国内外纳米材料研究进展

（中国科学院固体物理研究所张立德研究员）一、国际纳米科技发展态势和特点纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前２０年的主导技术。美国科学技术委员会，２０００年３月向美国政府提出报告，把启动纳米技术的计划，看作是下一次工业革命的核心。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略的高度，重新布局纳米材料研究。纳米材料诞生１０多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进．Ｋ９０年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。它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。从１９９９年开始，美国政府决定把纳米技术研究列入２ｌ世纪前１０年的１１个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握２ｌ世纪可能取得重要突破的３个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为信息科学和技术、生命科学和生物技术）。即使是信息技术和生物技术在２１世纪内涵也要发生变化，这二个重要领域的发展也必须和纳米技术相结合，推动技术全面升级。如下～代的超高密度存储、器件的超小型化、单电子器件、自旋器件和随穿器件的问世，生物芯片技术进入生物体内工作的超小型机器人、超微型生物传感器都是以纳米技术为基础才有发展的机遇。布什总统上台以来，比克林顿时代更重视发展纳米技术，并制定新的目标，到２０１０年美国要培养８０万真正懂纳米科技的人才，要提供２００万个新就业机会，要使美国纳米技术对ＧＤＰ的贡献达到ｌｏｏｏｏｌＬ美元。美国从２０００年开始，政府对纳米技术的投资逐年增加，２００１年为５．７个亿，２００２年为６．３个亿，预计２００３年为７．１个亿。美国白宫之所以在２ｌ世纪初如此重视发展纳米技术，其原因有两个方面：一是德科学技术部和其它权威部门预测到２０１０年，估计能达到２万亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有一半的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术未来的应用远远超过计算机工业。美国白寓战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系的高比表面纳米颗粒制备与合成方面领先世界的潮流。在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。１９９９年７月，美国加尼福尼亚大学洛杉机分校与惠普公司合作研制成功１００ｎｍ芯片，２００２年３月７日在美国硅谷正式建设一条纳米锌片生产线，从实验室的研究成果，经过二年的努力，就实现了规模生产，转化速度之快令人吃惊。美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于１９９８年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，１０－１ｌｂｉｔｓ／ｉｎ２。美冒商家已组织有关人员迅速转化，预计２００５年市场为４００ｔＬ美元。１９８８年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到１９９７年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种既具有颜料、又具有染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印像带来革命性变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。２００２年美国科学进展正式发布消息，经过科学家们的努力，分子结构和纳米结构器件和线路的研究成果已基本接近或达到工业界要求的水平，美国康乃尔大学和密歇根大学以成功的制备了近入血管的机器人，利用激光和单壁碳管技术解决了机器人的动力，发展了微轴承、微齿轮、微连杆和微传感器一体化的组合技术；值得重视的是美国正在研发新的机器人，通过与生物酶相配合，可以从人体实物链获取能量，维持生物体内机器人的正常工作。加拿大多伦多的科技人员以Ｃ６０为载体，高聚物为过渡层，外包覆生物蛋白和抗病毒的药物，并以纳米硒为靶向，制备了新型抗爱滋病的药物，这些成果都显示出纳米技术的魅力。权威人士估计纳米技术比原预计提前到来５年～６年，纳米时代正在向我们大踏步走来。纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究占有绝对优势地位。在富有挑战的２ｌ世纪，世界各国都对富有战略意义的纳米科技领域予以足够的重视，特别是发达国家都从战略的高度部署纳米材料和纳米科技的研究，目的是提高在未来ｌｏ年乃至２０年在国际中的竞争地位。日本国会正式提出要把发展纳米技术作为日本国特别是前２０年的“立国之本”，重振日本经济。最近又出台了一系列发展纳米技术的战略规划，日本一些大的公司，如Ｅｌ立、三井物业、三菱化工、五田药业、松下、东芝等今年以来纷纷制定了二年内发展纳米实用化技术的计划，十分重视从ｒｒ产业切入，加速纳米技术的发展。韩国在汉阳大学成立了纳米技术研究院，并与三星公司合作，共建纳米科技中心，以显示技术为主体，全面发展纳米技术，力争在这领域做出二、三项领导世界潮流的新产品。最近以成功制备了Ｉｍ７０．５ｍ的以碳管为场发射主体材料平板显示器。台湾地区仅工研院今年获得了５０亿新台币的科研经费用于发展纳米技术，要以ＩＴ产业为突破口，带动应用纳米技术的发展，以继续保持台湾在微电子时代ＩＴ产业的优势。德国、英国、法国、瑞典、加拿大、澳大利亚、墨西哥等国家都根据国际纳米科技发展的最新动态，重新制定了纳米科技的发展战略。从各国对纳米材料和纳米科技的部署来看，发展纳米材料和纳米技术的战略是：（１）以未来的经济振兴和国家实际的需求为目标，牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究，（２）组织多学科的科技人员交叉创新，做到基础研究、应用研究并举，纳米科学、纳米技术并举，重视基础研究和应用研究的衔接，重视技术集成；（３）重视发展纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式的发展。根据国际纳米科技的发展趋势，应把重点放在纳米技术的实用化方面，以推动生产方式的变革和生产力的高速发展，为经济繁荣作贡献，并以此来带动纳米科学技术的基础研究。二、国内纳米科技研究的现状国内关于纳米材料和技术的研究，也取得重要的进展。为了使我国纳米材料和技术研究走向世界，在国际上占有重要地位，抢占国际市场，从前瞻性、战略性、基础性来考虑，应该合理布局纳米材料、基础研究和应用研究，要重视纳米技术的创新。纳米技术内涵广泛，从材料的角度，纳米技术包括纳米材料的制备技术、纳米颗粒表面的控制、改性和修饰技术，以及把纳米材料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。大面积定向碳管阵列合成：刊ｆｆ＝｜化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，直径基本一致，约２０ｈｍ。长度约ｌ８２１００ｍｍ，纳米管阵列面积达到３ｒａｍ×３ｍｍ。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为１００ｍｍ。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示和场发射阴极等方面有着重要应用前景。今年，中科院物理所和长春物理所合作，以纳米碳管为发射源，制备了２英寸场发射动态扫描显示屏，为设计新型场发射平板显示器件奠定了基础；超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为２－３ｍｍ的超长定向碳纳米管阵列。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高１—２个数量级；氮化嫁纳米棒制备：首次乖Ｊ用碳纳米管作模板成功地制备出直径为３－４０ｎｍ、长度达微米量级的发蓝光氮化镓一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为１９９８年度中国十大科技新闻之一；硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在纳米器件方面的应用；准一维纳米丝和纳米电缆：应Ｔ用溶胶凝胶与碳热还原相结合的新方法，首次合成了碳化钽（ＴａＣ）纳米丝外包覆绝缘体Ｓｉ０２、ＴａＣ纳米丝外包覆石墨、ＧａＮ外包ＢＮ、和ＧａＮ外包Ｓｉ０２纳米电缆，还合成了以ＳｉＣ纳米丝为芯的纳米电缆，当前在国际上仅少数研究小组合成这种材料，近年来Ｓｉ３Ｎ４、Ｓｉ０２和ＩｎＮ３纳米线也是我国科技工作者率先合成的。在软化学方法合成准一维纳米半导体材料，我国科技工作者也做了有显示度的工作；用苯热法制备岩盐相纳米氮化镓微晶：发展了溶剂热合成技术，首次在３００。Ｃ左右制成粒度达３０ｎｍ的氮化镓微晶，还用非水热合成法，制备了金刚石纳米粉。发表在１９９８年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为”稻草变黄金一从四氯化碳（ＣＣｌ４）制成金刚石”一文，予以高度评价；仿生超双疏纳米结构二元协调界面的设计与合成技术有新的突破：合成了大面积类荷叶结构的超双疏纳米碳管薄膜，论文发表在国际著名的应用化学刊物；有序纳米结构徽阵列的制备技术有新的推进：纳米线微阵列合成质量显著地提高，掌握了在纳米孔洞内生长单晶纳米线的基本条件，首次合成了纳米Ｉｎ２０３、ＧａＯ、Ｂｉ纳米微阵列，研究了纳米Ｂｉ线微阵列的磁学性质和导电特性，受到了国外同行的重视，其中纳米硅单晶微阵列高分辨点阵线的研究很有特色。在体材料巨磁电阻研究领域，中国也做出了有显示度的工作。在Ｚｎ０．５＋ｙＦｅ２．５一ｙ０４／ａ—Ｆｅ２０３的结构中发现了低场巨磁电阻效应：在磁场为０．５个特斯拉，温度为４．２Ｋ时这种复相材料的磁电阻高达１３８０％。这属于首次发现，并对机理进行卓有成效的讨论。最近我国科学家又成功地合成了直径最小的碳纳米管；还发现了纳米金属铜的超延展性。在”八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地。无论从研究对象的前瞻性、基础性还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发鼹，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化中也发挥了重要的作用。制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料和纳米复合材料，近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、ＭＣＭ一４１等）组装体系的多种方法，特别是白组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外廷生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一维纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际９０年代末的先进水平。当前纳米材料应用开发正处于一个千载难逢的大好时机，挑战严峻，但也充满了机遇。纳米材料应用开发合作应做到三个结合：一、纳米技术和传统技术相结合ｔ二、纳米专家与各领域技术革新专家相结合；三，纳米专家与企业家相结合。这种做法是开发纳米材料和技术新产品，进入市场十分重要的措施。纳米材料和技术领域新产品的创新必须以市场为导向、需求为索引，要十分重视纳米材料向各个领域的应用技术的创新，开拓纳米材料产品的市场，带动上游纳米粉体技术的创新，必须明确纳米粉体的应用目标，以市场为推动力，带动纳米技术的成熟。到目前为止，我国已建立纳米材料和技术的生产线１０多条。纳米复合、塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用，纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司有三百多个，企业家对纳米材料和技术的关注和介入，为纳米技术产业的形成注入了新的活力。在富有挑战的２ｌ世纪，一批新兴的纳米技术产业一定会崭露头角，为我国国民经济可跨跃的发展做出新的贡献。三、发展我国纳米科技的基本策略和建议面对国际纳米科技快速发展的新形势，我们必须重新思考发我国发展纳米技术的总体战略，要充分认识到发展纳米技术是关系到我国在未来政治经济竞争格局中的地位，只有把认识提高到这样的高度，才能积极的制定适合我国国情的发展纳米技术上战略规划。我国发展纳米技术的指导思想是：纳米材料和技未蕴藏着巨大的潜力，为传统产业升级带来新的商机，为高科技产业注入新的活力。脚踏实地的有效运用和开发纳米材料和技术，将为我国国民经济的增长带来不可多得的机遇。１．结合国家的战略需求，重点在能源（石油开采和煤的综合利用），环境和水处理、医药健康和新材料等领域加快发展纳米技术，促使这些领域在技术上实现跨越式的发展。２．纳米技术向传统产业切入，调整产品结构，注入高科技含量，为实现我国传统产业升级，促进ＧＤＰ的增长做出贡献。３向高科技产业渗透，要抓住信息领域中产品升级对新材料需求的机会，开发纳米材料和技术。我国发展纳米产业的目标是：在５年到ｌＯ年的时间，建立十到二十个国家级纳米技术工程中心，成为我国发展纳米实用化技术的创新源头。通过技术转移，为我国纳米技术产业成为新经济增长点奠定基础，力争在１０年内，在全国建立十个到二十个纳米技术骨干产业。主要任务和优先发展的领域是：近期重点发展纳米材料和技术的实用化，部署应用和基础研究加快进入市场的步伐。要贯彻政府引导和市场竞争相结合的方针，重视调动社会的积极性，多渠道筹措资金，发展多种纳米技术。重点解决纳米材料产业化中的粉体分散、生产过程中的环保以及应用中的高成本等问题，在带有共性的关键纳米技术方面要拥有自主知识产权，推动我国纳米产业的快速发展。应重点发展的领域：纳米材料在石油开采中的ｆ—ｉ用拽术、煤燃烧综合利用的纳米材料和技术、纳米材料和技术在水处理上的应用、特种纳米材料产业。这包括纳米碳管、纳米稀土材料、高含能纳米材料、纳米硅及其化合物粉体、天然纳米材料改性的工程塑料和橡胶产业、纳米电子陶瓷基料和添加材料的产业、纳米功能涂层、纳米建筑涂料和纳米固体润滑产品产业。还要注意在信息产业、医药卫生和生物技术产业发展和应用纳米技术。为了使我国纳米科学技术健康快速发展，必须采取有力的措施，推动我国纳米科学技术的繁荣。当前急需要做的几件事情是：１．媒体要全面正确宣传纳米材料和技术的科学内涵，纠正乱用和炒作纳米概念的不正之风，提倡各领域专家协同创新，促进纳米技术向各个领域交叉渗透。２．建立纳米技术实用化和产业化基金，加大对纳米技术和产业发展的资金扶持力度。形成政府、企业、金融部门、社会等多面的投资渠道，支持纳米产业的发展。制定优惠税率、贷款贴息等相关政策，引导企业、金融部门、风险投资机构及社会闲散资金投入到纳米技术和产业的发展中。３．建立一批从事纳米技术研究和产业化开发的重点实验室和工程技术研究中心，并与纳米产业挂钩，增强纳米产业发展的动力。４．建立国家级纳米技术产业认定、评价中心和纳米技术产品标准制定中心。负责和指导纳米技术的行业标准和产品标准。５．制定纳米产业核心技术自主知识产权的保护措施，鼓励申请国际发明专利，并予以适当财政补贴。６．成立非常设纳米产业发展指导协调委员会和咨询专家组，对全国纳米材料和技术的发展进行宏观咨询、指导和协调。７．建议成立国家纳米技术学会和国家纳米产业协会，促进纳米技术的交流，推进纳米产业健康发展。８．从现在开始要特别重视纳米技术人才的培养，教育部门要把纳米科学和技术作为重要的学科加强建设，传统学科领域要注意与纳米科学技术相结合，充实纳米科学技术的内涵，使传统学科的知识与国际前沿接轨。三鬻篓新材料产业发展促进委员会一、概述员２６０余人。简介新材料产业发展促进委员会（以下简称促进会）是１９９９年１０月在共青团中央和中华全国青年联合会的支持下，由中国青年科技工作者协会副会长李建保教授等一批材料领域青年专家，在浙江杭州西湖畔发起成立的。经过近两年时间的精心筹备，２００１年７月，促进会在青岛召开第一届会员代表大会，正式成立。促进会现有注册会２００１年促进会获团中央颁发的“中国青年科技创新行动先进集体奖”。国内外纳米材料研究进展

作者：作者单位：

张立德

中国科学院固体物理研究所

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