納米范文10篇

技術摘要:在過去的十年里納米科學的首次浪潮澎湃而過。在此期間，國際、國內以及香港的學者已向世人證實他們可以采用“build-up”或“build-down”的辦法制造大量的納米管、納米線以及納米團簇。這些努力已經表明，如果納米結構能夠低廉地制造，那我們就會有更豐碩的收獲。尺度小于20納米的結構會展現非經典的性質，這提供給我們一個用全新的想法來制造功能器件的基礎。在半導體工業，制造結構尺寸小于70納米器件的能力允許器件的持續微型化。在下一個10年中，納米科學和技術的另次浪潮將可能來臨。在這個新時期，科學家和工程師需要展示人們對納米結構的期待功能以及證實他們的進一步的潛力，擁有在納米結構實際器件的尺寸、組份、有序和純度上的良好控制能力將實現人們期望的功能。在本文中，我們將討論納米科學和技術在新時期里發展所面對的困難和挑戰。一系列新的方法將被討論。我們還將討論倘若這些困難能夠被克服我們可能會有的收獲。

關鍵詞：納米科學納米技術納米管納米線納米團簇半導體

NanoscienceandNanotechnology–theSecondRevolution

Abstract:Thefirstrevolutionofnanosciencetookplaceinthepast10years.Inthisperiod,researchersinChina,HongKongandworldwidehavedemonstratedtheabilitytofabricatelargequantitiesofnanotubes,nanowiresandnanoclustersofdifferentmaterials,usingeitherthe“build-up”or“build-down”approach.Theseeffortshaveshownthatifnanostructurescanbefabricatedinexpensively,therearemanyrewardstobereaped.Structuressmallerthan20nmexhibitnon-classicalpropertiesandtheyofferthebasisforentirelydifferentthinkinginmakingdevicesandhowdevicesfunction.Theabilitytofabricatestructureswithdimensionlessthan70nmallowthecontinuationofminiaturizationofdevicesinthesemiconductorindustry.Thesecondnanoscienceandnantechnologyrevolutionwilllikelytakeplaceinthenext10years.Inthisnewperiod,scientistsandengineerswillneedtoshowthatthepotentialandpromiseofnanostructurescanberealized.Therealizationisthefabricationofpracticaldeviceswithgoodcontrolinsize,composition,orderandpuritysothatsuchdeviceswilldeliverthepromisedfunctions.Weshalldiscusssomedifficultiesandchallengesfacedinthisnewperiod.Anumberofalternativeapproacheswillbediscussed.Weshallalsodiscusssomeoftherewardsifthesedifficultiescanbeovercome.

Keywords:Nanoscience,Nanotechnology,Nanotubes,Nanowires,Nanoclusters,“build-up”,“build-down”,Semiconductor

I.引言

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發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等對材料的尺寸要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術。新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發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，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達到每平方某時400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發光頻段可調的高效納米陣列激光器、價格低廉高能量轉化的納米結構太陽能電池和熱電轉化元件、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濟新型支柱產業和高技術領域應用的巨大潛力。正像美國科學家估計的“這種人們肉眼看不見的極微小的物質很可能給予各個領域帶來一場革命”。納米材料和納米結構的應用將對如何調整國民經濟支柱產業的布局、設計新產品、形成新的產業及改造傳統產業注入高科技含量提供新的機遇。

研究納米材料和納米結構的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次，是知識創新的源泉。由于納米結構單元的尺度（1～100urn）與物質中的許多特征長度，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構的物理、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、創造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領域。在納米領域發現新現象，認識新規律，提出新概念，建立新理論，為構筑納米材料科學體系新框架奠定基礎，也將極大豐富納米物理和納米化學等新領域的研究內涵。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域重要的研究課題；納米結構設計，異質、異相和不同性質的納米基元（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、新方法設計納米結構原理性器件以及納米復合傳統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生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術，帶動納米產業的發展。世紀之交世界先進國家都從未來發展戰略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關鍵時刻，迎接新的挑戰，抓緊納米材料和柏米結構的立項，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，納米材料研究的內涵不斷擴大，領域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密，實驗室成果的轉化速度之快出乎人們預料，基礎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的決體材料，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注，晶粒的納米化為解決這一問題帶來了希望，納米金屬間化合物FqsAJZCr室成果的轉化，到目前為止，已形成了具有自主知識產權的幾家納米粉體產業，睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區個文的易實他借個緲陽放寬在納米添加功能陶瓷和結構陶瓷改性方面也取得了很好的效果。

根據納米材料發展趨勢以及它在對世紀高技術發展所占有的重要地位，世界發達國家的政府都在部署本來10～15年有關納米科技研究規劃。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研究項目向全國科技界招標；美國DARPA（國家先進技術研究部）的幾個計劃里也把納米科技作為重要研究對象；日本近匕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1．28億美元；德國科研技術部幫助聯邦政府制定了1995年到2010年15年發展納米科技的計劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1．2億美元。據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；美國總統克林頓親自過問納米材料和納米技術的研究，決定加大投資，今后3年經費資助從2．5億美元增

一、納米材料的特殊性質

（一）力學性質

高韌、高硬、高強是結構材料開發應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。

（二）磁學性質

當代計算機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。

（三）電學性質

為貫徹落實國家和*中長期科技發展規劃綱要，持續增強納米科技的創新能力，加快轉變經濟發展方式，*市科學技術委員會*年度*市納米科技專項指南。

一、研究專題和期限

專題一納米功能材料開發與應用

（一）研究目標與內容：

研究目標：

圍繞能源、環境、健康及產業科技進步等主題，以工業化規模生產為目標，重點研究開發納米功能材料及其應用的新產品、新工藝。

生物納米馬達，又稱生物馬達分子、分子馬達或納米機器，是由生物大分子構成并將化學能轉化為機械能的納米系統。天然的分子馬達，如：驅動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物體內的胞質運輸、DNA復制、細胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。它是馬達家族的革命，標志著人類由制造物理馬達到制造生物馬達的理想成為現實。納米馬達這種聚合物分子含有數對氮原子，氮原子兩側各有一個苯環，環與環之間的氮“橋”扭結在一起。分子的往復伸縮形變就是馬達的運轉。分子馬達的種類和運動方式見下表：

馬達種類發動機部件能量來源運動方式

細胞肌架蛋白驅動蛋白微管蛋白ATP直線運動

肌球蛋白肌動蛋白ATP直線運動

旋轉馬達F1一ATP酶F1復合物ATP旋轉運動

細菌鞭毛很多的蛋白質H+/Na+旋轉運動

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發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等對材料的尺寸要求越來越??；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術。新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經濟和社會發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，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達到每平方某時400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發光頻段可調的高效納米陣列激光器、價格低廉高能量轉化的納米結構太陽能電池和熱電轉化元件、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濟新型支柱產業和高技術領域應用的巨大潛力。正像美國科學家估計的“這種人們肉眼看不見的極微小的物質很可能給予各個領域帶來一場革命”。納米材料和納米結構的應用將對如何調整國民經濟支柱產業的布局、設計新產品、形成新的產業及改造傳統產業注入高科技含量提供新的機遇。

研究納米材料和納米結構的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次，是知識創新的源泉。由于納米結構單元的尺度（1～100urn）與物質中的許多特征長度，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構的物理、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、創造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領域。在納米領域發現新現象，認識新規律，提出新概念，建立新理論，為構筑納米材料科學體系新框架奠定基礎，也將極大豐富納米物理和納米化學等新領域的研究內涵。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域重要的研究課題；納米結構設計，異質、異相和不同性質的納米基元（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、新方法設計納米結構原理性器件以及納米復合傳統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生的納米技術很可能成為下一世紀前20年的主導技術，帶動納米產業的發展。世紀之交世界先進國家都從未來發展戰略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的關鍵時刻，迎接新的挑戰，抓緊納米材料和柏米結構的立項，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，納米材料研究的內涵不斷擴大，領域逐漸拓寬。一個突出的特點是基礎研究和應用研究的銜接十分緊密，實驗室成果的轉化速度之快出乎人們預料，基礎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的決體材料，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注，晶粒的納米化為解決這一問題帶來了希望，納米金屬間化合物FqsAJZCr室成果的轉化，到目前為止，已形成了具有自主知識產權的幾家納米粉體產業，睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區個文的易實他借個緲陽放寬在納米添加功能陶瓷和結構陶瓷改性方面也取得了很好的效果。

根據納米材料發展趨勢以及它在對世紀高技術發展所占有的重要地位，世界發達國家的政府都在部署本來10～15年有關納米科技研究規劃。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研究項目向全國科技界招標；美國DARPA（國家先進技術研究部）的幾個計劃里也把納米科技作為重要研究對象；日本近匕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1．28億美元；德國科研技術部幫助聯邦政府制定了1995年到2010年15年發展納米科技的計劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1．2億美元。據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；美國總統克林頓親自過問納米材料和納米技術的研究，決定加大投資，今后3年經費資助從2．5億美元增

一般情況下，我們將兩種互不相溶液體在表面活性劑作用下形成的熱力學穩定的、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑l～100nm的分散體系稱為微乳液。相應地把制備微乳液的技術稱之為微乳化技術（MET）。自從80年代以來，微乳的理論和應用研究獲得了迅速的發展，尤其是90年代以來，微乳應用研究發展更快，在許多技術領域：如三次采油，污水治理，萃取分離，催化，食品，生物醫藥，化妝品，材料制備，化學反應介質，涂料等領域均具有潛在的應用前景。我國的微乳技術研究始于80年代初期，在理論和應用研究方面也取得了相當的成果。

1982年，Boutonmt首先報道了應用微乳液制備出了納米顆粒：用水合胼或者氫氣還原在W／O型微乳液水核中的貴金屬鹽，得到了單分散的Pt，Pd，Ru，Ir金屬顆粒（3～nm）。從此以后，不斷有文獻報道用微乳液合成各種納米粒子。本文從納米粒子制備的角度出發，論述了微乳反應器的原理、形成與結構，并對微乳液在納米材料制備領域中的應用狀況進行了闡述。

1微乳反應器原理

在微乳體系中，用來制備納米粒子的一般是W／O型體系，該體系一般由有機溶劑、水溶液?；钚詣?、助表面活性劑4個組分組成。常用的有機溶劑多為C6～C8直鏈烴或環烷烴；表面活性劑一般有AOT［2一乙基己基］磺基琥珀酸鈉］。AOS、SDS（十二烷基硫酸鈉）、SDBS（十六烷基磺酸鈉）陰離子表面活性劑、CTAB（十六烷基三甲基溴化銨）陽離子表面活性劑、TritonX（聚氧乙烯醚類）非離子表面活性劑等；助表面活性劑一般為中等碳鏈C5～C8的脂肪酸。

W／O型微乳液中的水核中可以看作微型反應器（Microreactor）或稱為納米反應器，反應器的水核半徑與體系中水和表面活性劑的濃度及種類有直接關系，若令W＝［H2O／［表面活性劑］，則由微乳法制備的納米粒子的尺寸將會受到W的影響。利用微膠束反應器制備納米粒子時，粒子形成一般有三種情況（可見圖1、2、3所示）。

（l）將2個分別增溶有反應物A、B的微乳液混合，此時由于膠團顆粒間的碰撞，發生了水核內物質的相互交換或物質傳遞，引起核內的化學反應。由于水核半徑是固定的，不同水核內的晶核或粒子之間的物質交換不能實現，所以水核內粒子尺寸得到了控制，例如由硝酸銀和氯化鈉反應制備氯化鈉納粒。

本文作者：何丹農工作單位：納米技術及應用國家工程研究中心

1引言

納米科技是指在納米尺度(1到100納米之間)上研究物質(包括原子、分子的操縱)的特性和相互作用(主要是量子特性)，以及利用這些特性的多學科交叉的科學和技術。納米科技成果擁有科技成果的特征和納米科技的特點。

2科技成果簡介

2.1成果定義和特征

科技成果是指對某一科學技術研究為內容，通過試驗研究、調查考察取得的具有一定實用價值或學術意義的結果，包括研究課題結束已取得的最后結果，研究課題雖未全部結束但已取得的可以獨立應用或具有一定學術意義的階段性成果?？萍汲晒哂行路f性與先進性、實用性與重復性，有獨立、完整的內容和存在形式，應通過一定形式予以確認等特征。

1引言

40多年以前，科學家們就認識到實際材料中的無序結構是不容忽視的。許多新發現的物理效應，諸如某些相轉變、量子尺寸效應和有關的傳輸現象等，只出現在含有缺陷的有序固體中。事實上，如果多晶體中晶體區的特征尺度（晶?；蚓М犞睆交虮∧ず穸龋┻_到某種特征長度時（如電子波長、平均自由程、共格長度、相關長度等），材料的性能將不僅依賴于晶格原子的交互作用，也受其維數、尺度的減小和高密度缺陷控制。有鑒于此，HGleitCr認為，如果能夠合成出晶粒尺寸在納米量級的多晶體，即主要由非共格界面構成的材料[例如，由50％（invol．）的非共植晶界和50％（invol．）的晶體構成］，其結構將與普通多晶體（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明顯不同，稱之為"納米晶體材料"（nanocrystallinematerials）。后來，人們又將晶體區域或其它特征長度在納米量級范圍（小于100nn）的材料廣義定義為"納米材料"或"納米結構材料"（nanostructuredmaterials）。由于其獨特的微結構和奇異性能，納米材料引起了科學界的極大關注，成為世界范圍內的研究熱點，其領域涉及物理、化學、生物、微電子等諸多學科。目前，廣義的納米材料的主要?ǎ?BR>l）清潔或涂層表面的金屬、半導體或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子講結構；功半結晶聚合物和聚合物混和物；4）納米晶體和納米玻璃材料；5）金屬鍵、共價鍵或分子組元構成的納米復合材料。

經過最近十多年的研究與探索，現已在納米材料制備方法、結構表征、物理和化學性能、實用化等方面取得顯著進展，研究成果日新月異，研究范圍不斷拓寬。本文主要從材料科學與工程的角度，介紹與評述納米金屬材料的某些研究進展。

2納米材料的制備與合成

材料的納米結構化可以通過多種制備途徑來實現。這些方法可大致歸類為"兩步過程"和"一步過程"。"兩步過程"是將預先制備的孤立納米顆粒因結成塊體材料。制備納米顆粒的方法包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學沉積、溶膠一凝膠過程、溶液的熱分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性氣體冷凝法"最具代表性。"一步過程"則是將外部能量引入或作用于母體材料，使其產生相或結構轉變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機械球磨、嚴重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。目前，關于制備科學的研究主要集中于兩個方面：l）納米粉末制備技術、理論機制和模型。目的是改進納米材料的品質和產量；2）納米粉末的固結技術。以獲得密度和微結構可控的塊體材料或表面覆層。

3納米材料的奇異性能

摘要：納米涂料對甲醛、氨氣等有害氣體有吸收和消除的功能，使室內空氣更加清新。對各種霉菌的殺抑率達99％以上，有長期的防霉防藻效果。納米改性內墻涂料，實際上是高級的衛生型涂料，適合于家庭、醫院、賓館和學校的涂裝。納米改性外墻涂料，利用納米材料二元協同的荷葉雙疏機理，較低的表面張力，具有高強的附著力，由于目前應用納米材料對涂料進行改性尚處在初級階段，技術、工藝還不太成熟，需要探索和改進。但涂料的各種性能得到某些改進的試驗結果足以證明，納米改性涂料的市場前景是非常好的。

關鍵詞：納米材料應用

納米發展小史

1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德。費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后實現根據人類意愿逐個排列原子、制造產品，這是關于納米科技最早的夢想。

1991年，美國科學家成功地合成了碳納米管，并發現其質量僅為同體積鋼的1/6，強度卻是鋼的10倍，因此稱之為超級纖維.這一納米材料的發現標志人類對材料性能的發掘達到了新的高度。1999年，納米產品的年營業額達到500億美元。

什么是納米材料