一、歷史背景
在20世紀90年代的科技報刊上，經(jīng)常出現(xiàn)“納米材料”和“納米技術”這種名詞。什么是“納米材料”呢？通俗一點說，就是用尺寸只有幾個納米的極微小的顆粒組成的材料。1納米為10億分之一米，用肉眼根本看不見。但用納米顆粒組成的材料卻具有許多特異性能。因此，科學家又把它們稱為“超微粒”材料和“21世紀新材料”。而納米材料并非完全是最近才出現(xiàn)的。最原始的納米材料在我國公元前12世紀就出現(xiàn)了，那就是中國的文房四寶之──墨，墨中的重要成分是煙。實際上，煙是由許多超微粒炭黑形成的，而制造煙和墨的過程中就包含了所謂的納米技術。
1984年，一位德國科學家格萊特（Gleiter）把一些極其細微的肉眼看不見的金屬粉末用一種特殊的方法壓制成一個小金屬塊，并對這個小金屬塊的內部結構和性能做了詳細的研究。結果發(fā)現(xiàn)這種金屬竟然呈現(xiàn)出許多不可思議的特異的金屬性能和內部結構。他制出的這種材料的特殊性在于，一般的物理概念認為晶體的有序排列為物質的主體，而其中的缺陷、雜質是次要的，要盡力除去。格萊特把物質碾成極小微粒再組合起來，實際上是把界面上的缺陷作為物質的主體，由微小顆粒壓制成的金屬塊是一種雙組元材料，有晶態(tài)組元和界面組元，界面組元占50％，在晶態(tài)組元中原子仍為原來的有序排列，而在界面組元中，界面存在大量缺陷，原子的排列順序發(fā)生變化，當把雙組元材料制到納米級時，這種特殊結構的物質就構成了納米材料，由此開始了對納米材料及納米科學技術的研究。
1987年，德國和美國同時報道制備成功二氧化鈦納米陶瓷（顆粒大小為12納米），這種陶瓷比單晶體和粗晶體的二氧化鈦陶瓷的變形性能和韌性好得多。例如，納米陶瓷在180℃下能經(jīng)受彎曲變形而不產(chǎn)生裂紋，納米陶瓷零件即使開始時帶有裂紋，在經(jīng)受一定程度的彎曲變形后，裂紋也不會擴大。1989年，美國商用機器公司（IBM）的科學家用80年代才發(fā)明的掃描隧道顯微鏡（STM）移動氙原子，用它們拼成IBM三個字母，接著又用48個鐵原子排列組成了漢字“原子“兩字。1990年，首屆納米科學技術大會在美國成功舉行，標志著一個把微觀基礎理論與當代高科技緊密結合的新型學科──納米科學技術正式誕生了。1991年，IBM的科學家制成了速度達每秒200億次的氙原子開關。1996年，IBM設在蘇黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盤”，這種“算盤”的算珠只有納米級大小，由著名的“碳”巴基球C60制成。
二、發(fā)展現(xiàn)狀
納米技術的發(fā)展現(xiàn)狀十分樂觀，世界各國紛紛制定發(fā)展納米科學技術的戰(zhàn)略，納米科技成為世界科技競爭的一個熱點領域。1981年日本就啟動了第一個關于超細粒子的5年計劃，1992年，開始啟動微型機械技術計劃，研制能進入人體血管的微型機器人，還啟動了“原子與分子終極利用技術”計劃，上世紀末又設立了納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技開發(fā)重點；美國也不甘落后，2001年在納米科學技術研究上投入50億美元，其中5億美元優(yōu)先實施新的“全國納米科技計劃”；德國建立了納米技術研究網(wǎng)，計劃投資5000萬美元建立一個科學中心，重點為納米技術研究；1994年，英國啟動了第一個納米材料研究的5年計劃。
中國對納米科學技術也非常重視，中國科學院在2000年成立了由其所屬的20個研究所組成的中國科學院納米科技中心，開通了納米科技網(wǎng)站（http：//www．casnano．net．cn、http：//www．casnano．org．cn、http：//www．casnano．com．on），并在化學研究所建成納米科技樓。納米科技中心圍繞納米科技領域的重點問題和國家、院重大科技計劃，組織分布在不同領域不同單位的科技工作者，利用納米科技網(wǎng)站納米科技中心研究實體，實現(xiàn)有關科技信息、技術軟件和儀器設備的共享，在中科院知識創(chuàng)新工程中，將納米材料列入首批20個重大項目之一，支持力度為2000萬元人民幣。據(jù)不完全統(tǒng)計，在納米科學研究方面，中國論文總數(shù)（以2000年科學引文索引SCI為準）繼美、日、德之后位于世界第4位，在碳納米管方面論文居世界第三。
隨著納米科技的發(fā)展，人們越來越認識到，只要控制結構顆粒的大小，就能制造出強度、顏色和可塑性都能滿足用戶要求的納米材料。納米材料無與倫比的特性，使它在無數(shù)領域有著良好的應用前景。
三、應用前景
由于納米材料的表面效應、量子尺寸效應及宏觀量子隧道效應等，使得納米材料在許多領域呈現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的特性，“納米材料”“納米技術”不再是科學家或實驗室的專有詞匯，它已經(jīng)悄然進入尋常百姓生活，滲透到衣、食、住、行等領域。因此，納米材料具有十分廣泛的應用前景。
作為磁性材料的應用 磁性超微粒由于尺寸小、具有單磁疇結構、矯頑力很高等特性，已被用做高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡等。用這樣的材料制作的磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質量。此外，磁性納米材料還可用做光快門，火光調節(jié)器、病毒檢測儀等儀器儀表，復印機墨粉材料以及磁墨水和磁印刷材料等。
作為傳感器材料及微電子器件材料的應用 傳感器是超微粒的最有前途的應用領域之一，例如，用納米二氧化錫膜制成的傳感器，可用于可燃性氣體泄露報警器和濕度報警器。用金超微粒沉積在基板上形成的膜可用做紅外線傳感器，金超微粒膜的特點是可見至紅外整個范圍的光吸收率都很高。大量紅外線被金屬膜吸收后轉變成熱，由膜和冷接點之間的溫差可測出溫差電動勢，因此可制成輻射熱測量器。
作為跨世紀的新材料，納米材料將用于下一步的微電子器件，使未來的電腦、電視、衛(wèi)星、機器人等的體積變得越來越小。例如，北京大學用單壁碳納米管做成了世界上最細、性能最好的掃描探針，獲得了精美的熱解石墨的原子形貌像；利用單壁短管作為場電子顯微鏡（PEM）的電子發(fā)射源，拍攝到過去認為不可能獲得的原子像；復旦大學已經(jīng)研制出50納米的新材料，居國際領先地位，這些材料將用于制造電子器件中的極板、存儲器和導線。電子通訊方面，納米技術將使電子元件體積更小、速度更快、能耗更低，可以制造出存儲密度和運算速度比現(xiàn)在大3至6個數(shù)量級的全頻道通訊工程和計算機用器件。1999年，美國喬治亞理工學院電子顯微鏡實驗室主任王中林教授與其他科學家發(fā)明了電子秤，電子秤的發(fā)明打開了納米科學與技術的新研究領域，對生物學和醫(yī)學研究來說，它可以測量單個病毒或生物大分子的質量，從而提供一種用質量來判別病毒種類的新方法，開辟了在生物學和醫(yī)學上有應用前景的納米測量技術的新天地。
納米材料在催化方面的應用 超微粒的表面有效活性中心多，這就為做催化劑提供了基本條件。在高分子聚合物的氫化和脫氧反應中，納米銅粉催化劑有很高的活性和選擇性；在汽車尾氣凈化處理的過程中，納米銅粉作為催化劑可以用來部分代替貴金屬鉑和銠。
作為光學材料的應用 納米微粒具有常規(guī)大塊材料不具備的光學特性，如光學非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等，使得用納米材料制備的光學材料在日常生活和高技術領域得到廣泛的應用，在現(xiàn)代通訊和光傳輸方面占有極其重要的地位。用納米微粒做光纖材料可以降低光導纖維的傳輸損耗。納米微粒在紅外反射材料上的應用主要是制成薄膜和多層膜來使用，有納米微粒制成的紅外膜有透明導電膜、多層干涉膜。例如，用納米二氧化硅和納米二氧化鈦微粒制成的多層干涉膜，總厚度為微米級，社在燈泡罩的內壁，不但透光率好，而且有很強的紅外反射能力。
在醫(yī)學、生物工程方面的應用 納米技術引入現(xiàn)代醫(yī)學即形成了載藥納米微粒，納米微、粒的尺寸一般比生物體內的細胞小得多，這就為生物學研究提供了一個新的研究途徑，即利用納米微粒進行細胞分離及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進行局部定向治療等。日本大版科學家使用激光技術，用合成樹脂制成了迄今為止世界上最小的牛、他們這樣做是為今啟使用納米技術制造能在血管中移動的“納米機器”做準備，這是因為牛有很尖的尖角，周身既有平滑部分，又有彎度很大的部分，對制作技術提出了挑戰(zhàn)，能完美選出“納米�！�，也就能造出各種各樣的納米機器。與此同時，大阪的科學家用同樣的方法造出了一個“納米彈簧”，科學家希望，這樣的彈簧能成為未來納米機器的部件。
復合材料的應用 納米材料在復合材料的制各方面也有廣泛的應用。例如把金屬的納米顆粒放入常規(guī)陶瓷中可大大改善材料的力學性能，將金屬超微粒摻入合成纖維中可防止帶靜電，在塑料中摻入金屬超微�？刹桓淖兤鋸姸榷刂破潆姶判再|等。超微粒也有可能作為梯度功能材料的原材料，例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導熱性好的金屬，其間為陶瓷和金屬的復合體，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達1000℃的航天飛機隔熱材料，核聚變反應堆的結構材料等。據(jù)《科技日報》報道，日本大阪大學研究人員最近把有機化合物“環(huán)糊精”與無機硅化合物結合在一起，加以燒結，制作出了具有新物質特性的納米材料。如果再對這種有機──無機復合物質進行燒制，其中的碳和氫被燃燒掉后，就會在納米級別上合成氧化物陶瓷；而在氬等非活性氣體中，再提高溫度進行燒結，這種復合物質還能夠被制成碳納米管。
人們對納米材料的物理、化學性質進行了大量的研究，目前納米材料的某些應用已進入了工業(yè)化的生產(chǎn)階段，但一些新的應用領域還需要進一步開拓。從國內外納米材料的研制、生產(chǎn)和應用的形勢來看，納米材料的工業(yè)生產(chǎn)和廣泛的應用正處在重大突破的前夕。在中國，尤其是以碳納米管為代表的準一維納米材料及其陣列方面做了有影響的成果。
納米技術的發(fā)展對人類的生活產(chǎn)生了巨大影響，我們應該清醒地認識到，納米時代的到來還需要許多科學家的長期不懈努力，有人曾擔心說：“納米時代一旦來臨，人類的正常生活將不復存在”，這正如法國科學院院土、諾貝爾物理學獎獲得者喬治?夏伯克（Georses Charpark）博士在北京師范大學“教育報告會”上所說的：人們怕核武器，是因為人們不了解核武器，當人們一旦掌握了核武器，就自然不怕核武器。同樣，當人們掌握了納米技術，它就會按人類的意愿服務于人類。
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