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纳米材料的发展与前景
［摘 要］随着人类科技的飞速发展，人类世界的视角已不再局限在地球上。人类目前观测到的最远宇宙距离约为137亿光年，在这个距离上就连太阳也显得那么渺小，然而人类的步伐永远不会停下，在宏观世界上取得重大成果的情况下，人类在微观世界取得的成就也不能忽视，曾经连观测都显得那么困难的纳米级的世界到现在也逐渐向我们展开了它的怀抱。作为材料化学中的顶尖领域，纳米材料的发展还未达到顶峰，我们有必要对其投以一定的关注，并对其未来的研究方向进行预测。
［关键词］ 纳米材料 材料化学 发展 未来
一． 纳米材料简介
二． 纳米材料的发展历程 三． 纳米材料的分类 四． 纳米材料的前景 五． 结语
一．纳米材料简介
化学和物理是以一种混合交叉的方式发展变化的两个科学领域，而且实际上仍然是密不可分的。然而，如果我们把化学看作研究原子和分子，物质尺寸范围通常小于1nm，而固体物理学主要涉及本质上大于100nm的原子或者分子团簇的固体，在这个范围内之间存在一个有重要意义的间隙，这就是纳米材料所在的纳米级的世界。这个世界既不遵守量子化学也不遵守经典的物理定律，它是一个未知的，全新的世界，等待着勇敢者的闯入揭开它神秘的面纱。
二．纳米材料的发展历程
1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。
1959年12月29日理查德•费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“”纳米这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。
1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。
1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。1981年格尔德•宾宁（Gerd Binnig）和海因里希•罗雷尔Heinrich Rohrer发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。
1986年在苏黎世的IBM研究实验室中，卡尔文•夸特（Calvin Quate）和克里斯托•格柏（Christoph Gerber）与德国物理学家宾尼（Binnig）协作，发明了原子力显微镜。它成为在纳米尺度成像，测量和操作的最重要的工具之一，这是纳米技术最核心的部分。
1989年在加州圣何塞的IBM阿尔马登研究中心，公司的科学家唐艾•格勒（Don Eigler）和埃哈德•施魏策尔（Erhard Schweizer）使用35个氙原子拼出了IBM公司的标志，进一步表明了纳米颗粒的可操作性。
1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。
1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特•富勒（R.Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使 用最广泛的纳米材料之一。
1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议，正式将纳米材料科学作为材料科学的一个新分支公布于众。
1991年NEC公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）制造出了碳纳米管，它是一种二维材料，直径只有几个纳米，而强度比钢高100倍；密度仅为钢的1／6．是很有前途的增强剂，因其导电性超过铜，有可能成为纳米级电子线路材料。
1998年白宫的国家科学技术理事会成立了纳米技术的机构间工作组。它的任务是：赞助研讨会和研究，以界定纳米科学技术和预测其发展前景。
1999年使用纳米技术的消费类产品开始出现在全球市场。
2001年美国总统克林顿建立了国家纳米技术计划，协调联邦研究和开发工作，提高美国在纳米技术上的竞争力。
2002年欧盟以纳米论坛的形式，向公众普及纳米技术知识。
2003年美国国会制定21世纪纳米技术研究和发展条例。为美国纳米技术计划提供了法律基础，建立项目，分配机构的责任，授权筹资水平，以及启动研究以解决关键问题。
2008年12月10日国家研究委员会批评纳米技术计划的环境，健康和安全研究战略；纳米技术计划回顾后，称它对国家研究委员会的结论持有异议。
2009年9 月29日美国环保局陈述了新的研究策略，以更好地了解如何纳米材料对人体健康和环境的潜在危害。它还宣布，某些纳米材料的制造商和使用者必须告知环保局它们的使用计划。
2010年1月8日在英国，上议院的科学和技术委员会就纳米技术问题发表了有关纳米技术和食品问题的长篇报告，警告本国的食品工业不要隐瞒纳米技术的使用情况。
2010年3月美国参议院环境和公共工程委员会继续为修订有30年历史的有毒物质控制法收集证据。美国环保局称，这将有助于规范纳米材料的商业应用。
2013年3月22日亚利桑那州立大学颜颢教授在Science发表文章：在一项最新成果中，获得了解决一种关键设计难题的新办法，这将能令研究人员生成各种各样的2维和3维结构，从而推动DNA纳米技术新兴领域的发展。
三．纳米材料的分类 纳米材料从广义上讲是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。按维数分，纳米材料的基本单元可分为三类：（1）零维。指在空间的三维方向均为纳米尺度的颗粒，原子团簇等；（2）一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝，纳米棒，纳米管等；（3）二维，指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜等。
总的来说纳米材料有许多种，包括纳米丝,，纳米管,超薄膜等，以下将对其中3种展开具体介绍：
1.碳纳米管
1991年一种新的针状的碳管被合成出来，直径为1~30nm，人们称之为碳纳米管，有时也被叫做巴基管。这种碳针由一些柱形的碳管同轴套而构成的，每根碳针所包含的碳管为2~50层，但是较粗的碳针容易偏离柱形而成为多角形。碳纳米管具有独特的电学性质，电子只能在单层石墨片中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制，因此，它们的波矢是沿轴向的。同时其具有与金刚石相同的热导和独特的力学性质，理论计算指出，碳纳米管的抗张强度比钢高100倍；延伸率达百分之几，并具有好的可弯曲性；压力不会导致碳纳米管的断裂。由于其良好的力学性质以及作为在介观领域和纳米器件研制方面有着重要应用前景的准一维纳米材料，他可以用作复合材料的增强剂，微电子学方面的微型钻头以及纳米器件和超大集成电路（ULSIC）中的连线等。
2.碳纳米网
碳纳米网是有碳纳米管组成的随机网络。把碳纳米管溶解在液体中，然后将溶液喷涂在柔性塑料板的表面上，可以形成一层薄膜；或把这类材料涂在或者印在具有不同电子性质的其他物质上，可以得到碳纳米网。作为其基本组成部件的碳纳米管管具有良好的力学性质以及独特的电学性质，由于同时使用多根纳米管可以抵消彼此间的差异，部分纳米管中存在的缺陷也可以通过其他性能更好的纳米管来弥补，所以碳纳米网起到的作用更多的是让碳纳米管的特性发挥1+1>2的效果。但是由于单根碳纳米管的制作工艺难度极大，且各纳米管的形状和构型总是略有差异，因此不能保证电子器件的性能，在现有科技无法克服这些难题的情况下，碳纳米网的普及仍有一段路要走。
3.同轴纳米电缆
同轴纳米电缆是指芯部为半导体或导体的纳米丝，外包裹异质纳米壳体（导体或半导体），外部的壳体和芯部丝是共轴的。1997年，法国科学家Colliex等人在分析电弧放电获得的产物中。发现了三明治几何结构的C-BN-C管，由于它的几何结构类似于同轴电缆，直径又为纳米级，所以称其为同轴纳米电缆。目前对于纳米电缆的应用虽然还只停留在实验阶段，但可以预期的是，纳米电缆未来必将在纳米电子器材，生物医学，测试技术等领域大放异彩。而事实上，在生物医学领域，一个由美日科学家组成的研究小组已踏出尝试性的一步，他们研究出一种办法将比人类发丝还细100倍的铂金属纳米电缆植入人体血管中，这些纳米电缆不但可以用来接收神经细胞的讯号，还可以向这些细胞发出讯号，有望在治疗一些神经性疾病上提供帮助，如帕金森综合症。
四．纳米材料的前景
自1861年科学家们开始对直径为1~100nm的粒子体系的研究以来，纳米材料领域虽未达到顶峰，但也有了不少科研成果，如果将这些应用成果分类。那么可以发现这些成果主要集中在生物医学，光化学催化，信息能源等方面。纳米二氧化钛具有光催化特性，将其制成光催化剂后催化能力比普通光催化剂要强的多，而要想使其催化能力真正应用，还要依赖于科学家们对其机理的深入研究，比如彭定坤，孟广耀的《TiO2光催化研究》论文就进行探寻。所以如果想要纳米材料真正应用在各个领域内，那么对其基本性质的研究必不可少，掌握了规律，应用就不成问题。接下来我们会对未来纳米材料的发展方向做一些小小的预测。
1.计算机
计算机的发展迅速，从诞生之初的晶体管数字机到现在的大规模集成电路机，最明显的变化便是芯片容纳晶体管的能力，如果能将芯片的材料改为纳米材料，让芯片容纳晶体管的能力进一步提高，可以想象的是计算机的体积必然又会发生翻天覆地的变化，真正的掌上电脑或许并非那么遥不可及。2.太阳能电池
半导体纳米颗粒具有可用于对于光电转换（生产电）和水分解（生产氢）两者都适用的更有效的太阳能电池潜力，如果能将这种潜力真正应用于实际，加上纳米材料可以缩小电池体积的优势，我们有相当大的可能得到一种微型高能可持续电池，很明显这种电池若能诞生对许多电器都将产生极大的影响。3.吸附剂
固有的表面反应性与高表面积耦合在一起使得纳米颗粒金属氧化物成为新一类新的吸附剂，它们常常通过分解过程强烈吸附进入的物质。这种特性它的拥有作为焚化有毒物质的一种替代物的潜力，例如四氯化碳、PCBs、军用试剂其他有毒化学物质。其与焚化的优势在于温度远低于焚化温度，具有巨大的热体积，不需要流动气体。
五．结语
纳米材料作为材料化学中的高精尖领域毫无疑问是一个值得人们重点关注的领域，它是一个理论与实践并重的领域，也是一个物理和化学交叉的领域，它与其他科学领域的结合也是非常紧密的。所以要想发展纳米材料必须得到其他领域的支持，反过来其他领域也可以从纳米技术的成果中受益这是一个双赢的过程，因此在对纳米材料的未来预测时必须要考虑到其他科学领域对它的影响，否则得到的结果必然是脱离实际需求的，而我们做出的预测正是基于这样的前提。纳米材料的发展必将带动其他领域的发展，谁又能说纳米材料不会带来下一次科技大革命呢？
参考文献：1.李奇 陈炬 《材料力学》2010
2.张双虎 徐淑芝 董相廷 王进贤 《同轴纳米电缆的最新研究进展》2008
3.孟广耀 彭定坤 《材料化学的若干前沿研究》2013
4.主编 Leonard V Interrante
Mark J Hampden-Smith
翻译 郭兴伍 赵斌元 胡晓斌 冯传良 窦红静 仵亚婷 邓意达 刘庆雷
《先进材料化学》 2013
作者：刘
宇 05313118
黄周皓 05313133 林良哲 05313139
韦皓元 05313150
