纳米功能材料研究进展

目录

1 绪论 ..................................................................................................................................... 1

1.1 纳米材料的提出及背景 ............................................................................................... 1

2 纳米功能材料简介 ............................................................................................................. 2

2.1 纳米功能材料的提出 ................................................................................................... 2

2.2 纳米功能材料的特性 ................................................................................................... 2

2.2.1 纳米功能材料的基本特性 ................................................................................... 2

2.2.2 纳米功能材料的理化性能 ................................................................................. 3

2.3 几种特殊纳米功能材料及特性 ................................................................................... 4

2.3.1 一维纳米材料 ....................................................................................................... 4

2.3.2 磁性纳米材料 ....................................................................................................... 5

2.3.3 稀土功能材料 ....................................................................................................... 7

2.4 纳米功能材料的几种制备方法 ................................................................................... 7

2.4.1 物理方法 ............................................................................................................... 7

2.4.2 化学方法 ............................................................................................................... 8

2.5 纳米功能材料的应用 ................................................................................................... 9

3 纳米材料研究的进展 ....................................................................................................... 10

3.1 国际功能纳米材料研究的现状 ................................................................................. 10

3.1.1 微机械电子系统(MEMs)的动力派和部件有新突破 ....................................... 11

3.1.2 纳米医药研究取得重要进展 ............................................................................. 11

3.1.3 纳米芯片和器件研究有贡要突破 ..................................................................... 12

3.1.4 准一维纳米线和纳米器件有贡要推进 ............................................................. 12

3.2 国内功能纳米材料研究的现状 ................................................................................. 12

3.2.1 基础研究 ............................................................................................................. 13

3.2.2 应用研究 ............................................................................................................. 13

4 纳米技术／材料的未来发展趋势 ................................................................................... 14

5 结束语 ............................................................................................................................... 15

参考文献 ............................................................................................................................... 16 致 谢 ..................................................................................................... 错误！未定义书签。

1 绪论

随着材料科学与微加工技术的进步，功能材料已开始由天然物质向人工设计的结构发展，材料组成由单一型向复合型、杂化型转化，颗粒大小由微米级向纳米级过渡。纳米材料微观结构的奇异性和特殊的物理、化学性质为寻找和制造具有特异功能的新材料开辟了道路。纳米材料的研究是一个涉及众多学科领域的交叉科学，在不同学科有不同的称谓，在材料学中称之为超微颗粒，晶体学中称之为微晶，原子分子物理学中称之为团簇，理论物理学中称之为量子点，胶体化学中称之为胶体微料，生物领域称之为超分子结构。其研究应用使化工、陶瓷、电磁、光学、超导、生物医学、农业等许多行业都呈现出崭新的局面。

1.1 纳米材料的提出及背景

纳米是英文nanometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一，相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就像毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵[1]。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。

由于纳米结构单元的尺度（1～100nm）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域[3]。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们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、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破

[1]。

2 纳米功能材料简介

2.1 纳米功能材料的提出

当物质到纳米尺度以后，大约是在1~100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米功能材料[1]。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米功能材料。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现，一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴辖穑阉龀纱笤20~30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米功能材料[2]。

2.2 纳米功能材料的特性

2.2.1 纳米功能材料的基本特性

(1) 表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的质上的变化[4]。

粒径在10nm 以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm 时，表面原子数比例达到约90 %以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，带来表面原子配位数不足，使之具有很高的表面化学活性，所以，金属纳米粒子在空气中易自燃，无机材料的纳米粒子在大气中会吸咐气体并与之反应[3]。

表面效应主要表现为:

①熔点降低。如金的常规熔点是1064℃，当颗粒尺寸减小到10nm 时，降低27 ℃，2nm 时熔点仅为327℃银的常规熔点为961℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃等[4]。

②比热增大。粒径越小，比热越大[4]。

(2) 小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透

射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等[4]。

(3) 量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，纳米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化[5]。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

(4) 宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应[5]。

2.2.2 纳米功能材料的理化性能

纳米材料与常规结构材料相比具有以下特点:

(1) 高强度、高韧性[6]

由于纳米材料具有微细组织，表面能大，熔点降低，在烧结过程中致密速度快，烧结温度低和良好的界面延展性，使得材料塑性大为增强，强度和硬度增大。粒度为6nm 的纳米铁断裂强度提高12倍，硬度提高2～3个数量级；纳米SiC强化微米Al2O3复合材料的强度高达1500MPa，使用温度从基体材料的800℃提高到1200℃;普通陶瓷材料呈脆性，纳米化后，会出现超塑性[7]。因为，一般陶瓷材料由离子键或共价键组成，不具备金属型滑移系，难以具备塑性。纳米陶瓷具有巨大的晶界，晶界的原子排列相当混乱，存在众多的不饱和键，在外力变形的条件下，原子很容易沿晶界方向平移，呈现超塑性。室温下合成的纳米TiO2陶瓷塑性变形量高达100 %[6]。

(2) 高比热和热膨胀系数[7]

纳米晶Pd ( 6nm) 的比热提高29%(15K)至53%(300K)，纳米铜的比热增大2倍，纳米钼的比热也大于块状晶体。纳米铜的平均热膨胀系数比单晶铜增加1倍，纳米铁在居

里温度以下的热膨胀系数急剧增加。

(3) 异常电导率和扩散率

纳米固体的极大量的高度无序结构的界面，使内部原子输送异常，导致扩散系数急剧增大，纳米铜的扩散系数达2×10 - 18m2/ s，比大晶粒铜高14～16数量级。纳米固体的量子隧道效应使电子输送出现异常，某些合金的电导率下降百倍以上，在一定温度下，电阻突然下降，纳米半导体对杂质和环境影响比传统半导体敏感得多，如纳米硅的氢含量大于原子含量的5 %时，电导下降2个数量级[6]。

(4) 高磁化率[6]

纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，如纳米Sb的饱和磁矩是普遍金属的1/ 2 。

2.3 几种特殊纳米功能材料及特性

2.3.1 一维纳米材料

一维纳米材料是指两维方向尺寸在纳米尺度范围之内，而另一维方向尺寸较大，甚至是宏观量的纳米材料；通常将长径比小的称纳米棒，长径比大的称纳米丝、纳米线或纳米纤维。由于一维纳米材料，尤其是一维纳米功能材料，在介观领域纳米器件研制等方面有着重要的应用前景，它可用作扫描隧道显微镜的针尖、纳米器件和超大集成电路的连线、光导纤维、敏感材料、微型钻头及复合材料增强剂等[2]。同时，一维纳米材料既是其他低维纳米材料研究的基础，又与纳米电子器件及微型传感器密切相关，因此，其制备及应用研究已成为近年来材料科学界研究的前沿课题。目前，一维纳米功能材料的制备方法主要有模板法、气-固生长(VS)法、激光烧蚀法、蒸发冷凝法等，所涉及的材料主要有Ag、Cu、C、Si、SiC、CaN、MgO、SnO2等[2]。

性质及应用：

一维纳米材料的性能比体相材料要优越得多。尺寸、组成和结晶度可控的一维纳米功能材料已经成为研究结构与性能的关系以及相关应用的非常富有吸引力的体系

[8]。

(1) 热稳定性[2]

一维纳米功能材料的热稳定性对于它们能否应用到纳米级电子和光学器件上至关重要。固体被加工成纳米结构后，其熔点会大大降低，这样，无缺陷纳米线的退火温

度可能只是体相材料所需退火温度的一部分，为在常温下进行区域精炼来提纯纳米线提供了可能;另外，熔点的降低使得我们可以在相对温和的温度下切割、连接、焊接纳米线，这为将一维纳米材料组装成功能性器件和电路提供了新方法。

(2) 电子传送特性

随着单个器件的尺寸越来越小，构建材料的电子传送特性成为研究的焦点。已有研究表明，随着尺寸的不断降低，当达到某一临界尺寸时，有些金属纳米线会由导体转变为半导体[3]。

(3) 光学特性

当纳米线的直径降到玻尔半径以下时，尺寸限制对其能级的影响就显得非常重要。纳米线的吸收峰相对于体相材料明显蓝移，有明显分离的吸收光谱和相对较强的带边光致发光光谱[3]。纳米线所发出的光是高度向纵轴方向偏振的，平行和垂直于其长轴方向的光谱强度明显不同。利用这种偏振特性可以组装对偏振灵敏的纳米级光电探测器，应用到光学开关、近场成像以及高分辨探测等领域[9]。

(4)激光发射特性

人们发现具有平滑端面的纳米线可以作为光学共振腔，在纳米尺寸发出连续的光。利用这些特性，可以将一维纳米功能材料作为激光发射器、纳米激光器等在纳米光子学和微分析方面得到应用[3]。

(5) 光电导性和光学开关的特性

在纳米级的器件中，开关对于存储以及逻辑等方面的应用至关重要。近期的研究工作发现，可通过控制单个半导体纳米线的光电导性来得到高度灵敏的电子开关[9]。

2.3.2 磁性纳米材料

磁性纳米材料的分类：

物质的磁性来源于物质内部电子和核的磁性质。任何带电体的运动都必然在它周围产生磁场，磁性是所有物质的最普遍的属性之一，即自然界任何宏观物体都具有某种程度的磁性。根据物质的磁性，磁性纳米材料大致可分为:永磁(硬磁) 纳米材料、软磁纳米材料、半硬磁纳米材料、旋磁纳米材料、矩磁纳米材料和压磁纳米材料等[3]。根据其结构大小分为:纳米颗粒型，如一些磁记录介质、磁性液体、磁性药物及吸波材料等;纳米微晶型，如纳米微晶永磁材料、纳米微晶软磁材料等;纳米结构型，有人工纳米结构材料(薄膜、颗粒膜、多层膜、隧道膜) 和天然纳米结构材料(钙钛矿型化合物)

等。根据磁性材料的物相可分:固相磁性纳米材料和液相磁性纳米材料等。根据应用的角度，磁性纳米材料可分为:纳米微晶软磁材料、纳米微晶永磁材料、纳米磁记录材料、磁性液体、颗粒膜磁性材料、巨磁电阻材料等[10]。

(1) 永磁纳米材料[3]

对于永磁材料，要求磁性强，保持磁性的能力也强，而且磁性要稳定，不受或不易受外界环境条件的影响。即要求永磁材料具有高的最大磁能积[ ( BH) max ] 、高的剩余磁通密度(简称剩磁Br) 、和高的矫顽力( Hc) ，当然也同时要求这三个磁学量具有较高的对温度等环境条件的稳定性。磁性纳米永磁材料具有较好的热稳定性、耐腐蚀性，适用于微电机等小型异型、尺寸精度要求高的永磁器件。近年来研究工作的新方向是纳米复相稀土永磁材料的研制。

(2) 软磁纳米材料

对于软磁材料，一般要求有高的起始磁导率和饱和磁化强度，低的矫顽力和磁耗损，宽频带等。最早应用的软磁材料是金属软磁材料，如Fe2Si系和Fe2Ni系。但因金属的电阻率很低(约10. 6～10. 5Ωcm)，应用到高频时会产生显著的涡电流损耗和趋肤效应[2]。材料的磁性能与晶粒的大小、应变和显微组织有一定的关系[4]。通过减小颗粒粒径，可有效减小这种损耗和效应。纳米磁性材料目前沿高频、多功能方向发展，其应用领域将遍及软磁材料应用的各方面，如功率变压器、高频变压器、扼流圈、可饱和电流器、互感器、磁屏蔽磁头等[3]。新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应，又为它作为磁敏感元件应用增添了多彩的一笔[11]。

(3) 纳米磁信息材料

磁信息技术所应用的各种磁性材料则统称磁信息材料，包括将电信号和磁场信号相互转换的磁记录头材料，即磁头材料和将磁场信号转为存储磁性信息的磁记录材料

[8]。纳米磁信息材料不仅具有优良的电磁性能，还有耐磨损、抗腐蚀等优异的力学和化学性质。因此，纳米颗粒体作为一种具有潜在使用价值的高密度信息介质日益受到人们的关注[11]。

(4) 磁性液体材料

磁性液体是由纳米级( ≤10nm) 的强磁性微粒借助表面活剂高度弥散于某种液体之中所形成的稳定胶体。磁性微粒和基液浑成一体，从而使磁性液既具有普通磁性材料的磁性，同时又具有液体的流动性[3] 。

(5) 磁性生物高分子微球

磁性生物高分子微球细化至纳米级时，比表面激增，微球官能团密度及选择性吸咐能力变大，达到吸附平衡的时间大大缩短，粒子稳定性大大提高。具有磁性的生物高分子微球在外磁场作用下能进行分离和磁场导向[12]。

(6) 纳米磁波材料

纳米铁氧体具有复介质吸收特性，是微波吸收材料中较好的一种。其基本原理是当微波信号通过铁氧体材料时，将电磁波能量转化为其它形式能(主要是热能) 而被消耗掉。这种损耗主要是铁氧体的磁致损耗和介质电损耗所致[3]。

磁性纳米材料的磁性质及应用：

磁性纳米材料的特性不同于常规的磁性材料，其原因是关联于磁相关的特征物理长度恰好处于纳米数量级。例如，磁单畴尺寸、超顺磁临界尺寸、交换作用长度以及电子平均自由路程等大致处于1～100nm数量级，当磁性体的尺寸与这些特征物理长度相当时，就会呈现出反常的磁性质[4]。

2.3.3 稀土功能材料

(1)稀土永磁材料

稀土永磁材料主要应用于计算机磁盘驱动器的音圈电机(VCM)、新型电机、核磁共振成像(MRI)、各种音响器材，其主要应用市场为高新技术领域[13]。1998 年全球的钕铁硼永磁材料的生产总量为10090t，我国为4100t。据预测，2010年全球钕铁硼永磁材料的产量将达146000t，产值达83亿美元，其中我国的产量将达90000t，产值达35亿美元[5]。

(2)其他稀土功能材料

稀土信息显示材料广泛应用于彩色电视、计算机和各种显示屏等。稀土催化材料在环保方面有重要应用。最近发展起来的巨磁电阻材料在记录、传感器方面有重要应用。超磁致伸缩材料、稀土磁致冷材料、稀土激光材料和稀土高温超导材料等新型稀土功能材料，在2015年以前也可望形成较大产业[5]。

2.4 纳米功能材料的几种制备方法

纳米物质的制备方法传统上可分为物理方法和化学方法。

2.4.1 物理方法

物理方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、水锤粉碎法、高能球磨法、喷雾法、冲击波破碎法、蒸汽快速冷凝法、蒸汽快速冷却法、蒸汽油面冷却法、分子束外延法等[14]。通过物理方法，可制造出直径为几个纳米的氧化物粉体，并且可保证纳米颗粒具有较为洁净的表面，但是通过物理方法制备的纳米粉体常常具有较宽的粒度分布，较严重的团聚等[10]。

2.4.2 化学方法

化学方法包括湿化学方法和干化学方法。干化学方法有高温自曼延法(SHS)、化学气相沉积法(CVD)、固相反应法等。湿化学方法的种类较多，如共沉淀法、溶胶-凝胶法、金属醇盐水解法、喷雾干燥热解法、水热法，还有最近发展起来的声化学反应法、微乳液法、模板法、自组装法等[14]。湿化学方法的一个致命的缺陷在于，由此路线制备的纳米粉体很难避免表面羟基的存在，而表面羟基的存在将对颗粒的性质起着严重的破坏作用，以致于限制了它的应用[15]。为了弥补这一缺陷，人们作了很大努力.最近《科学》杂志上有文献报道了这方面的工作，它的主要思路是利用有机硅化合物对金属氧化物溶胶颗粒的表面进行包裹，取代了表面羟基的位置，从而有效的避免了氧化物胶体的后期烧结过程中由于表面羟基的存在而导致颗粒长大的问题.利用此方法制备的氧化物纳米粉体，如二氧化锆、二氧化钛、二氧化锡，其颗粒直径都在6纳米以下《美国化学会志》也有相关的文献报道，其主要思路是利用金属醇盐或其配合物，经表面活性剂包裹，然后在高沸点的长链有机胺(沸点大于300℃)中热分解，从而得到金属氧化物的纳米粉体[16]。由于在此反应体系的原料和产物中都不存在水，因此有效的避免了表面羟基的存在。尽管表面羟基被取代，但别的杂质可能又被引入。对于前一种方法，纳米颗粒的表面将会附着一层硅的化合物，而对于后一种方法，由于表面活性剂的使用，也可能对纳米颗粒的表面产生一定影响[17]。

化学家和材料学家一直致力于寻找简单、经济、温和、无污染的反应路线合成有价值的材料， 机械化学制备法就是其中一种[6] 。

MC的基本过程是将粉末混合料与研磨介质一起装入高能球磨机进行机械研磨，经过反复形变、破裂和冷焊，以达到破裂和冷焊的平衡，最终形成表明粗糙、内部结构精细的超细粉末[17]。其过程一般可分为4个阶段：(1)物料粉末在球磨的初期产生冷间焊合及局部层状组分的形成；(2)反复的破裂和冷焊过程导致细微粒子的产生，在这个过程中，复合结构不断细化绕卷成螺旋状，同时，进行固粒颗粒间的扩散及固溶体

的形成；(3)层状结构进一步细化和卷曲，单个的粒子进一步转化成混合体系；(4)在最后阶段粒子最大限度地畸变为一种亚稳结构[18]。

2.5 纳米功能材料的应用

纳米功能材料本身的结构和特性决定了纳米功能材料有许多奇异的性质，有着广阔的应用前景。纳米功能材料的研究是从金属粉末、陶瓷等领域开始的，现在已在微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到了广泛的应用。现根据其性质总结以下方面的应用：

(1) 在力学性质方面的应用

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

(2) 在磁学性质方面的应用

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到

1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

(3) 在电学性质方面的应用

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效

应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

(4) 在热学性质方面的应用

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于

界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。

(5) 在光学性质方面的应用 纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。

(6) 在生物医药材料应用

纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米

粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。

3 纳米材料研究的进展

3.1 国际功能纳米材料研究的现状

最近报道纳米材料在纳米科学技术领域取得了令人瞩目的新成就，预示了纳米材

料和技术在信息、医药、环境、能探和生物技术等领域的应用存在着巨大的潜力[20]。

美国2001年通过了“国家纳米技术启动计划（National Technology Initiative）”，

年度拨款已达到5亿美元以上。美国科技战略的重点已由过去的国家通信基础构想转向国家纳米技术计划。布什总统上台后，制定了新的发展纳米技术的战略规划目标：到

2010年在全国培养80万名纳米技术人才，纳米技术创造的GDP要达到万亿美圆以上，

并由此提供200万个就业岗位。2003年，在美国政府支持下，英特尔、惠普、IBM及

康柏4家公司正式成立研究中心，在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。许多大学

也相继建立了一系列纳米技术研究中心。在商业上，纳米技术已经被用于陶瓷、金属、

聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂与化妆品、电子元件等的制备。

目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方

面处于世界领先地位。欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。早在“尤里卡

计划”中就将纳米技术研究纳入其中，现在又将纳米技术列入欧盟2002——2006科研

框架计划。日本在纳米设备和强化纳米结构领域处于世界先进地位。日本政府把纳米

技术列入国家科技发展战略4大重点领域，加大预算投入，制定了宏伟而严密的“纳米

技术发展计划”。日本的各个大学、研究机构和企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技

术开发大潮中来。

3.1.1 微机械电子系统(MEMs)的动力派和部件有新突破

2002年4月哈佛大学的研究者最新报道，纳米机器人和微工具是可以操纵单个细胞

和分子的最重要的微机械电子系统[21]。如何解决动力问题是微系统最关键的技术，波

士顿科学家完成了这种微机械原型设计。其主要原理是采用激光驱动碳管进行旋转振

动，通过碳管的振动再带动微机械马达的运动，从而得到了供给微机械和微工具操纵

分子和细胞的动力[22]。

3.1.2 纳米医药研究取得重要进展

微囊诊断探侧器是微光电一体化产物，它包括一个发光二极管，一个光传感器，

一个电池和一个光透过器[7]。这种元件经过服用进行病态诊断，代替了外科技术，这

种腔囊结构已在欧洲应用，并得到美国FDA(食品医药局)的认可。加拿大多伦多一家

公司正在设计一种针对艾滋病的新药，依据C6。与艾滋病感染的细胞容易结合的特点，

制成了以C6[23]。为核心的靶向药物，并在动物试验上已获得成功。密歇根大学

JamesBaker教授[24]运用纳米技术生长出了“树枝状分子”家族，其第7代树枝状分子体

积接近于组蛋白，这为纳米定向药物提供了最有前途的载体。康奈尔大学

CarfoMontemagn[25]教授最近研制成功可用于细胞修复的“纳米机器人”，这种装置可

以附着在蛋白质上，植入生物体内参与生物反应过程，从细胞当中获取能量进行工作，

修复被损容的细胞。

3.1.3 纳米芯片和器件研究有贡要突破

二年来，纳米材料和技术应用的一个重要进展就是在传统的芯片和晶体管技术中

注入了纳米技术的内涵，2002年英特尔公司副总裁[26]正式宣布该公司成功地开发了双

CPU芯片，扩大了芯片的功能，惠浦公司也宣布他们开发了高密度内存芯片，每个芯片

的内存高达19G，美国AMD公司[27]成功开发了三维三门晶体管，栅极尺寸达到90nm，该

晶体管降低能耗、节省空间并减小体积，HP公司也宣布双栅极晶体管已在公司开发成

功，栅极尺寸达70nm，该晶体管的特点是能耗低、漏电小、性能优异[28]。

最近日本松下公司的专家们已在实验室研究成功利用徽生物(100~200nm)自组织

功能构筑各种图案，每个微生物都以金纳米粒子组合在一起，这种含金的纳米微生物

形成网络，金纳米粒子起到标记和导电的作用[15]。日本科学家说这种微生物的刻蚀技

术代替光刻技术不但节省能源和材料，而且大大降低了成本，是突破微米技术的新一

代纳米芯片刻蚀技术，他们还预计这项技术将领先国际5~10年;美国科学家也宣布微生

物与金属纳米粒子自组装技术在近期将取得突破性的进展[29]。

3.1.4 准一维纳米线和纳米器件有贡要推进

微工具:1999年美国佐治亚理工学院的W.A.dsHeer等[30]利用碳纳米管具有极高的

弹性极限与电磁共振原理，测得了飞克(fg)量级病毒的质量，从而制备了世界上最小的

纳米秤。1999年美国联合信夸公司的R.H.Baughman等[31]用单壁碳纳米管制成电致动

器，其在电信号刺激下可以产生高于自然肌肉的应力和高于高模量铁电体的应变，并

且仅需要在低操作电压下工作，可望作为人工肌肉的模型。1999年美国哈佛大学

C.M.Lieber等[29]将碳纳米管缚于电极上，制成了纳米镊子，可以用来操纵、搬运亚微

米的团簇和纳米线，如510纳米团簇和GaA纳米线等。2000年Lieber小组[30]研制成功可

用于分子计算机的基于碳纳米管的非挥发性随机处理器。2000年美国斯坦福大学的

H.Dai等[29]用单根半导体属性的单壁碳纳米管制成化学传感器，可用来检测N02、NH3

等气体分子，当将其里于这些气体分子中时，传感器电阻将发生显著变化。基于碳纳

米管阵列体系场发射效应及场发射器件的研究也有大量报道[30]。

3.2 国内功能纳米材料研究的现状

3.2.1 基础研究

国内关于纳米材料和技术的研究取得了重要的进展。为使我国纳米材料和技术研

究走向世界，在国际上占有重要地位抢占国际市场，从前瞻性、战略性、基础性来考

虑，应该合理布纳米材料、基础研究和应用研究，要重视纳米技术的创新[8]。纳技术

内涵广泛，从材料的角度来说，纳米技术包括纳米材料的备技术、纳米颗粒表面的控

制、改性和修饰技术，以及把纳米料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。

中国在上世纪80年代，将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项

目，投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美

等国的差距很大。目前我国有50多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研

究，已经建立了10多条纳米技术生产线，以纳米技术注册的公司100多个，主要生产超

细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。

3.2.2 应用研究

纳米材料应用研究也有良好的开端，纳米材料在各个领域的应用已取得了一些进

展，有的技术产品陆续进入市场。一年来，在研发及技术产业化和商业化进程中涌现

出几项有显示度的成果[32]。山东省烟台市佳隆集团公司电子材料厂根据信息产业显示

屏和显像管的需求，采用纳米技术合成了以纳米贵金属钉为主体的三元合金纳米粒子，

发展了金属纳米粒子的表面修饰技术和分散技术，成功地获得了具有透明、导电和吸

波功能的涂层材料，建立了年产80t的中试规模生产线，该产品通过了山东省科委组织

的鉴定，并荣获山东省科技进步二等奖，技术水平国际先进，产品已在国内和韩国市

场销售[10]。

纳米插层技术改性的产品，具有良好的触变性、优越的力学性能、绝缘性和良好

的吸波性，2001年10月通过了湖北省科技厅组织的成果鉴定，其水平为国内、国际领

先，该产品可以替代国际进口，满足了我国材料和传统产业对高档高岭土日益增长的

需求[11]。

掺入稀土氧化物的SnO气敏传感器在深圳戴维莱公司开发成功，并建立了规模生

产线，产品陆续进入国际市场。该传感器对易燃、易姆炸的甲烷和CO气体，具有高灵

敏度和高选择性，响应速度很快[32]。

4 纳米技术／材料的未来发展趋势

从科技发展史来看，新技术的发展往往需要新材料的支持。如果没有1970年制成

的使光强度几乎不衰减的光导纤维，可能不会有现代的光通信。纳米材料是未来社会

发展极为重要的物质基础，纳米材料是构建两维和三维复杂功能纳米体系的单元，在

此基础上可产生许多纳米新器件和功能器件[32]。

从世界范围来看，纳米科学和技术在各国（地区）政府的大力支持、各界的努力

研究开发下不断得到发展，将有许多纳米新材料、新特性和新应用不断发现，纳米科

技／材料的发展已展现了诱人的前景。如上所述，纳米技术／材料涉及的研究领域和

对科技经济及社会的影响很广，其未来发展方向涉及多个方面，本文在此重点表明纳

米材料的未来发展趋势[12]。

纳米材料及其性能向着更加优质的方向发展，从而将有更多性能优越价格低廉的

纳米粉末、纳米粒子和纳米复合材料得到更加广泛的应用。如纳米粒子可以被用于创

造新的光学薄膜和创造具有光、磁特性的新功能材料[33]。磁性纳米粒子和量子点将可

用于生产10倍于目前芯片存储容量、数百千兆赫速度的超小光盘驱动器。

(1) 在纳米材料与加工方面，将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米

管等创造新的功能结构材料；开发超轻、超强结构材料；开发长寿命材料、支撑能量

转换的材料和具有新功能的电子材料；了解涉及材料变形和断裂的纳米工艺，利用仿

制技术有序排列纳米粒子合成纳米材料[12]；

(2) 纳米材料将成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。

这不仅对能源和化学生产非常重要，而且对能源转换和环境保护极具经济价值；化工

业影响到人类生活的方方面面，如果在化工业中采用纳米技术，将更显示出独特畦力。

在橡胶塑料等化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可

以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3和SiO2，加入到普通橡胶中，

可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑

料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应

提高[13]。

(3) 纳米材料的发展将对生物医学领域，如对植入性和弥补性生物兼容材料、诊断

器件、治疗学等产生很大影响，目前，国际医学行业面临新的决策，那就是用纳米尺

度发展制药业。纳米生物医学就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，

最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法，随着健康科学的发展，人们对药物的

要求越来越高。控制药物释放减少副作用，提高药效，发展药物定向治疗，必须凭借

纳米技术[33]。

(4) 信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。

2000年，中国的信息产业创造了GDP5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主

要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及

高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经

着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实

验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电

子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，

所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，

如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落

后，在安徽省就有。③压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性[22]。

(5) 开发基于天然纤维材料和具有环境兼容性、保证人类健康和安全的纳米聚合物

纤维新材料：开发利用细菌精细纤维制造的纳米生态材料；用于食品等工业的小麦生

物聚合物（淀粉）复合材料；将纳米粒子与生物可降解的聚合物结合，提高聚合物的

物理和化学特性；开发来自糖的纳米晶增强剂以净化废品；开发用于聚合物复合材料

的局部化学改性的植物纤维素纳米粒子；开发利用谷壳（rice husk）生产纳米结构的

纳米硅炭化物；开发通过表面分离的自组织植物纤维素薄膜[12]。

总之，纳米技术／/材料将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向

发展，它们的融合将促进所有科技经济领域的创新和新发现。

5 结束语

本文主要论述了纳米功能材料的概念、性能和研究进展。通过介绍纳米功能材料

的基本特性和理化性能，加深了对纳米功能材料的认识和了解。接下来详细介绍了几

类特殊的纳米功能材料，均具有特殊的性能，虽然经过近几年来的了解，大家都对其

有了一定的认识，但由于认识不不太深刻，还不知道他的重要性能并且还不能在日常

生活中进行应用。通过对几类纳米功能的详细介绍，知道其重要性和优越性，更广泛

的应用于日常生活中。

虽然本文通过查阅资料，对纳米功能材料的现状做了一定的论述，并对纳米功能

材料的发展进行预测，但还有很多不足之处。本文只参考了国内的一些文献，对于国

外的文献由于能力不足，没有加以参考，因此在内容上不够全面。随着科学的发展，

必定会有更多的关于纳米功能材料的知识为人类所了解，发现和制备具有更多性能的

纳米功能材料，并应用于我们的生活。

纳米科技将给人类带来无限美好的未来。

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