【正文】 空間，常常忽略這個中間領(lǐng)域，而這個領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在 20 世紀 70 年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約 20—30 納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000 倍。80 年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。廣義地說，所謂納米材料,是指微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1nm ——100nm）調(diào)制的各種固體超細材料，它包括零維的原子團蔟（幾十個原子的聚集體）和納米微粒；一維調(diào)制的納米多層膜；二維調(diào)制的納米微粒膜（涂層） ；以及三維調(diào)制的納米相材料。簡單地說，是指用晶粒尺寸為納米級的微小顆粒制成的各種材料，其納米顆粒的大小不應超過 100 納米，而通常情況下不應超過 10 納米。目前，國際上將處于 1—100nm 納米尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米微晶所構(gòu)成的材料，統(tǒng)稱為納米材料 [1]，包括金屬、非金屬、有機、無機和生物等多種粉末材料 納米材料的分類 納米材料按其結(jié)構(gòu)可以分為四類：具有原子蔟和原子束結(jié)構(gòu)的稱為零維納米材料；具有纖維結(jié)構(gòu)的稱為一維納米材料；具有層狀結(jié)構(gòu)的稱為二維納米材料；晶粒尺寸至少一個方向在幾個納米范圍內(nèi)的稱為三維納米材料。還有就是以上各種形式的復合材料。按化學組份，可分為納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。按材料物性，可分為納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。按應用，可分為納米電子材料、納米光電子材料、納米生物醫(yī)用材料、納米敏感材料、納米儲能材料等。 納米材料的發(fā)展現(xiàn)狀 在充滿生機的 21 世紀，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教?、新型軍事裝備及先進制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來 10 年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一 [2]。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達到每平方厘米 400g 的磁性納米棒陣列的量子磁盤，成本低廉、發(fā)光頻段可調(diào)的高效納米陣列激光器，價格低廉高能量轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)太陽能電池和熱電轉(zhuǎn)化元件，用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強高韌納米復合材料等的問世，充分顯示了它在國民經(jīng)濟新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應用的巨大潛力。正像美國科學家估計的“這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給予各個領(lǐng)域帶來一場革命” 。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機遇。研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次，是知識創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度（1～100urn）與物質(zhì)中的許多特征長度，如電子的德布洛意波長、超導相干長度、隧穿勢壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當，從而導致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認識新規(guī)律，提出新概念，建立新理論，為構(gòu)筑納米材料科學體系新框架奠定基礎(chǔ)，也將極大豐富納米物理和納米化學等新領(lǐng)域的研究內(nèi)涵。世紀之交高韌性納米陶瓷、超強納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題；納米結(jié)構(gòu)設(shè)計，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當今納米材料研究新熱點，人們可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設(shè)計納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。 1）研究形狀和趨勢 納米材料制備和應用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀前 20 年的主導技術(shù)，帶動納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀之交世界先進國家都從未來發(fā)展戰(zhàn)略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關(guān)鍵時刻，迎接新的挑戰(zhàn)，抓緊納米材料和柏米結(jié)構(gòu)的立項，迅速組織科技人員圍繞國家制定的目標進行研究是十分重要的。 納米材料誕生州多年來所取得的成就及對各個領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進入 90 年代，納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴大，領(lǐng)域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎(chǔ)研究和應用研究的銜接十分緊密，實驗室成果的轉(zhuǎn)化速度之快出乎人們預料，基礎(chǔ)研究和應用研究都取得了重要的進展。美國已成功地制備了晶粒為 50urn 的納米 cu 材料，硬度比粗晶 cu 提高 5 倍；晶粒為 7urn 的 pd，屈服應力比粗晶 pd 高 5 倍；具有高強度的金屬間化合物的增塑問題一直引起人們的關(guān)注，晶粒的納米化為解決這一問題帶來了希望， 根據(jù)納米材料發(fā)展趨勢以及它在對世紀高技術(shù)發(fā)展所占有的重要地位 [3][4]，世界發(fā)達國家的政府都在部署本來 10～15 年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。美國國家基金委員會（nsf ）1998年把納米功能材料的合成加工和應用作為重要基礎(chǔ)研究項目向全國科技界招標；美國darpa（國家先進技術(shù)研究部）的幾個計劃里也把納米科技作為重要研究對象；日本近年來制定了各種計劃用于納米科技的研究，例如 ogala 計劃、erato 計劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計劃，1997 年，納米科技投資 億美元；德國科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了 1995 年到 2022 年 15 年發(fā)展納米科技的計劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997 年西歐投資 億美元。據(jù) 1999 年 7 月 8 日《自然》最新報道，納米材料應用潛力引起美國白宮的注意；美國總統(tǒng)克林頓親自過問納米材料和納米技術(shù)的研究，決定加大投資，今后 3 年經(jīng)費資助從 億美元增 加至 5 億美元。這說明納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究熱潮在下一世紀相當長的一段時間內(nèi)保持繼續(xù)發(fā)展的勢頭。 2）國際動態(tài)和發(fā)展戰(zhàn)略 1999 年 7 月 8 日《自然》 （400 卷）發(fā)布重要消息 題為“ 美國政府計劃加大投資支持納米技術(shù)的興 起” 。在這篇文章里，報道了美國政府在 3 年內(nèi)對納米技術(shù)研究經(jīng)費投入加倍，從 億美元增加到 5 億美元。為了加速美國納米材料和技術(shù)的研究，白宮采取了臨時緊急措施，把原 億美元的資助強度提高到 億美元。 《美國商業(yè)周刊》8 月 19 日報道，美國政府決定把納米技術(shù)研究列人 21 世紀前 10 年前 11 個關(guān)鍵領(lǐng)域之一， 《美國商業(yè)周刊》在掌握 21 世紀可能取得重要突破的 3 個領(lǐng)域中就包括了納米技術(shù)領(lǐng)域（其它兩個為生命科學和生物技術(shù)，從外星球獲得能源） 。美國白宮之所以在 20世紀即將結(jié)束的關(guān)鍵時刻突然對納米材料和技術(shù)如此重視，其原因有兩個方面：一是德科學技術(shù)部 1996 年對 2022 年納米技術(shù)的市場做了預測，估計能達到 14400 億美元，美國試圖在這樣一個誘人的市場中占有相當大的份額。美國基礎(chǔ)研究的負責人威廉姆斯說：納米技術(shù)本來的應用遠遠超過計算機工業(yè)。美國白宮戰(zhàn)略規(guī)劃辦公室還認為納米材料是納米技術(shù)最為重要的組成部分。在《自然》的報道中還特別提到美國已在納米結(jié)構(gòu)組裝體系和高比表面納米顆粒制備與合成方面領(lǐng)導世界的潮流，在納米功能涂層設(shè)計改性及納米材料在生物技術(shù)中的應用與歐共體并列世界第一，納米尺寸度的元器件和納米固體也要與日本分庭抗禮。1999 年 7 月，美國加尼福尼亞大學洛杉礬分校與惠普公司合作研制成功 100urn 芯片，美國明尼蘇達大學和普林斯頓大學于 1998 年制備成功量子磁盤，這種磁盤是由磁性納米棒組成的納米陣列體系，10bit／s 尺寸的密度已達 109bit／s，美國商家已組織有關(guān)人員迅速轉(zhuǎn)化，預計 2022 年市場為 400 億美元。1988 年法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，到 1997 年巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國問世，在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭將有重要的應用前景。 最近美國柯達公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預計將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來市場上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應用研究也使人矚目 [5]，正是這些研究使美國白宮認識到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的源泉 [6]，新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎(chǔ)科學提供了新的機遇，美國計劃在這個領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究獨占“老大” 的地位。3）國內(nèi)研究進展我國納米材料研究始于 80 年代末， “八五” 期間， “納米材料科學”列入國家攀登項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織了 8 項重大、重點項目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個分支領(lǐng)域開展工作，國家自然科學基金委員會還資助了 20 多項課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進行立項研究。1996 年以后，納米材料的應用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國納米材料的研究進入了以基礎(chǔ)研究帶動應用研究的新局面。 目前，我國有 60 多個研究小組，有 600 多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應用研究，其中，承擔國家重大基礎(chǔ)研究項目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學。中國科學院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學、中國科學院化學研究所、清華大學，還有吉林大學、東北大學、西安交通大學、天津大學、青島化工學院、華東師范大學，華東理工大學、浙江大學、中科院大連化學物理研究所、長春應用化學 研究所、長春物理研究所、感光化學研究所等也相繼開展了納米材料的基礎(chǔ)研究和應用研究。我國納米材料基礎(chǔ)研究在過去 10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應的設(shè)備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合微粒和粉體的制取等各個方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進展，成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋁晶粒在拉伸疲勞中應力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變；在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國際上首次發(fā)現(xiàn)納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁嫡變超過金屬 gd；設(shè)計和制備了納米復合氧化物新體系，它們的中紅外波段吸收率可達 92％，在紅外保暖纖維得到了應用；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常 hall－petch 效應。 近年來，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關(guān)注。一是大面積定向碳管陣列合成：利用化學氣相法高效制備純凈碳納米管技術(shù) [7]，用這種技術(shù)合成的納米管，孔徑基本一致，約 20urn，長度約 100pm，納米管陣列面積達到 3mm2。其定向排列程度高，碳納米管之間間距為 100pm。這種大面積定向納米碳管陣列，在平板顯示的場發(fā)射陰極等方面有著重要應用前景。這方面的文章發(fā)表在1996 年的美國《科學》雜志上。二是超長納米碳管制備：首次大批量地制備出長度為2～3mm 的超長定向碳納米管列陣 [8]。這種超長碳納米管比現(xiàn)有碳納米管的長度提高1～2 個數(shù)量級。該項成果已發(fā)表于 1998 年 8 月出版的英國《自然》雜志上。英國《金融時報》以“ 碳納米管進入長的階段 ”為題介紹了有關(guān)長納米管的工作。三是氮化嫁納米棒制備：首次利用碳納米管作模板成功地制備出直徑為 3～40urn、長度達微米量級的發(fā)藍光氮化像一維納米棒，并提出了碳納米管限制反應的概念。該項成果被評為1998 年度中國十大科技新聞之一。四是硅襯底上碳納米管陣列研制成功，推進碳納米管在場發(fā)射平面和納米器件方面的應用。五是制備成功一維納米絲和納米電纜，該成果研究論文在瑞典召開的 1998 年第四屆國際納米會議宣讀后，許多外國科學家給予高度評價。六是用苯熱法制備納米氮化像微晶；發(fā)現(xiàn)了非水溶劑熱合成技術(shù)，首次在300℃左右制成粒度達 30urn 的氮化鋅微晶。還用苯合成制備氮化鉻（crn） 、磷化鈷（cop）和硫化銻（ sbs）納米微晶，論文發(fā)表在 1997 年的《科學》雜志上。七是用催化熱解法制成納米金剛石；在高壓釜中用中溫（70℃）催化熱解法使四氯化碳和鈉反應制備出金剛石納米粉，論文發(fā)表在 1998 年的《科學》雜志上。美國《化學與工程新聞》雜志還發(fā)表題為“ 稻草變黃金 從四氯化碳（cc14）制成金剛石”一文，予以高度評價。 我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究已有 10 年的工作基礎(chǔ)和工作積累，在“八五”研究工作的基礎(chǔ)上初步形成了幾個納米材料研究基地，中科院上海硅酸鹽研究所、南京大學、中科院固體物理所、中科院金屬所、物理所、中國科技大學、清華大學和中科院化學所等已形成我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的重要單位。無論從研究對象的前瞻性、基礎(chǔ)性，還是成果的學術(shù)水平和適用性來分析，都為我國納米材料研究在國