著名的诺贝尔奖获得者 Feyneman在 20世纪 60年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级 (10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为 1～102 nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子 ,二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构[1 , 2 ]。

    1984年德国萨尔兰大学的 Gleiter以及美国阿贡试验室的 Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高洁净真空的条件下将粒径为 6 nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体 ,从而使纳米材料进入了一个新的阶段 [3 ]。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议 ,正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说 ,它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中 ,界面原子占极大比例 ,而且原子排列互不相同 ,界面周围的晶格结构互不相关 ,从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态 [4]。在纳米材料中 ,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序 ,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级 ,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变 [5～7]。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷 ,和其他固体材料都是由同样的原子组成 ,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团 ,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。一个直径为 3 nm的原子团包含大约 900个原子 ,几乎是英文里一个句点的百万分之一 ,这个比例相当于一条300多米长的船跟整个地球的比例 [8]。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点 ,其相应发展起来的纳米技术被公认为是 2 1世纪最具有前途的科研领域。 　　

1　纳米材料的特性

1.1　纳米材料的表面效应

　　纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大[9]后所引起的性质上的变化 。（图略）　　

1.2　纳米材料的体积效应 [1 0 ]

　　由于纳米粒子体积极小 ,所包含的原子数很少。因此 ,许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明 ,这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态 ,并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级 ,并认为相邻电子能级间距 δ和金属纳米粒子的直径 d的关系为 :

　　　　 δ=4EF/ 3 N∝ V-1∞1 / d3 (1 )

　　其中 ,N为一个金属纳米粒子的总导电电子数 ;V为纳米粒子的体积 ;EF 为费米能级。随着纳米粒子的直径减小 ,能级间隔增大 ,电子移动困难 ,电阻率增大 ,从而使能隙变宽 ,金属导体将变为绝缘体。　　

1.3　纳米材料的量子尺寸效应 [1 1 ]

　　当纳米粒子的尺寸下降到某一值时 ,金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级 ;并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级 ,使得能隙变宽的现象 ,被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质 ,如高的光学非线性 ,特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长 ,德布罗意波长 ,超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时 ,晶体周期性边界条件将被破坏 ,非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小 ,导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。如光吸收显著增加 ,超导相向正常相转变 ,金属熔点降低 ,增强微波吸收等。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质 ,可以改变颗粒尺寸 ,控制吸收边的位移 ,制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料 ,用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。

　　由于纳米粒子细化 ,晶界数量大幅度的增加 ,可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光 ,机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒 ,使得纳米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性 ,例如 :纳米相铜强度比普通铜高 5倍 ;纳米相陶瓷的韧性是极高的 ,这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结构 ,可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料 ,为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。　　

2 纳米技术的应用及前景

2.1 纳米技术在陶瓷领域的应用

　　陶瓷材料作为材料的三大支柱之一 ,在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是 ,由于传统陶瓷材料质地较脆 ,韧性、强度较差 ,因而使其应用受到了较大的限制。随着纳米技术的广泛应用 ,纳米陶瓷随之产生 ,希望以此来克服陶瓷材料的脆性 ,使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。英国著名材料专家 Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。

　　所谓纳米陶瓷 ,是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料 ,也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上[1 2 ]。要制备纳米陶瓷 ,这就需要解决 :粉体尺寸、形貌和分布的控制 ,团聚体的控制和分散 ,块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

　　 Gleiter指出 [13],如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成 ,则能够在低温下变为延性的 ,能够发生 100 %的塑性形变。并且发现 ,纳米 TiO2 陶瓷材料在室温下具有优良的韧性 ,在 180℃经受弯曲而不产生裂纹。许多专家认为 [1 4],如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题 ,从而控制陶瓷晶粒尺寸在 50 nm以下的纳米陶瓷 ,则它将具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。上海硅酸盐研究所研究发现 ,纳米 3Y-TZP陶瓷 (100 nm左右 )在经室温循环拉伸试验后 ,其样品的断口区域发生了局部超塑性形变 ,形变量高达380 %,并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线 [1 5]。Tatsuki等人对制得的 Al2O3 -SiC纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验 ,结果发现伴随晶界的滑移 ,Al2O3 晶界处的纳米 SiC粒子发生旋转并嵌入Al2O3 晶粒之中 ,从而增强了晶界滑动的阻力 ,也即提高了Al2O3 -SiC纳米复相陶瓷的蠕变能力 [1 6]。

　　我们曾经利用化学共沉淀结合高频等离子体焙解新工艺[1 7, 1 8],制得了纳米 ZnO及相应的添加剂陶瓷复合粉体。TEM分析结果表明 :陶瓷复合粉体的粒径均小于 100 nm。通过适当的杂质配比 ,在 1100℃左右烧结 ,可获得致密的瓷体 ,压敏电压可达 480V/ mm左右 ,非线性系数可达52。

　　虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决 ,但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性 ,使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用 ,并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用 ,具有广阔的应用前景。　　2.2　纳米技术在微电子学领域的应用

　　纳米电子学是纳米技术的重要组成部分 ,其主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件 ,它包括纳米有序 (无序 )阵列体系、纳米微粒与微孔固体组装体系、纳米超结构组装体系。纳米电子学的最终目标是将集成电路进一步减小 ,研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。

　　目前 ,利用纳米电子学已经研制成功各种纳米器件。单电子晶体管 ,红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。并且 ,具有奇特性能的碳纳米管的研制成功 ,为纳米电子学的发展起到了关键作用。

    碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成 ,径向尺层控制在 100nm以下。电子在碳纳米管的运动在径向上受到限制 ,表现出典型的量子限制效应 ,而在轴向上则不受任何限制[1 9]。以碳纳米管为模子来制备一维半导体量子材料 ,并不是凭空设想 ,清华大学的范守善教授利用碳纳米管 ,将气相反应限制在纳米管内进行 ,从而生长出半导体纳米线。他们将 Si-SiO2 混合粉体置于石英管中的坩埚底部 ,加热并通入 N2 。SiO气体与 N2 在碳纳米管中反应生长出 Si N纳米线 ,其径向尺寸为 4～40 nm。另外 ,在 1 997年 ,他们还制备出了GaN纳米线[2 0 ]。1998年该科研组与美国斯坦福大学合作 ,在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长 ,它将大大推进碳纳米管在场发射平面显示方面的应用。其独特的电学性能使碳纳米管可用于大规模集成电路 ,超导线材等领域。

　　早在 1989年 ,IBM公司的科学家就已经利用隧道扫描显微镜上的探针 ,成功地移动了氙原子 ,并利用它拼成了 IBM三个字母。日本的 Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管 ,它通过控制单个电子运动状态完成特定功能 ,即一个电子就是一个具有多功能的器件。另外 ,日本的 NEC研究所已经拥有制作 100 nm以下的精细量子线结构技术 ,并在 GaAs衬底上 ,成功制作了具有开关功能的量子点阵列。

　　美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件 ,在微电子和光电子领域将获得广泛应用。此外 ,若能将几十亿个量子点连结起来 ,每个量子点的功能相当于大脑中的神经细胞 ,再结合 MEMS(微电子机械系统 )方法 ,它将为研制智能型微型电脑带来希望 [2 1 ],实现信息采集和处理能力的革命性突破。 　　2.3　纳米技术在生物工程领域的应用

　　众所周知 ,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料 ,每一个生物大分子本身就是一个微型处理器 ,分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化 ,其原理类似于计算机的逻辑开关 ,利用该特性并结合纳米技术 ,可以设计量子计算机。美国南加州大学的 Adelman博士等 [2 2 ]应用基于 DNA分子计算技术的生物实验方法 ,有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密顿路径问题”,使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。

　　虽然分子计算机目前只是处于理想阶段 ,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件 ,其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性 ,并且 ,其奇特的光学循环特性可用于储存信息 ,从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。在整个光循环过程中 ,细菌视紫红质经历几种不同的中间体过程 ,伴随相应的物质结构变化。Birge等[2 3 ]研究了细菌视紫红质分子潜在的并行处理机制和用作三维存储器的潜能。通过调谐激光束 ,将信息并行地写入细菌视紫红质立方体 ,并从立方体中读取信息 ,并且细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。

　　到目前为止 ,还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为 :要想提高集成度 ,制造微型计算机 ,关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门 ,利用发光门制成蛋白质存储器。此外 ,他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置 [2 4, 2 5]。

　　纳米计算机的问世 ,将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限 ,使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高了上百万倍 ,从而实现电子学上的又一次革命。

　　总之 ,纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点 ,正如钱学森院士所预言的那样 :“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点 ,会是一次技术革命 ,从而将是 21世纪的又一次产业革命。” 　　2.4　纳米技术在化工领域的应用

　　纳米粒子作为光催化剂 ,有着许多优点。首先是粒径小 ,比表面积大 ,光催化效率高。另外 ,纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前 ,大部分不会重新结合。因此 ,电子、空穴能够到达表面的数量多 ,则化学反应活性高。其次 ,纳米粒子分散在介质中往往具有透明性 ,容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前 ,工业上利用纳米二氧化钛 -三氧化二铁作光催化剂 ,用于废水处理 (含 SO2 -3 或 Cr2 O2 -7体系 ) ,已经取得了很好的效果。表 1所示为纳米 TiO2 粉用作光催化剂处理含有 SO2 -3 或 Cr2O2 -7废水体系的结果 [2 6 ]:

　　表 1　光催化剂形态与转化率的关系

　　

    我们利用沉淀溶出法制备出了粒径约 3 0～ 6 0 nm的白色球状钛酸锌粉体[2 7],该粉体比表面积大 ,化学活性高 ,用它作吸附脱硫剂 ,较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。

　　纳米静电屏蔽材料 ,是纳米技术的另一重要应用 [2 8]。以往的静电屏蔽材料一般都是由树脂掺加碳黑喷涂而成 ,但性能并不是特别理想。为了改善静电屏蔽材料的性能 ,日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如 Fe2O3 ,TiO2 ,ZnO等做成涂料 ,由于具有较高的导电特性 ,因而能起到静电屏蔽作用。另外 ,氧化物纳米微粒的颜色各种各样 ,因而可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色 ,这种纳米静电屏蔽涂料不但有很好的静电屏蔽特性 ,而且也克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。

　　另外 ,如将纳米 TiO2 粉体按一定比例加入到化妆品中 ,则可以有效地遮蔽紫外线。一般认为 ,其体系中只需含纳米二氧化钛 0.5%～1 %,即可充分屏蔽紫外线。目前 ,日本等国已有部分纳米二氧化钛的化妆品问世。紫外线不仅能使肉类食品自动氧化而变色 ,而且还会破坏食品中的维生素和芳香化合物 ,从而降低食品的营养价值。如用添加 0.1 %～0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品 ,既可以防止紫外线对食品的破坏作用 ,还可以使食品保持新鲜 [2 9]。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中 ,可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体 ,可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩 ,用于电池电极、化学成分探测器及作为高效率的热交换隔板材料等。纳米微粒还可用作导电涂料 ,用作印刷油墨 ,制作固体润滑剂等。

　　我们采用化学共沉淀法 ,利用 ZnCO3 包覆 Ti(OH)4粒子 ,在一定温度下进行预焙解 ,然后溶去绝大部分包覆的 ZnO粉体。利用体系中少量的 ZnTiO3 (ZnTiO3 与 TiO2 (R)的晶体结构类似 )促进了 TiO2从锐钛型向金红石型的转化 ,结果制得粒径约 20～60 nm的金红石型二氧化钛粉体。用 UV-2100S紫外分光光度计进行了光学性能测试 ,结果发现此粉体对240～400 nm的紫外线有较强的吸收 ,吸收率高达92 %以上 ,其吸收性能远远高于普通 TiO2 粉体 [3 0 ]。另外 ,由于纳米粉体的量子尺寸效应和体积效应 ,导致纳米粒子的光谱特性出现“蓝移”或“红移”现象。在制备超细铝酸盐基长余辉发光材料时 ,我们发现 ,利用软化学法合成出的超细发光粉体的发射光谱的主峰位置 ,较固相机械混合烧结法制备的发光粉体蓝移了 12 nm。余辉衰减曲线表明 ,该法合成出的发光粉体 ,其余辉衰减速度相对固相法合成出的发光粉体要快得多 ,这些都是由于粉体粒子大幅度减小所致 [3 1 , 3 2 ]。

　　研究人员还发现 ,可以利用纳米碳管其独特的孔状结构 ,大的比表面 (每克纳米碳管的表面积高达几百平方米 )、较高的机械强度做成纳米反应器 ,该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中 ,反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列 ,但同时限制了反应物分子和反应中间体的运动。这种取向、排列和限制作用将影响和决定反应的方向和速度。科学家们利用纳米尺度的分子筛作反应器 ,在烯烃的光敏氧化作用中 ,将底物分子置于反应器的孔腔中 ,敏化剂在溶液中 ,这样就只生成单重态的氧化产物。用金属醇化合物和羧酸反应 ,可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接技共聚物会形成微相分离 ,可形成不同的“纳米结构”作为纳米反应器 [3 3 ]。