纳米材料科学与发展，本文主要内容关键词为：材料科学论文,纳米论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
人类对物质的认识分为两个层次：一是宏观，二是微观。但宏观世界与微观世界不是直接相连接的，在它们两者之间还存在一个介观——纳米世界。它们是由几十个至上千个原子、分子“组合”起来的纳米粒子或“人工分子”。这个人工分子往往具有人们意想不到的性质。但是，如果让它以通常的方式长大聚集成块状材料，原有的奇特性质就会消失。科学家们发现在这个崭新的世界里，纳米材料、纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体。
介观(Mesoscopy)的概念是80年代中才问世的。它是指介于宏观与微观之间的领域，从广义上来说，凡是出现量子相干现象的体系，统称为介观体系。但是，目前，通常把亚微米级体系(1μm)的有关研究，特别是电现象的研究称之为介观领域。介观体系物理问题的研究称为介观物理。这样，团簇和纳米体系就从这种“狭义”的介观范围独立出来。
一、纳米材料的奇特性质
由于纳米尺度材料的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应，使它们呈现出许多常规材料所不具备的特性，如良导体的金属，当尺寸减少到几个nm时，就变成了绝缘体；典型共价健无极性的绝缘体，当尺寸减少到几个nm或十几个nm时，电阻大大下降，甚至可能导电。
将金属纳米粉体制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时还像橡胶一样有弹性。
将5万个碳纳米管排列起来才相当于头发丝的直径。其韧性极高，强度比钢铁高100倍，比重是钢铁的1/6，可用作微细探针、导线、储氢材料、制作新一代计算机。计算机小至米粒，但计算能力是奔腾芯片的1000亿倍，处理能力相当于拥有100个工作站的超级计算机中心。
此外，用这种轻而柔软但又非常结实耐久的材料作为防弹背心是最合适的。添加纳米氧化锌的陶瓷浴盆、瓷砖、釉面具有不用擦洗也能自洁的功能，纺织品如毛巾、鞋垫有防臭和杀菌作用。纳米氧化锌具有抗菌、防霉、防臭、防紫外线的特殊功能，广泛用于防晒化妆品，抗菌、自洁卫生洁具，冰箱、空调、微波炉用抗菌剂，高级船舶用涂料，高级汽车面漆以及航天航空领域。
纳米陶瓷颗粒构成的陶瓷块体，除保持传统的性能外，还具有高韧性、在低温状况下具有良好的延展性的特点。纳米TiO2、CaF2块体都表现出良好的塑性。TiO2陶瓷晶体材料能被弯曲，其塑性变形可达100%，且弯曲变形时其表面裂纹不会扩大。
纳米固体铁的断裂应力比普通铁高12倍，硬度高2-3个数量级。纳米磁性金属的磁化效率是普通金属的20倍，用纳米氧化铁制成的磁记录材料，不仅图像清晰、音质好、噪声小，而且记录密度比一般存储介质要高出10多倍。
纳米材料的熔点低，如纳米Ag的熔点只有100℃，所以，通常在高温下烧结的材料在低温下就能烧结，可将不易互熔的金属冶炼成新的合金。
由于纳米微粒比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学的研究提供了一个新的途径。可以利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色，将纳米微粒作为药物载体，可以注入体内进行定向治疗。
二、纳米材料与技术发展状况
1.国外发展状况
自1984年原联邦德国萨尔蓝大学Gleiter教授首次用纳米微粒原位制备纳米块体并获得优良特性以来，纳米材料与技术成为世界科技界与产业界广泛关注的热点。纳米科技的亮相颇具戏剧性。1990年在美国著名的麻省理工学院举办的科技展览会开幕之前，当与会人员进入展览大厅时，人们被一个如同跳蚤大小的微型机器人所吸引。这个微型机器人五脏俱全：身体由许多齿轮、涡轮和微型电脑组成。齿轮和零部件非常小，小得竟如空气中漂浮的尘埃，需要借助电子显微镜方可看清其真面目（外形和结构）。而“大脑”能够对外来信息和刺激迅速做出各种反应。人们看了之后，无不为纳米科技的新奇及精湛工艺而叹服与震撼！这个机器人是美国享誉全球的贝尔实验室的惊世杰作。同年3月，美国加州大学、犹他大学的科学家又制作出纳米量级的旋转电机与摇摆式电机，其玄妙的机体，只有在显微镜下才能窥探清楚，从而揭开了纳米科技时代的序幕。
1990年7月第一届国际纳米科技会议(NanoScience and Technology,简称NST）在美国巴尔的摩召开，一门崭新的科学技术——纳米科技，终于诞生了。纳米材料被誉为21世纪最有前途的材料。
美国IBM公司首席科学家Amotrong认为，“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代革命的动力。”我国科学家钱学森预言：“纳米左右和纳米以下结构的材料将是下阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。”
今天纳米材料科学的飞快进展正在把这个预言变为现实。人们已经能够制备包含几十个到几万个原子的纳米粒子，并把它们作为基本构造单元，适当排列形成零维的量子点、一维量子线、二维量子膜和三维纳米固体，创造出相同物质的传统材料所不具备的奇特性能。一门崭新的面向21世纪的科学技术——纳米科学技术已经诞生。这对生产力的发展将产生深远影响，并有可能从根本上解决人类面临的一系列问题，如粮食、健康、能源和环境保护等重大问题。
国外对纳米材料和技术的市场预测是2000年纳米结构材料市场容量为6385亿美元；纳米材料薄膜器件市场容量为340亿美元；纳米粉体、纳米复合陶瓷及其他复合材料市场容量为5457亿美元；纳米超精度加工技术市场容量为442亿美元；总的市场容量可高达12879亿美元。市场的突破口很可能在信息、通讯、微电子、环境、医疗等领域。
发达国家的纳米材料重点放在纳米结构材料和纳米功能材料上。纳米结构材料已由纯金属向多元合金及纳米复合材料的方向发展；纳米功能材料主要有纳米催化、敏感、储氢功能材料；光、声、电、磁功能材料；纳米生物医学功能材料等。
2.国内发展状况及存在问题
1999年科技部已经将有关纳米技术列入“国家重点基础研究发展规划”，即所谓973项目。5年内给予3000万元人民币的资助，中科院固体物理所、化学所、金属所、上海硅酸盐所、清华大学、中国科技大学和南京大学承担了这项基础研究课题。
我国已有100多个研究机构及高等院校从事这方面的研究，并取得具有国际先进水平的成果。如中科院物理所作出了世界上最细的碳纳米管；中科院金属所研制的单壁碳纳米管作为储氢材料获得国际好评。但是我国在纳米科学和技术的基础理论研究、创造新技术、新方法等方面与国外还存在较大差距。
近年北京大学、南京大学、上海交通大学及天津大学等都相继成立了“纳米科学与技术研究中心。”与此同时，各种“纳米科技发展有限公司”、“超细微粉高科技有限公司”等也如雨后春笋相继出现。据有关资料报道，“上海交大纳米科技发展有限公司”和“上海交大纳米技术研究发展中心”同时获得上海市政府对“双高”的支持，得到拨款1500万元。1997年香港特别行政区公布了七大研究项目，其中纳米技术被列为重点开发项目。
天津市已在“纳米材料与技术”领域取得许多国内乃至国际领先的研究成果，但与上海、北京、深圳等城市相比，天津还存在很大差距。例如我市一批具有领先水平的纳米技术，因得不到扶持，而未能形成标志性产品；天津市的支柱产业因缺少知识创新和技术含量，一直停留在低水平运转。形成这种局面的主要原因是，天津市尚未建立起应用基础研究——科技成果——市场成果的转化机制；产、学、研之间尚未建立密切的联系与合作；人才优势、产业优势和科研实力尚未形成拳头，成为攻关力量，而是停留在各自为战的研究和管理模式，阻碍了我市纳米技术的发展。
为促进相关学科的交流，交叉与合作，有利于知识创新、技术创新和人才培养，天津大学于1998年成立了“天津大学纳米材料科学与工程研究中心”，由天津大学（材料学院、化工学院、理学院、精仪学院、机械学院）、南开大学、天津师范大学、天津理工学院和天津电视大学等五所院校的部分教师组成，有成员40余人。其中院士1人，教授21人（博士生导师19人），45岁以下教师占一半以上，他们几乎全部具有博士学位和高级职称。
“天津大学纳米材料科学与工程研究中心”储备了一系列在国内外领先的研究成果，急需进行产业化，或经进一步应用研究后产业化。这批高新技术成果是潜在的技术实力，一经扶持，会很快转变为高效益的生产力。另一方面，天津市不少支柱产业包括传统产业具有良好的工业基础，为了使产业结构升级，他们对科技开发、知识创新、提高产品附加值如饥似渴。如果将这两股力量联合在一起，发挥各方优势，将会加速科技创新的步伐，增强天津市的整体经济实力。
附：名词解释
团簇：在80年代中期团簇(Cluster)是凝聚态物理中的热门研究课题。团簇的尺寸范围一般定义为1nm以下原子的聚集体，它是由几个到几百个原子构成的。团簇的研究正处于多种学科的交叉范围，从原子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学、材料科学、甚至核物理学引入的概念和方法交织在一起，构成了当今的团簇物理学。
纳米：纳米(nm)是一种长度的单位，又称毫微米。1nm等于十亿分之一米，即10[-9]米。
纳米技术：纳米科学是研究在千分之一米到十亿分之一米的范围内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问。在这一尺度范围内对原子、分子进行控制、操纵和加工称为纳米技术。
纳米体系：在团簇与亚微米(0.1μm～1μm)级体系之间又存在一个十分引人注目的新的微小体系，即纳米体系，通常规定为1～100nm。纳米微粒就是这个体系的典型代表，它属于超微粒子，范围(1～1000nm)。
纳米材料：纳米材料是指在三维空间尺度至少有一维处于纳米量级的材料，通常为1～100nm。纳米材料分为纳米微粒和纳米固体（包括纳米块体和纳米薄膜）。
纳米微粒：纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸大于原子簇(Cluster)。小于通常的微粒。通常把仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“原子簇”，纳米微粒一般在1～100nm之间，有人称它为超微粒子。更形象地说，大家知道血液中的红血球的大小为6000～9000nm，一般细菌（例如大肠杆菌）长度为2000～3000nm，引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米。因此纳米颗粒的尺寸比红血球小1000多倍，比细菌小几十倍，和病毒大小相当或略小些，这样小的物理只能用高倍的电子显微镜进行观察。当粒子尺寸进入纳米量级(1～100nm)时，由于自身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而出现许多特殊性质，在催化、化工、涂料、医药、光吸收、磁介质、新材料等方面有广阔的应用前景。对他们的认识，即对这种由数量不多的原子或分子组成的体系的新规律的认识以及如何操纵和组合它们，成为当今纳米科学技术的主要问题之一。
纳米结构材料：根据原子排列的对称性和有序程度，可把固态物质分为三类，即长程有序（具有平移周期）的晶态，仅有短程有序的非晶态以及只有取向对称性的准晶态。晶态和非晶态是物质最主要的两类结构形式。纳米结构材料(nanostructured materials)又称纳米固体，它是由颗粒尺寸为1-100nm的粒子凝聚而成的块体、薄膜、多层膜和纤维。
标签：原子论文; 纳米陶瓷论文; 纳米效应论文; 纳米粒子论文; 纳米论文; 分子和原子论文; 纳米材料特性论文; 科学论文; 纳米技术论文;