納米材料研究的新進(jìn)展及在21世紀(jì)的戰(zhàn)略地位

1、納米材料研究的新進(jìn)展及在21世紀(jì)的戰(zhàn)略地位        在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國防的高速必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫?；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、振興、國力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟(jì)和社會

2、發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達(dá)到每平方某時(shí)400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發(fā)光頻段可調(diào)的高效納米陣列激光器、價(jià)格低廉高能量轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)太陽能電池和熱電轉(zhuǎn)化元件、用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強(qiáng)高韌納米復(fù)合材料等的問世，充分顯示了它在國民經(jīng)濟(jì)新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。正像美國家估計(jì)的“這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給予各個(gè)領(lǐng)域帶來一場革命”。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含

3、量提供新的機(jī)遇。     研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義在于它開辟了人們認(rèn)識的新層次，是知識創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度（1100urn）與物質(zhì)中的許多特征長度，如的德布洛意波長、超導(dǎo)相干長度、隧穿勢壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認(rèn)識新，提出新概念，建立新理論，為構(gòu)筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ)，也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究內(nèi)涵。世紀(jì)之交高韌性納米

4、陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題；納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn)，人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。 1研究形狀和趨勢     納米材料制備和應(yīng)用研究中所產(chǎn)生的納米技術(shù)很可能成為下一世紀(jì)前20年的主導(dǎo)技術(shù)，帶動納米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。世紀(jì)之交世界先進(jìn)國家都從未來發(fā)展戰(zhàn)略高度重新布局納米材料研究，在千年交替的

5、關(guān)鍵時(shí)刻，迎接新的挑戰(zhàn)，抓緊納米材料和柏米結(jié)構(gòu)的立項(xiàng)，迅速組織科技人員圍繞國家制定的目標(biāo)進(jìn)行研究是十分重要的。     納米材料誕生州多年來所取得的成就及對各個(gè)領(lǐng)域的影響和滲透一直引人注目。進(jìn)入90年代，納米材料研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，領(lǐng)域逐漸拓寬。一個(gè)突出的特點(diǎn)是基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接十分緊密，實(shí)驗(yàn)室成果的轉(zhuǎn)化速度之快出乎人們預(yù)料，基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究都取得了重要的進(jìn)展。美國已成功地制備了晶粒為50urn的納米Cu的決體材料，硬度比粗晶Cu提高5倍；晶粒為7urn的Pd，屈服應(yīng)力比粗晶Pd高5倍；具有高強(qiáng)度的金屬間化合物的增塑問題一直引起人們的關(guān)注，晶粒的

6、納米化為解決這一問題帶來了希望，納米金屬間化合物 FqsAJZCr室成果的轉(zhuǎn)化，到目前為止，已形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的幾家納米粉體產(chǎn)業(yè)，睦次鸚米氧化硅。氧化鈦、氮化硅核區(qū)個(gè)文的易實(shí)他借個(gè)緲陽放寬在納米添加功能陶瓷和結(jié)構(gòu)陶瓷改性方面也取得了很好的效果。     根據(jù)納米材料發(fā)展趨勢以及它在對世紀(jì)高技術(shù)發(fā)展所占有的重要地位，世界發(fā)達(dá)國家的政府都在部署本來1015年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。美國國家基金委員會（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應(yīng)用作為重要基礎(chǔ)研究項(xiàng)目向全國科技界招標(biāo)；美國DARPA（國家先進(jìn)技術(shù)研究部）的幾個(gè)計(jì)劃里也把納米科技作為重要研

7、究對象；日本近匕年來制定了各種計(jì)劃用于納米科技的研究，例如 Ogala計(jì)劃、ERATO計(jì)劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計(jì)劃，1997年，納米科技投資128億美元；德國科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15年發(fā)展納米科技的計(jì)劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資12億美元。據(jù)1999年7月8日自然最新報(bào)道，納米材料應(yīng)用潛力引起美國白宮的注意；美國總統(tǒng)克林頓親自過問納米材料和納米技術(shù)的研究，決定加大投資，今后3年經(jīng)費(fèi)資助從25億美元增 1         

8、0;  加至5億美元。這說明納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究熱潮在下一世紀(jì)相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)保持繼續(xù)的勢頭。 2國際動態(tài)和發(fā)展戰(zhàn)略     1999年7月8日（400卷）發(fā)布重要消息 題為“美國政府計(jì)劃加大投資支持納米技術(shù)的興 起”。在這篇文章里，報(bào)道了美國政府在3年內(nèi)對納米技術(shù)研究經(jīng)費(fèi)投入加倍，從25億美元增加到5億美元?？肆诸D總統(tǒng)明年2月將向國會提交支持納米技術(shù)研究的議案請國會批準(zhǔn)。為了加速美國納米材料和技術(shù)的研究，白宮采取了臨時(shí)緊急措施，把原197億美元的資助強(qiáng)度提高到25億美元。美國商業(yè)周刊8月19日報(bào)道，美國政府決定把納米技術(shù)研究列

9、人21世紀(jì)前10年前11個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，美國商業(yè)周刊在掌握21世紀(jì)可能取得重要突破的3個(gè)領(lǐng)域中就包括了納米技術(shù)領(lǐng)域（其它兩個(gè)為生命和生物技術(shù)，從外星球獲得能源）。美國白宮之所以在20世紀(jì)即將結(jié)束的關(guān)鍵時(shí)刻突然對納米材料和技術(shù)如此重視，其原因有兩個(gè)方面：一是德科學(xué)技術(shù)部1996年對2010年納米技術(shù)的市場做了預(yù)測，估計(jì)能達(dá)到14400億美元，美國試圖在這樣一個(gè)誘人的市場中占有相當(dāng)大的份額。美國基礎(chǔ)研究的負(fù)責(zé)人威廉姆斯說：納米技術(shù)本來的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)。美國白宮戰(zhàn)略規(guī)劃辦公室還認(rèn)為納米材料是納米技術(shù)最為重要的組成部分。在自然的報(bào)道中還特別提到美國已在納米結(jié)構(gòu)組裝體系和高比表面納米顆粒制備與合成方面領(lǐng)

10、導(dǎo)世界的潮流，在納米功能涂層設(shè)計(jì)改性及納米材料在生物技術(shù)中的應(yīng)用與歐共體并列世界第一，納米尺寸度的元器件和納米固體也要與日本分庭抗禮。1999年7月，美國加尼福尼亞大學(xué)洛杉礬分校與惠普公司合作研制成功100urn芯片，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)和普林 斯頓大學(xué)于1998年制備成功量子磁盤，這種磁盤是由磁性納米棒組成的納米陣列體系，10”bits尺寸的密度已達(dá)109bits，美國商家已組織有關(guān)人員迅速轉(zhuǎn)化，預(yù)計(jì)2005年市場為400億美元。1988年法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，到1997年巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國問世，在磁存儲、磁記憶和計(jì)算機(jī)讀寫磁頭將有重要的應(yīng)用前景。  

11、0;  最近美國柯達(dá)公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預(yù)計(jì)將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來市場上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究也使人矚目，正是這些研究使美國白宮認(rèn)識到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的源泉，新的新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎(chǔ)科學(xué)提供了新的機(jī)遇，美國計(jì)劃在這個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究獨(dú)占“老大”的地位。     面對這種挑戰(zhàn)的形勢，在這個(gè)

12、領(lǐng)域的研究能不能繼續(xù)保持第二階梯的前列位置，能不能在下世紀(jì)前周年，在納米材料和技術(shù)的市場中占有一定比例的份額，這是值得我們深思的重要問題。中國科學(xué)院在我國納米材料研究占有極其重要的地位，在納米粉體的合成、納米金屬和納米陶瓷體材料的制備、納米碳管定向生長和超長納米碳管的合成、納米同軸電纜的制備和合成、有序陣列納米體系的設(shè)計(jì)和合成、新合成方法的創(chuàng)新等在國內(nèi)外都做了有影響的工作。在自然上發(fā)表1篇，科學(xué)上發(fā)表論文4篇，影響因子在3以上的論文6篇，申請發(fā)明專利28項(xiàng)，已獲發(fā)明專利7項(xiàng)，有5項(xiàng)專利獲得實(shí)施，扶植了國內(nèi)一些納米產(chǎn)業(yè)，這些都為進(jìn)一步工作奠定了基礎(chǔ)。    

13、0;為了使中國科學(xué)院在世紀(jì)之交乃至下一世紀(jì)在納米材料和技術(shù)研究在國際上占有一席之地，在國際市場上占有一份額，從前瞻性、戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性來考慮應(yīng)該成立中國科學(xué)院納米材料和技術(shù)研究中心，建議北方成立一個(gè)以物質(zhì)科學(xué)中心為基礎(chǔ)的研究中心（包括金屬研究所），在南方建立一個(gè)以合肥地區(qū)中國科學(xué)院固體物理所和中國科技大學(xué)為基礎(chǔ)的研究中心，主要任務(wù)是以基礎(chǔ)研究為主，做好基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究的銜接和成果的轉(zhuǎn)化。    2             &#

14、160;  在富有挑戰(zhàn)的對世紀(jì)，世界各國都對富有戰(zhàn)略意義的納米科技領(lǐng)域予以足夠的重視，特別是發(fā)達(dá)國家都從戰(zhàn)略的高度部署納米材料和納米科技的研究，目的是提高在未來10年乃至20年在國際中的競爭地位。從各國對納米材料和納米科技的部署來看，納米材料和納米科技的戰(zhàn)略是：（）以未來的振興和國家實(shí)力的需求為目標(biāo)，牽引納米材料的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)研究；（2）組織多學(xué)科的科技人員交叉創(chuàng)新，做到基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究并舉，納米、納米技術(shù)并舉，重視基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接，重視技術(shù)集成；（3）重視發(fā)展納米材料和技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)品，提高高技術(shù)含量，同時(shí)部署納米材料和納米技術(shù)在環(huán)境、能源和信息等重要領(lǐng)域

15、的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)跨越式的發(fā)展。 3國內(nèi)研究進(jìn)展     我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學(xué)”列入國家攀登項(xiàng)目。國家科學(xué)基金委員會、科學(xué)院、國家教委分別組織了8項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個(gè)分支領(lǐng)域開展工作，國家自然科學(xué)基金委員會還資助了20多項(xiàng)課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。1996年以后，納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分家的介人，使我國納米材料的研究進(jìn)入了以基礎(chǔ)研究帶動應(yīng)用研究的新局面。     目前，我國

16、有60多個(gè)研究小組，有600多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其中，承擔(dān)國家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)。中國科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學(xué)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué)，還有吉林大學(xué)烹北大學(xué)、西安大學(xué)、天津大學(xué)。青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長春應(yīng)用化學(xué) 研究所、長春物理研究所、感光化學(xué)研究所等也相繼開展了納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。我國納米材料基礎(chǔ)研究在過去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學(xué)方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納

17、米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應(yīng)的設(shè)備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合微粒和粉體的制取等各個(gè)方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進(jìn)展，成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋁晶粒在拉伸疲勞中應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變；在顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國際上首次發(fā)現(xiàn)納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁嫡變超過金屬Gd；設(shè)計(jì)和制備了納米復(fù)合氧化物新體系，它們的中紅外波段吸收率可達(dá) 92，在紅外保暖纖維得到了應(yīng)用；發(fā)展了非晶完全晶化制備納

18、米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常HallPetch效應(yīng)。     近年來，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關(guān)注。一是大面積定向碳管陣列合成：利用化學(xué)氣相法高效制備純凈碳納米管技術(shù)，用這種技術(shù)合成的納米管，孔徑基本一致，約20urn，長度約100pm，納米管陣列面積達(dá)到 3mmX3mm。其定向排列程度高，碳納米管之間間距為100pm。這種大面積定向納米碳管陣列，在平板顯示的場發(fā)射陰極等方面有著重要應(yīng)用前景。這方面的文章發(fā)表在1996年的美國科學(xué)雜志上。二是超長納米碳管制備：首次大批量地制備出長度為23mm的超長定向

19、碳納米管列陣。這種超長碳納米管比現(xiàn)有碳納米管的長度提高12個(gè)數(shù)量級。該項(xiàng)成果已發(fā)表于1998年8月出版的英國自然雜志上。英國時(shí)報(bào)以“碳納米管進(jìn)入長的階段”為題介紹了有關(guān)長納米管的工作。三是氮化嫁納米棒制備：首次利用碳納米管作模板成功地制備出直徑為340urn、長度達(dá)微米量級的發(fā)藍(lán)光氮化像一維納米棒，并提出了碳納米管限制反應(yīng)的概念。該項(xiàng)成果被評為1998年度中國十大科技新聞之一。四是硅襯底上碳納米管陣列研制成功，推進(jìn)碳納米管在場發(fā)射平面和納米器件方面的應(yīng)用。五是唯一維納米絲和納米電纜：應(yīng)用溶膠一凝膠與碳熱還原相結(jié)合的新方法，首次合成了碳化或（TaC）納米絲外包覆 絕緣體SIOZ和 TaC納米絲外

20、包覆石墨的納米電纜，以及以S江納米絲為芯的納米電纜，當(dāng)前在國際上 僅少數(shù)研究組能合成這種材料。該成果研究在瑞典召開的1998年第四屆國際納米會議宣讀后，許多外國科學(xué)家給予高度評價(jià)。六是用苯熱法制備納米氮化像微晶；發(fā)現(xiàn)了非水溶劑熱合成技術(shù)，首次在300左右制成粒度達(dá)30urn的氮化鋅微晶。還用苯合成制備氮化鉻（CrN）、磷化鉆（COZP）和硫化銻（Sb。S。）納米微晶，論文發(fā)表在1997年的科學(xué)雜志上。七是用催化熱解法制成納米金剛石；在高壓釜中用中溫（70）催化熱解法使四氯化碳和鈉反應(yīng)制備出金剛石納米粉，論文發(fā)表在1998年的科學(xué)雜志上。美國化學(xué)與工程新聞雜志還發(fā)表題為“稻草變黃金棗從四氯化碳（

21、CC14）制成金剛石”文，予以高度評價(jià)。    3             我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究已有10年的工作基礎(chǔ)和工作積累，在“八五”研究工作的基礎(chǔ)上初步形成了幾個(gè)納米材料研究基地，中科院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)、中科院固體物理所、中科院金屬所、物理所、科技大學(xué)、清華大學(xué)和中科院化學(xué)所等已形成我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研究的重要單位。無論從研究對象的前瞻性、基礎(chǔ)性，還是成果的學(xué)術(shù)水平和適用性來分析，都為我國納米材料研究在國

22、際上爭得一席之地，促進(jìn)我國納米材料研究的，培養(yǎng)高水平的納米材料研究人才作出了貢獻(xiàn)。在納米材料基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的銜接，加快成果轉(zhuǎn)化也發(fā)揮了重要的作用。目前和今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)這些單位仍然是我國納米材料和納米結(jié)構(gòu)研究的中堅(jiān)力量。     在過去10年，我國已建立了多種物理和化學(xué)方法制備納米材料，研制了氣體蒸發(fā)、磁控濺射、激光誘導(dǎo)CVD、等離子加熱氣相合成等10多臺制備納米材料的裝置，發(fā)展了化學(xué)共沉淀、溶膠一凝膠、微乳液水熱、非水溶劑合成和超臨界液相合成制備包括金屬、合金、氧化物、氮化物、碳化物、離子晶體和半導(dǎo)體等多種納米材料的方法，研制了性能優(yōu)良的多種納米復(fù)合

23、材料。近年來，根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，建立和發(fā)展了制備納米結(jié)構(gòu)（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、MCM41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內(nèi)延生長等也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已成功地制備出多種準(zhǔn)一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進(jìn)一步研究納米結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)一納米材料的物性，推進(jìn)它們在納米結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的評價(jià)手段基本齊全，達(dá)到了國際90年代末的先進(jìn)水平。     綜上所述，“八五”期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果，形成了一支高水平的科研隊(duì)伍，基礎(chǔ)研究在國際上占有一席之地，應(yīng)用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。10年來，我國科技工作者在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表納米材料和納米結(jié)構(gòu)的2400多篇，在國際上排名第五位，其中納米碳管和納米團(tuán)簇在1998年度歐洲情報(bào)交流會上德國馬普