纳米技术在科技生产和生活中的应用
1990年，美国国际商业机器公司的科学家利用隧道扫描显微镜上的探针，在镍表面放电出带有36个氙原子的字母“IBM”。科学家们从这种纳米技术中看到了设计和制造分子大小的设备的希望，这种设备可以操纵单个原子。1993年，中国科学院北京真空物理实验室操纵原子，成功书写“中国”二字，标志着中国开始在国际纳米技术领域占据一席之地。
自20世纪90年代以来，准一维纳米材料的发展一直是纳米技术的前沿领域。1991年1月，日本筑波NEC实验室的S. Iijima首次用高分辨率分析电子显微镜观测到碳纳米管。这些碳纳米管是多层同轴管，也称为巴基管。2000年6月5438+10月，美国宾夕法尼亚大学的研究人员在《科学》杂志上发表文章，称碳纳米管的质量是同体积钢的六分之一，但其强度却比钢高100倍。它不仅具有良好的导电性，而且是目前导热性能最好的材料。碳纳米管优异的导热性使其成为未来计算机芯片的热沉，也可用作发动机、火箭等各种高温部件的防护材料。最新研究表明，碳纳米管中的空腔不仅可以作为微型试管、模具或模板，还可以将第二种物质密封在这个有限的空间中，并诱导其具有宏观材料中看不到的结构和行为。计算机模拟显示，密封在碳纳米管中的水可以作为新的冰相存在。在合适的条件下，碳纳米管中液相和固相的明显界限会消失，液态物质会不断转化为固态，没有明显的凝固过程。
在1993中，IBM公司阿尔马登实验室的白求恩等人和饭岛同时报道了单壁碳纳米管的观测结果。1996年，因发现C60而获得诺贝尔奖的斯马利和他的研究相结合，形成了成行排列的单壁碳纳米管束。同年，中国科学院物理研究所谢研究员研究组用化学气相法制备了面积为3mm×3mm的大面积碳纳米管阵列，可用作优良的场发射平板显示器件。他们还在1998合成了最长2毫米的纤维级碳纳米管。
除了碳纳米管，研究人员还合成了其他纳米管材料，如BxCyNz、NiCl2、类酯体、MCM-41管中管、一水硬铝石、b-(g-)环糊精纳米管聚集体和定向排列的氮化硅纳米管[1]。准一维纳米材料中除了空心纳米管，还有实心纳米棒、纳米线和量子线。图1显示了我们研究组装的氧化硅纳米线，直径为5-120nm，从尖端到根部的长度为10-70mm。1997年，法国学者Colliex通过分析电弧放电，获得了一种涂有异质纳米壳层的C-BN-C管。由于其几何结构类似于同轴电缆，直径为纳米，因此被称为同轴纳米电缆。由于同轴纳米电缆的独特结构，它们将在纳米结构器件中发挥重要作用。
从65438到0996，中国科学技术大学谢毅博士用苯热合成法制备了产率高、平均粒径为30nm的氮化镓粉末。从65438到0997，清华大学范寿山教授制备了直径为3-50纳米、长度为微米量级的氮化镓纳米棒，并首次将氮化镓制备成一维纳米晶，提出了碳纳米管限制反应的概念。65438-0999与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作，实现了碳纳米管阵列在硅衬底上的自组织生长。
1997年，来自纽约大学的科学家发现，DNA(脱氧核糖核酸)可以用来建造纳米级别的机械装置。2000年，美国朗讯公司和英国牛津大学的科学家利用DNA的碱基配对机制，制造出一种纳米大小的镊子，每只手臂的长度只有7纳米。
65438-0998年，中国科学技术大学钱义泰院士研究组以四氯化碳为原料，催化热解制备金刚石纳米粉，被国际刊物誉为“点石成金”。
从65438到0999，北京大学电子系薛增权教授研究组在金属表面组装了单壁碳纳米管，为扫描隧道显微镜组装了性能良好的探针。同年，中科院金属所程慧明博士合成了高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究跃居世界先进水平。
1999年，巴西和美国科学家用碳纳米管制成了世界上最小的“秤”，其重量可达十亿分之一克，相当于一个病毒的重量。不久，德国科学家开发出一种“纳米尺度”来称量单个原子，打破了以前的记录。同年，美国科学家在单个分子上实现了有机开关，证明了可以在分子水平上开发电子和计算设备。
中国科学院沈阳金属研究所卢柯课题组在纳米材料及相关亚稳材料领域取得了突出成就。他开发的通过非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法，与惰性气体蒸发后原位加压、高能球磨一起，成为制备金属纳米块体的三大主要方法之一。他们发现纳米铜的室温超塑性延展性被评为2000年中国十大科技新闻。
自从发现碳纳米管以来，科学家们一直在开发越来越细的碳纳米管。2000年，谢团队用通常的电弧放电法制备了内径为0.5纳米的碳纳米管。同年，香港科技大学的唐子康博士宣布发现了世界上最细的纯碳纳米管？0.4nm碳纳米管，这个结果已经达到了碳纳米管的理论极限。65438+2月柏林Max-Born研究所开发出直径为1nm的薄壁纳米管，创下了薄壁纳米管开发的新纪录。
2001年初，中国科学技术大学朱清时院士课题组首次直接拍摄到了能够区分化学键的C60单分子图像。这种单分子直接成像技术为分析分子内部结构提供了有效手段，使科学家能够人工“切割”和“重组”化学键，为设计和制备单分子纳米器件奠定了基础。3月，美国佐治亚理工学院中国学者王忠林教授的研究小组在世界上首次利用高温固气相法合成了一种独特且无缺陷的半导体氧化物纳米带结构。这是继纳米管和纳米线之后纳米家族的新成员。有望解决大规模生产中纳米管的稳定性问题，在纳米物理研究和纳米器件应用中发挥重要作用。6月，香港科技大学沈平教授的研究小组在单个纯碳纳米管中观察到超导现象。这一观察表明，当碳纳米管精细到一定程度时，其材料性质会发生突变。在应用方面，碳纳米管超导性的发现将有助于解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。
从上面可以看出，中国在纳米基础研究领域并不落后？从上世纪90年代初开始，科技部、国家自然科学基金、中科院等单位启动了纳米材料和国家重点基础研究项目的攀登计划，投入数千万元支持纳米基础研究。我国纳米科学家在国际上取得了一系列令人瞩目的成果，在《科学》、《自然》等权威杂志上发表了高水平论文，使我国在纳米材料基础研究尤其是纳米结构的可控合成方面处于相对领先的地位，仅次于美国、日本和德国，居世界第四位。但总体来说，纳米器件的研究水平还不是很高，手段与国外还有很大差距。
第二，纳米技术的应用
在纳米材料中，由于纳米尺度的尺寸等于或小于光波波长、德布罗意波长、超导态相干长度等物理特征尺寸，晶体的周期性边界条件被破坏。纳米颗粒表层附近的原子密度降低；电子的平均自由程很短，但局域化和相干性增强。尺寸的减小也大大减少了纳米体系所包含的原子数量，宏观固定的准连续能带转化为离散的能级。这些物理效应导致了纳米材料的宏观声、光、电、磁、热和机械效应，与常规材料不同，如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观隧道效应。目前，纳米材料中基本物理效应的描述主要是在金属纳米粒子研究的基础上发展和建立起来的。要准确把握纳米技术中现象的本质，必须在理论上实现从连续系统物理到量子物理的转变。
当今科技发展要求超小型化、智能化、元器件高度集成、高密度存储和超高速传输等特点，这为纳米技术和纳米材料的应用提供了广阔的空间。美国制定的国家纳米技术倡议(NNI)中列出的纳米技术领域非常广泛，但基本领域有三个，分别是纳米材料、纳米电子学、光电子学和磁学、纳米医学和生物学。
1纳米电子学、光电子学和磁学
纳米粒子的宏观隧道效应限制了微电子器件的小型化。对于硅集成电路，在纳米电子学、光电子学和磁学中微电子器件的极限线宽通常被认为是大约70nm。目前全球最窄线宽130nm，十年内将达到极限。如果硅器件做得更小，电子会隧穿绝缘层，导致短路。目前解决纳米电子电路有两种方法。一种方法是在光刻制造的集成电路中使用双光子束技术中的量子纠缠态，这可能会将器件的极限降低到25纳米。另一种是开发替代硅的新材料，使用蛋白质二极管和碳纳米管作为导线和分子线。单原子操纵是形成新概念器件的重要途径。1997年，美国科学家成功用单电子移动了单个电子。这项技术可以用来开发速度和存储容量比现在高一万倍的量子计算机。2001年7月，荷兰研究人员制造了一种单电子碳纳米管晶体管，可以在室温下有效工作。这种晶体管基于碳纳米管，依靠一个电子来决定“开”和“关”的状态。由于其低能耗，将成为分子计算机的理想材料。在新世纪，超导量子相干器件、超微霍尔探测器和超微磁场探测器将成为纳米电子学中器件的主角。
利用纳米磁性中显著的巨磁电阻(GMR)和隧道磁电阻(TMR)现象开发的读取头，可以将磁盘的记录密度提高30倍以上。瑞士苏黎世的研究人员制备了交替填充铜和钴的纳米线，并利用其巨磁电阻制备了超微磁场传感器。磁性纳米粒子粒径小，具有单畴结构和高矫顽力，因此可以作为磁记录材料来提高信噪比和图像质量。1997期间，明尼苏达大学电子工程系纳米结构实验室通过纳米光刻技术成功研制出纳米结构磁盘，长度为40纳米的Co棒排列成周期性的量子棒阵列。因为纳米磁单元是相互分离的，所以叫做量子盘。它利用磁性纳米线阵列的存储特性，存储密度可以达到400Gb×in-2。利用铁基纳米材料的巨磁阻抗效应制备的磁性传感器已经问世，包覆超顺磁纳米粒子的磁性液体也作为长寿命动态旋转密封广泛应用于航空航天和一些民用领域。
2纳米医学和生物学
从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围内，所以纳米结构也是生命现象中的基本事物。细胞器和细胞中的其他结构单元是执行某些功能的“纳米机器”。细胞就像“纳米车间”，植物中的光合作用就是“纳米工厂”的典型。遗传基因序列的自组装排列实现了原子水平的精确结构，神经系统的信息传递和反馈是纳米技术的完美范例。生物合成和生物过程已经成为新纳米结构的灵感和制造的来源，研究人员正在模仿生物特性，以实现技术纳米尺度的控制和操纵。
纳米粒子的尺寸往往比生物体内的细胞和红细胞还要小，这为医学研究提供了新的契机。目前，已经得到很好应用的例子包括:利用纳米二氧化硅颗粒进行细胞分离的技术，纳米颗粒，特别是金(Au)颗粒的细胞内染色，以及用涂有磁性纳米颗粒的新药或抗体进行局部靶向治疗。
正在开发的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(DNA芯片)，这些芯片都具有集成、并行和快速检测的优势，已成为纳米生物工程的前沿技术。它将直接应用于临床诊断、药物开发和人类基因诊断。植入人体后，人们可以随时随地享受医疗，在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。
纳米生物材料也可以分为两类。一类是适用于生命体的纳米材料，如各种纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各种纳米机械系统可以快速识别病房位置，在不损伤正常组织或清除心脑血管血栓和脂肪沉积的情况下，向病房定向注射药物，甚至利用它们吞噬病毒、杀死癌细胞。另一种是利用生物分子的活性开发的纳米材料，可以代替生物体用于其他纳米技术或微细加工。
3在国防科技中的应用
纳米技术将给国防和军事领域带来革命性的影响。例如，纳米电子设备将用于虚拟训练系统与战场的实时通信；化学、生物和核武器纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击和防护能力；由纳微机械系统制成的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可以由小型运载火箭发射，按照不同的轨道组成卫星网络，监视地球的每一个角落，让战场更加透明。纳米材料在隐身技术中的应用尤为引人注目。
在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)电磁波吸收材料的制备是关键。纳米材料正被开发为新一代隐身材料。由于纳米材料中界面组分比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键数量增加。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收带变宽。高比表面积导致多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使电子的能级发生分裂，分裂的能级间距在微波的能量范围内，为纳米材料创造了新的吸收通道。在微波场的照射下，纳米材料中原子和电子的运动加剧，增加了电磁能转化为热能的效率，从而提高了电磁波的吸收性能。美国研发的“超黑粉”纳米吸波材料吸收率达到99%，法国最近研发的CoNi纳米颗粒包覆绝缘层的纳米复合材料具有m？和m几乎都大于6。最近国外正在努力研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，提出了单一吸收粒子匹配设计机制，可以充分发挥单位质量损失层的作用。纳米材料有很好的吸波功能，但一般都是薄、轻、宽、强。纳米材料(包括纳米纤维和碳纳米管)中的硼化物、碳化物和铁氧体在隐身材料的应用中将具有巨大的潜力。
图2是本课题组用溶胶-凝胶法制备的b-纳米碳化硅粉末的透射电镜照片。初级颗粒尺寸约为20nm。微波网络矢量分析仪测得的介电损耗(tgd)为9.28，而其他碳化硅粉体的介电损耗在0.2-0.6之间，因此具有在室温和高温下吸收超高频电磁波的潜力。
4纳米陶瓷的强韧化
先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等恶劣环境中发挥着不可替代的作用。但是，脆性是陶瓷材料不可克服的弱点。英国材料科学家Cahn曾评论说，通过改进工艺和化学成分来克服陶瓷脆性的尝试并不理想，无论是固溶体掺杂的氮化硅还是相变增韧的氧化锆都不能在实际中用作陶瓷发动机材料。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一。
纳米陶瓷与金属相似的超塑性是纳米材料研究中引人注目的焦点。如纳米氟化钙、纳米氧化钛陶瓷在室温下可以发生塑性变形，在180℃时塑性变形可以达到100%。当预制裂纹试样在180℃弯曲时，裂纹不会扩展。20世纪90年代初，日本Niihara报道了添加纳米SiC颗粒的氧化铝复合材料的强度可以达到1 GPA以上，而常规氧化铝基陶瓷的强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在65438±0300℃氩气中退火2h后，强度提高到65438±0.5 GPA，其高的力学性能与纳米复合陶瓷的精细显微结构直接相关。德国马克斯·普朗克冶金材料研究所的研究人员在聚甲基硅氮烷高温裂解后，制备了A-Si3N4微晶和a-SiC纳米晶复合陶瓷材料。具有良好的高温抗氧化性，可在1600℃的高温下使用(氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃)。他们的最新进展是通过添加硼化物来提高材料的热稳定性，通过生成的BN的包覆作用来稳定纳米氮化硅晶粒，并进一步将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度提高到2000℃，这是迄今为止世界上温度最高的块体陶瓷材料。
目前纳米陶瓷粉体的制备已经比较成熟，新的技术和方法不断涌现，已经达到生产规模。纳米陶瓷粉体的制备方法主要有气相法、液相法和高能球磨法。气相法包括惰性气体冷凝法、等离子体法、气体热解法、电子束蒸发法等。液相法包括化学沉淀法、醇解法、溶胶-凝胶法、水热法等。本课题组提出用原位选择性反应法制备纳米晶TiC和TiN复合TZP粉末，为陶瓷材料的微结构设计提供了一种新的研究思路。纳米陶瓷的致密化方法趋于多样化，其中微波烧结和放电等离子烧结效果较好。美国宾夕法尼亚大学的陈奕威教授通过无压烧结制备了平均粒径为60nm的致密Y2O3块体材料，为纳米陶瓷的发展带来了新的希望。2001年6月，日本经济产业省报道，纳米陶瓷等新材料应用于飞机零部件制造技术。
5纳米技术在其他领域的应用
纳米粒子的优异性能，如比表面积大、表面反应活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力强等，使其在化学催化中有着重要的应用。铂黑、银、氧化铝、氧化铁等纳米粉体已被直接用作氧化、还原、合成聚合物的催化剂，大大提高了反应效率。以纳米镍粉为反应催化剂的火箭固体燃料燃烧效率可提高100倍。当镍的粒径在5nm以下时，反应选择性变化剧烈，醛分解反应得到有效控制，醇的转化率迅速提高。
小型化本身并不代表纳米技术。纳米材料和纳米技术在规模和性能方面有明确的定义。目前制造纳米器件的主要方法是“自上而下”降低材料结构的维度，未来纳米技术的发展方向是“自下而上”构建纳米器件。目前，这方面的尝试有两种。一个是人工实现单原子操控和分子手术。日本大阪大学的研究人员利用双光子吸收技术在高分子材料中合成了三维纳米牛和纳米弹簧，在功能微器件的制备和验收方面取得了新的突破。另一个是各种体系的分子自组装技术。通过分子自组装构建的纳米结构包括纳米棒、纳米管、多层膜、孔结构等。贝尔实验室的科学家利用有机分子硫醇的自组装技术，制备出直径为1-2nm的单层场效应晶体管。这种单层纳米晶体管的制备是开发分子级电子器件的重要一步。这一领域的工作仍局限于实验室研究阶段。