论纳米科技

纳米科技及纳米材料摘要：近年来科学家们对纳米科技的研究取得新进展，纳米材料在生活和生产各方面所具有的特殊而优越的性能为解决日益紧张的传统资源问题指明了新的方向。

关键词：纳米科技的概念，纳米科技起源，纳米材料的特殊性能，纳米材料的应用，纳米材料的市场前景近年来，纳米科技在全世界范围内取得了突飞猛进的大发展，受到各方面的广泛关注。

纳米科技的本质在于以单个的纳米颗粒为基础，通过纳米级微观层次上的操作，产生具有特定功能的宏观结构，其最终目标是希望按照人类自己的意志直接操纵单个原子，制造具有特定功能的产品。

这一目标的实现意味着人类生产，生活方式将有一个质的转变，其意义极其深远。

人们用物理长度单位“纳米”来表述特别微小的物质世界，这种特别的世界称之为纳米世界，其中的物质就是纳米物质。

纳米物质的大小通常是指一维，二维或三维的尺寸在1~100nm范围内的颗粒状，片状，块状或液状的物质。

人们通过一定方法和技术可以得到的极其细小的粒径在1~100nm的超细粒子，或者一维尺寸在1~100nm的棒（线，管）状材料，或者的尺寸在1~100nm 的微区的块状，片状材料，这些可形象地称为纳米粒子，纳米微粒，或纳米棒，纳米线，纳米管，纳米丝，或者通称为纳米材料。

通常将具有一定存在形态，粒径在1~100nm的物质称之为纳米物质。

最早具有纳米科学技术的设想发生在1959年，美国著名物理学家，诺贝尔奖获得者费曼（R.Feynman1918~1988）在一次讲演中提出：人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按照意愿排列原子，制造产品。

并预言，化学将发展成为根据人们的意愿逐个地准确放置原子的技术，这是最早具有现代纳米概念的思想。

而纳米材料的孕育来源于德国萨尔兰大学的物理学家Gleiter教授的沙漠奇想。

经过他本人4年的努力，终于在1984年将奇想变为现实，成功地利用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面的纳米晶体Pd,Cu,Fe.在这一时期出现了表征纳米尺度物质的重要工具——扫描隧道显微镜（STM），这是一种表征纳米尺度和纳米世界物质的直接工具，它极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，形成了纳米科学技术。

1990年在第一届纳米科学技术会议上统一了概念，正式提出纳米材料学，纳米生物学，纳米电子学和纳米机械学等概念，并决定出版纳米结构材料，纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物。

从此，这些术语广泛出现在国内国际学术会议，研讨会和协议会中，这种介于原子，分子和宏观物质之间的纳米科学技术研究成为国际科技的一大热点。

纳米科学技术是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这种特性开发新产品的一门科学技术。

纳米科学技术是现代科学（混沌物理，量子力学，介观物理，分子生物学）和现代技术（计算机技术，微电子和扫描隧道显微镜技术）结合的产物。

纳米科学技术研究领域包括单原子操纵与原子搬迁技术，纳米电子学与纳米电子技术，纳米生物学，纳米摩擦学，原子团簇科学和纳米材料科学等。

纳米科学技术不是某一学科的延伸，也不是某一新工艺的产物，而是基础理论科学与当代高技术的结晶。

它以物理，化学的微观理论为基础，以当代精密仪器和先进的分析技术为手段，是一个内容广阔的多学科群。

在纳米尺度上研究和制造物质，从而实现生产方式的飞跃。

目前基础纳米材料科学的研究和发展中较广泛，跨学科的问题有：（1）有效地控制纳米结构尺寸，形状，成分和表面状态，经济地制造纳米结构和纳米材料，纳米结构的表征技术问题。

（2）纳米结构将出现哪些新的量子特性问题。

（3）纳米材料和纳米结构的纳米效应的认识理解问题。

（4）合成具有统一长度和螺旋性的纳米管，重复制备和连接一维纳米结构问题。

（5）对复杂的聚合体，超分子和生物系统的理解问题。

（6）纳米电子器件组装，其工作原理，测量标准问题。

对于实用性纳米技术，一般认为包含以下四个主要方面。

第一方面是纳米材料（或称超微粒子）的制备和表征。

控制纳米尺度的结构，不改变物质的化学成分，就能调控纳米材料的基本性质如熔点，磁性，介电常数等。

第二方面是纳米动力学，主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），用于有传动机械特征的微型传感器和执行器，光纤通讯系统，特种电子设备，医疗和诊断仪器等。

MEMS用的是一种类似于集成电路设计和制造的新工艺，特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数百微米，而宽度相对误差只允许万分之一。

虽然此研究目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。

第三方面是纳米生物学和纳米药物学。

新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水。

但如果粒子为纳米尺度，即超微粒子，则可溶于水，此时纳米级药物将发挥巨大的效能。

第四方面是纳米电子学，包括基于量子效应的纳米电子器件，光电性质下的纳米结构，纳米电子材料的表征以及原子操纵和原子组装等。

纳米材料以其巨大的潜在应用价值在近几十年来在全世界范围内得到迅速发展。

依照不同的标准，纳米材料可以分为很多中。

不过人们一般都按照其空间维数，将纳米材料分为四类：1，零维纳米材料，指在空间三维尺度均在纳米尺度内，如原子簇和原子簇的集合等；2，一维纳米材料，指在空间有两维的多层薄膜；3，二维的超细颗粒覆盖膜；4，三维的纳米块体材料。

它又可按照组成相的数目分为纳米纳米相材料和纳米复合材料。

纳米相材料是指单相纳米颗粒组成的固体，纳米复合材料是指两相或多相构成，其中至少有一相为纳米级的固体材料。

纳米材料的基本性质包括：1，小尺寸效应。

小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变。

半导体CdS尺寸在几个纳米范围内，其熔点降低得非常显著。

几个纳米尺寸的CdS熔点已降低了1000K，1.5nm的CdS熔点不到600K。

对纳米金属而言，小尺寸效应更为明显，当金纳米晶体的粒径为20nm,5nm,4nm,2nm时，其熔点由块状体的1064摄氏度分别降至约990摄氏度，850摄氏度，750摄氏度和330摄氏度，由此可见纳米金明显的小尺寸效应。

2，表面效应。

它是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。

对纳米微粒来讲，纳米微粒的粒径越小，表面原子的数目就越多。

纳米微粒表（界）面的原子处于非对称的力场，在纳米微粒表面作用着特殊的力，处于高能状态。

为了保持平衡，纳米微粒表面总是处于施加弹性应力的状态，具有较高的表面能和表面结合能。

这种能量主要来自于：表面缺少邻配位的原子，极不稳定，具有强烈的与其它原子结合的能量。

这种表面原子，不但引起纳米粒子表面原子输运和结构的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。

在化学变化中，将成为物质传递的巨大驱动力，同时这种高能量的表面原子还会影响到纳米微粒的相变化，晶形稳定性等平衡态的性质。

3，量子效应。

它是指当粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻尔半径）时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象。

纳米微粒的高低分子轨道能级间的间距随纳米微粒的粒径变小而增大。

当热能，电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，纳米微粒就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，即量子尺寸效应。

量子尺寸效应产生了能级宽化，使纳米微粒的发射能增加，光学吸收移动，直观上表现为样品颜色的改变。

量子尺寸效应带来的能级改变不仅导致了纳米微粒的光谱性质的变化，同时也使半导体纳米微粒产生较强的光学三阶非线性响应。

4，宏观量子隧道效应。

隧道效应是指电子贯穿势垒的现象。

近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观量子隧道效应。

量子效应，宏观量子隧道效应是未来微电子，光电子器件的科学基础，明确了现存微电子器件进一步微型化的物理极限。

此外，纳米材料还具有其特殊性质：光学性质（1）光谱迁移性。

主要是指纳米材料的光吸收峰发生蓝移或者红移。

蓝移主要是由于量子限域效应引起的，它导致量子能级分裂显著，带隙加宽，吸收带移向短波长端而产生；红移是由于表面或界面效应引起纳米微粒的表面张力增大，使发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起的。

（2）光吸收性。

光通过物质时，某些波长的光被介质吸收产生的光谱，称之为吸收光谱。

纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态有很大的差别，造成纳米材料对光的吸收明显增强。

在表现形式上，体现在纳米材料对光的不透射性和不反射性。

在外观上，对金属而言，纳米粒度大，则纳米微粒的颜色较灰或较黑；随着纳米级粒度减小，均趋向黑色，纳米粒度越小，黑色程度越大。

（3）纳米材料的发光性。

包括光致发光和电致两种现象。

所谓光致发光，是指在一定波长光照射下，被激发到高能级的激发态电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程。

在激发过程中发射的光叫荧光，而在激发停止后还继续发射一定时间的光叫磷光。

所谓电致发光就是在弱电作用下室温具有发出可见光的现象。

对纳米材料而言，纳米硅薄膜是较为热门的研究对象，其电致发光机理是：由于电子—空穴对通过富硅氧化硅膜中纳米硅岛的带—带间跃迁辐射复合而产生。

由于量子限域效应使纳米硅岛的禁带宽度较体硅有很大的增加，导致可见的电致发光。

（4）纳米材料的光催化性。

主要表现在纳米材料利用自然光可催化降解有机化合物最终生成无毒无味的二氧化碳，水和一些简单的无机化合物。

纳米材料由于比表面积大，表面活性点多，光催化活性高，而表现出较强的光催化性质。

（5）非线性光学性质。

光在介质中的传播过程中，如果介质对光的响应成非线性关系，光学现象属于非线性光学范畴，光在介质中传播会产生新的频率，不同频率的光波之间会产生耦合，独立传播原理和线性叠加原理不再成立。

纳米材料的非线性光学效应可分为共振非线性光学效应和非共振非线性光学效应。

其中非共振非线性光学效应，是指用高于纳米材料的光吸收边能量的光照射纳米材料后，导致的非线性效应；共振非线性光学效应，是指用低于共振吸收区能量的光照射纳米材料后导致的光学非线性效应。

磁性质当磁性物质粒度或晶粒进入纳米范围时，其磁学性能具有明显的尺寸效应。

磁性纳米材料的矫顽力，饱和磁化强度，居里温度等磁学参数都与晶粒尺寸相关。

催化性质纳米材料具有多种催化性，可以是热催化，光催化等。

最具有光催化性能的纳米材料就是纳米二氧化钛。

它的微粒作为光催化剂的理论基础在于：通过量子尺寸限域造成吸收边的蓝移；由散射的能级和跃迁规律造成光谱吸收及发射行为结构化；与体相材料相比，量子阱中的热载流子冷却速度下降，量子效率提高；纳米二氧化钛所具有的量子尺寸效应使其导带和价带能级变成分立的能级，能隙变宽，导带电位变得更负，而价带电位变得更正。