納米材料展現了異常的力學、電學、磁學、光學特性、敏感特性和催化以及光活性，為新材料的發展開辟了一個嶄新的研究和應用領域。納米技術在精細陶瓷、微電子學、生物工程、化工、醫學等領域的成功應用及其廣闊的應用前景使得納米材料及其技術成為目前科學研究的熱點之一，被認為是世紀的又一次產業革命。納米材料向國民經濟和高新科技等各個領域的滲透以及對人類社會的進步的影響是難以估計的。

納米材料和納米結構無論在自然界還是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然納米結構，只不過在透射電鏡的應用以前人們沒有發現而已。

在工程方面，納米材料80年代初發展起來的，納米材料其粒徑范圍在1—100nm之間，故納米材料又稱超微晶材料。它包括晶態、非晶態、準晶態的金屬、陶瓷和復合材料等。由于極細的晶粒和大量處于晶界和晶粒缺陷中心的原子，納米材料的物化性能與微米多晶材料有著巨大的差異，具有奇特的力學、電學、瓷學、光學、熱學及化學等多方面的性能，從而使其作為一種新型材料在電子、冶金、宇航、化工、生物和醫學等領域展現出廣闊的應用前景。目前已受到世界各國科學家的高度重視。美國的“星球大戰計劃”、“信息高速公路”，歐共體的“尤里卡計劃”等都將納米材料的研究列入重點發展計劃；日本在10年內將投資250億日元發展納米材料和納米科學技術；英國也將發展納米材料科學技術作為重振英國工業的突破；我國的自然科學基金“863”計劃、“793”計劃以及國家重點實驗室都將納米材料列為優先資助項目。美國科學技術委員會把“啟動納米技術的計劃看作是下一次工業革命的核心”

納米材料的發現和發展

1861年，隨著膠體化學的建立，科學家們開始了對直徑為1~100nm的粒子體系的研究工作。真正有意識的研究納米粒子可追溯到20世紀30年代的日本的為了軍事需要而開展的“沉煙試驗”，但受到當時試驗水平和條件限制，雖用真空蒸發法制成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩定。到了20世紀60年代人們開始對分立的納米粒子進行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發冷凝法制的了金屬納米微粒，并對其進行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國薩爾蘭大學（Saarland University）的Gleiter以及美國阿貢實驗室的Siegal相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進入了一個新階段。

1990年7月在美國召開了第一屆國際納米科技技術會議（International Conference on Nanoscience &Technology），正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。

自20世紀70年代納米顆粒材料問世以來，從研究內涵和特點大致可劃分為三個階段： 第一階段（1990年以前）：主要是在實驗室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對象一般局限在單一材料和單相材料，國際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。

第二階段（1990~1994年）：人們關注的熱點是如何利用納米材料已發掘的物理和化學特性，設計納米復合材料，復合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導方向。

第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結構材料體系正在成為納米材料研究的新熱點。國際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結構的體系。

納米材料的主要應用

借助于納米材料的各種特殊性質，科學家們在各個研究領域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應用的越來越廣泛化。

特殊性能材料的生產

材料科學領域無疑會是納米材料的重要應用領域。高熔點材料的燒結納米材料的小尺寸效應（即體積效應）使得其在低溫下燒結就可獲得質地優異的燒結體（如SiC、WC、BC等），且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結溫度低、流動性大、滲透力強、燒結收縮大等燒結特性，所以它又可作為燒結過程的活化劑使用，以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時燒結，而當摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復合材料的燒結由于不同材料的熔點和相變溫度各不相同，所以把它們燒結成復合材料是比較困難的。

納米材料的小尺寸效應和表面效應，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進行固相反應，得到燒結性能好的復合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產出質地致密、性能優異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應，這些都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域，并將會對高技術和新材料的開發產生重要作用。

生物醫學中的納米技術應用

從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執行某種功能的“納米機械”，細胞就象一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經系統的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內的細胞、紅血球還要小，這就為醫學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金（Au）粒子的細胞內部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片（生物分子芯片）和基因芯片（即DNA芯片）等，都具有集成、并行和快速檢測的優點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫療，而且可在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監測和治療。各式納米機械系統可以快速地辨別病區所在，并定向地將藥物注入病區而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。

納米生物計算機開發

生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能、自動修復芯片上發生的故障，還能使其模仿人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的。

科學家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產生重大影響。制造這類計算機離不開納米技術。生物納米計算機和納米機器人的結合體則是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數十億次操作，屆時人類的勞動方式將產生徹底的變革。

目前納米科學技術正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關心未來發展的全世界科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現出的奇異現象和新進展，這一領域前景十分誘人。它與其它學科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學科或學科群，其有關發展將對經濟建設、國防實力、科技發展乃至整個社會文明進步產生巨大影響。

新的國防科技革命

納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統和戰場上的實時聯系；對化學、生物、核武器的納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊與防護能力；由納米微機械系統制造的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可用一枚小型運載火箭發射千百顆，按不同軌道組成衛星網，監視地球上的每一個角落，使戰場更加透明。而納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。 在雷達隱身技術中，超高頻（SHF，GHz）段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz范圍內，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發揮單位質量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼備了薄、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為。

其他領域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環境能源、微電子學等其他領域也有著逐漸廣泛的應用，納米材料在這些領域都在逐漸發揮著光和熱。

納米材料的應用前景

1、信息產業中的納米技術

納米技術在信息產業中應用主要表現在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字顯示技術。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。

2、環境產業中的納米技術

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。要凈化環境，必須用納米技術。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，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。

3、能源環保中的納米技術

合理利用傳統能源和開發新能源是我國當前和今后的一項重要任務。在合理利用傳統能源方面，現在主要是凈化劑、助燃劑，它們能使煤充分燃燒，燃燒當中自循環，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小分子可燃燒的團簇物質，有助燃、凈化作用。

4、精細化工方面的應用

精細化工是一個巨大的工業領域，產品數量繁多，用途廣泛，并且影響到人類生活的方方面面。納米材料的優越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細化工領域，納米材料都能發揮重要作用。

5、納米生物醫藥

這是我國進入WTO以后一個最有潛力的領域。目前，國際醫藥行業面臨新的決策，那就是用納米尺度發展制藥業。納米生物醫藥就是從動植物中提取必要的物質，然后在納米尺度組合，最大限度發揮藥效，這恰恰是我國中醫的想法。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。對傳統藥物的改進，采用納米技術可以提高一個檔次。

納米材料在涂料中應用展前景預測

據估算，全球納米技術的年產值已達到500億美元。目前，發達國家政府和大的企業紛紛啟動了發展納米技術和納米計劃的研究計劃。美國將納米技術視為下一次工業革命的核心，2001年年初把納米技術列為國家戰略目標，在納米科技基礎研究方面的投資，從1997年的1億多美元增加到2001年近5億美元，準備像微電子技術那樣在這一領域獨占領先地位。日本也設立了納米材料中心，把納米技術列入新五年科技基本計劃的研究開發重點，將以納米技術為代表的新材料技術與生命科學、信息通信、環境保護等并列為四大重點發展領域。德國也把納米材料列入21世紀科研的戰略領域，全國有19家機構專門建立了納米技術研究網。在人類進入21世紀之際，納米科學技術的發展，對社會的發展和生存環境改善及人體健康的保障都將做出更大的貢獻。從某種意義上說，21世紀將是一個納米世紀。

由于表面納米技術運用面廣、產業化周期短、附加值高，所形成的高新技術和高技術產品、以及對傳統產業和產品的改造升級，產業化市場前景極好。

在納米功能和結構材料方面，將充分利用納米材料的異常光學特性、電學特性、磁學特性、力學特性、敏感特性、催化與化學特性等開發高技術新產品，以及對傳統材料改性；將重點突破各類納米功能和結構材料的產業化關鍵技術、檢測技術和表征技術。多功能的納米復合材料、高性能的納米硬質合金等為化工、建材、輕工、冶金等行業的跨越式發展提供了廣泛的機遇。預期十五期間，各類納米材料的產業化可能形成一批大型企業或企業集團，將對國民經濟產生重要影響；納米技術的應用逐漸滲透到涉及國計民生的各個領域，將產生新的經濟增長點。

納米技術在涂料行業的應用和發展，促使涂料更新換代，為涂料成為真正的綠色環保產品開創了突破性的新紀元。

我國每年房屋竣工面積約為18億平方米，年增長速度大約為3％。18億平方米的建筑若全部采用建筑涂料裝飾則總共需建筑涂料近300萬噸，約200～300億元的市場。目前，我國建筑涂料年產量僅60多萬噸，世界現在涂料年總產量為2500萬噸，每人每年消耗4千克，為發達國家的1/10，中國人年均涂料消費只有1.5千克。因而，建筑涂料具有十分廣闊的發展前景。

納米涂料已被認定為北京奧運村建筑工程的專用產品，展示出該涂料在建筑領域里的應用價值。它利用獨特的光催化技術對空氣中有毒氣體有強烈的分解，消除作用。對甲醛、氨氣等有害氣體有吸收和消除的功能，使室內空氣更加清新。經測試，對各種霉菌的殺抑率達99％以上，有長期的防霉防藻效果。納米改性內墻涂料，實際上是高級的衛生型涂料，適合于家庭、醫院、賓館和學校的涂裝。納米改性外墻涂料，利用納米材料二元協同的荷葉雙疏機理，較低的表面張力，具有高強的附著力，漆膜硬度高且有韌性，優良的自潔功能，強勁的抗粉塵和抗臟物的粘附能力，疏水性極佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外線能力極強。使用壽命達15年以上。顆粒徑細小，能深入墻體，與墻面的硅酸鹽類物質配位反應，使其牢牢結合成一體，附著力強，不起皮，不剝落，抗老化。其納米抗凍性功能涂料，除具備納米型涂料各種優良性之外，可在－10℃到－25℃之內正常施工。突破了建筑涂料要求墻體濕度在10％以下的規定，使建筑行業施工縮短了工期，提高了功效，又創造出高質量，一舉三得，所以備受建筑施工單位的歡迎。

由于目前應用納米材料對涂料進行改性尚處在初級階段，技術、工藝還不太成熟，需要探索和改進。但涂料的各種性能得到某些改進的試驗結果足以證明，納米改性涂料的市場前景是非常好的。

納米科學技術的誕生，將對人類社會產生深遠的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，尤其是能源、人類健康和環境保護等重大問題?？梢?，納米技術對我們既是嚴峻的挑戰。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現經濟騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革。