1990年，美國國際商業機器公司的科學家利用隧道掃描顯微鏡上的探針，在鎳表面放電出帶有36個氙原子的字母“IBM”。科學家們從這種納米技術中看到了設計和制造分子大小的設備的希望，這種設備可以操縱單個原子。1993年，中國科學院北京真空物理實驗室操縱原子，成功書寫“中國”二字，標誌著中國開始在國際納米技術領域占據壹席之地。
自20世紀90年代以來，準壹維納米材料的發展壹直是納米技術的前沿領域。1991年1月，日本築波NEC實驗室的S. Iijima首次用高分辨率分析電子顯微鏡觀測到碳納米管。這些碳納米管是多層同軸管，也稱為巴基管。2000年6月5438+10月，美國賓夕法尼亞大學的研究人員在《科學》雜誌上發表文章，稱碳納米管的質量是同體積鋼的六分之壹，但其強度卻比鋼高100倍。它不僅具有良好的導電性，而且是目前導熱性能最好的材料。碳納米管優異的導熱性使其成為未來計算機芯片的熱沈，也可用作發動機、火箭等各種高溫部件的防護材料。最新研究表明，碳納米管中的空腔不僅可以作為微型試管、模具或模板，還可以將第二種物質密封在這個有限的空間中，並誘導其具有宏觀材料中看不到的結構和行為。計算機模擬顯示，密封在碳納米管中的水可以作為新的冰相存在。在合適的條件下，碳納米管中液相和固相的明顯界限會消失，液態物質會不斷轉化為固態，沒有明顯的凝固過程。
在1993中，IBM公司阿爾馬登實驗室的白求恩等人和飯島同時報道了單壁碳納米管的觀測結果。1996年，因發現C60而獲得諾貝爾獎的斯馬利和他的研究相結合，形成了成行排列的單壁碳納米管束。同年，中國科學院物理研究所謝研究員研究組用化學氣相法制備了面積為3mm×3mm的大面積碳納米管陣列，可用作優良的場發射平板顯示器件。他們還在1998合成了最長2毫米的纖維級碳納米管。
除了碳納米管，研究人員還合成了其他納米管材料，如BxCyNz、NiCl2、類酯體、MCM-41管中管、壹水硬鋁石、b-(g-)環糊精納米管聚集體和定向排列的氮化矽納米管[1]。準壹維納米材料中除了空心納米管，還有實心納米棒、納米線和量子線。圖1顯示了我們研究組裝的氧化矽納米線，直徑為5-120nm，從尖端到根部的長度為10-70mm。1997年，法國學者Colliex通過分析電弧放電，獲得了壹種塗有異質納米殼層的C-BN-C管。由於其幾何結構類似於同軸電纜，直徑為納米，因此被稱為同軸納米電纜。由於同軸納米電纜的獨特結構，它們將在納米結構器件中發揮重要作用。
從65438到0996，中國科學技術大學謝毅博士用苯熱合成法制備了產率高、平均粒徑為30nm的氮化鎵粉末。從65438到0997，清華大學範壽山教授制備了直徑為3-50納米、長度為微米量級的氮化鎵納米棒，並首次將氮化鎵制備成壹維納米晶，提出了碳納米管限制反應的概念。65438-0999與美國斯坦福大學戴宏傑教授合作，實現了碳納米管陣列在矽襯底上的自組織生長。
1997年，來自紐約大學的科學家發現，DNA(脫氧核糖核酸)可以用來建造納米級別的機械裝置。2000年，美國朗訊公司和英國牛津大學的科學家利用DNA的堿基配對機制，制造出壹種納米大小的鑷子，每只手臂的長度只有7納米。
65438-0998年，中國科學技術大學錢義泰院士研究組以四氯化碳為原料，催化熱解制備金剛石納米粉，被國際刊物譽為“點石成金”。
從65438到0999，北京大學電子系薛增權教授研究組在金屬表面組裝了單壁碳納米管，為掃描隧道顯微鏡組裝了性能良好的探針。同年，中科院金屬所程慧明博士合成了高質量的碳納米材料，使我國新型儲氫材料研究躍居世界先進水平。
1999年，巴西和美國科學家用碳納米管制成了世界上最小的“秤”，其重量可達十億分之壹克，相當於壹個病毒的重量。不久，德國科學家開發出壹種“納米尺度”來稱量單個原子，打破了以前的記錄。同年，美國科學家在單個分子上實現了有機開關，證明了可以在分子水平上開發電子和計算設備。
中國科學院沈陽金屬研究所盧柯課題組在納米材料及相關亞穩材料領域取得了突出成就。他開發的通過非晶完全晶化制備致密納米合金的方法，與惰性氣體蒸發後原位加壓、高能球磨壹起，成為制備金屬納米塊體的三大主要方法之壹。他們發現納米銅的室溫超塑性延展性被評為2000年中國十大科技新聞。
自從發現碳納米管以來，科學家們壹直在開發越來越細的碳納米管。2000年，謝團隊用通常的電弧放電法制備了內徑為0.5納米的碳納米管。同年，香港科技大學的唐子康博士宣布發現了世界上最細的純碳納米管？0.4nm碳納米管，這個結果已經達到了碳納米管的理論極限。65438+2月柏林Max-Born研究所開發出直徑為1nm的薄壁納米管，創下了薄壁納米管開發的新紀錄。
2001年初，中國科學技術大學朱清時院士課題組首次直接拍攝到了能夠區分化學鍵的C60單分子圖像。這種單分子直接成像技術為分析分子內部結構提供了有效手段，使科學家能夠人工“切割”和“重組”化學鍵，為設計和制備單分子納米器件奠定了基礎。3月，美國佐治亞理工學院中國學者王忠林教授的研究小組在世界上首次利用高溫固氣相法合成了壹種獨特且無缺陷的半導體氧化物納米帶結構。這是繼納米管和納米線之後納米家族的新成員。有望解決大規模生產中納米管的穩定性問題，在納米物理研究和納米器件應用中發揮重要作用。6月，香港科技大學沈平教授的研究小組在單個純碳納米管中觀察到超導現象。這壹觀察表明，當碳納米管精細到壹定程度時，其材料性質會發生突變。在應用方面，碳納米管超導性的發現將有助於解決電子在集成半導體器件中傳輸時的發熱問題。
從上面可以看出，中國在納米基礎研究領域並不落後？從上世紀90年代初開始，科技部、國家自然科學基金、中科院等單位啟動了納米材料和國家重點基礎研究項目的攀登計劃，投入數千萬元支持納米基礎研究。我國納米科學家在國際上取得了壹系列令人矚目的成果，在《科學》、《自然》等權威雜誌上發表了高水平論文，使我國在納米材料基礎研究尤其是納米結構的可控合成方面處於相對領先的地位，僅次於美國、日本和德國，居世界第四位。但總體來說，納米器件的研究水平還不是很高，手段與國外還有很大差距。
第二，納米技術的應用
在納米材料中，由於納米尺度的尺寸等於或小於光波波長、德布羅意波長、超導態相幹長度等物理特征尺寸，晶體的周期性邊界條件被破壞。納米顆粒表層附近的原子密度降低；電子的平均自由程很短，但局域化和相幹性增強。尺寸的減小也大大減少了納米體系所包含的原子數量，宏觀固定的準連續能帶轉化為離散的能級。這些物理效應導致了納米材料的宏觀聲、光、電、磁、熱和機械效應，與常規材料不同，如量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀隧道效應。目前，納米材料中基本物理效應的描述主要是在金屬納米粒子研究的基礎上發展和建立起來的。要準確把握納米技術中現象的本質，必須在理論上實現從連續系統物理到量子物理的轉變。
當今科技發展要求超小型化、智能化、元器件高度集成、高密度存儲和超高速傳輸等特點，這為納米技術和納米材料的應用提供了廣闊的空間。美國制定的國家納米技術倡議(NNI)中列出的納米技術領域非常廣泛，但基本領域有三個，分別是納米材料、納米電子學、光電子學和磁學、納米醫學和生物學。
1納米電子學、光電子學和磁學
納米粒子的宏觀隧道效應限制了微電子器件的小型化。對於矽集成電路，在納米電子學、光電子學和磁學中微電子器件的極限線寬通常被認為是大約70nm。目前全球最窄線寬130nm，十年內將達到極限。如果矽器件做得更小，電子會隧穿絕緣層，導致短路。目前解決納米電子電路有兩種方法。壹種方法是在光刻制造的集成電路中使用雙光子束技術中的量子糾纏態，這可能會將器件的極限降低到25納米。另壹種是開發替代矽的新材料，使用蛋白質二極管和碳納米管作為導線和分子線。單原子操縱是形成新概念器件的重要途徑。1997年，美國科學家成功用單電子移動了單個電子。這項技術可以用來開發速度和存儲容量比現在高壹萬倍的量子計算機。2001年7月，荷蘭研究人員制造了壹種單電子碳納米管晶體管，可以在室溫下有效工作。這種晶體管基於碳納米管，依靠壹個電子來決定“開”和“關”的狀態。由於其低能耗，將成為分子計算機的理想材料。在新世紀，超導量子相幹器件、超微霍爾探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學中器件的主角。
利用納米磁性中顯著的巨磁電阻(GMR)和隧道磁電阻(TMR)現象開發的讀取頭，可以將磁盤的記錄密度提高30倍以上。瑞士蘇黎世的研究人員制備了交替填充銅和鈷的納米線，並利用其巨磁電阻制備了超微磁場傳感器。磁性納米粒子粒徑小，具有單疇結構和高矯頑力，因此可以作為磁記錄材料來提高信噪比和圖像質量。1997期間，明尼蘇達大學電子工程系納米結構實驗室通過納米光刻技術成功研制出納米結構磁盤，長度為40納米的Co棒排列成周期性的量子棒陣列。因為納米磁單元是相互分離的，所以叫做量子盤。它利用磁性納米線陣列的存儲特性，存儲密度可以達到400Gb×in-2。利用鐵基納米材料的巨磁阻抗效應制備的磁性傳感器已經問世，包覆超順磁納米粒子的磁性液體也作為長壽命動態旋轉密封廣泛應用於航空航天和壹些民用領域。
2納米醫學和生物學
從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度範圍內，所以納米結構也是生命現象中的基本事物。細胞器和細胞中的其他結構單元是執行某些功能的“納米機器”。細胞就像“納米車間”，植物中的光合作用就是“納米工廠”的典型。遺傳基因序列的自組裝排列實現了原子水平的精確結構，神經系統的信息傳遞和反饋是納米技術的完美範例。生物合成和生物過程已經成為新納米結構的靈感和制造的來源，研究人員正在模仿生物特性，以實現技術納米尺度的控制和操縱。
納米粒子的尺寸往往比生物體內的細胞和紅細胞還要小，這為醫學研究提供了新的契機。目前，已經得到很好應用的例子包括:利用納米二氧化矽顆粒進行細胞分離的技術，納米顆粒，特別是金(Au)顆粒的細胞內染色，以及用塗有磁性納米顆粒的新藥或抗體進行局部靶向治療。
正在開發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(DNA芯片)，這些芯片都具有集成、並行和快速檢測的優勢，已成為納米生物工程的前沿技術。它將直接應用於臨床診斷、藥物開發和人類基因診斷。植入人體後，人們可以隨時隨地享受醫療，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。壹類是適用於生命體的納米材料，如各種納米傳感器，用於疾病的早期診斷、監測和治療。各種納米機械系統可以快速識別病房位置，在不損傷正常組織或清除心腦血管血栓和脂肪沈積的情況下，向病房定向註射藥物，甚至利用它們吞噬病毒、殺死癌細胞。另壹種是利用生物分子的活性開發的納米材料，可以代替生物體用於其他納米技術或微細加工。
3在國防科技中的應用
納米技術將給國防和軍事領域帶來革命性的影響。例如，納米電子設備將用於虛擬訓練系統與戰場的實時通信；化學、生物和核武器納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊和防護能力；由納微機械系統制成的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可以由小型運載火箭發射，按照不同的軌道組成衛星網絡，監視地球的每壹個角落，讓戰場更加透明。納米材料在隱身技術中的應用尤為引人註目。
在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)電磁波吸收材料的制備是關鍵。納米材料正被開發為新壹代隱身材料。由於納米材料中界面組分比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵數量增加。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收帶變寬。高比表面積導致多重散射。納米材料的量子尺寸效應使電子的能級發生分裂，分裂的能級間距在微波的能量範圍內，為納米材料創造了新的吸收通道。在微波場的照射下，納米材料中原子和電子的運動加劇，增加了電磁能轉化為熱能的效率，從而提高了電磁波的吸收性能。美國研發的“超黑粉”納米吸波材料吸收率達到99%，法國最近研發的CoNi納米顆粒包覆絕緣層的納米復合材料具有m？而m呢？幾乎都是大於6的。最近國外正在努力研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，提出了單壹吸收粒子匹配設計機制，可以充分發揮單位質量損失層的作用。納米材料有很好的吸波功能，但壹般都是薄、輕、寬、強。納米材料(包括納米纖維和碳納米管)中的硼化物、碳化物和鐵氧體在隱身材料的應用中將具有巨大的潛力。
圖2是本課題組用溶膠-凝膠法制備的b-納米碳化矽粉末的透射電鏡照片。初級顆粒尺寸約為20nm。微波網絡矢量分析儀測得的介電損耗(tgd)為9.28，而其他碳化矽粉體的介電損耗在0.2-0.6之間，因此具有在室溫和高溫下吸收超高頻電磁波的潛力。
4納米陶瓷的強韌化
先進陶瓷材料在高溫、強腐蝕等惡劣環境中發揮著不可替代的作用。但是，脆性是陶瓷材料不可克服的弱點。英國材料科學家Cahn曾評論說，通過改進工藝和化學成分來克服陶瓷脆性的嘗試並不理想，無論是固溶體摻雜的氮化矽還是相變增韌的氧化鋯都不能在實際中用作陶瓷發動機材料。納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑之壹。
納米陶瓷與金屬相似的超塑性是納米材料研究中引人註目的焦點。如納米氟化鈣、納米氧化鈦陶瓷在室溫下可以發生塑性變形，在180℃時塑性變形可以達到100%。當預制裂紋試樣在180℃彎曲時，裂紋不會擴展。20世紀90年代初，日本Niihara報道了添加納米SiC顆粒的氧化鋁復合材料的強度可以達到1 GPA以上，而常規氧化鋁基陶瓷的強度只有350-600MPa。Al2O3/SiC納米復合材料在65438±0300℃氬氣中退火2h後，強度提高到65438±0.5 GPA，其高的力學性能與納米復合陶瓷的精細顯微結構直接相關。德國馬克斯·普朗克冶金材料研究所的研究人員在聚甲基矽氮烷高溫裂解後，制備了A-Si3N4微晶和a-SiC納米晶復合陶瓷材料。具有良好的高溫抗氧化性，可在1600℃的高溫下使用(氮化矽材料的最高使用溫度壹般為1200-1300℃)。他們的最新進展是通過添加硼化物來提高材料的熱穩定性，通過生成的BN的包覆作用來穩定納米氮化矽晶粒，並進壹步將這種Si-B-C-N陶瓷的使用溫度提高到2000℃，這是迄今為止世界上溫度最高的塊體陶瓷材料。
目前納米陶瓷粉體的制備已經比較成熟，新的技術和方法不斷湧現，已經達到生產規模。納米陶瓷粉體的制備方法主要有氣相法、液相法和高能球磨法。氣相法包括惰性氣體冷凝法、等離子體法、氣體熱解法、電子束蒸發法等。液相法包括化學沈澱法、醇解法、溶膠-凝膠法、水熱法等。本課題組提出用原位選擇性反應法制備納米晶TiC和TiN復合TZP粉末，為陶瓷材料的微結構設計提供了壹種新的研究思路。納米陶瓷的致密化方法趨於多樣化，其中微波燒結和放電等離子燒結效果較好。美國賓夕法尼亞大學的陳奕威教授通過無壓燒結制備了平均粒徑為60nm的致密Y2O3塊體材料，為納米陶瓷的發展帶來了新的希望。2001年6月，日本經濟產業省報道，納米陶瓷等新材料應用於飛機零部件制造技術。
5納米技術在其他領域的應用
納米粒子的優異性能，如比表面積大、表面反應活性高、表面活性中心多、催化效率高、吸附能力強等，使其在化學催化中有著重要的應用。鉑黑、銀、氧化鋁、氧化鐵等納米粉體已被直接用作氧化、還原、合成聚合物的催化劑，大大提高了反應效率。以納米鎳粉為反應催化劑的火箭固體燃料燃燒效率可提高100倍。當鎳的粒徑在5nm以下時，反應選擇性變化劇烈，醛分解反應得到有效控制，醇的轉化率迅速提高。
小型化本身並不代表納米技術。納米材料和納米技術在規模和性能方面有明確的定義。目前制造納米器件的主要方法是“自上而下”降低材料結構的維度，未來納米技術的發展方向是“自下而上”構建納米器件。目前，這方面的嘗試有兩種。壹個是人工實現單原子操控和分子手術。日本大阪大學的研究人員利用雙光子吸收技術在高分子材料中合成了三維納米牛和納米彈簧，在功能微器件的制備和驗收方面取得了新的突破。另壹個是各種體系的分子自組裝技術。通過分子自組裝構建的納米結構包括納米棒、納米管、多層膜、孔結構等。貝爾實驗室的科學家利用有機分子硫醇的自組裝技術，制備出直徑為1-2nm的單層場效應晶體管。這種單層納米晶體管的制備是開發分子級電子器件的重要壹步。這壹領域的工作仍局限於實驗室研究階段。