1、納米材料的發(fā)展史1965年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者、美國(guó)加利福尼亞工學(xué)院教授費(fèi)曼（R.P.Feynman）曾在1959年預(yù)言：“如果有一天可以按照人的意志來(lái)安排一個(gè)個(gè)原子，將會(huì)產(chǎn)生怎樣的奇跡？”時(shí)間僅僅過(guò)去了二十幾年，到了1982年，費(fèi)曼的預(yù)言便成了現(xiàn)實(shí)。國(guó)際商用機(jī)器公司研制成了掃描隧道顯微鏡（簡(jiǎn)稱STM）,它不僅能使人類觀察到了原子，而且能夠利用儀器的針尖來(lái)操縱原子，德國(guó)科學(xué)家賓尼（GBinnig）等利用掃描隧道顯微鏡在鎳板上將硅原子組成了“IBM”（國(guó)際商用機(jī)器公司的英文縮略語(yǔ)）的字樣。不久，日本科學(xué)家又將硅原子堆成了一個(gè)金字塔。于是，人類也像大自然一樣，成了主宰原子和分子的主人，而不僅僅是被

2、動(dòng)地去認(rèn)識(shí)和利用大自然造就的原子和分子。這樣，到了20和21世紀(jì)之交，人類正在悄悄地進(jìn)入一個(gè)嶄新的科技時(shí)代納米科技時(shí)代。納米科技是在納米的尺度上研究和應(yīng)用原子、分子及其結(jié)構(gòu)信息的高新技術(shù)，它的最終目標(biāo)是直接用具有納米尺度的原子、分子制造有特定功能的材料，被稱為納米材料（由粒徑1100nm的粒子組成的固體材料），它是21世紀(jì)很有希望和前途的新型材料。（1）納米材料的發(fā)現(xiàn)組成材料的物質(zhì)顆粒變小了，“小不點(diǎn)”會(huì)不會(huì)與“大個(gè)子”的性質(zhì)很不相同呢？這便是納米材料的發(fā)現(xiàn)者德國(guó)物理學(xué)家格萊特（Grant）的科學(xué)思路。那是1980年的一天，格萊特到澳大利亞旅游，當(dāng)他獨(dú)自駕車橫穿澳大利亞的大沙漠時(shí)，空曠、寂寞和

3、孤獨(dú)的環(huán)境反而使他的思維特別活躍和敏銳。他長(zhǎng)期從事晶體材料的研究，了解晶體的晶粒大小對(duì)材料的性能有很大的影響：晶粒越小，強(qiáng)度就越高。格萊特上面的設(shè)想只是材料的一般規(guī)律，他的想法一步一步地深入：如果組成材料的晶體的晶粒細(xì)到只有幾個(gè)納米大小，材料會(huì)是個(gè)什么樣子呢？或許會(huì)發(fā)生“翻天覆地”的變化吧！格萊特帶著這些想法回國(guó)后，立即開(kāi)始試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)將近4年的努力，終于在1984年制得了只有幾個(gè)納米大小的超細(xì)粉末，包括各種金屬、無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物的超細(xì)粉末。格萊特在研究這些超細(xì)粉末時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分有趣的現(xiàn)象。眾所周知，金屬具有各種不同的顏色，如金子是金黃色的，銀子是銀白色的，鐵是灰黑色的。至于金屬以外的材

4、料如無(wú)機(jī)化合物和有機(jī)化合物，它們也可以帶著不同的色彩：瓷器上面的釉歷來(lái)都是多彩的，由各種有機(jī)化合物組成的染料更是鮮艷無(wú)比?？墒?，一旦所有這些材料都被制成超細(xì)粉末時(shí)，它們的顏色便一律都是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各種金屬統(tǒng)統(tǒng)變成了一種顏色一黑色。正像格萊特想像的那樣，“小不點(diǎn)”與“大個(gè)子”相比，性能上發(fā)生了“翻天覆地”的變化。為什么無(wú)論什么材料，一旦制成納米“小不點(diǎn)”，就都成了黑色的呢？原來(lái)，當(dāng)材料的顆粒尺寸變小到小于光波的波長(zhǎng)（1x10-7n左右）時(shí)，它對(duì)光的反射能力變得非常低，大約低到小于1%。既然超細(xì)粉末對(duì)光的反射能力很小，我們見(jiàn)到的納米材料便都是黑色的了?！靶〔稽c(diǎn)”性質(zhì)上的變化確實(shí)是令

5、人難以置信的。著名的美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室制備出了一種納米金屬，居然使金屬?gòu)膶?dǎo)電體變成了絕緣體；用納米大小的陶瓷粉末燒結(jié)成的陶瓷制品再也不會(huì)一摔就破了。格萊特的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)和正在改變科學(xué)技術(shù)中的一些傳統(tǒng)概念。因此，納米材料將是21世紀(jì)備受矚目的一種高新技術(shù)產(chǎn)品。（2）納米材料的應(yīng)用天然納米材料海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國(guó)附近的海域，才能得以生存和長(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來(lái)回約需56年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬(wàn)千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部?jī)?nèi)的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)航。生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物

6、為什么從來(lái)不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著納米材料為它們導(dǎo)航。納米磁性材料在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比Y-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫

7、下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。納米傳感器納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。納米傾斜功能材料在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，

8、讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。納米半導(dǎo)體材料將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)

9、生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。納米催化材料納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600C降低到室溫。醫(yī)療上的應(yīng)用血液中紅血球的大小為60009000nm,而納米粒子只有幾

10、個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。納米計(jì)算機(jī)世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年，它是由美國(guó)的大學(xué)和陸軍部共同研制成功的,一共用了18000個(gè)電子管，總重量30t,占地面積約170m2,可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1s內(nèi)只能完成5000次運(yùn)算。經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程技術(shù)的發(fā)展，使計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬(wàn)分之一，但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一代電子計(jì)算機(jī)。如果采用納米技術(shù)來(lái)構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來(lái)的計(jì)算機(jī)將是一種，分子計(jì)算機(jī)”，其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來(lái)十分可觀的效益。納米碳管1991年，日本電氣公司的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由許多六邊形的環(huán)狀碳原子組合而成的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。這種單層和多層的管狀物的兩端常常都是封死的，如圖2-1。圖2-1納米碳管這種由碳原子組成的管狀物的直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。在空