纳米材料发展史

纳米材料发展史

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一、什么是纳米材料

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1学 号 _________

微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒

尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。 纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其

具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

二．纳米材料的发展历程

1959年12月29日

理查德•费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“”纳米这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。 1974年

日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。

1981年

格尔德•宾宁（Gerd Binnig）和海因里希•罗雷尔Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。

1985年

赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特•富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使用最广泛的纳米材料之一。

1986年

在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文•夸特（Calvin Quate）和克里斯托•格柏（Christoph Gerber）与德国物理学家宾尼（Binnig）协作，发明了原子力显微镜。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳

米技术最核心的部分。

1989年

在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾•格勒（Don Eigler）和埃哈德•施魏策尔（Erhard Schweizer）使用35个氙原子拼出了IBM公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。

1991年

NEC公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）制造出了碳纳米管。 1998年

白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的任务是：赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。

1999年

使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。 2001年

美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳米技术上的竞争力。 2002年

欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。 2003年

美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，

授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。 2008年12月10日

国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。

2009年9 月29日

美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。 2010年1月8日

在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。

2010年3月

美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法收集证据。美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。

三、纳米技术的应用

纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。

1、纳米技术在农业上的应用

（1）精确农业

精确农业是利用重要的作物参数和知识在适当的尺度上优化生产系统管理，根据特定地块的作物潜在生产能力控制不同的投入水平（如肥料、杀虫剂、除草剂等）。精确农业的核心是对变化因素进行精确管理，变化因素包括：空间因素、时间因素和预测因素。利用纳米技术生产的微型传感器和监测系统对未来的精确农业产生重大影响。

纳米装置的一个重要作用是增加与全球定位系统有关的自主传感器的应用，用于实时监测。这些纳米传感器可以遍布田间，用于检测土壤养分和农作物生长情况。美国和澳大利亚的一些农场已经在使用这种传感器，它们可以及早检测到环境的变化，可以为决策者提供准确信息，帮助农民作出明智的决定，提高农业的生产效率。

（2）智能施药系统

20世纪后半叶以来，农业病虫害的控制经历了从利用杀虫剂到传统方法与生物方法相结合的病虫害综合管理系统。将来具有新型的纳米装置可以运用到农业的智能化中，这类装置可以针对不同的病虫害采取准确的补救措施，它们可以将所发现的问题及时提醒农民，帮助农民定量、定向地给农作物治病。

运用纳米技术生产的新型农药更易于溶于水，也可以自然分解为无害成分。科学家们正在研究能够针对环境变化施肥和施药的新技术，促进农作物对水、农药和化肥的高效吸收，以降低污染，使农业对环境更加友好。纳米技术还有助于提高农作物的产量和营养价值

图一为 营养液纳米杀菌系统

图2 为生物助长器

2、纳米技术在工业生产中的应用

（1）在陶瓷领域的应用

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，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，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，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。

如下图为新型现代纳米陶瓷电极灯

（2）纳米技术在木材工业中的应用

[1]纳米技术改变了木材的细胞结构并控制细胞的生长，新的细胞和优良的材种产生了。人们对木材的细胞结构、纤维的构造和材种的分类将有一个新的认识和新的观念。木纤维的定向重组技术将开发出超高强度的纤维板。

[2]木材在变成纳米颗粒以后，木材的材性发生很大的改变，在细粉状态下进行木材液化，不仅环保而且成本低，使木材液化真正工业化。

下图为木材水解为糖后，进一步在水中加热得到各种颜料和纳米

颗粒：

[3]在造纸业机械高得浆率制浆法可以得到完全实现，小造纸的污染问题得到很好解决。在纸浆中加入纳米添加剂生产出的纸张具有很强的抗静电，纸的质量明显提高。

（3）食品包装与加工

运用纳米技术研发的包装系统可以修复小的裂口和破损，可以适应环境的变化，并且能在食品变质的时候提醒消费者。此

外纳米技术可以改进包装的渗透性、提高阻隔性、改进抗损和耐热，形成抗菌表面，阻止食物发生变质。除包装外，纳米技术对功能食品和互动食品的研发也有很大促进作用，这些食品能够按照人体需求更有效地提供营养。这类食品可以暂存人体内，需要时再把营养输送给细胞，这个领域的关键是开发纳米胶囊，把它们存入食品中，用于输送营养。

纳米技术令产品的包装焕然一新

3、纳米技术在日常生活中的应用

衣 在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，可以除味杀菌。化纤布虽然结实，但有烦人的静电现象，加入少量金属纳米微粒就

可消除静电现象。

图为 防静电工作服

食 利用纳米材料，冰箱可以抗菌。纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经面世。利用纳米粉末，可以使废水彻底变清水，完全达到饮用标准。纳米食品色香味俱全，还有益健康。

图为世玫瑰纳米抗菌餐具礼盒

住 纳米技术的运用，使墙面涂料的耐洗刷性可提高10倍。玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。含有纳米微粒的建筑材料，还可以吸收对人体有害的紫外线。

图为纳米牙刷

图为纳米玻璃

行 纳米材料可以提高和改进交通工具的性能指标。纳米陶瓷有望成为汽车、轮船、飞机等发动机部件的理想材料，能大大提高发动机效率、工作寿命和可靠性。纳米卫星可以随时向驾驶人员提供交通信息，帮助其安全驾驶。

4、纳米技术在生物医药中的应用

（1）万能的机器人

有些科学家设想将蛋白质芯片或基因芯片组装成尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人，使其具有某些酶的功能，它是纳米机械装置与生物系统的有机结合，在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题。将这些纳米机器人注入血管内，可按照预定程序，直接打通脑血栓，清洁心脏动脉脂肪沉积物等，达到预防和治疗心脑血管疾病的目的。

图为清理血管的纳米机器人

（2）灵敏的检测器

癌症是人类死亡率极高的疾病之一，但以目前的医疗诊断水平，癌症一旦被确诊通常已发展到晚期，即已无药可救或已过最佳治疗时期。科学家设想，可制造出纳米传感器植入体内，监控早期癌变信号分子的产生，通过与外界特定的声信号或其他信号的相互作用，将内部信号转化为外部信号。转贴另外，近年来科学家正尝试应用纳米技术的新型检测仪器和诊断试剂，只需检测少量血液中蛋白质和DNA就可诊断出某人患各种疾病的可能性。国内外研究者正致力于脑肿瘤、肝癌、肺癌、白血病等癌症的早期纳米诊断手段的研究，并取得了一定的成绩。

5、在国防科技上的应用

（1）隐身材料

纳米材料由于质轻层薄，具有特殊的光学性能，可实现高吸收、宽频带、红外微波吸收兼顾等要求，是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂，由它制成的材料在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦查，同时也有红外隐身的作用，纳米材料已成为隐身材料重点研究方向之一。纳米材料因为具有很高的对电磁波的吸收特性，纳米材料现已受到各主要国家的高度重视，并把其作为新一代隐身材料进行探索与研究。

图为全新隐形战机

（2）在防护涂层中的应用

与传统涂层相比，纳米结构涂层能使强度、韧性、耐腐蚀、耐磨、热障、抗剥蚀、抗氧化和抗热疲劳等性能得到显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。某些纳米微粒还有杀菌、阻燃、导电、绝缘等作用，可用这些纳米粒子制成防生物涂料、阻燃涂料、导电涂料和绝缘涂料。这些技术可有效解决舰艇动力推进装置螺旋桨的穴蚀问题以及潜艇、舰艇船体涂料的防污问题等。纳米材料对海军舰艇的防海水腐蚀，增强船体及船内设备抗盐雾能力已处于应用阶段，作为水中武器世界各国也正在加大研制力度。武汉海军工程大学已将海泰纳米的纳米氧化钛、纳米氧化锌和纳米氧化硅用于军舰的防腐，可以有效的解决上述问题。

6、在科学领域的应用

（1）纳米科技促进电子学、光电子学和磁学的发展

纳米粒子的宏观隧道效应确立了微电子器件微型化的极限。纳米电子学、光电子学及磁学微电子器件的极限线宽，以硅集成电路而言，普遍以为是70nm左右。目前国际上最窄线宽已为130nm，在十年以内将达到极限。假如将硅器件做的更小，电子会隧穿通过尽缘层，造成电路短路。解决纳米电子电路的思路目前可分为两类，一类是在光刻法制作的集成电路中利用双光子光

束技术中的量子纠缠态，有可能将器件的极限缩小至25nm。另一类是研制新材料取代硅，采用蛋白质二极管，纳米碳管作引线和分子电线。新概念器件的形成，单原子操纵是重要的方式。

利用纳米磁学中明显的巨磁电阻效应和很大的隧道磁电阻现象研制的读出磁头将磁盘记录密度进步30多倍，瑞士苏黎世的研究职员制备了Cu、Co交替填充的纳米丝，利用其巨磁电阻效应制备出超微磁场传感器。磁性纳米微粒由于粒径小，具有单磁畴结构，矫顽力很高，用作磁记录材料可以进步信噪比，改善图像质量。

（2）纳米科技促进微电子学的发展

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心。

四、纳米技术发展现状以及缺陷

1、纳米技术发展现状

现在纳米材料研究的基本特征是以实际应用为导向，一纳米材料与相关科学的交叉融合为手段，重点解决纳米材料应用的关键技术问题。纳米材料属于上游产品，一方面用于传统产品的升级，两一方面用于纳米科技新产品的开发，而要在下游产品中体

现纳米材料的优越性能就必须以纳米制造技术作为支撑。

近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新５年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从2001年的4.97亿美元增加到2010年的22.65亿美元。

2、纳米技术的缺陷

任何事物都有两面性，纳米技术也不例外。纳米技术在给人类带来种种好处的同时，也存在纳米材料的安全性问题。这也成为当今世界各国研究学者关注的热点，许多国家包括中国、美国和欧盟等，都投入了大量的人力、物力和财力，试图在纳米技术得到普遍应用以前，解决其潜在的问题，以使其在将来更好地服务于人类。其问题主要表现在：

（1）要达到精确的调节和控制粉末组成和化学剂量比以及粒子的粒度和形态等方面都还有相当大的困难。

（2）要制造成分准确、粒度均匀、表面功能团稳定的高质量微粒还有一定困难，其收集与存放也存在问题。

（3）纳米中药因其表面效应和量子效应显著增加，使得药物的有效成分获得了高能级的氧化和还原潜力，往往引起许多性质的变化。这种变化究竟会对药物性质产生什么样的影响，目前

还不清楚。

（4）纳米机器人一旦在人体内失控，能够快速复制的纳米机器人在体内扩散的速度可能比癌细胞还快，它是否会对人体正常的组织造成不利影响，目前还没有确切的研究结果。

五：纳米技术的前景及展望

纳米科学是一门新兴的科学,正处于不断发展完善之中。纳米材料的制备和应用、微米/ 纳米器件的制造是目前研究的热点,但很多研究仍处于定性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有:

(1) 如何准确表征纳米材料的各种精细结构。

(2) 如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。

(3) 能否利用某种判据来预测微区尺寸减少到多大时,材料表现出特殊的性能。在此基础上,逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分布的控制,最终向实现根据材料的性能要求,设计、合成目标纳米复合材料和设计组装具有特殊功能的微系统的方向发展,并开发其广阔的应用领域。

据统计,全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元。我国虽然没有具体统计,但是以纳米技术基础的企业已有100 家,7 条纳米材料的生产线已投入生产或正在开发之中。预测表明,到2010年,全球纳米技术创造的年产值将达到14 400 亿美元,相当于目前法国一年的GDP。

蒸汽机的发明,引发了第一次工业革命;电的发明,引发了第二次

工业革命,使人类从机械时代进入了微电子时代;纳米技术,将引发一场新的技术革命,彻底改变人类的整个生存状态、生产方式。科学家预计,纳米技术在今后二三十年内将从根本上改变人类的处境。

参考文献：

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【2】张立德，牟季美 . 纳米材料和纳米结构 .传感技术学报 . 第22 卷 第1 期2009 年1 月

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