納米材料專題
我國納米材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景
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引言：提起納米材料 納米是英文namometer的譯音，是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一 在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(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?div id="4qifd00" class="flower right"> 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(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，納米材料和納米結構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(yè)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(yè)的布局、設計新產品、形成新的產業(yè)及改造傳統(tǒng)產業(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(chuàng)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(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域。在納米領域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認識新規(guī)律 國內納米材料研究進展 我國納米材料研究始于80年代末 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和應用研究，其中，承擔國家重大基礎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 我國納米材料基礎研究在過去取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理 近年來 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 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 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 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 六是用苯熱法制備納米氮化像微晶 七是用催化熱解法制成納米金剛石 我國納米材料和納米結構的研究已有10多年的工作基礎和工作積累 目前和今后一個時期內這些單位仍然是我國納米材料和納米結構研究的中堅力量 綜上所述 納米產業(yè)發(fā)展趨勢 ?div id="4qifd00" class="flower right"> （2）環(huán)境產業(yè)中的納米技術：納米技術對空氣中20納米以及水中的200納米污染物的降解是不可替代的技術。要凈化環(huán)境，必須用納米技術。我們現(xiàn)在已經制備成功了一種對甲醛 (3)能源環(huán)保中的納米技術：合理利用傳統(tǒng)能源和開發(fā)新能源是我國當前和今后的一項重要任務。在合理利用傳統(tǒng)能源方面 (4)納米生物醫(yī)藥：這是我國進入WTO以后一個最有潛力的領域 (5)納米新材料：雖然納米新材料不是最終產品 (6)納米技術對傳統(tǒng)產業(yè)改造：對于中國來說，當前是納米技術切入傳統(tǒng)產業(yè) 1999年8月20日《美國商業(yè)周刊》在展望21世紀可能有突破性進展的領域時，對生命科學和生物技術、納米科學和納米技術及從外星球上索取能源進行了預測和評價 激動人心的納米時代已經到來，人們的生活即刻將發(fā)生巨大的變化 白春禮說，“人類進入納米科技時代的重要標志是納米器件的研制水平和應用程度，可能很多人都聽說過也使用過 ，只是沒有探究具體什么是納米材料，對于什么是納米材料，很多人并不一定清楚，本文主要對納米材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景做了簡介，相信隨著納米技術的發(fā)展，會有越來越多的納米材料走進人們的生活，為人類造福。 ；相當于45個原子排列起來的長度 。通俗一點說 ，相當于萬分之一頭發(fā)絲粗細 。就象毫米、微米一樣 ，納米是一個尺度概念 ，并沒有物理內涵。當物質到納米尺度以后 ，大約是在1—100納米這個范圍空間 ，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能 。這種既具不同于原來組成的原子 、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料 ，即為納米材料 。如果僅僅是尺度達到納米 ，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際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，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。、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(chuàng)新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術
。新產品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。，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(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。，“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，組織相關的科技人員分別在納米材料各個分支領域開展工作，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研究帶動應用研究的新局面。、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研究和應用研究。、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。 ，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關注。，用這種技術合成的納米管，孔徑基本一致，約20urn，長度約100pm，納米管陣列面積達到 3mmx3mm。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。。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”為題介紹了有關長納米管的工作。、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。。，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。 ；發(fā)現(xiàn)了非水溶劑熱合成技術，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 。 ；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。 ，在“八五”研究工作的基礎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構基礎研究的重要單位 。無論從研究對象的前瞻性、基礎性 ，還是成果的學術水平和適用性來分析 ，都為我國納米材料研究在國際上爭得一席之地，促進我國納米材料研究的發(fā)展 ，培養(yǎng)高水平的納米材料研究人才做出了貢獻 。在納米材料基礎研究和應用研究的銜接，加快成果轉化也發(fā)揮了重要的作用 。。 在過去10年，我國已建立了多種物理和化學方法制備納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導cvd、等離子加熱氣相合成等10多臺制備納米材料的裝置，發(fā)展了化學共沉淀、溶膠一凝膠、微乳液水熱、非水溶劑合成和超臨界液相合成制備包括金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物、離子晶體和半導體等多種納米材料的方法，研制了性能優(yōu)良的多種納米復合材料。近年來，根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，建立和發(fā)展了制備納米結構（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、mcm－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內延生長等也積累了豐富的經驗，已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進一步研究納米結構和準一納米材料的物性，推進它們在納米結構器件的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價手段基本齊全 ，達到了國際90年代末的先進水平 。 ，“八五”期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果 ，形成了一支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占有一席之地 ，應用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面 ，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎。10年來 ，我國科技工作者在國內外學術刊物上共發(fā)表納米材料和納米結構的論文2400多篇 ，在國際上排名第五位，其中納米碳管和納米團簇在1998年度歐洲文獻情報交流會上德國馬普學會固體所一篇研究報告中報道中國科技工作者發(fā)表論文已超過德國，在國際排名第三位，在國際歷次召開的有關納米材料和納米結構的國際會議上，我國納米材料科技工作者共做邀請報告24次。到目前為止，納米材料研究獲得國家自然科學三等獎1項，國家發(fā)明獎2項；院部級自然科學一、二等獎3項，發(fā)明一等獎3項，科技進步特等獎1項；申請專利 79項，其中發(fā)明專利占50％，已正式授權的發(fā)明專利6項，已實現(xiàn)成果轉化的發(fā)明專利6項。 最近幾年，我國納米科技工作者在國際上發(fā)表了一些有影響的學術論文，引起了國際同行的關注和稱贊。在《自然》和《科學》雜志上發(fā)表有關納米材料和納米結構制備方面的論文6篇，影響因子在6以上的學術論文（phys．rev．lett，j．ain．chem．soc ．）近20篇，影響因子在3以上的31篇，被sci和ei收錄的文章占整個發(fā)表論文的 59％。 1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國際第四屆納米材料會議上，對中國納米材料研究給予了很高評價，指出這幾年來中國在納米材料制備方面取得了激動人心的成果，在大會總結中選擇了8個納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進行介紹，中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進行了大會發(fā)言。。?）信息產業(yè)中的納米技術：信息產業(yè)不僅在國外，在我國也占有舉足輕重的地位。2000年，中國的信息產業(yè)創(chuàng)造了GDP 5800億人民幣。納米技術在信息產業(yè)中應用主要表現(xiàn)在3個方面：①網絡通訊、寬頻帶的網絡通訊、納米結構器件、芯片技術以及高清晰度數(shù)字顯示技術。因為不管通訊、集成還是顯示器件，都要原器件，美國已經著手研制，現(xiàn)在有了單電子器件、隧穿電子器件、自旋電子器件，這種器件已經在實驗室研制成功，而且可能在2001年進入市場。②光電子器件、分子電子器件、巨磁電子器件，這方面我國還很落后，但是這些原器件轉為商品進入市場也還要10年時間，所以，中國要超前15年到20年對這些方面進行研究。③網絡通訊的關鍵納米器件，如網絡通訊中激光、過濾器、諧振器、微電容、微電極等方面，我國的研究水平不落后，在安徽省就有。④壓敏電阻、非線性電阻等，可添加氧化鋅納米材料改性。、氮氧化物、一氧化碳能夠降解的設備，可使空氣中的大于10ppm的有害氣體降低到0.1ppm，該設備已進入實用化生產階段；利用多孔小球組合光催化納米材料，已成功用于污水中有機物的降解，對苯酚等其它傳統(tǒng)技術難以降解的有機污染物，有很好的降解效果。近年來，不少公司致力于把光催化等納米技術移植到水處理產業(yè)，用于提高水的質量，已初見成效；采用稀土氧化鈰和貴金屬納米組合技術對汽車尾氣處理器件的改造效果也很明顯；治理淡水湖內藻類引起的污染，最近已在實驗室初步研究成功。，現(xiàn)在主要是凈化劑、助燃劑，它們能使煤充分燃燒，燃燒當中自循環(huán)，使硫減少排放，不再需要輔助裝置。另外，利用納米改進汽油、柴油的添加劑已經有了，實際上它是一種液態(tài)小分子可燃燒的團簇物質，有助燃、凈化作用。在開發(fā)新能源方面國外進展較快，就是把非可燃氣體變成可燃氣體?div id="d48novz" class="flower left">，F(xiàn)在國際上主要研發(fā)能量轉化材料，我國也在做，它包括將太陽能轉化成電能、熱能轉化為電能、化學能轉化為電能等。。目前，國際醫(yī)藥行業(yè)面臨新的決策，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。納米生物醫(yī)藥就是從動植物中提取必要的物質，然后在納米尺度組合，最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)的想法。在提取精華后，用一種很少的骨架，比如人體可吸收的糖、淀粉，使其高效緩釋和靶向藥物。對傳統(tǒng)藥物的改進，采用納米技術可以提高一個檔次。，但是很重要。據(jù)美國測算，到21世紀30年代，汽車上40％鋼鐵和金屬材料要被輕質高強材料所代替，這樣可以節(jié)省汽油40％，減少co2，排放40％，就這一項，每年就可給美國創(chuàng)造社會效益1000億美元。此外，還有各種功能材料，玻璃透明度好但份量重，用納米改進它，使它變輕，使這種材料不僅有力學性能，而且還具有其他功能，還有光的變色、貯光，反射各種紫外線、紅外線，光的吸收 、貯藏等功能 。 、將納米技術和各個領域技術相結合的最好機遇 。首先是家電、輕工 、電子行業(yè) 。合肥美菱集團從1996開始研制納米冰箱，可折疊的pvc磁性冰箱門封不發(fā)霉 ，用的是抗菌涂料 ，里面的果盤都采用納米材料，發(fā)展輕工 、電子和家用電器可以帶動涂料 、材料、電子原器件等行業(yè)發(fā)展；其次是紡織。人造纖維是化纖和紡織行業(yè)發(fā)展的趨勢，中國紡織要在進入wto后能占據(jù)有利地位，現(xiàn)在就必須全方位應用納米技術、納米材料。去年關于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應用了納米技術，特殊功能的有防靜電的、阻燃的等等，把納米的導電材料組裝到里面，可以在11萬伏的高壓下，把人體屏蔽，在這一方面，紡織行業(yè)應用納米技術形勢看好；第三是電力工業(yè)。利用納米技術改造20萬伏和11萬伏的變壓輸電瓷瓶，可以全方位提高11萬伏的瓷瓶耐電沖擊的性能，而且釉不結霜，其它綜合性能都很好；第四是建材工業(yè)中的油漆和涂料，包括各種陶瓷的釉料、油墨，納米技術的介入，可以使產品性能升級。 ，并指出這是人類跨入21世紀面臨的新的挑戰(zhàn)和機遇。諾貝爾獎獲得者羅雷爾也曾說過：70年代重視微米的國家如今都成為發(fā)達國家 ，現(xiàn)在重視納米技術的國家很可能成為下一世紀先進的國家 。挑戰(zhàn)嚴峻，機遇難得 ，我們必須加倍重視納米科技的研究 ，注意納米技術與其它領域的交叉，加速知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新 ，為21世紀中國經濟的騰飛奠定雄厚的基礎 。 ，然而 ，我們也要清醒地看到，市場上真正成熟的納米材料并不是很多 。中科院院士白春禮院士認為 ，“真正意義的納米時代還沒有到來，我們正在充滿信心地迎接納米時代的到來 ?div id="m50uktp" class="box-center"> ！?/span> ?div id="m50uktp" class="box-center"> ！奔{米科技發(fā)展到今天，距離納米時代的到來還有多遠呢 ，白春禮說