纳米新材料

材料科学与纳米技术：新材料的开发和应用

摘要

材料科学与纳米技术是当今科学研究中最具活力和潜力的领域之一。纳米科技的兴起为材料科学研究带来了前所未有的机遇，并推动了新型材料的开发和应用。本文将从纳米材料的特性、制备方法以及在各个领域的应用等方面进行阐述，并展望未来材料科学与纳米技术的发展趋势。

关键词：材料科学，纳米技术，纳米材料，应用，发展趋势

一、引言

材料是人类社会发展和进步的物质基础，从原始社会的石器时代到现代信息时代，人类文明的每一次飞跃都与材料的革新密切相关。进入21世纪，人类社会对材料的需求越来越高，不仅要求材料具有更高的性能，更要求材料具有更强的功能性和智能性。而纳米科技的兴起，为材料科学研究带来了前所未有的机遇，推动了新型材料的开发和应用，也为解决人类社会面临的重大挑战提供了新的途径。

二、纳米材料的特性

纳米材料是指至少在一个维度上尺寸小于100纳米的材料。纳米尺度下，材料的物理、化学性质会发生显著变化，表现出许多传统材料所不具备的独特特性，主要体现在以下几个方面：

* 量子尺寸效应: 当材料尺寸降至纳米尺度时，其电子能级会发生量子化，导致材料的物理性质发生显著变化，如光学性质、电学性质和磁学性质等。

* 表面效应: 纳米材料的表面积与体积之比远大于传统材料，导致表面原子比例大幅增加，从而使其表面活性更高，更容易发生化学反应。

* 小尺寸效应: 纳米材料尺寸的小巧，使其具有更高的强度、硬度和耐腐蚀性等。

* 宏观量子隧道效应: 纳米材料中的电子可以穿过势垒，克服传统材料中的阻碍，从而表现出更高的导电性和催化活性。

三、纳米材料的制备方法

制备纳米材料的方法多种多样，主要分为物理方法和化学方法两大类。

* 物理方法: 主要利用物理手段将块体材料粉碎或分解成纳米尺度的颗粒，常见方法包括机械研磨法、气相沉积法、溅射法等。

* 化学方法: 主要利用化学反应合成纳米材料，常见方法包括溶胶-凝胶法、水热法、微乳法等。

《电　碳》　

纳米科技与纳米材料　

张廷楷（重庆大学材料学院）　

一、前言　《纳米世纪——奇迹、革命与未来世界》　一书是由中国的两位青年经济学家赵振华和　曹新用一年的时间共同创作完成的。书中前　瞻性地展示和辩证地论述了已到来的新世　纪，将是纳米科技的世纪。纳米科技将引发　新一轮的工业革命，人类社会的众多行业将　被改造，并将推动人类社会政治、经济、军事　以及意识形态、伦理道德、价值观念、生活方　式的革命。该书被美国赛门（Ｓｉｍｏｎ）新经济　联合基金会购买了其非中文版版权，以　１５２．６万美元的价格，创造了中国单本出版　物国外版权转让费的最高纪录。　我国著名科学家钱学森在９０年代初就　曾预言，认为纳米左右和纳米以下的结构是　下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革　命，从而将是２１世纪又一次产业革命。　美国政府将纳米技术列为本世纪平行于　生命科学、信息技术和环境科学的四大研究　领域之一，而先进材料和先进制造业是这四　大领域的支柱。　美国《时代》周刊把纳米技术选定为“今　后十年最可能使人类发生巨大变化的十项技　术”之一；美国１９９５—２００５年十大国家研究　项目中有五项与纳米技术有关；２０００年２月　７日，美国国家科学技术委员会在《国家纳米　技术推进计划》（ＮＮＩ）中把纳米技术正式提　升为未来５０年内保证美国全球竞争优势的　战略性技术。　我国在科学技术部、国家自然科学基金　委员会、教育部和中国科学院等有关部门的　支持下，将纳米技术和纳米材料列入“８６３”、　“９７３”等科研计划，并确定其为“高度重视并　大力发展的九大关键技术”之一。　总之，纳米科学与技术是２１世纪的高新　技术，是２１世纪的三大科技之一，它将导致　人类认识和改造世界能力的重大突破。　二、纳米科学与技术的基本概念　１９９０年７月在美国巴尔基摩召开了国际　第一届纳米科学技术会议，这次会议标志着　纳米科技领域的正式形成。１９９２年９月在墨　西哥召开了国际第一届纳米结构材料会议，　正式把纳米材料作为材料科学的一个新的分　支公布于世。　在广大的自然界、生物界中早已充满了　纳米科学的内涵。考古发现古代动物和类人　猿的牙齿化石为什么还那么坚硬和具有光泽　呢？研究发现在齿的外表面排列着纳米尺寸　的微晶；千百年前制作的古铜镜为什么到今　天依然光可鉴人？这都是因为它们表面有一　层纳米级的晶粒组成。又如鸽子放飞千里之　外也能返家，蚂蚁外出爬来爬去也不会迷路，　这是因为其体内的纳米级的机构（也可认为　是“纳米机器”）能够在地球磁场的作用下转　换为化学能的光合作用就是纳米工厂的典型　例子。对我们人类来说，效法生物界、自然界　来实现科学和技术上的纳米级控制和操作仅　仅是开始，但已初步显示其广阔的应用前景。　纳米：纳米是一种几何尺寸的量度单位　（即一个长度单位），简写为ｎｍ（ｎａｎｏｍｅｔｅｒ）。　１ｎｍ＝１０一　ｍ（微米）＝１０　ｍｍ（毫米）＝　１０　ｍ（米）。也就是说，纳米的长度为一米　的十亿分之一、为一毫米的百万分之一，约等　

绪论

1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。

2、纳米材料

（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）

（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；

纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。

（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等

（4）纳米材料的维度：

○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）

○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）

○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）

○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）

（5）纳米材料的分类 ○1具有纳米尺度外形的材料

○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料

3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。

4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。

5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。可用于研究半导体、导体和绝缘体。

AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。

6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程

分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质

战略性新兴产业之　

纳米新材料　

■文／任红轩　国家纳米科学中心　

战略性新兴产业是新兴科技和新　兴产业的一个深度结合，它将推动新　一轮的产业革命，最终形成战略性支　柱产业。战略性新兴产业涉及３个关　键词，分别是新兴科技、新兴产业、战　略性。我国将发展新能源、节能环保、　电动汽车、新材料、新医药、生物育种　和信息产业等七大产业作为战略性新　兴产业的核心内容。从产业内容看，　“七大产业”一直是国家产业发展的重　点目标和主要方向，在产业结构调整　中承担重要作用；从战略地位看，它　强调以国际视野和战略思维来选择与　发展产业。　

一、世界各国均开展战略性产　业部署　当前，国际金融危机给世界经济　

豳Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　带来了巨大影响，各国都在寻找下一　轮经济增长的动力，开始培育对国民　经济发展和国家安全具有重大影响　的战略性新兴产业。例如美国奥巴马　政府十分强调新能源、干细胞、航天　航空、宽带网络的技术开发和产业发　展；日本把重点放在商业航天市场、　信息技术应用、新型汽车、低碳产业、　医疗与护理、新能源（太阳能）等新兴　行业；英国为了应对目前的经济衰　退，启动了一项批量生产电动车、混合　燃料车的“绿色振兴计划”；德国政府　批准了总额为５亿欧元的电动汽车研　发计划预算；韩国制定了《新增长动　力规划及发展战略》，将绿色技术、尖　端产业融合、高附加值服务等３Ｘ领　域共１７项新兴产业确定为新增长动　力。从选择依据看，最重要的有３条：　一是产品要有稳定并有发展前景的市　场需求；二是要有良好的经济技术效　益；三是要能带动一批产业的兴起。　我国领导人也高度重视战略性　新兴产业，２００９年ｌ１月３日，温家宝总　理在人民大会堂向首都科技界发表了　题为（《让科技引领中国可持续发展》的　讲话，他强调，“科学选择战略性新兴　产业非常重要，选对了就能跨越发展，　选错了将会贻误时机。我国发展战略　性新兴产业，具备一定的比较优势和　广阔的发展空间，完全可以有所作为。　要更加重视基础研究和战略高技术研　究。原始创新是一个国家竞争力的源　泉。中国要抢占未来经济科技发展的　制高点，就不能总是跟踪模仿别人，也　不能坐等技术转移，必须依靠自己的　力量拿出原创成果。”