纳米材料的特性和发展

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无 锡 院 7 9?
第 卷第 期 南 洋学 学报 ?,

8

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料的
纳米材 特性和发展

代淑芬
工 , 江
无 职业 电子 程 无 % ;?
! 锡南洋 技术学院 系 苏 锡 #%

、
了 以 况。
要 文 绍 纳米 的 性 发 现状 的发
<摘 本 介 材料 特 展 及未来 展情

> > > >
词 纳米 术 纳米 源 性 发
关〔键 〕 技 材料起 特 展

一 Δ 只 一
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中图分类号 【献标

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、

一 纳 的 出
米 技 提 与发展
科

%ΕΦ Ε 尼亚 工 召开 上, 、 贝 理 理查 ·
年在美国加利福 理 学院 的美国物理学会 物理学家诺 尔物 学奖获得者 德

, ,
“ ”
* Κ
Γ8 ΗΙ3 ? +* 天可以 一 生 Λ
费曼! #发表演说指出 如果有一 按人的意志安排 个个原子那将会产 怎样的奇迹
“ , 以 尺 以 , 。 ” 天,
毫无疑问当我 得 对细微 度的事物加 操纵时将大大扩充我们可能获得物性的范围 今 纳米
们

, ,
已经 巨 。
技术 有了 大的发展 当我 追 Μ 年前那次重要的演说时确实感悟到科学预言的极大震撼力
们 溯

8
9 30 2 ?- Ι6 一 ; Ν* ,以玩? 尺 空 , 、 子 运
纳米技术! +?* 1?* #是 门在 Ο 度 间研究电子 原 和分子 动规律和特性

,

也 。
的崭新高技术学科 纳米电子学 在 学科领域
其

, ,
于以逐 上运 生 观 。
纳米技术的本质在 个原子的形式在分子层次 作产 具有特定功能的宏 结构 它的最终

,
己 , 。 一
目标是 人类按照自 的意志直接操纵单个原子制造具有特定功能的产品 这 目标的实现将意味着纳米

生 ?<,,
技术改变人类生活模式和 产方式的时代的来临

、 、
, 迅 , 显示 生 。 生
从九十年代初起 纳米技术得到 速发展 出勃勃 机 它是微电子技术信息技术 命科学技术

, ,
进一 展 对人 生 远 影 且孕 巨 机。
等能够 步发 的基础将 类未来产 深 的 响并 育着 大的商

, ,
Ε% Φ 。
ΕΕ 品 元 于 不可 经 益和
到 年全球纳米产 的年营业额达到 ;; 亿美 由 纳米技术 估量的 济效 社会效益

、
业 子、 子 继 展和 > 业 、 空和环
包括为 息产 的电 光电 的 续发 提高 为制造 国防航

境应用提供更物美价廉的材
信

、 , ,
> 医 医 和 上 生 可以 % 纪 和
料 为 疗 药 农业 加速 物进步将起的作用 人类 预计到 世 纳米科学 技术将会改变人

, ·
。?Ν Π 阿 Ε% Ε% 写 和
造物体的特性 产 工业革命 的前首席科学家约翰 姆斯特朗在 年 道我相信纳米科学 技术
生
一 心, 七 一 叽
将会是下 个信息时 中 就像在 十年代的微米引起的革命 样
代

二、 纳米材料的 性
特

和 面 原子 了短 , 了 , 、 塑
纳米材料高度的弥散性 大量的界 为 提供 程扩散途径 导致 高扩散率它对蠕变 超 性

, 、 、 、
。

显 限固 的 强 活 蚀 强 因此
有 著影响并使有 溶体 固溶性增 烧结温度降低 学 性增大耐腐 性增 纳米材料所
化

、 、 、 、 , ,
现 电 不 于

现出的 。 相比
表 的力热 声光 磁等性质 往往 同 该物质在粗晶状态时表 性质 与传统晶体材料 纳

、 、 、 、 、 、 、
强 Δ 硬 塑 阻 比
米材料具有高 度一 度 高扩散性 高 性一一韧性低密度 低弹性模量 高电 高 热 高热膨胀系

Κ 一 一
日 % %
收稿 期 ;!

, , , , 。
Κ Ε%
作者简介代淑 ! # 女 内蒙赤峰人 学士 电子工程系教师
芬 ΔΔ

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无 锡 南 洋 学 院 学报 第 卷

、 、 、 、 、
。 地 于 环
数低热导 强软磁性 这些特殊性能 纳米材料可 泛 用 高力学性能 境光热吸收非线性光学
率 能 使 广

、 、 、 、 、 、 、 、
磁记录 特殊导 子 超微复 材料催化剂热交换材料敏感元件烧结助剂润滑剂 领 。 具 表
体分 筛 合 等 域 体
现如下Κ

8

% 尺寸效应

、

,

当超细微粒的尺寸与光 波长 布罗意波长 物理特征尺寸相当 更小时晶 周 性的边界 件
波 德 等 或 体 期 条 将

、 、 、
> 近 , 、
被破坏 非晶态纳米 粒的颗粒表面附 原子密度减小导致声光电磁学热学 学 特性呈现出 的小
微 力 等 新

,
。 了 。
尺寸效应 纳米微粒的小尺寸效应 具有独特的物理化学性能从而拓宽 材料的应用范围 如当颗粒的
使其

, , ,
生 , 一 ?;ΘΒ ? 而 于 ?
粒径 到纳米级时材料的磁性就会发 很大变化如 般铁的矫顽力约为 直径小 ;* 的铁
降

, ,
%;!Χ〕 于 > 尺 以 尺
矫顽力却增加了

倍 可用 制造磁卡利用等离子共振频 随颗粒 寸变化的性质可 改变颗粒
其 率

, , , 、
一 于 飞 。
寸控制吸收边的位移制造具有 定频宽的微波吸收纳米材料可用 电磁波屏蔽 隐形 机等 若将纳米

, ,
不 以 面 至还可以 。
粒子添加到聚 物中 但可 全 改善聚合物的力学性能甚 赋予材料新性能
合

8

面
表 效应

, ,
一 , , 面 比 面 也 而
般而言 随着微粒尺寸的减小微粒中表 原子与原子总数之 将会增加表 积 将会增大从 引

,
子 面 。 % 尺 。
起材料性能的变化这就是纳米粒 的表 效应 表 列出了纳米微粒 寸与表面原子数的关系

% 纳 尺 面原子 系
表 米微粒 寸与表 数的关

尺 Ρ! 包 总

原子子 包 总原子子
纳纳米微粒 寸 *(Ν ### 含 含

,,,;;; Α Χ ,以以 ;;;

? % ΑΑΑ
; ;;;

8

Φ Χ % ;;;
; ?

,,,,, Α;;; ΕΕΕΕ

,
, , 。 *
% 可以 面 比 % ?
从表 中 看出随着纳米粒子粒径的减小表 原子所占 例急剧增加 当粒径为 时纳米材
几 面 。 于 面 子 , 配 不 面 , 面 子
料 乎全部由单层表 原子组成 由 表 原 数增多原子 位 足及高的表 能使这些表 原 具有

, , ,
不 子 。

不 面
高的活性 极 稳定很容易与其它原 结合 将纳米粒子添加到高聚物中这些具有 饱和性质的表
若

,
生 理 。 两 不 可以通 一
原子就很容易同高聚物分子链段发 物 化学作用 这样 者之间 但 过范德华作用力结合在 起

而且 些 以 子 上 生 而 一
那 具有较高化学反应活性的纳米粒子 同聚 物分 链段 的活性点发 化学反应 结合在
述可 合
起。

8

Α % 子隧道效应

,
观 子 垒 。 子 强 也 可以 观
微 粒 贯穿势 的能力称为隧道效应 纳米粒 的磁化 度等 具有隧道效应 它们 穿越宏

、
而 生 , 这 子 观 子 。 研 础

,
系统的势垒 产 变化 称为纳米粒 的宏 量 隧道效应 它的 究对基 研究及实际应用 如导电
、 , 重要 ?*,
导磁高聚物微波吸收高聚物等都具有 意义

、

三 国内 纳米材 的发 现状
外 料 展

8

% 国际 展现
发 状

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Α Κ
代淑 纳米材 的 性和发
第 期 芬 料 特 展

, ,
% 纪 展 。 于
世 前 ; 年 是发 纳米技术的关键时期 由 纳米材料特殊的性能将纳米科技和纳米材料应用

,
工业生 上 上 。
到 产的各个领域 能带来产品性能 的改变 或在性能 有较大程度的提高 利用纳米科技对 统
都 传
工业, 工业 , 遇, , 已 秘
特别是重 进行改造 将会带来新的机 其中存在很大的拓展空间这 是国外大企业的技术

、 、 、 、 、 、 、 、 、
。 Τ
?Ν Π /59Σ 田三 日立 士 9 4 国 型 人
密 英特尔

夏普东芝 丰 菱 富 等具有 际影响的大 企业集团纷纷投

,
巨 开 己 了 目 。 经 了 , 已经
资 发自 的纳米技术 并得到 令世人瞩 的研究成果 纳米技术在 历 从无到有的发展之后
了 业。
初步形成 规模化的产

,
重 。 ;; 近?8 Φ Φ 已
世界各国对纳米技术的发展都非常 视 年度纳米科技研发预算 亿美元 ;; 年预算 达

, ,
?) 而且 国 二 。
到 亿美元 在美 该年度预算的优先选择领域中纳米技术名列第 位 现在美国对纳米技术的投
二 之一。
资约占世界水平的 分
还 Κ 盟 巧Υ 、 日 Υ 、 、 亚、 、 、
在纳米技术领域 资较大的国家 有 欧 !约 # 本!约 ; #俄罗斯澳大利 加拿大 中国韩
投

、 、
。 ,

以 国 日 日 立
国 色列新加坡等 本国会提出要把发展纳米技术作为今后 ; 年 本的 国之本政府机构和大公

, ,
企业 。 日 目 强
司是其研究资金的主

要来源 中小 的作用很小 本研究的 的是在产品中注人纳米技术增 国际竞

、 、
。 。
一佗 Μ
日 工 盟 加
争力 本在超细微加 纳米设备强化纳米结构及检测相关领域拥有全球优势 欧 ;#! 年的第

,
六 于 Α% 元 不 ,
个框架研究计划关 纳米技术的总投资将达到 欧 项目分散在各个 同的领域 是专门的纳米
亿 但

、
, 生 工 。
科技领域它明确的优先发展方向是多功能材料新的 产 艺和设备 韩国政府把全国各大学研究纳米技

, ,
汉 立了一 国 配 , 也 以 目
术的优秀人才都集中到 城大学 成 个纳米技术学院 由 家调 人才 各大公司 都 市场为 标
署了 业研究领域。
部 专
也 , 业 ,
目前纳米材料及技 的应用 越来越广泛 在专 电子 息产业 纳米技 的应用将为电子 息产业的
术 信 术 信
以强 、

理 , 以 、互 迟、 和
发展克服 场效应量子隧道效应等为 表的物 限制 功耗 联延 光刻等为 表的技术限制 制
代 代

、 ,
以 经 型 。 不 于
造成本昂贵用户难 承受的 济限制制造出新 纳米器件 具有量子效应的纳米 息材料将提 同
信 供

, ,
而 生 经 。 业 一
传统器件的全新功能从 产 出新的 济增长点 这将是对 息产业和其他相关产 的 场深刻的革命
信

,
以 。 正 国 , 业
它所带来的经 价 是难 估量的 如美 新《技术周刊指出纳米技术在电子 息产 中的应 将成
济 值 》 信 用

,
% 纪经 一 主要 可 ; 纪后 见 。
为 世 济增长的 个 发动机 其作用 使微电子学在 世 半叶对世界的影响相形 细

8

国 展 况
内发 状 分析

, “ ” , “ ” 。 ,

于 纪;? 五 人 目 此 国
我国纳米材料研究始 ; 世 年代末 八 期间 纳米材料科学 列 国家攀登项 后

、 、 、 ,
? ? 、Ε
基金 国 国 组 了 重 目国 ΑΜ Α
家自然科学 委员会 中 科学院 家教委分别 织 项重大 点项 家 计划 计划新

,
也 立 研 。 ?ΑΜ 机 重
材料领域 对纳米材料有关高科技创新的课题进行 项 究 其中 计划纳米材料与微 电系统 大专

、 ,
于 正 。 以 国 面 和 业
项 ;; 年 式启动 ;; 年重大专项 市场应用和 家重大战略需求为导向 向 促进产 化为重
, 国 展 , , 和 必 ,
点针对 际纳米材料技术发 趋势 并结合我国国情 在有相对优势 战略 争的关键领域如纳米信息材
及 、 生 医 、 环 、 源 、 、
料 器件的集成技术纳米 物 用材料 纳米 境材料 纳米能 材料 纳米结构材料 纳米特种功能材料

,

、 ,
了 局批 施 ΑΜ > Α 电子和电子 及 生 医
等进行 布 准实 课题 项 ;; 年则在纳米光 材料体系器件构造 集成技术 物
用器 、 的 及 , 原 的 业 及 , 电子、 生
件 系统 纳米材料 相关技术 创性 并具有产 化前景的特种纳米材料 技术纳米 纳米

、
医 及 用所必需的 工 了 局, ΕΑ > ;;
物 学器件研发 规模化应 加 检测设备进行 布 批准实施课题 项 年在纳米信

、 ,
生 医 及 用 几 面重 的 展, 国
息 物 学材料 相关应 技术等 个方 点支持力争实现技术 跨越发 使我 在纳米技术领域
国际 地 。
的 竞争中占据有利的战略 位

、 、 ,
通过国 ?ΑΜ ΕΑ 施 国 面己 人了 和 。
家攻关计划 计划 计划的实 我 在纳米技术研究方 投 大量的人力 物力

, , ,
% Φ % 。
?#! 目 万以上 目 ;

和 面
白 年到 ;; 年间共资助项 Φ 项 其中;Φ 的项 项 在基础研究 应用研究方

8
Φ , Α Μ , , %
万以上 目 Μ 的 经 元 上 金 业 人 总 人
;; 的项 项 资助 总 费大约 亿 加 社会资 对纳米材料产 化的投 投 约
亿元。

, 已 , ,
国 的 下 国 及 学 经取得了比 出的 果 在纳
在 家各项科技计划 支持 我 纳米材料 纳米科 技术 较突 成 例如

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院
无 锡 南 洋 学 学报 第 卷

子 面, 地 型 > Μ 子
米电 方 成功 研制出波导 单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计实现 纳米宽的半导体量
Μ , ?) “ 4Π?
台面和 纳米宽的 条金属栅制 出间隔仅为 纳米的多种 纳米电极对,>’用 效应进行高灵敏度
线 线 备
器和硬盘磁头原理的研 工 。
传感 制 作

, ,
“ ”
% 一

工 一 显 而
;; 我国开始了 个 纳米标准 的制定 这是纳米产业发展加速的 个 著标志 支撑纳
年 第 作

、 ,
立 已经 。 ?#! Φ 日
米标准 的是我国 具 的纳米基础科学基础研究应用研究和产业化的实力 年 月 ; 中
建 备

,
立 又 上 。
国实验室国 认可委员会纳米技术委员成 我国纳米科技发展走 规范化管理的道路
家 使
, 三
目前 中国的纳米材料专利 !包括 资企业在中国的纳米专利中 # 占全世界该领域 利申 总数的
请 专 请

,
; Υ 以上 比 一 ,
我国专利质量和国外相 有 定的差距 尤其是纳米技术在电子 息与生物这些技术含量高的
但 信
不 。
领域严重 足

, ,

?) 上
年来我国研究人员在国内外学术刊物 共发表有关纳米材料和纳米结构的论文 ;; 篇其中发表
上 Μ , Μ 以上 近 ,
在 自然和 学 世界顶级学 杂志 的论文共 影响因在 的学术论文 ; 篇影响因子在
《 》 科《 》等 术 篇

,
Α 以上 Α% , /4Ν ΤΝ ΕΦ Υ 。 Α Β?Τ4 近
的 篇 被 和 收录的文章占整个发表论文的 根据 ;; 年 统计 我国 几年在

, ,
4Ν Β 上 于 日 , 于 三 。 % ;!抖
发表的论文仅次 美国和 本超过德国位 第 位 如果把 ;; 年和 年初的论文包括在内
口 二 , 巧 8 Υ 。
中国超过 水刹浓第 位 占全世界发表论文总数的

、 、 ,
经 几 配 企业 , 不 了
过 年来国 的政策引导 各部门的 合科学界和 界的努力我国 但发展 纳米的基础研究
家
已开 迈 段。 , Α 司
部分纳米技术 始 人产业化的阶 据统计 我国有 ;; 多家公 在从事纳米材料和技术的研究及产
, , 已经 , 地于
业化在纳米复合材料改造 统材料和产品方面 部分成果 实现产业化 国家纳米技术产业化基
传

, 、 、
! >
??# % 天 经 区 业 迅 上 生
年 月在 津 技术开发 成促进了我国纳米产 化的 速发展 海在涂料 光催化材料
济 落

、
、 ,
工

面 也 Φ >
物材料 电子材料和测试 器 统 业领域纳米应用 方 的产业化 取得突破 累计新增产 亿元
仪 传 等 值

“ ”
五 人 ?<’
十 期间北京对纳米 业化专项将投 元
产 亿

四、 纳米技术的未来发展

以 , 已经 目 展
纳米技术的发展会创造出常人难 想象出的结果 科学家们 根据 前的成果对未来的发 进行
但
了描绘。

通 。 不 , 还 , 也 “
过网络下载硬件成为可能 我们将 仅能够利用因特网下载软件 能下载硬件 就是 物质将成
” 。 已经 于 , 比 于 磁
为软件 研究人员 忙 研制体积只有针头大小的计 机 这种纳米计 机的各个部件 现今用 在
算 算
驱 上 。 上 生 一些 驱 。
盘 动器 装载 息的物理结构小得多 从物理意义 再 产 硬件下载产品所需要新的磁盘 动器
信
一 一 , 以 子 。
种设想是用尖细的点 制造 种读写磁头 某种方式刺激原 和分子 这种物质变软件的关键是纳米
束

。 。

一 一
盒这是 种把纳米制造技术与现今所谓的台式制造方法相结合的未来复印机 如果你需要 部新的蜂窝电
, 可以 一 。

人一 , “ ”
话 你 通过网络购买 种制作蜂窝电话的方法 它将告诉你插 个塑料片把导电分子注人 色粉 盒

, ,
。 回 记 型 通 天 。 一
中 纳米盒将把塑料片来 移动 下分子的 式然后 过电子指引分子自行组装成电路和 线 下 步

, “ ” 、 , 。

用不 上 和 风 后
是 纳米盒利 同的色粉 加 号码键 扬声器 麦克 最 制造外壳
型 。 一旦 了 不 盐 机 , 上 于一
超微 计算机普及 掌握 制造体积 超过 粒大小的计算 的技术就会从根本 处 种新

,
。 么 机 因而 机。 里
的形势 体积那 微小的计算 将非常便宜 随处都可使用计算 嵌在内衣 的计算机将告诉洗衣

,
么 > 芯 墨 即 机 醒
机应当用什 水温洗涤内衣 圆珠笔笔 中的 水 将用完的时候 嵌在笔中的计算 将提 你更换笔

, ,
芯> 里 通 和反
嵌在鞋 的计算机将向汽车发出信号 把主人走过来的信息 知汽车 让汽车调整好座位 光镜并
开 。
打 车门

,
型 器 的 用。 积 机器人 子 的 眼 不见的 型 地毯上
微 机 人 使 体 微小的 能够操纵单个原 成群 肉 看 微 机器人