現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論2(納米科技)

第二章納米科技2.1納米科技概述因發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）而獲得諾貝爾獎的科學(xué)家羅雷爾博士曾在寫信給江澤民主席的信中指出：“許多人認為納米科技僅僅是遙遠的未來基礎(chǔ)科學(xué)的事情，而沒有什么實際意義。但我確信納米科技已經(jīng)具有與150年前微米科技所具有的希望和重要意義。150年前，微米成為新的精度標準，并成為工業(yè)革命的技術(shù)基礎(chǔ)，最早和最好學(xué)會并使用微米技術(shù)的國家都在工業(yè)發(fā)展中占據(jù)了巨大的優(yōu)勢。同樣，未來的技術(shù)將屬于那些明智地接受納米作為新標準、并首先學(xué)習(xí)和使用它的國家?！?.1.1什么是納米？

納米（nanometer，nm）是一種長度單位，一納米等于十億分之一米，千分之一微米。大約是三、四個原子的寬度，1納米=10-9米。納米科學(xué)（nano-science）研究納米尺度范圍內(nèi)的物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科學(xué)。

納米科學(xué)技術(shù)（nano-technology）是指用數(shù)千個分子或原子制造新型材料或微型器件的科學(xué)技術(shù)。它以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。納米有多??？一米的十億分之一(10-9米)。人的一根頭發(fā)絲的直徑的萬分之一（人頭發(fā)直徑約為80~100微米）。形象地講，一納米的物體放到乒乓球上，就像一個乒乓球放在地球上一般。千米米厘米毫米微米納米103110-210-310-610-9納米結(jié)構(gòu):

通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。2.1.2自然界中的“納米”納米技術(shù)在這個地球上隨處可見，納米絕對不是我們有些人類的專利，在神奇的自然界中，納米材料和納米技術(shù)就已經(jīng)存在了。很多動植物們個個都是身懷多項納米技術(shù)的高手，通過精湛的納米技藝,在大自然中頑強地生存下來,不僅豐富了我們周圍的世界,而且給現(xiàn)代的納米科技工作者帶來了無數(shù)靈感和啟示。

1、潔身自好的蓮花

通過電子顯微鏡,我們可以觀察到蓮葉表面存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。荷葉表面上有一些微小的蠟質(zhì)顆粒,并且覆蓋著無數(shù)尺寸約10個微米的突包,每個突包的表面又布滿了直徑僅為幾百納米的更細的絨毛。在突包間的凹陷部分充滿著空氣,這樣就緊貼葉面形成一層極薄、只有納米級厚的空氣層,從而使得在尺寸上遠大于這種結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等落在葉面上后,不會大范圍直接接觸葉面,而要隔著一層極薄的空氣,并且其能接觸的點也只是葉面上若干個凸起的點。照理說荷葉的基本化學(xué)成分是多醣類的碳水化合物，有許多的羥基（-OH）、（-NH）等極性原子團，在自然環(huán)境中很容易吸附水分或污垢。但灑在荷葉葉面上的水卻會自動聚集成水珠，且水珠的滾動把落在葉面上的塵埃污泥粘吸滾出葉面，使葉面始終保持干凈。經(jīng)過科學(xué)家的觀察研究，在1990年代初終于揭開了荷葉葉面的奧妙。原來在荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級的超微結(jié)構(gòu)。

葉面上布滿細微的凸狀物再加上表面所存在的蠟質(zhì)，這使得在尺寸上遠大于該結(jié)構(gòu)的灰塵、雨水等降落在葉面上時，只能和葉面上凸狀物形成點的接觸。液滴在自身的表面張力作用下形成球狀，由液滴在滾動中吸附灰塵，并滾出葉面，這樣的能力勝過人類的任何清潔科技。這就是蓮花納米表面「自我潔凈」的奧妙所在。這是自然界中生物長期進化的結(jié)果,正是這種特殊的納米結(jié)構(gòu),使得荷葉表面不沾水滴,可以保持清潔：當荷葉上有水時,水會在自身表面張力的作用下形成球狀。風(fēng)吹動水珠在葉面上滾動時,水珠可以沾起葉面上的灰塵,并從上面高速滑落,從而使得蓮葉能夠更好地進行光合作用。掃描電鏡下荷葉表面突包這種特性可以應(yīng)用在玻璃上或是戰(zhàn)機的雷達上,例如：經(jīng)過納米處理的玻璃本身也可以具有自潔效果。還有企業(yè)利用納米技術(shù)處理涂料,涂上此涂料的物體因而也擁有了自潔效果。也許在未來的世界中,我們周圍將不斷出現(xiàn)不會臟的地板、墻壁,和沒有灰塵的無線電用品。鵝毛和鴨毛是防水的。原來鵝毛和鴨毛的排列非常整齊，且毛與毛之間的隙縫極小，小到納米尺寸，所以水分子無法穿透層層的鵝毛和鴨毛，但卻極易通氣，故鵝與鴨得以在水中保持身體的干燥。2、飛檐走壁的壁虎

專家說,“壁虎漫步”靠的不是吸盤,而是腳趾上數(shù)以萬計的細小剛毛。剛毛根部有幾十微米粗，頂端分成很多更細更彎的絨毛，每根絨毛的直徑僅幾百納米，其末梢延展成扁平形。此種精細結(jié)構(gòu)，使得壁虎以幾納米的距離大面積地貼近墻面。盡管這些絨毛很纖弱，但足以使所謂的范德華鍵(有些物質(zhì)的分子具有極性，其中分子的一部分帶有正電荷，而分子的另一部分帶有負電荷，一個分子的正電荷部位和另一分子的負電荷部位間，以微弱靜電引力相互吸引，使兩者結(jié)合在一起，稱為范德華鍵或分子鍵)發(fā)揮作用，為壁虎提供數(shù)百萬個的附著點，從而支撐其體重。

這種附著力可通過“剝落”輕易打破，就像撕開膠帶一樣，因此壁虎能夠自由穿過天花板。在現(xiàn)實生活中,我們可以制造出抓地更牢的運動鞋,可以制作雨雪環(huán)境中不再打滑的汽車輪胎。而在影視劇拍攝中,演員們可以告別工作室里的電腦,真正在摩天大樓的玻璃幕墻上一展身手。據(jù)此開發(fā)出的空間探測用攀爬型機器人,無論在什么惡劣的條件下都可以在太空飛行器的外表面行走,給飛行器進行“體檢”。壁虎可以在任何墻面上爬行,反貼在天花板上,甚至用一只腳在天花板上倒掛。它依靠的就是納米技術(shù)。3、貝類——嫻熟的黏合高手當貝類想把自己貼在一塊巖石上時，就會打開貝殼，把觸角貼到巖石上，它將觸角拱成一個吸盤，然后通過細管向低壓區(qū)注射無數(shù)條黏液和膠束：釋放出強力水下膠粘劑。這些黏液和膠束瞬間形成泡沫，起到小墊子的作用。貝類通過彈性足絲停泊在這個“減震器”上。這樣，它們就可以隨波起伏，而不至于受傷。這種牢固的膠粘效果就來自黏液和巖石納米尺度下分子之間的相互作用。

4、“上善若水”的水黽（Mǐn）

小型水生昆蟲水黽被喻為“池塘中的溜冰者”，因為它不僅能在水面上滑行，而且還會像溜冰運動員一樣在水面上優(yōu)雅地跳躍和玩耍。它的高明之處是，既不會劃破水面，也不會浸濕自己的腿。在高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)，水黽腿部上有數(shù)千根按同一方向排列的多層微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛的表面上形成螺旋狀納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)槽，吸附在構(gòu)槽中的氣泡形成氣墊，這些氣墊阻礙了水滴的浸潤，宏觀上表現(xiàn)出水黽腿的超疏水特性(超強的不沾水的特性)。正是這種超強的負載能力使得水黽在水面上行動自如，即使在狂風(fēng)暴雨和急速流動的水流中也不會沉沒。5、五彩斑斕的蝴蝶

蝴蝶翅膀由兩層僅有3~4微米厚的鱗片組成，上面一層鱗片像微小的屋瓦一樣交替，每個鱗片的構(gòu)造也很復(fù)雜，而下一層則比較光滑。蝴蝶翅膀這種井然有序的安排形成了所謂的光子晶體，也就是納米結(jié)構(gòu)。通過這種結(jié)構(gòu)，蝴蝶翅膀能捕捉光線，僅讓某種波長的光線透過。這便決定了不同的顏色。

蝴蝶翅膀上炫目的色彩來自一種微小的鱗片狀物質(zhì),它們就像圣誕樹上小小的彩燈,在光線的照耀下能折射出斑斕的色彩。

6、利用“羅盤”定位的蜜蜂

研究表明，包括蜜蜂、海龜?shù)仍趦?nèi)的許多生物體內(nèi)都存在著納米尺寸的磁性顆粒。這些磁性納米顆粒對于生物的定位與運動行為具有重要意義。最新的科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子具有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種“羅盤”來確定其周圍環(huán)境，利用在磁性納米粒子中存儲的圖像來判明方向。當蜜蜂采蜜歸來時，實際上就是把自己原來存儲的圖像和沿途所見的圖像進行對比。如果兩個圖像一致，即可據(jù)此來判斷出蜂巢的所在。利用這種納米磁性顆粒進行導(dǎo)航，蜜蜂可以完成數(shù)千米的旅程。

7、蛛絲的潛力

蜘蛛網(wǎng)常常出現(xiàn)在長久沒有清掃的房間角落。對于普通人而言，蜘蛛網(wǎng)并不是什么了不起的東西，用掃帚輕輕一拂，蛛網(wǎng)就被掃掉了。但是蜘蛛絲本身確實是大自然的奇跡。自然界中的蜘蛛絲直徑有100納米左右，是真正的純天然納米纖維。如果用蜘蛛絲制成和普通鋼絲繩一樣粗細的繩索，可以吊起上千噸重的物體，其強度能與鋼索相媲美。

除了用于捕捉飛蟲外，幾乎所有的蜘蛛都還用蛛絲作為指路線、安全繩、滑翔索。蜘蛛的腹部通常有幾種腺體，被稱為吐絲器。各種腺體產(chǎn)生不同類型蛛絲，腺體頂端有噴絲頭，其上有數(shù)千只小孔，噴出的液體一遇空氣即凝結(jié)成黏性強、張力大的蛛絲。通常，1000根蛛絲合并后比人的頭發(fā)絲還要細1/10。硅藻的名字，來源于它們的細胞壁含有大量的結(jié)晶硅。硅藻的細胞壁由SiO2組成，在顯微鏡下，呈纖巧精細的絲網(wǎng)狀，結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜精密。硅藻土是由硅藻的遺骸堆積而成，是一種生物成因的硅質(zhì)沉積巖，主要由古代硅藻遺體組成，主要成分是無定型SiO2、SiO2是評價硅藻土原土質(zhì)量的一個重要參數(shù)，含量越高土的質(zhì)量越好。硅藻土都是整齊排列的小孔，線紋小孔的直徑在20~100納米。所以硅藻土是天然的納米孔材料。7、硅藻土

硅藻土是二十一世紀最具生態(tài)環(huán)保特征不可再生的納米孔徑環(huán)境新材料，因其獨特的礦物結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的特性，廣泛應(yīng)用于環(huán)保、建材、化工、食品、農(nóng)業(yè)、家居生活及醫(yī)藥等領(lǐng)域，具有極為廣闊的市場空間。8、墨徽墨用納米級大小的松煙炱（即所謂“精煙徽墨”）和樹膠及少量香料及水分制成，所以很名貴。

中國古代利用燃燒蠟燭來收集炭黑作為墨的原料以及用作著色的染料，這是最早的納米材料。自然界中還有很多很多納米技術(shù)存在，隨著人類的科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，這些自然界的納米技術(shù)會慢慢被發(fā)掘，并且應(yīng)用到人類的日常生活生產(chǎn)中來。2.1.3納米科技發(fā)展歷程1、歷史錯過的機遇近現(xiàn)代，約1861年，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的現(xiàn)象——膠體（直徑1~100nm粒子構(gòu)成的系統(tǒng)），并對此展開了研究，并建立了化學(xué)學(xué)科的一個新分支：膠體化學(xué)。但是當時的化學(xué)家們并沒有意識到在這樣一個尺度范圍是人們認識世界的一個新的層次，而只是從化學(xué)角度作為宏觀體系的中間環(huán)節(jié)進行研究，歷史就此錯過。1959年費曼在一次題為《在底部還有很大空間》（“ThereisPlentyofRoomattheBottom.”）著名的演講中提出“如果有一天能按人的意志安排一個個原子和分子，將會產(chǎn)生什么樣的奇跡呢？”并預(yù)言，說人類可以用新型的微型化儀器制造出更小的機器，最后人們可以按照自己的意愿從單個分子甚至單個原子開始組裝，制造出最小的人工機器來?？梢哉f這些是關(guān)于納米技術(shù)的最早的夢想。最早提出納米尺度上科學(xué)和技術(shù)問題的是美國著名物理學(xué)家、諾貝爾獎金獲得者理查德·費曼(RichardPFeynman)——納米科技之父。2、納米科技的發(fā)展史

1962年，久保（Kubo）及其合作者針對金屬超微粒子的研究，提出了著名的久保理論（超微顆粒的量子限域理論），從而推動實驗物理學(xué)家向納米尺度的微粒進行探索；

1970年，美國IBM實驗室的江崎和朱兆祥首先提出了半導(dǎo)體超晶格概念；

20世紀70年代末到80年代初，科學(xué)家們對一些納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進行了比較系統(tǒng)的研究。1984年，德國薩爾大學(xué)的Gleiter首次采用惰性氣體凝聚法制備了具有清潔表面的納米粒子，并提出了納米材料界面結(jié)構(gòu)模型；1985年，Kroto等人采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中形成碳的團簇，質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)了C60

和C70新譜線。

1990年7月，在美國巴爾的摩召開了第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個新的分支公布于世。從此，納米材料科學(xué)作為一個比較獨立的學(xué)科誕生。納米科技進入快速發(fā)展期。掃描隧道顯微鏡為我們揭示了一個可見的原子、分子世界，對納米科技的發(fā)展起到了巨大的推進作用。STM是20世紀80年代世界十大科技成就之一。20世紀80年代初期，美國IBM公司在瑞士的蘇黎世實驗室的Binnig和Rohrer教授發(fā)明了掃描隧道顯微鏡（ScanningTunneling

Microscopy，STM）。3、納米世界的眼和手—掃描隧道顯微鏡這種新型顯微儀器的誕生，使人類能夠?qū)崟r觀測到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價值。為此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎。掃描隧道顯微鏡能達到原子級的超高分辨率。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細微的尺度──即納米尺度上實現(xiàn)對物質(zhì)表面精細加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子?；驹硎腔诹孔恿W(xué)的隧道效應(yīng)和三維掃描。它是用一個極細的探針（針尖頭部為單個原子）去接近樣品表面，當針尖和樣品表面靠得很近（小于1納米）時，針尖頭部的原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重疊。此時若在針尖和樣品之間加上一個偏壓，電子便會穿過針尖和樣品之間的勢壘而形成納安級（10-9A）的隧道電流；隧道電流對距離非常敏感，保持針尖與樣品表面間距的恒定，控制壓電陶瓷使探針沿表面進行精確的三維（x,y,z)移動掃描時，由于樣品表面高低不平而使針尖與樣品之間的距離發(fā)生變化，而距離的變化引起了隧道電流的變化；控制和記錄隧道電流的變化，并把信號送入計算機進行處理，就可以得到樣品表面高分辨率的三維形貌圖像。掃描隧道顯微鏡具有很高的空間分辨率，橫向可達0.1納米，縱向可優(yōu)于0.01納米，能直接觀察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它主要用來描繪表面三維的原子結(jié)構(gòu)圖，在納米尺度上研究物質(zhì)的特性，還可以實現(xiàn)對表面的納米加工，如直接操縱原子或分子，完成對表面的剝蝕、修飾以及直接書寫等。

STM頭部高序石墨原子STM圖象

用STM描繪樣品表面三維的原子結(jié)構(gòu):

硅表面硅原子STM圖象

1990年，納米技術(shù)獲得了重大突破。美國IBM公司阿爾馬登研究中心（Almaden

Research

Center）的科學(xué)家展示了一項令世人瞠目結(jié)舌的成果，他們使用STM把35個氙原子移動到各自的位置，在鎳金屬表面組成了“IBM”三個字母，這三個字母加起來不到3納米長，成為世界上最小的IBM商標。

1991年IBM公司的“拼字”科研小組利用STM把一氧化碳分子豎立在鉑表面上、分子間距約0.5納米的“分子人”，這個“分子人”從頭到腳只有5納米，堪稱世界上最小的人形圖案。1993年中國科學(xué)院北京真空物理實驗室用STM操縱硅原子寫出“中國”兩個字，標志著中國開始在國際納米科技領(lǐng)域占有一席之地。（在室溫下，用STM的針尖，并通過針尖與硅樣品之間的相互作用，把硅晶體表面的原子撥出，從而在表面上形成“中國”的圖形。）

中國科學(xué)院化學(xué)所的科技人員利用STM在石墨表面上通過搬遷碳原子繪制出的世界上最小的中國地圖。納米算盤C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。納米皇冠目前市場上炒作的“納米”主要指納米材料。衡量納米材料的兩把尺子：①顆粒粒徑是否介于1個納米到100個納米之間的，均勻度怎么樣；②是否具有納米材料所具有的特異性能，如比表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等。這些效應(yīng)使納米體系的光、電、熱、磁等物理性質(zhì)與常規(guī)材料不同，從而出現(xiàn)許多新奇特性。如：銅是電的良導(dǎo)體，而納米銅則是電的絕緣體；硅是半導(dǎo)體，而納米硅則是良導(dǎo)體；陶瓷易碎，而納米陶瓷既剛又韌，可以用來制作發(fā)動機零件；而納米纖維既不沾水又不沾油。2.1.4如何區(qū)分納米和偽納米2.2納米材料的特性（納米效應(yīng)）傳統(tǒng)化學(xué)的研究對象通常包含著天文數(shù)字的原子或分子，通常所測得的體系的各種物理化學(xué)性質(zhì)都是大量粒子的平均行為。實際上，熱力學(xué)規(guī)律成立的前提條件就是由大量粒子組成的體系；那么，當研究對象變成納米尺度的物質(zhì)，納米尺度的微觀世界，變成一個原子或一個分子時，是否還會遵循傳統(tǒng)理論和規(guī)律呢？

水可能是我們最熟悉的東西，我們知道油水是不相溶的，無論宏觀尺度上的水和微觀尺度上的水都是和油不相溶的，你沒有辦法把它混在一起。但是如果到了納米尺度上，也就是說在這個微觀世界里，它們就能夠溶得非常好，成為熱力學(xué)的穩(wěn)定相。1、表面效應(yīng)

2、小尺寸效應(yīng)

3、量子尺寸效應(yīng)

4、宏觀量子隧道效應(yīng)從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，納米級這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。1、表面效應(yīng)納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，并具有不飽和性，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學(xué)活性。超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。如要防止自燃，可采用表面包覆或控制氧化速度，使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性，金屬納米顆粒有望成為新一代的高效催化劑和低熔點材料。用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性炸藥。

粒子的大小與表面原子數(shù)的關(guān)系直徑/nm1510100原子總數(shù)N3040003000030000000表面原子百分比99402022.小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)

（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

鉑黑能吸附大量的氫、氧等氣體，在許多氣體反應(yīng)中可用作催化劑。將鉑黑鍍在鉑或金電極的表面上，常用作氫電極或其他氣體電極。（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)時都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑變成鉑黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀?%，大約幾納米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。還可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。F－117A型隱身戰(zhàn)斗機1991年春的海灣戰(zhàn)爭，美國F－117A型隱身戰(zhàn)斗機外表所包覆的材料中就包含有多種納米超微顆粒，它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力，以欺騙雷達，達到隱形目的，成功地實現(xiàn)了對伊拉克重要軍事目標的打擊。（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)：固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。由于顆粒小，納米微粒的表面能高，表面原子數(shù)多，這些原子近鄰配位不全，納米微粒間是一種非共價相互作用，活性大，納米粒子熔化時所增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒的熔點急劇下降。例如，金的常規(guī)熔點為1064℃，當顆粒尺寸減小到10納米時，則降低27℃，2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。趨磁細菌的細胞中有一種“磁小體”。每個磁小體都是一個被磷脂膜包覆的高純度、納米級、有獨特結(jié)構(gòu)的單磁疇小晶體。這些磁小體沿細胞的長軸排列成鏈狀，使每個細菌都成了一個小小“指南針”，彼此首尾相吸沿著地磁場排列了起來。

（a）活的細菌體內(nèi)完整的磁小體

（b）獲得的磁小體鏈

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺寸減小到20納米以下時，其矯頑力可增加1千倍，若進一步減小其尺寸，大約小于6納米時，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤及磁卡中。利用超順磁性，已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封、潤滑、磁性傳感器、選礦等領(lǐng)域。磁性液體（magneticliquids）是一種液態(tài)的磁性材料。該材料既具有固體的磁性又具有液體的流動性。它是由粒徑為納米尺寸（幾個到幾十個納米）的磁性微粒，依靠表面活性劑的幫助，均勻分散、懸浮在載液（基液加表面活性劑）中，構(gòu)成的一種固液兩相的膠體混合物，這種材料即使在重力、離心力或電磁力作用下也不會發(fā)生固液分離，是一種典型的納米復(fù)合材料。

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)：由于納米材料粒度非常微小，具有良好的表面效應(yīng)，1克納米材料的表面積達到幾百平方米。因此，用納米材料制成的產(chǎn)品其強度、柔韌度、延展性都十分優(yōu)越，就象一種有千萬對腳的毛毛蟲，當它吸附在光滑的玻璃面上時，由于接觸面積大，12級臺風(fēng)有也吹不掉它。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。研究表明納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。對于金屬---陶瓷復(fù)合納米材料，其應(yīng)用前景十分寬廣。例如：鈷-碳化鎢納米復(fù)合材料具有高硬、高強的特征，可應(yīng)用于集成電路板、微型鉆頭、點陣打印機打印針頭、耐磨零部件、軍用裝備等方面。（5）特殊的電學(xué)性質(zhì)：由于納米顆粒內(nèi)的電子運動受到限制，電子能量被量子化了。表現(xiàn)為當在金屬顆粒的兩端加上合適電壓時，金屬顆粒導(dǎo)電；而電壓不合適時金屬顆粒不導(dǎo)電。原來是導(dǎo)體的銅等金屬，在尺寸減少到幾個納米時就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅等，電阻會大大下降，失去絕緣特性，變得能導(dǎo)電了。還有一種奇怪的現(xiàn)象，當納米顆粒從外電路得到一個額外的電子時，納米顆粒具有了負電性，它的庫侖力足以排斥下一個電子從外電路進入顆粒內(nèi)，從而切斷了電流的連續(xù)性；電子不能集體傳輸，而是一個一個單電子的傳輸．通常這種單電子輸運行為稱庫侖堵塞效應(yīng)。

這就使得人們想到是否可以發(fā)展用一個電子來控制的電子器件，即所謂的單電子器件。單電子器件的尺寸很小，把它們集成起來做成計算機芯片其容量和計算速度不知要提高多少倍。（6）超微納米顆粒的不穩(wěn)定性：超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑2nm）進行觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體、二十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了沸騰狀態(tài)，尺寸大于10nm后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。3、量子尺寸效應(yīng)費米能級附近電子能級在高溫或宏觀尺寸情況下一般是連續(xù)的，但當粒子尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸x散能級）的現(xiàn)象，以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級而使能隙變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。對于宏觀物體包含無限個原子，N→∞，宏觀物體的能級間距幾乎為零；而納米微粒包含的原子數(shù)有限，N值很小，能級間距將發(fā)生分裂，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性不同，產(chǎn)生量子尺寸效應(yīng)。例如，溫度為1K時，直徑小于14nm的銀納米顆粒會變成絕緣體。4、宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1~100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。

納米材料分為兩個層次：納米超微粒子與納米固體材料。納米超微粒子是指粒子尺寸為1~100nm的超微粒子，納米固體是指由納米超微粒子制成的固體材料。人們習(xí)慣于把組成或晶粒結(jié)構(gòu)控制在100nm以下的長度尺寸稱為納米材料。

2.3納米材料納米材料與納米技術(shù)的關(guān)系在納米尺度（1~100nm）上研究物質(zhì)（包括原子、分子的操縱）的特性和相互作用，同時利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操縱和加工的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)稱為納米技術(shù)。

單純的某一納米材料若沒有特殊的結(jié)構(gòu)和性能表現(xiàn)，還不能稱為納米技術(shù)。如香煙的煙灰或自然土壤中存在的納米粉末，雖然它們也能夠達到一百個納米以內(nèi)的尺度，但是，因為它們沒有特殊的結(jié)構(gòu)和技術(shù)性能表現(xiàn)，所以這些材料還不能稱為納米技術(shù)。

納米科技納米科學(xué)納米技術(shù)納米物理學(xué)納米化學(xué)納米材料學(xué)納米電子學(xué)納米光學(xué)納米器件納米加工制備納米檢測與表征納米材料納米電路納米電子器件納米傳感器納米芯片納米機械納米機電系統(tǒng)納米馬達納米探針納米掃描零維納米材料一維納米材料二維納米材料三維納米材料納米醫(yī)學(xué)納米生物納米光刻納米操縱納米探針2.3.1納米材料的分類1、按維數(shù)：零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料，如納米粒子、原子團簇等；一維納米材料：有兩維處于納米尺度的材料，如納米纖維、納米棒、納米管等；二維納米材料：在三維空間有一維在納米尺度的材料，如納米薄膜；三維納米材料（納米固體材料）：指由納米粉末在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密性固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，從而使得納米材料具有高韌性。納米顆粒型材料也稱納米粉末可用于制備高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、微芯片導(dǎo)熱基與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、敏感元件、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。碳納米管

1991年，日本科學(xué)家飯島澄男發(fā)現(xiàn)碳納米管。石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。這樣的材料很輕，但很結(jié)實。它的密度是鋼的1/6，而強度卻是鋼的100倍。若用碳納米管做繩索，是惟一可從月球上掛到地球表面，而不被自身重量所拉斷的繩索。

多孔納米線

納米膜材料納米薄膜是指尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。納米固體材料Fe-B納米棒界面區(qū)域原子數(shù)目約占總原子數(shù)目的30%-50%的人工凝聚態(tài)固體。納米固體基本由三部分組成:一是具有不同取向的晶粒組成的晶相成分;二是結(jié)構(gòu)各不相同的晶界和自由表面構(gòu)成的界面網(wǎng)絡(luò);三是晶粒間空隙組成的空隙缺陷網(wǎng)絡(luò)。大量的界面及空隙是影響納米固體材料的主要因素之一。2、按化學(xué)組分可分為：納米金屬納米晶體納米陶瓷納米玻璃納米高分子納米復(fù)合材料3、按材料物性可分為：納米半導(dǎo)體納米磁性材料納米非線性光學(xué)材料納米鐵電體納米超導(dǎo)材料納米熱電材料4、按應(yīng)用領(lǐng)域可分為：納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)藥材料納米敏感材料納米儲能材料2.3.2.1納米陶瓷材料納米陶瓷：指顯微結(jié)構(gòu)中的物相（包括晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔與缺陷尺寸等）都在納米量級的水平上的陶瓷材料。現(xiàn)有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是微米級的水平。當其晶粒尺寸變小到納米級范圍時，晶粒表面積和晶界體積會以相應(yīng)的倍數(shù)增加，晶粒的表面能亦隨之劇增。由于顆粒的粒度減少而引起表面效應(yīng)和體積效應(yīng)，使得材料的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)生一系列變化，而且甚至出現(xiàn)許多特殊的物理與化學(xué)性質(zhì)。利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進行改性，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，為陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。2.3.2典型的納米材料——納米陶瓷材

料、碳納米管1、納米陶瓷的性能：高強度：納米陶瓷材料在壓制、燒結(jié)后，其強度比普通陶瓷材料高出4~5倍，如在100℃下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為13000kN/mm2，普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于2000kN/mm2。研究表明納米陶瓷復(fù)合材料在韌性和強度上都比原來基體單相材料均有較大程度的改善，對Al2O3/SiC系統(tǒng)來說，納米復(fù)合材料的強陶度比單相氧化鋁的強度提高了3~4倍。韌性：傳統(tǒng)的陶瓷由于其粒徑較大，在外表現(xiàn)出很強的脆性，但是納米陶瓷由于其晶粒尺寸小至納米級，在受力時可產(chǎn)生變形而表現(xiàn)出一定的韌性。如室溫下的納米TiO2陶瓷表現(xiàn)出很高的韌性，壓縮至原長度的1/4仍不破碎。c.超塑性：超塑性是指在拉伸試驗中，在一定的應(yīng)變速率下，材料產(chǎn)生較大的拉伸形變。研究發(fā)現(xiàn)，納米陶瓷(100nm左右)在室溫拉伸試驗后，其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達百分之幾百，并從斷口側(cè)面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線，確認納米陶瓷材料存在著拉伸超塑性。d.燒結(jié)特性：納米陶瓷材料的燒結(jié)溫度比傳統(tǒng)陶瓷材料約低600℃，燒結(jié)過程也大大縮短。12nm的TiO2粉體，不加任何燒結(jié)助劑，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400~600℃下進行燒結(jié)，同時陶瓷的致密化速率也迅速提高。通過對加3%Y2O3的ZrO2納米陶瓷粉體的致密化和晶粒生長這兩個高溫動力學(xué)過程研究表明，由于晶粒尺寸小，分布窄，晶界與氣孔的分離區(qū)減小，燒結(jié)溫度的降低使得燒結(jié)過程中不易出現(xiàn)晶粒的異常生長?？刂茻Y(jié)的條件，可獲得晶粒分布均勻的納米陶瓷塊體。生物領(lǐng)域生物功能陶瓷能夠模仿人體某些特殊生理行為，可以用來構(gòu)成牙齒和骨骼等某些人體部位，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某種組織器官，或者增加其功能。納米保健陶瓷片2、納米陶瓷的應(yīng)用壓電方面由于納米陶瓷晶體結(jié)構(gòu)上沒有對稱中心，具有壓電效應(yīng)。通過控制納米晶粒的生長可獲得量子限域效應(yīng)，以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機電轉(zhuǎn)換和熱釋性能。壓電陶瓷驅(qū)動器壓電變壓器堅韌方面納米功能陶瓷很好地解決了陶瓷的脆性問題，將納米金屬顆粒尤其是高溫合金相制成的納米顆粒，加入到陶瓷材料中，可以使陶瓷的韌性和抗沖擊力得到很大的提高，又不降低原有的強度和硬度。納米陶瓷刀機床滾動軸承汽車工業(yè)納米陶瓷具有高硬度、高韌性、超塑性、高耐磨性以及耐高溫高壓性、抗腐性、氣敏性、易加工可切削性等性能，拓展了它在汽車工業(yè)中的應(yīng)用領(lǐng)域。手動擋桿納米陶瓷軸承信息領(lǐng)域電子陶瓷的應(yīng)用范圍日趨廣闊，包括基板、傳感器、感測器、電容器、壓電蜂鳴器和熱敏電阻等。

納米傳感器納米電容涂料工業(yè)納米陶瓷粉末涂料在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱保溫效果，不燃燒、不脫落、耐水、防潮、無毒，對環(huán)境沒有污染。納米陶瓷粉末涂料耐高溫透明納米陶瓷涂料金屬表面晶體缺陷修復(fù)

真實金屬或合金晶體的表面幾乎都有缺陷，表面缺陷的存在對表面物理、表面化學(xué)、表面晶相等均有顯著影響。

當我們向潤滑油中添加一定比例的納米級的金屬陶瓷材料時，這些新鮮的金屬表面的懸空鍵便會迅速與納米金屬材料結(jié)合，形成牢固的共價鍵或金屬鍵結(jié)構(gòu)。納米陶瓷潤滑油2.3.2.2碳納米管1991年，日本NEC公司SIijima，為了觀察電弧蒸發(fā)石墨得到的各種產(chǎn)物，在不斷改變實驗條件過程中，發(fā)現(xiàn)所得到的產(chǎn)物中除了制備C60時出現(xiàn)的灰狀產(chǎn)物以外，在電極上還有一些呈針狀的產(chǎn)物。將這些針狀產(chǎn)物在高分辨電子顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)該針狀物是直徑為4～30nm，長約1微米，由2個到50個同心管構(gòu)成，相鄰?fù)墓苤g平均距離為0.34nm。進一步實驗研究表明，這些納米量級的微小管狀結(jié)構(gòu)是由碳原子六邊形網(wǎng)格按照一定方式排列而形成，或者可以將其想象成是由一個六邊形碳原子形成的平面卷成的中空管體，而在這些管體的兩端可能是由富勒烯形成帽子，這就是多壁納米碳管。在《Nature》發(fā)表文章公布了他的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同素異型體。1993年，SIijima等和DSBethune等同時報道了采用電弧法，在石墨電極中添加一定的催化劑，可以得到僅僅具有一層管壁的納米碳管，即單壁納米碳管產(chǎn)物。單壁碳納米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）：由一層石墨烯片組成，單壁管典型的直徑和長度分別為0.75～3nm和1～50μm。又稱富勒管(Fullerenestubes)。多壁碳納米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs）：含有多層石墨烯片。形狀象個同軸電纜。其層數(shù)從2～50不等，層間距為0.34±0.01nm，與石墨層間距(0.34nm)相當。多壁管的典型直徑和長度分別為2～30nm和0.1～50μm。

單壁碳納米管多壁碳納米管1、制備方法

近年來發(fā)展建立起來的碳納米材料制備方法也多種多樣，可大致歸為以下幾種：石墨電弧法、激光蒸發(fā)法、化學(xué)氣相沉積法、熱解聚合物法、火焰法、離子輻射法、電解法、原位合成法、模板法等。A.電弧放電法：石墨電弧法是最早用于制備納米碳管的工藝方法。后經(jīng)過優(yōu)化工藝，每次可制得克量級的納米碳管。此法是在真空反應(yīng)室中充惰性氣體或氫氣。采用較粗大的石墨棒為陰極，細石墨棒為陽極，在電弧放電的過程中陽極石墨棒不斷的被消耗。同時在石墨陰極上沉積出含有納米碳管的產(chǎn)物。采用此法合成納米碳管時。工藝參數(shù)的改變?nèi)绺鼡Q陰極材料或改變惰性氣體都將大大影響納米碳管的產(chǎn)率。除此之外。改變在陽極組成或直徑、或在石墨極中添加Y2O3等也有很好的效果。特點：簡單快速，但產(chǎn)品缺陷多，產(chǎn)量很低，僅局限在實驗室中應(yīng)用，不適于大批量連續(xù)生產(chǎn)。B.激光蒸發(fā)法：1996年Smalley等首次使用激光蒸發(fā)法實現(xiàn)了單壁納米碳管的批量制備。他們采用類似的實驗設(shè)備，通過激光蒸發(fā)過渡金屬與石墨的復(fù)合材料棒制備出多壁納米碳管。與電弧放電法類似，主要是將一根金屬催化劑/石墨混合的石墨靶放置于一長形石英管中間，該管則置于一加熱爐內(nèi)。當爐溫升至1200℃時，將惰性氣體充入管內(nèi)，并將一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光照射下將生成氣態(tài)碳，這些氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶向低溫區(qū)，在催化劑的作用下生長成碳納米管。產(chǎn)率：在催化劑合適的條件下，可大量制備單層碳納米管，一般產(chǎn)率可達70%。優(yōu)點：主產(chǎn)物為單層碳納米管，通過改變反應(yīng)溫度可控制管的直徑。缺點：需要非常昂貴的激光器，所以此法耗費最的大。

C.化學(xué)氣相沉積法(催化熱裂解法)

：化學(xué)氣相沉積法（CVD）是一種發(fā)展比較成熟的制備碳納米管特別是SWNTs的技術(shù)?；驹頌楹細怏w流經(jīng)催化劑表面時分解，沉積生成納米碳管。以含碳氣體（一般為烴類氣體或CO）為給料氣體供給碳源，在金屬催化劑（過渡金屬如Fe、Co、Mo、Ni等及其氧化物）的作用下直接在襯底表面裂解合成出SWNTs。特點：制備時溫度較低（一般控制在500～1000℃)，制備條件可控、容易批量生產(chǎn)，同時設(shè)備簡單、產(chǎn)率較高，但所生產(chǎn)碳納米管存在較多缺陷。參數(shù)控制：通過施加電場和控制給料的氣流方向，可以對SWNTs的生長方向進行控制；而通過控制作為催化劑的納米顆粒尺寸大小，可以控制合成的SWNTs的直徑范圍。D.模板法：合成碳納米管等一維納米材料的一項有效技術(shù)，它具有良好的可控制性，利用它的空間限制作用和模板劑的調(diào)試作用對合成碳納米管的大小、形貌、結(jié)構(gòu)、排布等進行控制。模板法通常是用孔徑為納米級到微米級的多孔材料作為模板。結(jié)合電化學(xué)、沉淀法、溶膠一凝膠法和氣相沉淀法等技術(shù)使物質(zhì)原子或離子沉淀在模板的孔壁上形成所需的納米結(jié)構(gòu)體。

模板合成法制備納米結(jié)構(gòu)材料具有下列特點：a.所用膜容易制備，合成方法簡單，能合成直徑很小的管狀材料。b.由于膜孔孔徑大小一致，制備的材料同樣具有孔徑相同。單分散的結(jié)構(gòu)。c.在膜孔中形成的納米管和納米纖維容易從模板分離出來?，F(xiàn)在對碳納米管的制備研究較多。但碳納米管的制備方法和制備工藝中仍存在許多問題有待解決。例如，某些制備方法得到的碳納米管生長機理還不明確，影響碳納米管的產(chǎn)量、質(zhì)量及產(chǎn)率的因素也不清楚。另外，目前無論哪一種方法制備得到的碳納米管都存在雜質(zhì)高、產(chǎn)率低等缺點。這些都是制約碳納米管研究和應(yīng)用的關(guān)鍵因素。如何能得到高純度、高比表面積和長度、螺旋角等可控的碳納米管。還有待研究和解決。

（1）力學(xué)性能：sp2雜化形成的C=C共價鍵是最強的價鍵之一，賦予碳納米管極強的強度、韌性及彈性模量，使碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)性能。由于碳納米管的納米尺度和易纏繞的特點，直接用傳統(tǒng)實驗方法測量其力學(xué)性能比較困難，因此最初對碳納米管力學(xué)性能的研究集中在理論預(yù)測上。初步估算，碳納米管的強度大概是鋼的100倍，碳納米管還具有理想的彈性和很高的硬度。因此用碳納米管作為金屬表面上的復(fù)合鍍層，可獲得超強的耐磨性和自潤滑性，其耐磨性要比軸承鋼高100倍，且還發(fā)現(xiàn)該復(fù)合鍍層還具有高的熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性等性能。理論估計其楊氏模量高達5TPa（1012Pa），實驗測得平均為1.8TPa，比一般的碳纖維高一個數(shù)量級，與金剛石的模量幾乎相同，為已知材料的最高模量；彎曲強度14.2GPa，是最好微米級晶須的兩倍；其彈性應(yīng)變可達5～18％，約為鋼的60倍；密度約為1.2～2.1g/cm3，僅為鋼的1/6～1/7。碳納米管還有超高的韌性，理論估算它的最大延伸率可達20%。

2、碳納米管的特性（2）電學(xué)性能：碳納米管與石墨一樣，碳原子之間是sp2雜化，每個碳原子有一個未成對電子位于垂直于層片的π軌道上，因此碳納米管具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能。但隨網(wǎng)格構(gòu)型（螺旋角）和直徑的不同，其導(dǎo)電性可呈現(xiàn)金屬、半金屬或半導(dǎo)體性，因而碳納米管的傳導(dǎo)性可通過改變管中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和直徑來變化。

（3）優(yōu)異的磁性：應(yīng)用領(lǐng)域有功率變壓器、脈沖變壓器、高頻變壓器、扼流圈、互感器磁頭、磁開關(guān)和傳感器等。將成為鐵氧體的有力的競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的碳納米管軟磁材料的高頻場中具有巨磁阻抗效應(yīng)。

（4）良好的儲氫性能：碳納米管具有比活性炭更大的比表面積，且具有大量的微孔，因此被認為是最好的吸附儲氫材料。

（5）良好的吸波性能：由于碳管的獨特分子結(jié)構(gòu)，特別是螺旋狀納米碳管，將其做成的吸波材料(Ω材料)具有比一般吸收材料高得多的光吸收率。人們可利用其這一特性著手研究在軍事隱形、蓄能、吸波等方面的應(yīng)用。含碳納米管偶極子吸波涂層主要吸波機理：含碳納米管的吸波涂層中，碳納米管作為偶極子在電磁場的作用下，會產(chǎn)生耗散電流，在周圍基體作用下，耗散電流被衰減，從而電磁波能量轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，主要為熱能。（6）光學(xué)性能：碳納米管具有卓越的發(fā)光性質(zhì)，特別是穩(wěn)定的發(fā)射光譜，很高的發(fā)光強度以及優(yōu)秀的波長轉(zhuǎn)換功能，電致發(fā)光方面低壓、節(jié)能、穩(wěn)定等優(yōu)點使得它具有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管還具有良好的光限幅性質(zhì)，可以作為一種新型的激光防護材料。（7）熱學(xué)性能：最近發(fā)現(xiàn)碳納米管是目前世界上最好的導(dǎo)熱材料。碳納米管依靠超聲波傳遞熱能，其傳遞速度可達每秒1萬米。同時發(fā)現(xiàn)的還有，即使將碳納米管捆在一起，熱量也不會從一個碳納米管傳到另一個碳納米管，這說明碳納米管只能沿一維方向傳遞熱能。

原因：其熱學(xué)性能不僅與組成它的石墨片本質(zhì)有關(guān)，而且與其獨特的結(jié)構(gòu)和尺寸有關(guān)。碳納米管反映了石墨的內(nèi)平面特性，故而它的熱傳導(dǎo)率非常高。單獨一根多壁碳納米管的室溫?zé)釋?dǎo)率預(yù)計達3000W/m?K，單獨一根單壁碳納米管室溫?zé)釋?dǎo)率達6000W/m?K，而單壁碳納米管束的室溫?zé)釋?dǎo)率大于200W/m?K。（8）化學(xué)性能：在催化研究方面，碳納米管已被用于分散和穩(wěn)定納米級的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇性。3、碳納米管的相關(guān)應(yīng)用美國和巴西科學(xué)家的一項最新研究，發(fā)現(xiàn)了碳納米管薄層在受到拉伸或壓縮時，可以表現(xiàn)出一種超乎想象的力學(xué)性質(zhì)。這一成果有望為碳納米管帶來巨大的應(yīng)用前景，比如制造人工肌肉、傳感器等。

最新研究發(fā)現(xiàn)，一種特殊的碳納米管薄層(也稱巴克紙)能夠在拉伸和均勻壓縮時，長度和寬度同時增加。新的研究成果具有重要的應(yīng)用價值，比如設(shè)計源自碳納米薄層的復(fù)合物，制造人工肌肉、墊圈、壓力傳感器和化學(xué)傳感器等。巴克紙中的多壁碳納米管在原子力顯微鏡下的圖像

比人體肌肉強30倍碳納米管人造肌肉

這種人造肌肉纖維由“成捆”的碳納米管組成，在電流的刺激下即可在水平方向上快速伸縮。而在垂直方向上，它卻極為堅韌。它在單位面積上能夠產(chǎn)生的拉力是人體肌肉的30倍，伸縮速度也要快得多。人體肌肉纖維每秒鐘可收縮10%，而這種人造肌肉則可收縮40000%。當被大幅度拉伸之后，它甚至輕的可以在空氣中漂浮起來。碳納米管“蜘蛛衣”

一教授計劃用一種名為碳納米管的超細纖維來制造“蜘蛛衣”，這種材料內(nèi)部中空。由于非常微小，它具有像壁虎剛毛一樣的吸附效果。壁虎、蜘蛛的腳上長滿了細小的剛毛，能敏銳地尋找到各種固體表面的細微凹凸并吸附在上面。

蜘蛛衣”的吸附力取決于與固體表面接觸處的碳納米管數(shù)量。這種材料的外部直徑只有幾到幾十納米，一片手掌大小的纖維中可容納數(shù)十億的碳納米管，由此產(chǎn)生的單位面積吸附力是壁虎腳的200倍。把一雙用這種材料制成、手掌面積為200平方厘米的高粘力手套粘在屋頂上，可以同時吊起14個重量為83公斤的壯漢。要移動也很簡單，只要沿著表面稍微上下左右挪動一下，粘結(jié)處就會一點點斷開。高性能超長碳納米管材料強度超過鋼

美國一家公司研制出了一種用碳納米管制成的輕薄材料，其強度超過鋼，傳導(dǎo)性能接近鋁。使用這種材料能夠制作輕便防彈衣和高導(dǎo)線纜。因納米碳管既輕又強度極高，是鋼的10-100倍，用它來作防彈衣就像用羽絨做成的防寒服一樣，既可折來疊去，又能抵御強大的子彈的沖擊力。碳納米管被單英國新漢普郡的一個技術(shù)公司制造出了世界最大的碳納米管被單，重新點燃人們的太空電梯的夢想，或許有一天我們會沿著超輕超強的碳納米管電纜，搭乘太空電梯上太空觀光旅行。碳納米管超靈敏探測器可用于細胞

在受到壓力時，細胞會吐出一股含有微量氮氧化物和其他有毒物質(zhì)的氣流。最近，美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）的研究人員成功制作了一種超靈敏氣體探測器，該探測器甚至靈敏到未來也許能探測到一個單細胞的微量排放，這為確定藥物或納米粒子是否會損害細胞或研究細胞間如何相互通信提供了一條新途徑。

碳納米管造世界最黑物質(zhì)世界上最黑的物質(zhì)一直以來是一種鎳磷合金。但是日前，美國科學(xué)家宣布他們已經(jīng)刷新記錄，制造出了地球上最黑的物質(zhì)，比鎳磷合金還要黑上三倍，能夠吸收99.9%的光線。美國標準與技術(shù)研究院將一種碳物質(zhì)作為現(xiàn)行的黑色標準，但此物質(zhì)比其還要黑上三十倍。這正是是科學(xué)家們長久以來苦苦尋找的理想黑色，它可以吸收所有的色光而不反射。此物質(zhì)的反射指數(shù)是0.045％，我們一般使用的黑漆的反射指數(shù)則是5％到10％。此物質(zhì)可用于轉(zhuǎn)換太陽能，也可用于紅外線檢測或天文觀測。裝備有納米管的超微吸管日本一個研究小組開發(fā)出一種裝備有機納米管的超微吸管，能噴出萬億分之一毫升的液體。該發(fā)明可望應(yīng)用于醫(yī)療和生物領(lǐng)域，比如向單個細胞內(nèi)注入極其微量的物質(zhì)或吸取細胞成分等。

碳納米管具有獨特催化性能

納米碳管與納米粒子“協(xié)同束縛效應(yīng)”示意圖

研究結(jié)果表明，組裝在內(nèi)徑為4~8納米的多壁碳管內(nèi)的Rh-Mn催化劑，催化生成碳二含氧化合物的產(chǎn)率明顯高于直接擔(dān)載在相同碳管外壁的催化劑，當添加金屬鐵和鋰等助劑后，每小時在每摩爾銠催化劑上生成的乙醇量高達84mol。這類復(fù)合催化劑上所表現(xiàn)出的獨特催化性能為碳納米管和金屬納米粒子體系的“協(xié)同束縛效應(yīng)”所致。碳納米管涂料可作加熱層

英國研究人員發(fā)現(xiàn)，一種透明的含碳納米管涂料可以通過加熱來清潔擋風(fēng)玻璃或鏡子，加厚的不透明涂層則可以把樓房的整個地板變成暖氣裝置。這種涂料可以噴在任何物體表面，它的液體底料含有可導(dǎo)電的納米管混合物。隨著液體變干，納米管在涂料內(nèi)形成可讓電流通過的傳導(dǎo)網(wǎng)，從而使整個涂層變熱。我們能用一種透明涂層加熱整個表面，它可以用來清潔沾了水或結(jié)了冰的擋風(fēng)玻璃或鏡子。研究人員希望這項技術(shù)能取代汽車擋風(fēng)玻璃的嵌入式電阻絲加熱裝置。除了比電阻絲加熱更均勻以外，納米管涂層的抗損性能也很好。電阻絲一斷，整個加熱器就不起作用了，而這種新式涂層在有斷裂的情況下仍能加熱。納米碳管儲氫材料碳納米管是直徑非常細的中空管狀納米材料，它能夠大量地吸附氫氣，成為許多個“納米鋼瓶”。研究表明，約2/3的氫氣能在常溫常壓下從碳納米管中釋放出來。據(jù)預(yù)測，不久后就可以生產(chǎn)出氫氣汽車，只需攜帶1.5升左右的儲氫納米碳管，即可行駛500km。碳納米管放電與新型檢測儀器使用靜電力顯微鏡獲取了這張絳蟲狀的圖像，圖中展示了直徑為18nm的碳納米管發(fā)出的電荷。靜電力顯微鏡影響了靜電力，從而獲取了這些圖像，這是無法通過掃描隧道顯微技術(shù)實現(xiàn)的。靜電力顯微鏡是一種非常簡易的方法，它可以在納米世界中觀察包括納米管在內(nèi)任何物體的靜電性。科學(xué)家希望此項研究能帶來一種新電子設(shè)備的誕生。圖中明亮的光暈是由納米管帽發(fā)射出的電荷所產(chǎn)生的，放電時，納米管則變暗。碳納米管發(fā)出的電荷碳納米管單分子發(fā)光元件

IBM宣布成功開發(fā)出了由單分子碳納米管構(gòu)成的發(fā)光元件。該發(fā)光元件的尺寸為世界最小。制造成功可電控的元件。這將推動碳納米管在納米級電子工程學(xué)和光元件領(lǐng)域的應(yīng)用研究。IBM開發(fā)的發(fā)光元件為直徑1.4nm的納米管狀單分子。研究小組已確認其可發(fā)出波長1.5μm的光?！斑@一波長的光廣泛應(yīng)用于光通信領(lǐng)域，極具應(yīng)用價值”（IBM）?！坝捎谥睆讲煌募{米管會產(chǎn)生波長不同的光，因此有望應(yīng)用于其他領(lǐng)域”（同上）。

碳納米管具有優(yōu)異的場發(fā)射性能。直徑細小的碳納米管可以用來制作極細的電子槍，在室溫及低于80伏的偏置電壓下，即可獲得0.1～1微安的發(fā)射電流。開口碳納米管比封閉碳納米管具有更好的場發(fā)射特性。與目前的商用電子槍相比，碳納米管電子槍具有尺寸小、發(fā)射電壓低、發(fā)射密度大、穩(wěn)定性高、無需加熱和無需高真空等優(yōu)點，有望在新一代冷陰極平面顯示器中得到應(yīng)用。納米碳管場發(fā)射顯示器用納米碳管解決個人計算機內(nèi)部散熱

納米碳管可以解決個人計算機內(nèi)部的散熱問題。因為納米碳管導(dǎo)熱的效果極佳，而且管子很小，且能在聚合物或涂層中懸浮。

新納米碳管取代矽晶片

矽是目前最常見的電腦芯片原料，矽晶片將在未來幾年達到最小極限尺寸。在那之后如果繼續(xù)縮小矽晶片，就會影響到它的性能。納米管的性質(zhì)使其有可能用來制造較矽晶片更小的晶片。新納米管碳管既能發(fā)光也能感光，與過去的設(shè)計不同。這就意味著它有望讓分子發(fā)出少量的光，因而或能適用于醫(yī)學(xué)或安全