使E＜Ｖ０，仍有一定数量的粒子穿透势垒。这是微观粒子特有的量子效应—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。1978年，31岁的德国青年格德·宾尼希（GerdBinnig）以论文《超导材料(SN)x的隧道光谱学》在法兰克福大学取得博士学位，同年被IBM公司的苏黎世研究实验室的瑞士物理学家海因里希·罗雷尔（HeinrichRobrer）聘为研究员。德国人嘛，喜欢宏大叙事，容易产生思辨偏好。可是生不逢时呐，物理学已经过了英雄时代，所以宾尼希觉得物理学没有哲理，过于机械，缺乏刺激，对自己的事业也不见得那么热爱。倒是当年已经45岁的罗雷尔从年轻时起就从事前沿理论的技术转化，兢兢业业，雄心勃勃。经罗雷尔一忽悠，宾尼希就来了劲，产生了制造扫描隧道显微镜（简称STM）的想法。这项技术的理论依据就是量子力学的隧道效应。趣事以一个很尖锐的探针（针头只有几个原子大）接近金属表面（距离同样也只有几个原子大），在二者之间有一个由真空构成的绝缘层，也就是势垒，施加一个电压，探针的电流就有一定的概率贯穿这个势垒到达金属表面。由于贯穿电流的波函数对势垒厚度（即探针与金属的距离）反应敏感，通过电流的变化，我们就可以描绘金属表面的形状。高序石墨表面碳原子规则排列的STM图像（3纳米×3纳米）1986年，宾尼希和罗雷尔因发明了扫描隧道显微镜而共同获得诺贝尔物理学奖。宾尼希和罗雷尔在实验中还发现，探针偶尔可以吸附起一个原子在物体表面来回移动。1989年，美国加里佛尼亚阿尔马登IBM研究中心艾格勒和施外泽利用这个发现改进了STM，用35个原子排出了IBM三个字母这个进步意义非凡，意味着人类控制世界的触角已经提到了米单位的小数点后十位的层面，这就是所谓“纳米技术”。重组DNA（遗传基因）在理论上已不是问题，也就是说，只要愿意，人类可以造成新物种；三人分享1973年诺贝尔物理学奖1957年江崎玲於奈利用隧道效应制成了隧道二极管

1960年，美裔挪威籍科学家加埃沃（IvanGiaeve）通过实验证明了在超导体隧道结中存在单电子隧道效应，是对超导理论的一个重要补充。1962年，年仅20岁的英国剑桥大学实验物理学研究生约瑟夫森预言，电子可以穿过绝缘体从一个超导体到达另一个超导体。不久，通过实验证实。纳米材料的特殊性质光学性质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。光学吸收性纳米Al2O3<250nm紫外光纳米TiO2<400nm紫外光纳米Fe2O3<600nm光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。光学发光性夜明珠哪种？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。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。光学催化性TiO2催化降解TiO2在紫外线照射下，使空气中的O2、H2O反应，产生了氧化能力较强的•OH基团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

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。

增强增韧性

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。

纳米Al2O3加入到橡胶->提高耐磨性、介电性纳米Al2O3加入到玻璃->改善脆性例：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。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。储氢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。

润滑性质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。ξ4纳米材料の制备方法物理方法の物理粉碎法

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。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。《球磨法用于制备纳米功能材料》中南大学博士论文球磨法是生产纳米粉体材料的有效方法。球磨实验通常运行在圆柱形的不锈钢容器和小球之间。在球磨过程中可以选择不同的球磨气氛,诸如氢气、氧气、空气、氮气、氩气或真空。为了较好地控制粉的物性,也可以选择不同的球磨机。不同的球磨机所制备的粉的性能也不同。采用球磨法制备SnO2、钛铁矿、TiO2纳米材料和MoO3/C复合纳米材料原料气体或等离子体纳米材料真空蒸发加热高频感应骤冷

其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。物理方法の真空冷凝法例：高纯度碳化物纳米粒子の产生化学方法の气相沉积法（CVD）其特点产品纯度高，粒度分布窄。

化学方法の水热合成法其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。水热法可以精确控制锆钛酸铅，得到晶粒12～14nm的纳米锆钛酸铅粉体Na2SZnAc2水150℃10h过滤、洗涤、真空干燥平均粒径6nmZnS化学方法の沉淀法

其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。MgCl2•6H2ONH3•H2O纳米MgO粒径62nm物理化学方法の溶胶凝胶法其特点反应物种多，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。醋酸铅+硝酸钙+钛酸丁酯，使用溶胶-凝胶法成功制备（Pb，Ca）TiO3纳米粉体椭球状，粒径30～50nm该粉体具有良好的铁电、压电、热释电及光学特性

物理化学方法の微乳液法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。微反应器界面是一层表面活性剂分子，在未微反应器中形成的纳米微粒因这层界面膜隔离而不能聚结，是理想的反应介质微乳液的结构从根本上限制了颗粒的生长，使纳米颗粒的制备变得容易使用不同的表面活性剂可以对纳米颗粒进行修饰、控制其粒径大小《HowPEO-PPO-PEOTriblockPolymerMicellesControltheSynthesisofGoldNanoparticles:TemperatureandHydrophobicEffects》AqueousmicellarsolutionsofF68(PEO78-PPO30-PEO78)andP103(PEO17-PPO60-PEO17)triblockpolymerswereusedtosynthesizegold(Au)nanoparticles(NPs)atdifferenttemperatures.AllreactionsweremonitoredwithrespecttoreactiontimeandtemperaturebyusingUV-visiblestudiestounderstandthegrowthkineticsofNPsandtheinfluenceofdifferentmicellarstatesonthesynthesisofNPs.ξ5.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使它有良好的催化活性和催化反应选择性。纳米催化剂应用1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。2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。3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。4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。（2）

陶瓷材料

纳米陶瓷？利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。克服了工程陶瓷的许多不足，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。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。

0.1℅～0.5℅的纳米镍粉提高陶瓷致密化

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。纳米机器人消灭病毒纳米机器人修复血红细胞纳米机器人破坏受损血红细胞10nmFe3O4+聚苯乙烯+癌细胞抗体该物质放入含有癌细胞的骨髓液中抗体与癌细胞结合利用磁分离装置分离癌细胞分离度可达到99.9%以上生物陶瓷

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。③抗菌材料其粒度小于50纳米，对大肠埃希氏菌、金色葡萄球菌这两种在生活中严重威胁人类健康的病菌杀灭率高达99.99%。（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”。

“苍蝇”飞机“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。

“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。“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。

ξ6.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。罗尔芬的遗憾1984年，美国天体物理学家罗尔芬(E.A.Rohlfing)采用大功率、短脉冲激光发生器使石墨在氦气中蒸发，在飞行时间质谱仪上观察到，在碳原子数n=60和n=70处出现了明显的特征峰，说明炭灰中存在着包含60和70个碳原子的原子团簇。这实际上就是后来发现的C60和C70。遗憾的是，罗尔芬等由于过分注重实验结果，没有意识到碳元素新成员的存在，而只是简单主观地归结为碳原子团簇的线性链结构，痛失发现C60的大好机会。小知识1985年，Smalley与英国的Kroto等人在瑞斯(Rice)大学的实验室采用激光轰击石墨靶，使石墨中的碳原子汽