纳米材料的性能与应用“纳米”是英文namometer的译名。

另一种说法“纳米”一词源自于拉丁文“NANO”，意思是“矮小”。

纳米是一个度量单位，是一个长度单位。

纳米材料构筑的物质，是看不到，摸不着的微细物质。

所谓纳米科技是以1~100nm尺度的物质或结构为研究对象的一门新兴学科，就是指通过一定的微细加工方式，按人的意志直接操纵原子、分子或原子团、分子团，使其重新排列组合，形成新的具有纳米尺度的物质或结构，研究其特性，并由此制造新功能的器件、机器以及其它各方面应用的科学与技术。

追求新鲜和进步是人类文明的动力。

纳米科技形成独立学科领域是在20世纪90年代，1990年在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科技会议（Nano I），成立了常设机构——顾问委员会，中国是成员之一。

1993年8月在莫斯科召开了第二届国际纳米科技会议(Nano Ⅱ)1996年在北京召开了第四届国际纳米科技会议(Nano Ⅳ)。

2000年在德国举行了第六届国际纳米科技会议（Nano Ⅵ）。

2001年1月18日。

中国成立了中国纳米科技指导协调委员会，制订发展中国纳米科技的计划。

目前国家已初步规划在北京、上海成立北、南两个研发中心（纳米科技创新基地）。

当前我国纳米科技发展的主要任务是：①加强纳米科技前沿的基础研究和基础性工作；②突破一批纳米科技发展共性关键技术；③开拓纳米材料和器件的应用，培育相关产业；④建设国家纳米科技基础设施和研究开发基地；⑤建设高素质的纳米科技骨干队伍。

(一) 纳米材料1. 纳米材料与纳米结构的定义广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1~100mm）或由他们作为基本单元构成的材料。

纳米结构是指由纳米尺度的基本单元按照一定的规律构建或组装成的一维、二维或三维体系。

纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。

2. 纳米材料的特性（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。

主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。

再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。

如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。

例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。

再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。

利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。

当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

（4）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

3. 纳米材料的应用纳米材料的诸多优异性，可能在光电器件、灵敏传感器、隐身技术、催化、信息储存等广泛的领域得到应用。

包括在建筑、化工、纺织、汽车和环保等行业中的应用奠定了基础。

比如纳米陶瓷具有超塑性、耐高温、耐磨性好、硬度高、透光等特点，可以使其用作制造人造骨骼、陶瓷、刀具、陶瓷滚动轴承、压电地震仪、宇宙飞行器的“头盔”，可制得“摔不碎的酒杯”或“摔不碎的碗”等。

纳米塑料，是一种高强度、不老化的新颖塑料。

它的硬度比碳钢强4~6倍，比重仅为钢铁的1/4，良好透光，不发生变性情况。

如用纳米塑料制造一台汽车，其重量仅为钢铁材料制成的汽车的1/4。

还有所谓纳米金属、微孔玻璃、纳米金钢石、纳米磁性材料、纳米复合材料、纳米超导材料等。

（二）纳米材料的应用1医学方面的应用：目前，国际医学行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。

纳米生物医学就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法，随着健康科学的发展，人们对药物的要求越来越高。

控制药物释放减少副作用，提高药效，发展药物定向治疗，必须凭借纳米技术。

纳米粒子可使药物在人体内方便传输。

用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织，尤其是以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称为"定向导弹"。

该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。

纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滚动，因此可以用检查和治疗身体各部位的病变。

利用纳米系统检查和给药，避免身体健康部位受损，可以大大减小药物的毒副作用，因而深受人们的欢迎。

2在涂料方面的应用；纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能。

借助于传统的涂层技术，再给涂料中添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性从而获得传统涂层没有的功能，如；有超硬、耐磨，抗氧化、耐热、阻燃、耐腐蚀、变色等。

在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射，耐大气侵害和抗降解等，在卫生用品上应用可起到杀菌保结作用。

在建材产品如玻璃中加入适宜的纳米材料，可达到减少光的透射和热估递效果，产生隔热，阻燃等效果。

由于氧化物纳米微粒的颜色不同，这样可以通过复合控制涂料的颜色，克服碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。

纳米材料的颜色不仅限粒径而变，而具有随角度变色的效应。

在汽车的装饰喷涂业中，将纳米Tio2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面色彩多样化。

3在化工方面的应用；化工业影响到人类生活的方方面面，如果在化工业中采用纳米技术，将更显示出独特畦力。

在橡胶塑料等化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。

如在橡胶中加入纳米Sio2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。

纳米Al2O3和SiO2,加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。

塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。

最近又开发了食品包装的TiO2.纳米TiO2能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有利污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。

4.在其他方面的应用；（1）纳米电脑电脑是20世纪人类的一大发明。

由于纳米材料和纳米技术的出现，由纳米结构技术支持和纳米材料组装成的新一代电脑将是21世纪的最重大的科技发明之一。

纳米电脑的核心元件就是纳米芯片。

有所谓蛋白质芯片，DNA芯片。

这种蛋白质芯片体积小，元件密度高，据测每平方厘米达1015至1016个，比硅片集成电路高3~5个数量级，其存储量可达到普通电脑的10亿倍。

DNA芯片又称基因芯片，在1立体毫米晶片上可含100亿比特，运算速度更达到10微微秒（一千亿分之一秒），比现有的电脑快近100万倍。

电脑芯片的不断更新将使电脑更加智能化，同时提高因特网的速度并大大促进电子商务，高清晰电视和无线通信的发展。

在新型的纳米芯片支持下，纳米级电脑包括了所谓超导电脑、化学电脑、光电脑、生物电脑（其中DNA电脑运算速度快，它几天的运算量就相当于目前世界上所有计算机问世以来总运算量），量子电脑（其基本元件就是原子和分子），神经电脑（用许多微处理机模仿人脑的神经元结构，采用大量的并行分布式网络就构成神经电脑，又称为人工大脑）。

（2）纳米武器纳米技术的军事应用主要集中在纳米信息系统和纳米攻击系统两大类上。

纳米信息系统是指以纳米技术为核心的信息传输、存储、处理和传感系统。

目前研制的主要有：1.微型间谍飞行器。

只有15厘米长，至少能持续飞行1小时以上，飞行距离可达十几公里。

进行侦察、收集情报信息，起一种潜伏哨的作用，以后也可被做得像一只小蜜蜂一般大小。

2.袖珍遥控飞机。

是一种不足扑克牌大小的遥控飞行装置。

机上装有超灵敏感应器，这种传感器不仅可以闻出柴油机排出的废气，而且可以在夜间拍摄清晰的红外照片。

它可将所获取的最近情报信息传输到200公里以外的基地。

3.“间谍草”。

实际上是一种分布式战场微型传感网络，外形看似小草，装有敏感的电子侦察仪、照相机和感应器。

4.纳米卫星。

利用微电子机械和纳米电子技术制造的惯性检测元件、换能器、射频元件、光学元件、电源系统及各种传感器核心片作为星载设置，可使卫星的体积和重量大为减小。

重量小于100克。

纳米卫星其实质是一种分布式的卫星结构体系，或布设成局部星团，或布设成分布式星座，这种分布式体系可避免单个卫星失灵后带来的危害，提高航天系统的生存力和灵活性。

这种卫星用一枚小型运载火箭一次可以发射数百颗乃至上千颗。

5.高性能敌我识别器。

6.有毒化学战剂报警传感器。

这些微型战士按军兵种分类，有所谓微型陆军、微型空军、微型海军（纳米鱼雷、纳米水雷、纳米导弹、纳米炸弹、纳米雷达、水下深潜探测器、无人水面侦察快艇、微型侦察潜艇等）、微型天军。

纳米武器由于具有超微型和智能化的明显优势，打击敌方的神经系统必然是纳米武器的首选目标。

通过纳米武器所焕发出来的巨大战争威力而使敌方宏观作战体系“突然瘫痪”，以致不得不屈服于微型武器所造成的战争压力。

纳米科技是一把双刃剑。

有一类纳米材料，因为其体积小，在常温常压下，由于布朗运动，它是悬浮在空间或液体中的，所谓具有飘浮的弥散行为。

因此，在使用这类材料时，特别要注意这个飘浮特性，否则会造成对于人类环境和身体的污染、侵害。

由于纳米材料很小，小到可以容易地通过各种渠道，如呼吸系统、五官，甚至皮肤的毛囊毛孔进入人体内部，所以它是比空气中粉尘危害更大的污染，不可以掉以轻心，否则也许会出现比癌症、艾滋病、疯牛病等更严重的伤害人类的自然灾害。

当然还有其它潜在的危险，如果纳米机器人忘记停止复制怎么办？如果没有某种内在的停止信号，那么灾难是极可能发生的。